Raspberry Pi

O que é

O Raspberry Pi é um computador completo do tamanho de um cartão de crédito. Enquanto um Arduino Uno é um microcontrolador que executa um único programa indefinidamente, o Pi executa Linux—portanto, pode controlar uma câmera, comunicar-se com a rede, rodar ROS 2 e executar o código do robô ao mesmo tempo. É o cérebro indicado quando um robô precisa pensar, não apenas reagir.

Esse poder também tem um custo: a multitarefa do Linux torna o Pi menos adequado a temporizações precisas em microssegundos do que um microcontrolador. Os dois são parceiros, não rivais.

Como funciona

O Pi inicializa um sistema operacional (normalmente o Raspberry Pi OS) a partir de um cartão microSD e se comporta como qualquer máquina Linux. Para robótica, a parte importante é o conector GPIO de 40 pinos: entradas e saídas digitais, além dos barramentos I²C, SPI e UART, que permitem ao Pi ler sensores e comandar hardware. A isso se somam os recursos de computação—USB, Ethernet, Wi-Fi e uma interface de câmera—que um microcontrolador simplesmente não tem.

Uma arquitetura comum é um robô de dois cérebros: o Pi cuida da percepção e do planejamento (visão, SLAM, nós ROS) e passa os comandos dos motores a um Arduino, que realiza o controle em tempo real.

Quando usar

Use um Pi quando o robô precisar da capacidade de um computador:

• Visão computacional — uma câmera com OpenCV para detectar marcadores, objetos ou linhas.
• ROS 2 — execução de nós, tópicos e da pilha de navegação.
• Mapeamento / SLAM — construção de um mapa e localização nele.
• Rede — painel web, controle remoto ou telemetria.

Fique com um Arduino ou ESP32 para tarefas puramente de controle em tempo real—são mais baratos, mais simples e mais precisos em temporização.

Conexões e armadilhas

• Lógica de 3,3 V, sem tolerância a 5 V. Aplicar 5 V a um pino GPIO pode danificar o Pi. Faça a conversão de nível dos sinais de componentes de 5 V (por exemplo, a linha TX do HC-05).
• Ele ainda não pode alimentar motores. O GPIO comanda sinais; a corrente dos motores passa por um driver de motor, como o L298N.
• A alimentação exige cuidado. Forneça 5 V estáveis com corrente suficiente; quedas de tensão corrompem o cartão SD e causam reinicializações aleatórias.
• Desligue corretamente. Retirar a alimentação de um sistema Linux em execução pode corromper o cartão—implemente um desligamento seguro ou use um sistema de arquivos somente leitura.

O conector de 40 pinos e quais pinos podem ser usados

O conector tem 40 pinos, mas apenas 26 podem ser usados como GPIO. Os demais são de alimentação e massa.

Duas dessas linhas frequentemente custam uma noite a muita gente.

A UART é o console. Por padrão, GPIO 14/15 carregam uma solicitação de login do Linux. Se você conectar a elas um módulo GPS ou um Arduino, receberá ruído de login em vez de dados. Libere-as com sudo raspi-config → Interface Options → Serial Port → login shell: no, hardware serial: yes. No Pi 3 e posteriores, há outra complicação: a UART principal é usada por padrão pelo Bluetooth, e a UART do conector é uma “mini UART” inferior, cuja taxa de transmissão varia com o relógio da CPU. Adicione dtoverlay=disable-bt a /boot/config.txt para trocá-las.

O PWM por software apresenta oscilações. Somente quatro pinos têm PWM de hardware. Todo o resto é gerado pelo kernel, e o escalonador do Linux o interrompe—o que, em um servomotor, aparece como vibração perceptível. Esta é a ilustração mais clara do que um Pi não faz bem.

O problema de temporização, sem rodeios

Este é o aspecto mais importante a entender sobre um Pi em um robô, e não é um defeito—é o comportamento de um sistema operacional.

Um microcontrolador que executa loop() executa seu código e nada mais, portanto um intervalo de 1 ms dura 1 ms. O Linux compartilha o tempo: o kernel pode interromper seu processo para atender a um pacote de rede, gravar no disco ou executar qualquer uma das centenas de tarefas em segundo plano.

A consequência é a arquitetura de dois cérebros, que não é uma solução de contorno, mas o projeto normal para um robô sério:

Raspberry Pi                        Microcontrolador
- câmera, visão                      - contagem de encoder
- SLAM, planejamento de trajetória <--> - controle de motor PID
- nós ROS 2                          - temporização do servomotor
- rede, painel                       - parada de emergência
        objetivos de alto nível           tempo real rígido

Eles se comunicam por serial USB, UART ou I²C, e cada um faz o que faz bem. Um Pi tentando contar bordas de encoder perderá algumas; um Arduino tentando executar OpenCV não consegue.

Alimentação e o problema do cartão SD

A alimentação é onde os robôs com Pi falham, e o modo de falha é especialmente caro: uma queda de tensão durante uma gravação corrompe o cartão SD, e você perde toda a imagem do sistema.

As regras que decorrem disso:

• Nunca alimente motores e um Pi pela mesma trilha. A corrente de partida de um motor é exatamente o transitório que corrompe um cartão.
• Use um regulador chaveado, não linear, ao reduzir a tensão de uma bateria. Um regulador linear que converte 11,1 V em 5 V a 1 A dissipa 6 W.
• Observe o ícone de raio. O Pi exibe um aviso de subtensão e registra o evento; vcgencmd get_throttled também informa o problema. Qualquer valor diferente de zero significa que a fonte é insuficiente e, eventualmente, corromperá o cartão.
• Desligue corretamente. Use sudo shutdown -h now antes de cortar a alimentação. Um robô desativado por uma chave precisa de um botão de desligamento ligado a um GPIO ou de um sistema de arquivos raiz somente leitura.

O sistema de arquivos somente leitura merece consideração séria em um robô implantado: com overlayfs ativado, nada é gravado no cartão durante a operação, e a alimentação pode ser cortada a qualquer momento sem consequências. Você perde a possibilidade de salvar dados localmente, o que normalmente é uma troca justa.

Qual modelo usar em um robô

Para ROS 2 com câmera, 4 GB é o ponto em que as dificuldades diminuem. O RViz, um nó de visão e uma pilha de navegação juntos usarão mais de 1 GB, e um Pi que começa a usar o cartão SD como memória de troca fica inutilizavelmente lento—além de desgastar o cartão.

Dois acessórios que, na prática, não são opcionais: um dissipador ou ventilador (um Pi 4 com carga contínua reduz a frequência ao atingir 80 °C, e um Pi limitado perde quadros) e um cartão microSD de qualidade classe A2 ou, ainda melhor, a inicialização por SSD USB. A velocidade do cartão é o gargalo com muito mais frequência que a CPU.

Solução de problemas

Pi ou microcontrolador?

O enquadramento honesto é este: eles não são concorrentes. Um Pi não consegue contar as bordas de um encoder de forma confiável, e um microcontrolador não consegue executar OpenCV. Quase todo robô de hobby mais capaz acaba com os dois, e reconhecer isso cedo evita muito esforço tentando fazer um executar o trabalho do outro.

Se todo o comportamento do seu robô couber em uma malha de controle—um seguidor de linha, um robô que desvia de obstáculos, um solucionador de labirinto—você não precisa de um Pi, e adicionar um torna o robô mais lento para iniciar, mais frágil e mais difícil de depurar.