Roboter-Autos mit dem ESP32

Wer braucht schon einen Telsa, wenn man sein eigenes E-Auto bauen kann? Dein Flitzer wird zwar ein bisschen kleiner als ein richtiges Auto werden, dafür kannst du ihn selbst bauen, programmieren und steuern. Ingmar Stapel zeigt dir in diesem Buch, welche Werkzeuge und Teile du brauchst und wie sie zusammenpassen. Für die Programmierung gibt es ausführliche Codebeispiele und die Unterstützung eines KI-Helfers. Und zum krönenden Abschluss bringst du deinem Auto bei, selbstständig durch die Wohnung zu fahren. Aus dem Inhalt: - Werkzeuge und Teile - Das Chassis aus dem 3D-Druck - Antrieb, Akku und Verkablung: die Energie für dein Auto - Das Gehirn: das ESP32 Dev Kit - Schritt für Schritt: die Montage des Autos - Programmierung mit KI: richtiges Prompting, ohne den Überblick zu verlieren - Steuerung programmieren: umfassende Codebeispiele, die zeigen, wie's geht - Sensoren auslesen, Spuren folgen und immer im Gleichgewicht bleiben - Autonom fahren mit Ultraschallsensor und GPS-Modul - Dein Auto wird smart: das OpenBot-Framework - Daten sammeln und KI trainieren

Ingmar Stapel studierte technische Informatik und ist aktuell im internationalen Bankenumfeld als IT-Projektleiter tätig; daneben beschäftigt er sich seit Jahren intensiv mit dem Raspberry Pi und der Robotik. Dieses Wissen teilt er gerne auf Vorträgen zum Thema Robotik mit Interessierten aus der Bastler-Szene. Auf seinen privaten Blogs schreibt er außerdem zu vielen aktuellen Techniktrends und berichtet von seinen Reisen.

Materialien zum Buch ... 18 Vorwort ... 19 TEIL I. Baue dein eigenes Roboter-Auto ... 23 Kapitel 1. Dein Roboter-Auto zum Selberbau ... 25 1.1 ... Warum überhaupt ein Roboter-Auto bauen? ... 25 1.2 ... Für wen ist dieses Projekt geeignet? ... 27 1.3 ... Mehr als nur Likes: dein Projekt, deine Zukunft ... 27 Kapitel 2. Die richtige Ausrüstung: Werkzeuge für das Roboter-Auto-Projekt ... 29 2.1 ... Warum die richtigen Werkzeuge wichtig sind ... 29 2.2 ... Die wichtigsten Werkzeuge für dein Roboter-Auto-Projekt ... 30 2.3 ... Gut verlötet ist halb gewonnen -- Grundlagen des Lötens ... 31 2.4 ... Vorbereitung ist alles ... 36 Kapitel 3. Das Chassis: die Basis deines Roboter-Autos ... 37 3.1 ... Präzision aus dem Drucker: das 3D-gedruckte Chassis ... 38 3.2 ... Flexibel und kreativ: das Chassis aus LEGO®-Bausteinen ... 43 3.3 ... Günstig und individuell: das Chassis aus Pappe ... 47 3.4 ... Deine Wahl, dein Roboter! ... 52 Kapitel 4. 3D-Druck-Chassis: So erhältst du das Chassis und andere Teile ... 53 4.1 ... 3D-Druck verstehen: Schicht für Schicht zum Objekt ... 53 4.2 ... Die Baupläne: Was ist eine STL-Datei? ... 54 4.3 ... Dein Druckmaterial: Filament-Arten für dein Roboter-Auto ... 54 4.4 ... Kein 3D-Drucker zuhause? Kein Problem! ... 56 4.5 ... Dein erster 3D-Druck: wichtige Einstellungen und Tipps ... 56 Kapitel 5. Strom ist die Roboter-Energie -- Grundlagen der Elektrizität für dein Roboter-Auto ... 59 5.1 ... Elektrische Gesetze und Formeln -- das kleine Einmaleins der Elektronik ... 59 5.2 ... Die elektrische Leistung -- wie viel Power steckt drin? ... 63 5.3 ... Leistungsaufnahme des gesamten Roboter-Autos in einem Beispiel ... 65 5.4 ... Beispielrechnung für einen LED-Vorwiderstand ... 66 Kapitel 6. Datenübertragung im Detail: der I2C-Bus und der ESP32 ... 69 6.1 ... Was ist der I2C-Bus? ... 69 6.2 ... Wie funktioniert I2C? ... 71 6.3 ... Der I2C-Bus des ESP32 ... 73 6.4 ... I2C-Hubs: mehr Anschlüsse für Sensoren ... 73 6.5 ... DIY-I2C-Hub -- meine persönliche Empfehlung ... 74 6.6 ... Die genaue Verwendung des I2C-Busses im Roboter-Auto ... 75 6.7 ... Level-Shifter (Pegelwandler) -- die Spannungsanpassung im I2C-System ... 76 Kapitel 7. Diese Hardware brauchst du für dein Roboter-Auto ... 77 7.1 ... Das Gehirn: der ESP32-Mikrocontroller ... 77 7.2 ... Fortbewegung: die TT-Getriebemotoren mit Rädern ... 78 7.3 ... Motorsteuerung: L298N-Motortreiber-Modul ... 79 7.4 ... OLED-Display SSD1306 -- das Info-Display ... 81 7.5 ... Die 18650-Li-Ion-Akkus ... 82 7.6 ... Batteriehalter mit Feinsicherung und Sicherungshalter ... 86 7.7 ... Die richtige Spannung: der Spannungswandler ... 88 7.8 ... Beleuchtung: NeoPixel-LEDs ... 89 7.9 ... Fernsteuerung: Sony PS4/PS5 Gamecontroller ... 91 7.10 ... Spannung im Blick: die digitale Spannungsanzeige ... 92 7.11 ... Kleinmaterial: Kabel, Verbinder und mehr ... 94 7.12 ... Übersicht der benötigten Komponenten ... 96 7.13 ... Was kommt als Nächstes? ... 98 Kapitel 8. Die Spannungsversorgung des Roboter-Autos ... 99 8.1 ... Warum drei 18650-Akkus als Spannungsquelle? ... 99 8.2 ... Benötigte Komponenten für die Spannungsversorgung ... 100 8.3 ... Aufbau der Spannungsversorgung ... 100 8.4 ... Was kommt als Nächstes? ... 106 Kapitel 9. Das 3D-Druck-Chassis -- dein Roboter nimmt Gestalt an ... 107 9.1 ... Aufbau des Beispiel-Chassis ... 109 9.2 ... Vorbereitung der 3D-Druckteile ... 110 9.3 ... Dein 3D-Druck-Roboter-Chassis: die Bauteile im Detail ... 110 9.4 ... Was kommt als Nächstes? ... 120 Kapitel 10. Schritt-für-Schritt-Montage des 3D-gedruckten Roboter-Autos ... 121 10.1 ... Fokus auf das 3D-Druck-Beispiel ... 121 10.2 ... Start der Roboter-Auto-Verkabelung und -Montage ... 122 10.3 ... ESP32 -- logische Verkabelung vorbereiten ... 124 10.4 ... LED-Daten-Pin vorbereiten ... 126 10.5 ... Anschlusskabel der Motoren vorbereiten und anschließen ... 127 10.6 ... TT-Getriebemotoren montieren und anschließen ... 128 10.7 ... Spannungswandler befestigen ... 133 10.8 ... Anschluss des Motortreibers an den ESP32 ... 134 10.9 ... Verkabelung des Fahrerhauses ... 136 10.10 ... LED-Verkabelung vorbereiten und einbauen ... 144 10.11 ... Erster Test der Spannungsversorgung ... 147 10.12 ... Was kommt als Nächstes? ... 148 Kapitel 11. Erste Schritte mit der Arduino-Entwicklungsumgebung ... 149 11.1 ... Arduino IDE herunterladen und installieren ... 149 11.2 ... ESP32-Boards für Arduino IDE einrichten ... 150 11.3 ... Benötigte Bibliotheken installieren ... 152 11.4 ... ESP32 mit dem Computer verbinden ... 152 11.5 ... Test-Sketch hochladen ... 152 Kapitel 12. Die komplette Software für dein Roboter-Auto ... 155 12.1 ... Voraussetzungen prüfen ... 155 12.2 ... Roboter-Auto-Programm herunterladen und aufspielen ... 156 12.3 ... ESP32-Roboter-Auto-Programm testen ... 156 12.4 ... Ausblick und Erweiterungen ... 158 TEIL II. Prompte deine Roboter-Auto-Programme ... 165 Kapitel 14. Programmieren mit KI-Unterstützung: deine Prompt-Schule ... 167 14.1 ... Die Kunst des Befehls: Was ist ein Prompt und warum ist »Prompt Engineering« wichtig? ... 167 14.2 ... Werkzeuge des Dialogs: wichtige Prompting-Techniken ... 168 14.3 ... Dein perfekter Befehl: einen effektiven Prompt für das ESP32-Roboter-Auto erstellen ... 175 14.4 ... Der iterative Prozess: vom ersten Entwurf zum fertigen Code ... 178 14.5 ... Dokumentation deiner Prompts -- behalte den Überblick ... 179 14.6 ... Realistische Erwartungen und deine Rolle als Entwickler ... 179 Kapitel 15. Sensoren im Überblick ... 181 15.1 ... Was sind Sensoren und wozu brauchen wir sie? ... 181 15.2 ... Der Ultraschallsensor (HC-SR04) -- sehen mit Schallwellen ... 183 15.3 ... Digitaler Lichtsensor (GY-302/BH1750) -- präzise Helligkeit messen ... 186 15.4 ... Infrarotsensoren/Liniensensoren -- dem Weg folgen ... 189 15.5 ... Das Gyroskop (GY-521/MPU-6050) -- Drehbewegungen und Lage erfassen ... 193 15.6 ... Das Kompassmodul -- dein Roboter findet die Nordrichtung ... 196 15.7 ... Weitere interessante Sensoren für Roboter-Projekte ... 198 Kapitel 16. Präzises Lichtmanagement -- dein Roboter misst Helligkeit in Lux mit dem BH1750 ... 201 16.1 ... Der digitale Lichtsensor BH1750 -- was er kann und warum er praktisch ist ... 201 16.2 ... Das GY-302-Modul (BH1750) am Roboter montieren und anschließen ... 202 16.3 ... Programmieren: Lichtstärke in Lux auslesen und auf dem OLED-Display anzeigen ... 203 Kapitel 17. Auf der Ideallinie -- dein Roboter folgt Spuren mit dem KY-033-Liniensensor ... 209 17.1 ... Was bedeutet Linienverfolgung? ... 209 17.2 ... Den KY-033-Liniensensor am Roboter montieren und anschließen ... 211 17.3 ... Programmieren: Linienstatus pro Sensor erkennen ... 213 17.4 ... Das Programm für die Linienverfolgung in Verbindung mit der Motorsteuerung: Wo ist nur die Linie hin? ... 217 17.5 ... Testfahrten und Kalibrierung ... 223 17.6 ... Problem mit dem Code? ... 224 Kapitel 18. Balanceakt und Drehmomente -- dein Roboter versteht Bewegung ... 225 18.1 ... Gyroskop und Beschleunigungssensor kurz erklärt ... 225 18.2 ... Den MPU-6050-Sensor am Roboter-Auto montieren und anschließen ... 226 18.3 ... Programmieren: Rohdaten von Gyroskop und Beschleunigungssensor auslesen (mit OLED-Anzeige) ... 228 18.4 ... Logik: von Rohdaten zu Winkeln -- Neigung und Drehung verstehen ... 233 18.5 ... Das Programm, um den Roboter um 45 Grad zu drehen ... 234 18.6 ... Testfahrten bzw. Drehung ... 242 Kapitel 19. Immer nordwärts -- dein Roboter-Auto findet die Himmelsrichtung ... 243 19.1 ... Was ist ein Magnetometer und wie wird daraus ein Kompass? ... 243 19.2 ... Das GY-271-Modul am Roboter montieren und anschließen ... 244 19.3 ... Anschluss an den ESP32 ... 245 19.4 ... Programmieren: Magnetfeld-Rohdaten und Kompassrichtung auslesen ... 245 19.5 ... Erweiterungen und Verfeinerungen ... 252 19.6 ... Kompasskalibrierung des QMC5883L -- ein Muss für präzise Navigation ... 253 Kapitel 20. Dein Roboter fährt allein -- autonom mit Ultraschallsensor ... 255 20.1 ... Den Ultraschallsensor am Roboter montieren ... 256 20.2 ... Prompt für die Programmierung ... 256 20.3 ... Testfahrten und Fehlersuche ... 259 Kapitel 21. Dein Roboter findet seinen Platz in der Welt -- Navigation mit dem GPS-Modul ... 261 21.1 ... Was ist GPS und wie wird daraus eine Position? ... 262 21.2 ... Das GY-NEO6MV2-Modul am Roboter montieren ... 262 21.3 ... Anschluss an den ESP32 ... 263 21.4 ... Programmieren: GPS-Position und Zeit auslesen ... 263 21.5 ... Erweiterungen und Verfeinerungen ... 266 Kapitel 22. Steuerung per Browser -- das Web-Interface ... 269 22.1 ... Was ist ein Web-Interface und warum ist es nützlich für dein Roboter-Auto? ... 269 22.2 ... Grundlagen: einen einfachen Webserver auf dem ESP32 aufsetzen ... 270 22.3 ... Prompt für die Programmierung ... 271 22.4 ... Herausforderungen und Weiterentwicklungsmöglichkeiten ... 274 Kapitel 23. Mehr Bewegung: Servo-Motoren für dein Roboter-Auto ... 275 23.1 ... Was sind Servo-Motoren und wie unterscheiden sie sich von den Antriebsmotoren? ... 276 23.2 ... Das PCA9685-Modul und die Ansteuerung von Servos ... 277 23.3 ... Einbau des Servo-Controllers und Programmierung ... 279 TEIL III. Level Up: Das Roboter-Auto fährt autonom ... 285 Kapitel 24. Dein Roboter-Auto wird intelligent -- lerne das OpenBot Framework kennen ... 287 24.1 ... Was du im dritten Teil des Buches lernen wirst ... 288 24.2 ... Eine neue Dimension der Autonomie -- dein Smartphone als Robotergehirn ... 289 24.3 ... Vorstellung des OpenBot-Projekts ... 289 24.4 ... Zusätzlich benötigte Komponenten zum bestehenden Roboter-Auto ... 292 Kapitel 25. Das OpenBot-System -- Zusammenspiel von Smartphone und ESP32-Mikrocontroller ... 297 25.1 ... Die Architektur im Detail ... 297 25.2 ... Überblick über die autonomen Fähigkeiten mit OpenBot ... 299 Kapitel 26. Vom Roboter-Auto zum OpenBot: Vorbereitung und Firmware-Installation ... 301 26.1 ... Letzte Hardware-Vorbereitung: die Smartphone-Halterung ... 301 26.2 ... Die OpenBot-Firmware: Vorbereitung und Konfiguration ... 302 26.3 ... Die Firmware konfigurieren ... 302 26.4 ... Firmware auf den ESP32 aufspielen ... 306 26.5 ... Der erste Test ... 307 26.6 ... Die OpenBot-Smartphone-App -- Installation und erste Verbindung ... 307 26.7 ... Die Benutzeroberfläche der OpenBot-App ... 312 26.8 ... Die Benutzeroberfläche der OpenBot-App (AI) ... 323 Kapitel 27. Datensammlung und KI-Training in der Praxis: eine Schritt-für-Schritt-Anleitung ... 331 27.1 ... Trainingsdaten sammeln ... 331 27.2 ... Vom Rohstoff zum Gehirn -- dein eigenes KI-Modell trainieren ... 335 27.3 ... Das fertige KI-Modell: Export und Übertragung auf das Smartphone ... 346 27.4 ... Fazit: Die erste autonome Fahrt mit deinem eigenen Modell ... 350 Kapitel 28. Der visuelle Baukasten -- eigene Programme mit OpenBot Playground erstellen ... 351 28.1 ... Der OpenBot-Online-Dienst: einfach im Browser loslegen ... 352 28.2 ... Die magische Verbindung: PC und Roboter koppeln ... 352 28.3 ... Der Baukasten: Logik und KI mit Blöcken erschaffen ... 352 Kapitel 29. Dein intelligenter Roboter -- Zusammenfassung und nächste Abenteuer ... 355 29.1 ... Was du gelernt hast: dein Weg zum Roboter-Entwickler ... 355 29.2 ... Was jetzt möglich ist: deine Reise beginnt hier ... 356 Kapitel 30. Die abschließenden Worte: Was du bis jetzt erreicht hast und wie es weitergeht ... 357 30.1 ... Was Kinder und auch Erwachsene mitnehmen können ... 358 30.2 ... Was du als Nächstes machen kannst ... 358 30.3 ... Das ESP32-Roboter-Auto-Projekt in Familie und Schule ... 359 30.4 ... Wie ein humanoider Roboter zukünftig mit KI-Unterstützung Probleme lösen könnte -- einfach erklärt ... 359 30.5 ... Gedanken über die Zukunft des Zusammenlebens mit Large Language Models ... 361 30.6 ... Und jetzt? Feiern und Teilen! ... 364 Index ... 365