Raspberry Pi

Что это такое

Raspberry Pi — полноценный компьютер размером с банковскую карту. Если Arduino Uno — микроконтроллер, который бесконечно выполняет одну программу, то Pi работает под управлением Linux и может одновременно управлять камерой, обмениваться данными по сети, запускать ROS 2 и выполнять код робота. Это компьютер, к которому обращаются, когда роботу нужно думать, а не только реагировать.

Эта вычислительная мощность реализована на одной плате: многозадачность Linux делает Pi менее подходящим для точного до микросекунд тайминга, который микроконтроллер обеспечивает без усилий. Это не конкуренты, а партнёры.

Как это работает

Pi загружает операционную систему (обычно Raspberry Pi OS) с карты microSD, после чего работает как любая машина с Linux. Для робототехники важен 40-выводный разъём GPIO: цифровые входы и выходы, а также шины I²C, SPI и UART, позволяющие Pi считывать датчики и управлять оборудованием. Всё это дополняют компьютерные узлы — USB, Ethernet, Wi-Fi и интерфейс камеры, — которых у микроконтроллера просто нет.

Распространённая архитектура — робот с двумя мозгами: Pi отвечает за восприятие и планирование (зрение, SLAM, узлы ROS) и передаёт команды двигателям Arduino, выполняющей управление в реальном времени.

Когда его следует использовать

Выбирайте Pi, когда роботу нужны возможности компьютера:

• Компьютерное зрение — камера и OpenCV для обнаружения меток, объектов или линий.
• ROS 2 — запуск узлов, тем и навигационного стека.
• Построение карты / SLAM — создание карты и определение положения в ней.
• Сеть — веб-панель, дистанционное управление или телеметрия.

Для задач, требующих только управления в реальном времени, оставляйте Arduino или ESP32: они дешевле, проще и лучше обеспечивают точный тайминг.

Подключение и типичные ошибки

• Логический уровень — 3.3 V; выводы не выдерживают 5 V. Подача 5 V на вывод GPIO может повредить Pi. Преобразуйте уровень сигналов от компонентов 5 V, например линии TX HC-05.
• Он всё равно не может питать двигатели. GPIO передаёт сигналы; ток двигателя проходит через драйвер, например L298N.
• Требования к питанию строгие. Подавайте стабильные 5 V достаточного тока; провалы напряжения повреждают SD-карту и вызывают случайные перезагрузки.
• Корректно завершайте работу. Отключение питания работающей системы Linux может повредить карту — предусмотрите безопасное выключение или используйте файловую систему только для чтения.

40-выводный разъём и доступные выводы

В разъёме 40 выводов, но как GPIO использовать можно только 26. Остальные предназначены для питания и земли.

Две из этих строк регулярно отнимают у людей целый вечер.

UART является консолью. Из коробки GPIO 14/15 передают приглашение входа Linux. Подключите к ним модуль GPS или Arduino — и вместо данных вы получите служебные сообщения входа. Освободите их с помощью sudo raspi-config → Interface Options → Serial Port → login shell: no, hardware serial: yes. У Pi 3 и более поздних есть дополнительная особенность: хороший UART по умолчанию используется Bluetooth, а разъёмный — упрощённый «mini UART», скорость которого изменяется вместе с тактовой частотой CPU. Добавьте dtoverlay=disable-bt в /boot/config.txt, чтобы поменять их местами.

Программный PWM дрожит. Только четыре вывода имеют аппаратный PWM. Остальные формирует ядро, и планировщик Linux может его прервать — на сервоприводе это проявляется заметным подёргиванием. Это нагляднейший пример того, что Pi делает плохо.

Проблема тайминга без лишних слов

Это самое важное, что нужно понять о Pi в роботе, и это не дефект — именно так работает операционная система.

Микроконтроллер, выполняющий loop(), запускает только ваш код, поэтому интервал 1 ms равен 1 ms. Linux использует разделение времени: ядро может вытеснить процесс для обработки сетевого пакета, записи на диск или выполнения любой из сотни фоновых задач.

Следствие — архитектура с двумя мозгами, причём это не компромисс, а обычное проектирование серьёзного робота:

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

Они обмениваются данными по последовательному интерфейсу USB, UART или I²C, и каждое устройство выполняет свою сильную сторону. Pi, пытающийся считать фронты энкодера, будет их пропускать; Arduino, пытающаяся запустить OpenCV, не сможет этого сделать.

Питание и проблема SD-карты

Питание — место, где чаще всего отказывают роботы на Pi, а характер отказа исключительно дорог: провал напряжения во время записи повреждает SD-карту, и вся системная копия теряется.

Отсюда следуют правила:

• Никогда не питайте двигатели и Pi от одной шины. Бросок тока двигателя — именно тот переходный процесс, который повреждает карту.
• При понижении напряжения от батареи используйте импульсный регулятор, а не линейный. Линейный регулятор, преобразующий 11.1 V в 5 V при токе 1 A, выделяет 6 W.
• Следите за предупреждением в виде молнии. Pi показывает значок низкого напряжения и записывает его в журнал; vcgencmd get_throttled также сообщает о нём. Любое ненулевое значение означает недостаточное питание, и со временем оно повредит карту.
• Корректно завершайте работу. Выполняйте sudo shutdown -h now перед отключением питания. Для робота, выключаемого тумблером, нужны либо кнопка выключения, подключённая к GPIO, либо корневая файловая система только для чтения.

Для робота, эксплуатируемого в реальных условиях, стоит серьёзно рассмотреть файловую систему только для чтения: при включённом overlayfs во время работы ничего не записывается на карту, и питание можно отключить в любой момент без последствий. Возможность локально сохранять данные теряется, что обычно является приемлемым компромиссом.

Какую модель выбрать для робота

Для ROS 2 с камерой 4 GB — точка, после которой работа перестаёт быть утомительной. RViz, узел зрения и навигационный стек вместе используют больше 1 GB, а Pi, начавший выгружать данные в SD-карту из-за нехватки памяти, становится неприемлемо медленным и изнашивает карту.

На практике нельзя считать необязательными два аксессуара: радиатор или вентилятор (Pi 4 при постоянной нагрузке снижает частоту при 80 °C, и троттлинг приводит к потере кадров) и качественную карту microSD класса A2, а ещё лучше — загрузку с USB SSD. Узким местом гораздо чаще оказывается скорость карты, а не CPU.

Диагностика

Pi или микроконтроллер?

Честный ответ: это не конкуренты. Pi не может надёжно считать импульсы энкодера, а микроконтроллер не может запустить OpenCV. Почти каждый функциональный хобби-робот в итоге использует оба устройства, и осознание этого на раннем этапе избавляет от множества бесполезных попыток заставить одно выполнять работу другого.

Если всё поведение робота помещается в один контур управления — следование за линией, обход препятствий или решение лабиринта, — Pi вам вообще не нужен, а его добавление замедляет запуск, снижает надёжность и усложняет отладку.