图 13 · 机器人实验室 · ROS 2 大脑

Raspberry Pi 5

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实验台

还没有读数

电源（5 V 电源轨）

还没有读数

电流消耗

0 mA

组装与弄坏

1组装下一步
拆到只剩裸 PCB
拔掉电源，然后拆下所有零件。Pi 5 和任何现代电路板一样组装：先装贴片元件，再从矮到高装直插接口，最后装 microSD 卡和 Active Cooler。
2
贴装 SMD 元件，然后回流焊
3
装上矮的直插零件
4
装上高的接口
5
焊接直插焊点
6
插入 microSD 卡
7
装上 Active Cooler
8
插上 27 W USB-C 电源
9
运行 ROS 2 驱动节点
10
检查电源和温度
11
弄坏它：用 5 V 2 A 手机充电器供电弄坏它
12
弄坏它：不装 Active Cooler 运行弄坏它
13
弄坏它：风扇插座虚焊弄坏它
14
弄坏它：电机接在 Pi 的 5 V 上弄坏它
15
弄坏它：机器人的 5 V 接反了弄坏它
16
弄坏它：5 V 引脚上接 12 V弄坏它
17
爆炸视图

故意弄坏它

每一种故障都真实地困扰过动手的人。触发它，在实验台上读出症状，然后把它修好。

手机充电器导致欠压
电压不对
为什么会这样
症状: 电源读数为 4.6 V，时钟降到 1.5 GHz，get_throttled 显示 0x50005，内核日志记录 'Undervoltage detected!'。
Pi 5 在电压低于 4.63 V（±5 %）时发出欠压标志。5 V 2 A 的手机充电器和一根细线在 Pi 的负载下会掉压，于是固件限制时钟频率。电源太弱还会导致随机重启、SD 卡损坏和 USB 设备掉线。
修复方法: 使用官方 5 V 5 A（27 W）USB-C 电源。
没有装 Active Cooler
过热
为什么会这样
症状: CPU 温度升到 80 °C 以上，时钟从 2.4 GHz 向 1.5 GHz 下降，get_throttled 显示 0x40004，驱动节点发出过热警告。
固件从 80 °C 开始逐级给 Arm 核心降频，到 85 °C 时 GPU 也降频。在 ROS 2 负载下，裸露的 BCM2712 很快就会到达这个温度，而 1.5 GHz 只有全速的 62.5 %。
修复方法: 断开电源，重新装上 Active Cooler，并把它的线插到风扇接口上。
风扇接口虚焊
虚焊
为什么会这样
症状: 风扇时停时转，它的占空比在 0 和曲线值之间跳动，CPU 运行得更热。
虚焊是一团从未润湿焊盘的暗淡、粗糙的焊锡，所以它只是时有时无地接触。每一次振动，风扇的电源或 PWM 引脚都会断开。
修复方法: 重新焊好这个焊点：同时加热焊盘和引脚，加一点新焊锡，让它凝固成一个发亮的内凹焊角。
欠压：电机接在 Pi 的 5 V 电源轨上
欠压
为什么会这样
症状: 电源跌落，LED 熄灭后又亮起，终端反复打印启动日志：每次电机启动，Pi 都会复位。
一个 TT 减速电机在启动或堵转时要拉 1.2-1.5 A。两个电机加上 Pi 的 0.8 A，超过了机器人 3 A 降压模块能提供的电流，所以 5 V 崩溃，板子复位。
修复方法: 电机由电池经过一个受 ESP32 控制的电机驱动器供电，并给 Pi 配上它自己的 5 V 5 A 电源。
GPIO 5 V 引脚电源接反
电源接反
为什么会这样
症状: 什么都启动不了，电源进入限流状态，PMIC 发烫。
USB-C 有防呆设计，插不反，但排针上的 5 V 引脚直接连到 5 V 输入电源轨，没有任何保护。接反时，电流反向流过 PMIC，把它烧毁。
修复方法: 把两根线对调：5 V 接第 2 或第 4 脚，地接第 6 脚。更好的办法是通过 USB-C 给 Pi 供电。
5 V 引脚上接 12 V
电压不对
为什么会这样
症状: PMIC 立刻烧毁，板子再也没有反应。
5 V 引脚绕过了所有稳压器：你给它们加什么电压，就直接到达 PMIC 的输入端。一块 3S 电池（11.1-12.6 V）是 PMIC 设计电压的两倍还多。
修复方法: 5 V 引脚只能由稳压的 5 V 电源供电，例如设为 5.1 V 的降压模块，或者改用 USB-C。
没有 microSD 卡
缺少零件
为什么会这样
症状: LED 一直是红色：板子有电，但没有出现启动日志。
Pi 5 自己没有操作系统。它 SPI 闪存里的引导程序会在卡上寻找操作系统（如果你设置了启动顺序，接着找 USB 和网络），结果什么也没找到。
修复方法: 断开电源，插入一张用 Raspberry Pi Imager 写好的卡，再重新通电。
没有装 PMIC
缺少零件
为什么会这样
症状: 一点光都没有：板上什么都没有通电。
DA9091 用 5 V 输入产生所有电源轨。没有它，任何芯片都得不到电。
修复方法: 把 U4 装回去并回流焊。
没有装 BCM2712
缺少零件
为什么会这样
症状: LED 一直是红色：电源轨建立了，但没有启动日志，也没有绿灯。
BCM2712 就是这台电脑本身：四个 Arm 核心、GPU 和内存控制器。电源轨建立了，但没有东西来运行引导程序。
修复方法: 把 U1 装回去并回流焊。
没有装内存
缺少零件
为什么会这样
症状: LED 一遍又一遍地闪八下短促的绿光，启动停止。
引导程序找不到任何 SDRAM，于是显示文档中记载的闪烁码 0L8S：零次长闪和八次短闪，表示 'SDRAM failure'。
修复方法: 把 U2 装回去并回流焊。
没有装 RP1
缺少零件
为什么会这样
症状: LED 闪四长三短，没有 USB、没有以太网，也没有 GPIO。
Pi 5 上的每个接口都来自 RP1。固件找不到它，就显示文档中记载的闪烁码 4L3S，表示 'RP1 not found'。
修复方法: 把 U3 装回去并回流焊。

认识这个实验台

组装好它，存储卡和散热器最后装，然后用真正的 5 A 电源给它供电

Raspberry Pi 5 是机器人的大脑，而不是它的脊髓：一台 2.4 GHz 四核 Linux 电脑，运行 ROS 2、SLAM Toolbox、Nav2 和摄像头处理流程。Linux 不是实时系统，所以电机和平衡控制回路放在一块 ESP32 或 Nano 上，它通过 USB 串口和 Pi 通信，和微雪 UGV Rover 的分工一样。从裸板开始一步步装起来，给它装上 microSD 卡和 Active Cooler 主动散热器，接上真正的 5 V 5 A 电源，然后看着终端。这里的热量变化大约比真实板子快十倍，所以台面上要几分钟才能看到的现象，在这里几秒钟就能看到。

资料来源

实验台上

已选择

即时：立刻切换，不用上传

代码：启动并检查

# boot_check.py：第一次启动后运行它，确认 Pi 一切正常
# 在全新的 SD 卡上，先更新：
#   sudo apt update && sudo apt full-upgrade
from pathlib import Path
import subprocess


def vcgencmd(*args):
    out = subprocess.run(['vcgencmd', *args], capture_output=True, text=True, check=True)
    return out.stdout.strip()


model = Path('/proc/device-tree/model').read_text().rstrip('\x00')
print(model)                             # Raspberry Pi 5 Model B Rev 1.0
print(vcgencmd('get_throttled'))         # throttled=0x0：电源从未跌落过
print(vcgencmd('measure_temp'))          # CPU 温度
print(vcgencmd('measure_clock', 'arm'))  # Arm 时钟：全速时为 2400000000 Hz

练习任务

0/3 个任务

写好代码，然后运行检查。运行使用虚拟时钟和预先编排好的外部世界，所以同样的代码总是得到同样的结果。

用定时器以 10 Hz 发布 /cmd_vel

Python

初始代码用一个带 time.sleep(0.1) 的 while 循环来驱动机器人。这会阻塞节点，rclpy 永远没法运行它的回调，而且周期会随着每次发布所花的时间而漂移。用 ROS 2 的方式重写它：一个 0.1 s 的定时器，发布 Twist（前进 0.2 m/s，转向 0.5 rad/s）并记录发送的内容，然后调用 rclpy.spin()。

检查

尚未运行使用 0.1 s 定时器和 rclpy.spin，没有 sleep 循环
尚未运行每秒十次发布 0.20 m/s 和 0.50 rad/s
尚未运行运行 2 秒没有出错

提示

节点开始 spin 后，self.create_timer(0.1, self.tick) 会每 0.1 s 调用一次 tick。
用 self.get_logger().info(f'linear.x={msg.linear.x:.2f} angular.z={msg.angular.z:.2f}') 记录每条消息。
把 Drive().run() 换成 node = Drive() 和 rclpy.spin(node)。

用定时器以 10 Hz 发布 /cmd_vel 的代码

把 /cmd_vel 变成轮速

Python

ESP32 驱动两个轮子，所以 Pi 要把每个 Twist 拆成左轮和右轮的速度：left = v − ω·b/2，right = v + ω·b/2，其中 b 是两轮之间的距离。完成底盘节点：声明一个 wheel_base 参数（0.16 m），订阅 cmd_vel，并记录两个速度。

检查

尚未运行声明了 wheel_base 并订阅了 cmd_vel
尚未运行每条消息都记录 left=0.16 right=0.24 m/s

提示

self.declare_parameter('wheel_base', 0.16)，然后用 self.get_parameter('wheel_base').value 读取它。
self.create_subscription(Twist, 'cmd_vel', self.on_cmd, 10) 会对每条消息调用 on_cmd。
v = 0.2 m/s、ω = 0.5 rad/s、b = 0.16 m 时，得到 left = 0.16 m/s 和 right = 0.24 m/s。记录 f'left={left:.2f} right={right:.2f} m/s'。

把 /cmd_vel 变成轮速的代码

三个节点：传感器、滤波、安全停车

Python

一个不需要机器人的多节点系统。传感器节点发布一个逐渐逼近墙壁的距离（2.0 m、1.9 m、1.8 m……频率 10 Hz）。写一个滤波节点，对最近 window 个读数（一个参数，4）求平均并发布 range_avg；再写一个安全节点，当平均值低于 stop_m（一个参数，0.5 m）时在 cmd_vel 上发布一个零 Twist，并只警告一次。在真实的 Pi 上还可以更进一步：你自己的 .msg 和 .srv 类型、一个带参数的 Python launch 文件，然后用 ros2 bag record 录制并回放。

检查

尚未运行声明了 window 和 stop_m 并订阅了 range
尚未运行滤波节点对每个读数都记录一个平均值
尚未运行安全节点在 2 秒内于 0.45 m 处停车

提示

滤波：维护一个列表，追加每个读数，长度超过窗口时 pop(0)，然后发布 sum / len。
安全：记住你已经停下来了，这样警告只打印一次。
窗口为 4 时，平均值第一次低于 0.5 m 是在 0.45 m：记录 f'obstacle at {msg.data:.2f} m: stop'。
在 Pi 上：ros2 pkg create --build-type ament_python my_robot，一个带 DeclareLaunchArgument 的 launch 文件，然后 ros2 bag record -a 和 ros2 bag play。

三个节点：传感器、滤波、安全停车的代码

组装与弄坏

1组装下一步

拆到只剩裸 PCB

拔掉电源，然后拆下所有零件。Pi 5 和任何现代电路板一样组装：先装贴片元件，再从矮到高装直插接口，最后装 microSD 卡和 Active Cooler。

贴装 SMD 元件，然后回流焊

装上矮的直插零件

装上高的接口

焊接直插焊点

插入 microSD 卡

装上 Active Cooler

插上 27 W USB-C 电源

运行 ROS 2 驱动节点

检查电源和温度

弄坏它：用 5 V 2 A 手机充电器供电弄坏它

弄坏它：不装 Active Cooler 运行弄坏它

弄坏它：风扇插座虚焊弄坏它

弄坏它：电机接在 Pi 的 5 V 上弄坏它

弄坏它：机器人的 5 V 接反了弄坏它

弄坏它：5 V 引脚上接 12 V弄坏它

爆炸视图

实验台上

已选择

即时：立刻切换，不用上传

代码：启动并检查

# boot_check.py：第一次启动后运行它，确认 Pi 一切正常
# 在全新的 SD 卡上，先更新：
#   sudo apt update && sudo apt full-upgrade
from pathlib import Path
import subprocess


def vcgencmd(*args):
    out = subprocess.run(['vcgencmd', *args], capture_output=True, text=True, check=True)
    return out.stdout.strip()


model = Path('/proc/device-tree/model').read_text().rstrip('\x00')
print(model)                             # Raspberry Pi 5 Model B Rev 1.0
print(vcgencmd('get_throttled'))         # throttled=0x0：电源从未跌落过
print(vcgencmd('measure_temp'))          # CPU 温度
print(vcgencmd('measure_clock', 'arm'))  # Arm 时钟：全速时为 2400000000 Hz

三个节点：传感器、滤波、安全停车

Python

检查

尚未运行声明了 window 和 stop_m 并订阅了 range
尚未运行滤波节点对每个读数都记录一个平均值
尚未运行安全节点在 2 秒内于 0.45 m 处停车

提示

滤波：维护一个列表，追加每个读数，长度超过窗口时 pop(0)，然后发布 sum / len。
安全：记住你已经停下来了，这样警告只打印一次。
窗口为 4 时，平均值第一次低于 0.5 m 是在 0.45 m：记录 f'obstacle at {msg.data:.2f} m: stop'。
在 Pi 上：ros2 pkg create --build-type ament_python my_robot，一个带 DeclareLaunchArgument 的 launch 文件，然后 ros2 bag record -a 和 ros2 bag play。

三个节点：传感器、滤波、安全停车的代码

Raspberry Pi 5

实验台

组装与弄坏

拆到只剩裸 PCB

贴装 SMD 元件，然后回流焊

装上矮的直插零件

装上高的接口

焊接直插焊点

插入 microSD 卡

装上 Active Cooler

插上 27 W USB-C 电源

运行 ROS 2 驱动节点

检查电源和温度

弄坏它：用 5 V 2 A 手机充电器供电弄坏它

弄坏它：不装 Active Cooler 运行弄坏它

弄坏它：风扇插座虚焊弄坏它

弄坏它：电机接在 Pi 的 5 V 上弄坏它

弄坏它：机器人的 5 V 接反了弄坏它

弄坏它：5 V 引脚上接 12 V弄坏它

爆炸视图

故意弄坏它

手机充电器导致欠压

没有装 Active Cooler

风扇接口虚焊

欠压：电机接在 Pi 的 5 V 电源轨上

GPIO 5 V 引脚电源接反

5 V 引脚上接 12 V

没有 microSD 卡

没有装 PMIC

没有装 BCM2712

没有装内存

没有装 RP1

实时状态

电流消耗

自我检测

在这一步之后：贴装 SMD 元件，然后回流焊

在这一步之后：焊接直插焊点

在这一步之后：插上 27 W USB-C 电源

在这一步之后：运行 ROS 2 驱动节点

在这一步之后：弄坏它：用 5 V 2 A 手机充电器供电

在这一步之后：弄坏它：不装 Active Cooler 运行

实验台总测验

认识这个实验台

资料来源

实验台上

练习任务

用定时器以 10 Hz 发布 /cmd_vel

检查

把 /cmd_vel 变成轮速

检查

三个节点：传感器、滤波、安全停车

检查

Raspberry Pi 5

实验台

组装与弄坏

拆到只剩裸 PCB

贴装 SMD 元件，然后回流焊

装上矮的直插零件

装上高的接口

焊接直插焊点

插入 microSD 卡

装上 Active Cooler

插上 27 W USB-C 电源

运行 ROS 2 驱动节点

检查电源和温度

弄坏它：用 5 V 2 A 手机充电器供电弄坏它

弄坏它：不装 Active Cooler 运行弄坏它

弄坏它：风扇插座虚焊弄坏它

弄坏它：电机接在 Pi 的 5 V 上弄坏它

弄坏它：机器人的 5 V 接反了弄坏它

弄坏它：5 V 引脚上接 12 V弄坏它

爆炸视图

故意弄坏它

手机充电器导致欠压

没有装 Active Cooler

风扇接口虚焊

欠压：电机接在 Pi 的 5 V 电源轨上

GPIO 5 V 引脚电源接反

5 V 引脚上接 12 V

没有 microSD 卡