Využití Raspberry Pi v robotice

Reklama:

Raspberry Pi představuje unikátní platformu v oblasti robotiky, která spojuje výhodu plnohodnotného počítače s kompaktními rozměry a nízkou spotřebou. Na rozdíl od jednoduchých mikrokontrolérů (MCU) jako Arduino či ESP32 nabízí Raspberry Pi možnost spouštět kompletní operační systém, zpracovávat komplexní algoritmy a provádět výpočetně náročné úlohy, které by jednoduchý mikrokontrolér nezvládl. V tomto článku se podíváme na všechny aspekty použití Raspberry Pi v robotice – od výběru správného modelu přes napájení až po programovací možnosti.

Raspberry Pi 2 (model B). Zdroj: wikipedia.org

Proč volit Raspberry Pi místo jednoduchého MCU?

Volba mezi Raspberry Pi a klasickým mikrokontrolérem závisí na požadavcích vašeho projektu. Raspberry Pi nabízí několik klíčových výhod, které z něj činí ideální volbu pro pokročilé robotické aplikace:¹²

Výpočetní výkon pro komplexní úlohy

Raspberry Pi disponuje mnohem vyšším výkonem než běžné mikrokontroléry. Zatímco Arduino Uno pracuje s 8-bitovým procesorem na 16 MHz a 2 KB RAM, Raspberry Pi 4 nabízí quad-core procesor na 1,5 GHz a až 8 GB RAM. Tento výkon umožňuje spouštění úloh, které by na MCU nebyly vůbec realizovatelné.²¹

Počítačové vidění a AI

Jednou z klíčových výhod Raspberry Pi je schopnost zpracovávat obrazová data v reálném čase pomocí knihovny OpenCV. Raspberry Pi může analyzovat video z kamery, detekovat objekty, rozpoznávat tváře či číst QR kódy – aplikace, které by na běžném mikrokontroléru nebyly možné. Raspberry Pi 5 s VideoCore VII GPU dokonce zvládá pokročilé AI úlohy a strojové učení.³⁴⁵⁶⁷

Multitasking a operační systém

Raspberry Pi může spouštět plnohodnotný Linux (typicky Raspberry Pi OS, dříve Raspbian) nebo Ubuntu, což přináší možnost současného běhu více programů, využití síťových služeb, databází a webových serverů. To je zásadní výhoda pro roboty vyžadující paralelní zpracování dat ze senzorů, navigaci a komunikaci přes síť.⁸¹

Síťová konektivita

Většina modelů Raspberry Pi má vestavěné WiFi a Bluetooth (od Pi 3 výše), případně Ethernet port. To umožňuje snadnou implementaci vzdáleného ovládání, IoT aplikací, streamování videa nebo propojení více robotů v síti.⁶⁹¹²

Kdy zvolit mikrokontrolér?

Mikrokontroléry mají své místo tam, kde potřebujete:

Přesné časování a real-time odezvu (řízení motorů, čtení senzorů s minimální latencí)¹²
Velmi nízkou spotřebu (jednotky až desítky miliampérů)¹⁰
Jednoduché dedikované úlohy bez nutnosti operačního systému²
Nižší cenu a minimální složitost²

V praxi se často využívá kombinace obou přístupů – Raspberry Pi pro high-level řízení a počítačové vidění, Arduino nebo jiný MCU pro real-time řízení motorů a senzorů.¹¹¹

Typické úlohy Raspberry Pi v robotice

Počítačové vidění (Computer Vision)

Počítačové vidění je jednou z nejsilnějších stránek Raspberry Pi v robotice. Díky knihovně OpenCV můžete realizovat:⁴³

Detekci a sledování objektů – Raspberry Pi s kamerou dokáže detekovat a sledovat objekty v reálném čase, což je klíčové pro autonomní roboty. Například projekt sledování tváří nebo QR kódů lze realizovat přímo na Pi 3 či 4.¹²⁵³⁴

Navigace a mapování – V kombinaci s LIDAR senzory může Raspberry Pi vytvářet 2D nebo 3D mapy prostředí a navigovat autonomně.¹³¹⁴

Rozpoznávání obrazců – Identifikace specifických objektů, barev nebo tvarů pro třídění, kontrolu kvality nebo interakci s prostředím.¹⁵

Streamování videa – Raspberry Pi může streamovat video přes síť pro vzdálené ovládání nebo monitorování.¹²

Robot Operating System (ROS/ROS2)

ROS (Robot Operating System) je profesionální middleware framework pro vývoj robotických aplikací. Raspberry Pi s Ubuntu dokáže spouštět ROS2, což umožňuje:¹⁶¹⁷¹⁸⁸

Modulární architekturu s komunikací mezi uzly (nodes) přes topics a services¹⁹¹⁶
Využití hotových balíčků pro SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), navigaci, plánování cest⁸
Snadnou integraci s různými senzory a aktuátory¹⁸¹⁶
Profesionální vývoj komplexních robotických systémů¹⁹

Pro instalaci ROS2 na Raspberry Pi se doporučuje Ubuntu 22.04 nebo 24.04 s distribucí ROS2 Humble nebo Jazzy.²⁰¹⁸

Autonomní navigace

Raspberry Pi může řídit autonomní roboty schopné se pohybovat v prostředí bez lidského zásahu. To zahrnuje:¹

Zpracování dat z ultrazvukových senzorů, LIDAR nebo kamer¹⁴¹³
Plánování trajektorií a vyhýbání se překážkám¹
Lokalizaci robota v prostoru pomocí senzorů IMU (inerciální měřící jednotka)²¹²²

Vzdálené ovládání a telemetrie

Díky WiFi a Ethernetu může Raspberry Pi:

Streamovat video a telemetrická data přes webové rozhraní¹²
Přijímat příkazy ze vzdálených ovladačů nebo mobilních aplikací¹
Fungovat jako bezdrátový bridge mezi roboty a řídicím centrem¹²

IoT a senzorová síť

Raspberry Pi může agregovat data z mnoha senzorů, ukládat je do databáze nebo cloudu a zpracovávat je pomocí AI algoritmů.²¹

Porovnání jednotlivých verzí Raspberry Pi

Následující tabulka srovnává nejdůležitější modely Raspberry Pi z pohledu robotiky:

Raspberry Pi Zero W a Zero 2 W

Raspberry Pi Zero W je nejmenší a nejlevnější model (~80 mA v klidu, ~120 mA při zátěži). Ideální pro:²³²⁴

Kompaktní projekty s WiFi konektivitou²⁵
Senzorové moduly a WiFi bridge aplikace²⁶
Projekty s velmi omezeným prostorem²⁵

Raspberry Pi Zero 2 W je výrazně výkonnější díky quad-core CPU (~100 mA v klidu, ~350-500 mA při zátěži). Nabízí téměř stejný výkon jako Pi 3 B při zlomku spotřeby, což jej činí ideálním pro edge computing a kompaktní roboty.²⁷²⁴²⁸²⁶

Raspberry Pi 1 a 2

Raspberry Pi 1 Model B+ s single-core procesorem je dnes již zastaralý, ale stále použitelný pro jednoduché úlohy (~180 mA v klidu).²⁹²³

Raspberry Pi 2 Model B přinesl quad-core CPU a 1 GB RAM (~200 mA v klidu), což jej činilo vhodným pro základní robotické projekty.²³¹¹

Raspberry Pi 3 Model B+

Pi 3 B+ je první model s vestavěným WiFi 5 GHz a Bluetooth 4.2. Spotřebuje ~400 mA v klidu a ~1,13 A při plné zátěži. Stále populární volba pro mid-range robotické projekty díky dobré rovnováze mezi výkonem a spotřebou.³⁰⁹⁶²³

Raspberry Pi 4 Model B

Pi 4 je zásadní upgrade s Cortex-A72 CPU @ 1,5 GHz, USB 3.0, Gigabit Ethernet a až 8 GB RAM. Spotřeba v klidu je ~550 mA (2,7 W), při plné zátěži ~1,25 A (6,25 W).³¹³²³³⁶

Pi 4 je ideální pro:

Počítačové vidění s OpenCV⁵³
ROS2 aplikace s více uzly¹⁸
Pokročilé AI a machine learning úlohy³⁴
Projekty vyžadující rychlé síťové připojení³⁴

Raspberry Pi 5

Nejnovější Pi 5 s Cortex-A76 @ 2,4 GHz a VideoCore VII GPU @ 1 GHz představuje 2-3× nárůst výkonu oproti Pi 4. Spotřeba v klidu je ~480 mA (2,4 W), maximální až ~2 A (10 W).³⁵⁷³¹⁶

Pi 5 nabízí:

Podporu PCIe 2.0 pro rozšíření⁶
Dvojnásobně rychlejší SD karty (SDR104 režim)⁶
OpenGL ES 3.1 a Vulkan 1.2 pro grafiku⁶
Ideální pro nejvýkonnější CV a AI aplikace⁷

Nevýhodou je vyšší spotřeba, což může být problém pro bateriové aplikace.³⁵³⁴

Detailní popis spotřeby a napájení

Napájecí požadavky

Jednotlivé modely Raspberry Pi mají různé napájecí požadavky:

Raspberry Pi Zero/Zero 2 W: 5V přes Micro-USB, doporučený proud 1-1,5 A²⁷²³

Raspberry Pi 3 B+: 5V přes Micro-USB, doporučený proud 2,5 A³³

Raspberry Pi 4: 5V @ 3 A přes USB-C (může běžet i na 15 W, ale s omezeným výkonem)³²³⁴

Raspberry Pi 5: 5V @ 5 A přes USB-C pro plný výkon (může běžet na 15 W s nižším výkonem)³¹³⁴

Spotřeba v různých režimech

Režim vypnuto (shutdown): I vypnuté Raspberry Pi stále odebírá proud ~20-30 mA (0,1 W), protože není úplně odpojeno od napájení.²⁴³⁶

Idle režim (bez zátěže, pouze OS):

Pi Zero W: 80-100 mA (0,4-0,5 W)²³
Pi Zero 2 W: 100 mA (0,5 W)²⁴²⁷
Pi 3 B+: 400 mA (2,0 W)²³
Pi 4: 550 mA (2,7 W)³²³¹
Pi 5: 480 mA (2,4 W) – překvapivě nižší než Pi 4!³¹

Plná zátěž (CPU maximálně využito):

Pi Zero W: 120 mA (0,6 W)²³
Pi Zero 2 W: 350-500 mA (1,75-2,5 W)²⁷
Pi 3 B+: 1,13 A (5,7 W)²³
Pi 4: 1,25 A (6,25 W)³²
Pi 5: až 2 A (10 W)³⁵

Napájení z baterií

Pro mobilní roboty je klíčové správné dimenzování baterie. Příklady:

Raspberry Pi 4 s typickou zátěží ~1 A: Potřebujete baterii s kapacitou alespoň 6000 mAh pro provoz 4-6 hodin (s přihlédnutím k účinnosti regulátorů).³⁷³⁸

Raspberry Pi Zero 2 W: S průměrnou spotřebou ~150-200 mA vydrží na baterii 2000 mAh klidně 8-10 hodin.³⁹²⁷

Důležité poznámky:

Raspberry Pi vyžaduje stabilních 5V – použijte kvalitní step-up/step-down regulátor z baterie³⁸³⁷
Motory a servomotory napájejte ze samostatné baterie, ne přímo z Raspberry Pi⁴⁰³⁷
Spínací regulátory jsou efektivnější (~90%) než lineární²⁷
Maximální proud z 5V pinu GPIO je limitován (bezpečně max 1-2 A celkem)⁴¹⁴⁰

Snížení spotřeby

Pro bateriové aplikace můžete snížit spotřebu:

Vypnutí HDMI výstupu (úspora ~20-30 mA)³⁹
Snížení GPU paměti na minimum (16 MB)³⁹
Vypnutí LED diod (úspora ~1-5 mA)³⁹
Podtaktování CPU (například Pi Zero 2 W na 600 MHz)³⁹
Použití headless režimu (bez GUI)³⁹
Vypnutí nepotřebných služeb (Bluetooth, WiFi, pokud nejsou nutné)³⁹

Typické addony a robot boardy

Motor Driver HAT

Pro ovládání motorů potřebujete motorový driver připojený k Raspberry Pi. Populární řešení:

Adafruit DC \& Stepper Motor HAT – Řídí až 4 DC motory nebo 2 krokové motory pomocí TB6612 čipu (1,2 A na kanál, peak 3 A). Komunikace přes I2C.⁴⁰⁴¹

Waveshare Motor Driver HAT – Podobná funkcionalita s TB6612FNG čipem, podporuje také enkodéry.⁴²

SunFounder Robot HAT – Multifunkční deska s PWM výstupy, ADC vstupy, I2S audio modulem a integrovaným motorikem ovladačem.⁴³⁴⁴

DFRobot DC Motor Driver HAT – S STM32 procesorem pro analýzu příkazů a TB6612FNG čipem.⁴⁵

Servo ovladače

Raspberry Pi má pouze jeden hardwarový PWM kanál, což limituje ovládání servomotorů. Řešení:⁴⁶⁴⁷

PCA9685 16-Channel PWM Driver – Nejpopulárnější řešení pro ovládání až 16 servomotorů přes I2C. Podporuje stohovatelnost až 62 desek.⁴⁸⁴⁶

Servo PWM Pi Zero – Kompaktní varianta pro Pi Zero s PCA9685 čipem.⁴⁹

Kompletní robotické kity

GoPiGo – Kompletní robot kit s Raspberry Pi, motory, enkodéry, ultrazvukovým senzorem a podporou Pythonu i Blockly.⁵⁰⁵¹⁵²

Raspberry Pi Build HAT – Oficiální HAT pro připojení LEGO Technic motorů a senzorů (SPIKE, Mindstorms).⁵³⁵⁴

Kamerové moduly

Raspberry Pi Camera Module V2 – 8 MPx Sony IMX219, 1080p30 video, připojení přes CSI port.⁵⁵⁵⁶

Raspberry Pi Camera Module V3 – Novější verze s lepšími parametry.⁵⁷

NoIR Camera – Varianta citlivá na IR záření pro noční vidění.⁵⁸

Senzory pro robotiku

IMU (Inertial Measurement Unit) – Gyroskop, akcelerometr a magnetometr pro měření orientace robota. Populární modely: MPU-6050 (6-axis), MPU-9250 (9-axis), BNO055.²²⁵⁹⁶⁰²¹

LIDAR senzory – Pro mapování prostředí a detekci překážek. Populární modely:

RPLiDAR A1M8: 360° skenování, dosah 12 m¹³
TFmini Plus: Kompaktní, dosah 12 m¹³
VL53L0X: Krátký dosah ~2 m, ideální pro vnitřní navigaci⁶¹¹³

Ultrazvukové senzory – HC-SR04 a podobné pro detekci překážek na vzdálenost 2 cm - 4 m.¹⁴

Možnosti programování

Operační systémy

Raspberry Pi OS (Raspbian) – Oficiální Debian-based distribuce optimalizovaná pro Raspberry Pi. Obsahuje předinstalovaný Python 2 a 3, vývojová prostředí (Thonny, Mu), knihovny pro GPIO.⁶²⁶³

Ubuntu – Doporučeno pro ROS2 aplikace. Ubuntu 22.04 nebo 24.04 pro ROS2 Humble/Jazzy. Ubuntu Mate nabízí desktopové prostředí, Ubuntu Server je minimalistická varianta.⁸¹⁸

Raspberry Pi OS Lite – Headless varianta bez GUI, ideální pro embedded aplikace s nízkou spotřebou paměti.³⁹

Programovací jazyky

Python – Výchozí a nejpopulárnější jazyk pro Raspberry Pi. Předinstalován v Raspberry Pi OS, obrovská komunita a knihovny. Ideální pro:⁶³⁶⁴⁶⁵

Rychlý vývoj prototypů⁶³
IoT a automatizaci⁶⁵
Počítačové vidění (OpenCV, Picamera2)⁶⁶⁵⁷
Machine learning (TensorFlow)⁶⁵
Obecné skriptování⁶³

C/C++ – Pro výkonově kritické aplikace a low-level řízení hardwaru. Výhody:⁶⁷⁶³

Přímý přístup k hardwaru⁶⁴⁶⁷
Minimální overhead, rychlejší než Python⁶³
Kontrola nad optimalizací⁶⁷
Použití knihoven jako WiringPi nebo pigpio⁶⁸⁶⁷

Java, JavaScript (Node.js), Go, Rust – Další podporované jazyky, každý s vlastními výhodami.¹¹⁶⁴

GPIO knihovny

RPi.GPIO – Klasická Python knihovna pro ovládání GPIO pinů. Jednoduchá na použití, ale deprecated pro Pi 5. Pro Pi 5 existuje alternativa rpi-lgpio se stejným API.⁶⁹⁶²⁶⁸

GPIO Zero – Moderní Python knihovna postavená nad RPi.GPIO/pigpio. Nabízí:⁷⁰⁷¹

Vysokoúrovňové rozhraní pro komponenty (LED, Button, Motor, Servo...)⁷¹⁷⁰
Deklarativní paradigma pro popis chování zařízení⁷¹
Možnost výběru pin factory (RPi.GPIO, pigpio, lgpio)⁷¹
Ideální pro začátečníky i pokročilé⁷²⁷³

pigpio – Knihovna pro přesné hardwarové PWM a timing. Podporuje hardware PWM, DMA-driven software PWM, I2C, SPI, sériovou komunikaci.⁶⁹⁶⁴⁷¹

libgpiod – Nízkoúrovňová C knihovna pro přístup k GPIO přes Linux GPIO character devices (/dev/gpiochipX). Oficiálně doporučená pro bare-metal přístup.⁶⁹

WiringPi – C knihovna podobná Arduino Wire. Již není aktivně vyvíjena, ale stále používaná ve starších projektech.⁶⁸

Knihovny pro kameru

Picamera2 – Moderní Python knihovna pro Raspberry Pi kamery, postavená na libcamera. Nahrazuje starší Picamera knihovnu. Podporuje:⁶⁶⁵⁷

Zachytávání fotografií a videa⁵⁷
Nastavení expozice, fokusu, rozlišení⁶⁶
Integraci s OpenCV pro počítačové vidění⁶⁶

OpenCV – Nejpopulárnější knihovna pro počítačové vidění. Nabízí:³⁵

Detekci objektů, tváří, hran⁵³
Zpracování obrazu (filtry, transformace)⁵
Video tracking³
Integrace s machine learning modely⁵

ROS/ROS2 knihovny

Pro robotiku na profesionální úrovni je ROS2 nejlepší volbou:¹⁶¹⁸

rclpy – Python client library pro ROS2¹⁸
rclcpp – C++ client library pro ROS2¹⁶
Hotové balíčky pro navigaci, SLAM, TF transformace¹⁷⁸
Podpora pro různé senzory a aktuátory¹⁶

Další užitečné knihovny

Adafruit CircuitPython libraries – Pro snadnou práci se senzory a HAT deskami.⁴⁶⁴⁸

IMU fusion knihovny – Pro zpracování dat z gyroskopů a akcelerometrů.⁷⁴

RPIO, ServoBLaster – Pro řízení servomotorů pomocí DMA, když hardware PWM nestačí.⁴⁷

Závěr

Raspberry Pi představuje ideální platformu pro pokročilé robotické projekty, kde je potřeba vyšší výpočetní výkon, počítačové vidění, síťová konektivita nebo komplexní AI algoritmy. Zatímco jednoduché mikrokontroléry vynikají v real-time aplikacích a nízké spotřebě, Raspberry Pi nabízí možnosti plnohodnotného počítače v kompaktním provedení.

Výběr konkrétního modelu závisí na vašich potřebách:

Pi Zero 2 W pro kompaktní projekty s WiFi a rozumným výkonem
Pi 4 pro vyváženou kombinaci výkonu a spotřeby s podporou USB 3.0
Pi 5 pro maximální výkon v AI a počítačovém vidění

S bohatým ekosystémem HAT desek, senzorů, knihoven a podporou ROS2 je Raspberry Pi univerzální volbou pro většinu robotických aplikací – od vzdělávacích projektů až po profesionální autonomní systémy.