Roboter-Autos mit dem ESP32

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