Raspberry Pi

Wat het is

De Raspberry Pi is een volledige computer ter grootte van een creditcard. Waar een Arduino Uno een microcontroller is die één programma eindeloos uitvoert, draait een Pi Linux—hij kan een camera aansturen, met het netwerk praten, ROS 2 draaien en je robotcode allemaal tegelijk uitvoeren. Het is het brein dat je kiest wanneer een robot moet denken en niet alleen reageren.

Die kracht is ook de afweging: multitasking in Linux maakt de Pi minder goed in timing op microsecondeniveau, waar een microcontroller dat moeiteloos doet. De twee zijn partners, geen concurrenten.

Hoe het werkt

De Pi start een besturingssysteem (meestal Raspberry Pi OS) vanaf een microSD-kaart en gedraagt zich daarna als elke andere Linux-machine. Voor robotica is het 40-pins GPIO-header het belangrijkste: digitale ingangen en uitgangen, plus I²C-, SPI- en UART-bussen, waarmee de Pi sensoren kan uitlezen en hardware kan aansturen. Daar bovenop zitten de computeronderdelen—USB, Ethernet, Wi-Fi en een camera-interface—die een microcontroller simpelweg niet heeft.

Een veelvoorkomende architectuur is een robot met twee breinen: de Pi verzorgt waarneming en planning (beeldverwerking, SLAM, ROS-nodes) en geeft motorcommando’s door aan een Arduino die de real-time besturing doet.

Wanneer je hem gebruikt

Kies een Pi wanneer de robot de mogelijkheden van een computer nodig heeft:

• Computer vision — een camera plus OpenCV voor markers, objecten of lijnen detecteren.
• ROS 2 — nodes, topics en de navigatiestack draaien.
• Kartering / SLAM — een kaart opbouwen en de robot daarin lokaliseren.
• Netwerk — een webdashboard, afstandsbesturing of telemetrie.

Blijf bij een Arduino of ESP32 voor zuivere real-time besturingstaken—ze zijn goedkoper, eenvoudiger en beter in precieze timing.

Aansluiting en aandachtspunten

• 3,3 V-logica, en niet tolerant voor 5 V. Een GPIO-pin voeden met 5 V kan de Pi beschadigen. Gebruik een levelshifter voor signalen van 5 V-onderdelen (bijvoorbeeld de TX-lijn van een HC-05).
• De Pi kan nog steeds geen motoren voeden. GPIO stuurt signalen; motorstroom loopt via een driver zoals de L298N.
• De voeding is kieskeurig. Geef hem stabiele 5 V met voldoende stroom; brown-outs beschadigen de SD-kaart en veroorzaken willekeurige herstarts.
• Schakel de Pi netjes uit. De stroom wegtrekken terwijl Linux draait, kan de kaart beschadigen—ontwerp een veilige uitschakelprocedure of gebruik een alleen-lezen bestandssysteem.

De 40-pins header en welke pins je kunt gebruiken

De header heeft 40 pins, waarvan slechts 26 bruikbare GPIO-pins zijn. De rest zijn voeding en ground.

Twee van die rijen kosten mensen regelmatig een avond.

De UART is de console. Standaard geven GPIO 14/15 een Linux-loginprompt. Sluit daarop een GPS-module of Arduino aan en je krijgt inloggeluid in plaats van gegevens. Maak ze vrij met sudo raspi-config → Interface Options → Serial Port → login shell: no, hardware serial: yes. Bij een Pi 3 en later is er nog een complicatie: de goede UART wordt standaard door Bluetooth gebruikt en die op de header is een minderwaardige „mini-UART” waarvan de baudrate met de CPU-klok meedrijft. Voeg dtoverlay=disable-bt toe aan /boot/config.txt om ze te verwisselen.

Software-PWM zorgt voor jitter. Slechts vier pins hebben hardware-PWM. Al het andere wordt door de kernel gegenereerd, en de Linux-scheduler onderbreekt dat — bij een servo zie je dat als zichtbaar schokken. Dit is de duidelijkste illustratie van waar een Pi zwak in is.

Het timingprobleem, helder uitgelegd

Dit is het belangrijkste om te begrijpen over een Pi in een robot, en het is geen defect — het is hoe een besturingssysteem werkt.

Een microcontroller die loop() uitvoert, draait je code en verder niets, dus een interval van 1 ms is 1 ms. Linux verdeelt de tijd: de kernel kan je proces onderbreken om een netwerkpakket te bedienen, een schijfschrijfactie te voltooien of een van de honderden achtergrondtaken uit te voeren.

Het gevolg is de twee-breinenarchitectuur, en dat is geen compromis maar het normale ontwerp voor een serieuze robot:

Raspberry Pi                        Microcontroller
- camera, vision                    - encoder counting
- SLAM, path planning       <-->    - PID motor control
- ROS 2 nodes                       - servo timing
- networking, dashboard             - emergency stop
        high-level goals                  hard real time

Ze praten via USB-serie, UART of I²C met elkaar, en elk doet waar het goed in is. Een Pi die encoderflanken telt, zal ze missen; een Arduino die OpenCV draait, kan dat niet.

Voeding en het SD-kaartprobleem

Voeding is waar Pi-robots falen, en de storingsmodus is ongewoon duur: een brown-out tijdens een schrijfactie beschadigt de SD-kaart, en daarmee verlies je het hele systeembeeld.

Daaruit volgen regels:

• Voed motoren en een Pi nooit via dezelfde rail. De inschakelstroom van een motor is precies de tijdelijke belasting die een kaart beschadigt.
• Gebruik een schakelende regulator, geen lineaire, als je van een batterij naar een lagere spanning gaat. Een lineaire regulator die 11,1 V naar 5 V verlaagt bij 1 A, verbrandt 6 W.
• Let op de bliksemflits. De Pi toont een waarschuwingspictogram voor onderspanning en logt die; vcgencmd get_throttled meldt het ook. Alles wat niet nul is, betekent dat de voeding onvoldoende is en uiteindelijk een kaart beschadigt.
• Schakel netjes uit. Gebruik sudo shutdown -h now voordat je de stroom onderbreekt. Een robot die met een tuimschakelaar wordt uitgeschakeld, heeft een uitschakelknop op een GPIO nodig, of een alleen-lezen wortelbestandssysteem.

Het alleen-lezen bestandssysteem is het overwegen waard voor een ingezette robot: met overlayfs ingeschakeld wordt er tijdens het gebruik nooit iets op de kaart geschreven en kan de stroom op elk moment worden afgebroken zonder gevolgen. Je verliest de mogelijkheid om lokaal gegevens op te slaan, wat meestal een redelijke afweging is.

Welk model voor een robot

Voor ROS 2 met een camera is 4 GB het punt waarop het niet meer frustrerend wordt. RViz, een beeldverwerkingsnode en een navigatiestack gebruiken samen meer dan 1 GB, en een Pi die naar de SD-kaart moet wisselen wordt onbruikbaar langzaam—en slijt de kaart op.

Twee accessoires zijn in de praktijk niet optioneel: een koellichaam of ventilator (een Pi 4 remt bij langdurige belasting af bij 80 °C en een afgeremde Pi laat beelden vallen) en een goede A2-klasse microSD-kaart, of nog beter opstarten vanaf een USB-SSD. De snelheid van de kaart is vaker de knelpunt dan de CPU.

Problemen oplossen

Pi of microcontroller?

Eerlijk gezien: dit zijn geen concurrenten. Een Pi kan een encoder niet betrouwbaar tellen en een microcontroller kan geen OpenCV draaien. Vrijwel elke capabele hobbyrobot heeft uiteindelijk beide, en dat vroeg herkennen bespaart veel werk aan het proberen de taak van de ander te doen.

Als het volledige gedrag van je robot in één regellus past — een lijnvolger, een obstakelvermijder, een doolhofoplosser — heb je helemaal geen Pi nodig. Het toevoegen van een Pi maakt de robot juist langzamer opstartend, kwetsbaarder en lastiger om te diagnosticeren.