Presenetljivo majhni in lahki, a zmogljivi Raspberry Pi mikroračunalniki z majhno porabo energije omogočajo gradnjo zmogljivih dronov, robotskih vozil in celo plovil z vgrajeno umetno inteligenco.
V majhne in poceni robotizirane naprave ne moremo vgraditi klasičnih mini PC in tudi ne računalnikov na eni ploščici tiskanega vezja (SBC – single board computer), kakršen je Raspberry Pi 5, saj ti prehitro izpraznijo baterije, obenem pa so pretežki za vgradnjo v manjše drone (do 200 gramov). Za take projekte so zato skorajda samoumevna izbira mikroračunalniki Raspberry Pi Piko in Zero. Posnemajo jih že tudi drugi proizvajalci SBC.
Najmanjši računalniki Raspberry Pi iz serij Zero in Pico so v preteklih letih dobili naslednike s pomembnimi posodobitvami. RP2350 je največji in najpomembnejši čip mikroračunalnika Raspberry Pi Pico 2 (W), ki združuje skoraj vse funkcije razen brezžičnih komunikacij in trajne hrambe programov in podatkov. V Raspberry Pi Pico je vgrajen precej manj zmogljiv, a med profesionalnimi graditelji strojne opreme zelo priljubljen RP2040, ki je vgrajen celo v Raspberry Pi 5 konkurenčne računalnike (npr. Radxa X4), ker omogoča funkcionalnost 40-polne razširitvene vtičnice.
Tudi RP2350 lahko kupimo posebej in vgradimo v lastno tiskanino, vendar je za večino domačih graditeljev nakup v celoti sestavljenega mikroračunalnika Raspberry Pi Pico 2 boljša izbira. Predvsem zaradi velikih kontaktov, prek katerih ga lahko enostavno prispajkajo v svoje vezje brez profesionalne opreme in ekspertnega znanja.
Raspberry Pi Pico 2 W.
29. julija je Raspberry Pi izdal prenovljeno različico RP2350 A4 z odpravljenimi skoraj vsemi varnostnimi luknjami (ki so jih na lanskem Raspberry Pijevem Hekerskem izzivu RP2350 odkrili nadobudni programerji) in nekaterimi tehnološkimi posodobitvami, s katerimi navdušuje številne graditelje nove strojne opreme.
Graditeljem strojne opreme je zdaj na voljo tudi različica RP2354, ki vključuje 2-megabajtni bliskovni pomnilnik za hrambo uporabniških programov, kar predstavlja izjemno kompaktno rešitev v vse-v-enem čipu. Poteka tudi nov Hekerski izziv RP2350 in RP2354.
Ker je Raspberry Pi Zero svojega še nekajkrat zmogljivejšega naslednika Zero 2 dobil že leta 2021, lahko morda že kmalu pričakujemo še zmogljivejšega, a približno enako velikega Zero 3.
H in W?
Raspberry Pi Zero, Zero 2, Piko in Piko 2 imajo na koncu imen pogosto tudi oznake H, W in HW, ki označujejo dodatne strojne funkcionalnosti. Črka W pomeni brezžično povezljivost (wireless connectivity) oziroma vgrajen modul za brezžične komunikacije Wi-Fi/bluetooth. Mikroračunalnike z brezžičnim modulom prepoznamo po kovinskem pokrovčku, ki prekriva komunikacijski modul, in majhni vgrajeni anteni poleg njega.
Pri tem je zanimivo, da brezžični modul Raspberry Pi Zero 2 W podpira Wi-Fi/bluetooth 4.2, medtem kot tisti pri Raspberry Pi Piko 2 W podpira novejši Wi-Fi/bluetooth 5.2. To ne preseneča, če vemo, da smo prve Raspberry Pi Pico 2 W dobili šele v drugi polovici lanskega leta.
Črka H (angl. header) predstavlja različice s prispajkanim dvovrstičnim 40-polnim razširitvenim priključkom pri Raspberry Pi Zero 2 in prispajkanima enovrstičnima priključkoma pri Raspberry Pi Piko. Vsekakor se spajkanja takega priključka pri različicah brez oznake H lahko lotimo tudi sami, vendar pri številnih mobilnih projektih kable na kontakte raje prispajkamo neposredno, s čimer zmanjšamo težo in velikost robotiziranega drona, vozila, plovila ali drugega robota.
Raspberry Pi Zero 2
Raspberry Pi Zero 2 ima v primerjavi s svojim predhodnikom 64-bitno arhitekturo ARM64 s štirimi procesorskimi jedri ARM Cortex-A53 in tudi grafično jedro, ki zmore prek priključka mini HDMI (ta je nekoliko večji in bolj robusten od mikro HDMI pri velikih Raspberry Pijh 4 in 5) prikazati barvno grafiko do ločljivosti FullHD (1.920 × 1.080 pik), predvaja pa lahko tudi stereo zvok.
Sicer se od svojega predhodnika Raspberry Pi Zero (z enim samim procesorskim jedrom ARM11 in s podobno zmogljivim grafičnim jedrom) po zunanjem videzu skoraj ne razlikuje, ob čemer ohranja enake zunanje mere in vse konektorje. Enaka je tudi velikost glavnega pomnilnika, ki znaša 512 MB oziroma pol GB. Tega je več kot dovolj za večino (domačih) mobilnih projektov, tudi takih z vgrajeno umetno inteligenco (UI) za razpoznavanje predmetov v prostoru.
Rasberry Pi Zero 2W, povezan z Raspberry Pi tipkovnico, na katero so prek vgrajenega spojnika USB priključeni še miška, zvočna in omrežna kartica.
Po zmogljivosti lahko Raspberry Pi Zero 2 primerjamo z Raspbery Pi 3 tipa A, katerega procesorski del sistema v enem čipu res tiktaka pri nekoliko višji frekvenci (1,4 GHz), vendar se 1-gigaherčni Raspberry Pi Zero 2 oddolži s svojo majhno težo in z izjemno majhnostjo, saj je le malenkost večji in težji od Rapberry Pi Pico 2.
Raspberry Pi Zero in Zero 2 imata tudi priključek MIPI CSI za digitalno kamero visoke ločljivosti, s katere lahko neposredno zajemata živo sliko, ki jo lahko sproti obdelujeta (npr. z metodami UI), shranjujeta na kartico SD ali pa pošiljata v nadzorni računalnik prek ožičenega ali brezžičnega omrežja.
Raspberry Pi Zero 2 W z digitalno kamero visoke ločljivosti.
Različice modelov Raspberry Pi Zero in Zero 2 imajo sicer še po dva priključka mikro USB in 40-polno razširitveno vtičnico z enakim razporedom priključkov, kot jih imajo vsi veliki Raspberry Piji 1, 2, 3, 4 in 5, razen modela Razberry Pi 1 tipa A. Priključek mikro USB, ki je bliže desnemu robu tiskanega vezja računalnika, je namenjen le napajanju, medtem ko je preostali priključek mogoče uporabiti tako za napajanje kot komunikacije po standardu USB 2.0 OTG (angl. on the go). Možnost hkratnega napajanja in komunikacije prek istega priključka je zanimiva predvsem, kadar računalnik povežemo z dokom za PC, iz katerega se lahko tudi napaja. Za vsakega od modelov Raspberry Pi Zero in Zero 2 so na voljo po tri dodatne različice, z oznakami W, H in HW (glej okvir).
Najprej kot namizni računalnik, potem kot krmilnik ...
Rasberry Pi Zero in Zero 2 lahko uporabljamo tudi kot namizna računalnika, prvega z 32-bitnim operacijskim sistemom Raspberry Pi OS 12 (Bookworm) z grafičnim vmesnikom, drugega pa tudi z njegovo 64-bitno različico. Poganjamo lahko celo najnovejše spletne brskalnike Firefox in Chromium, vendar z opozorilom, da njihova uporaba ni priporočljiva pri računalnikih z manj kot 1 GB pomnilnika. Predvajanje videa z Youtuba v majhnem formatu kljub temu deluje.
Raspberry Pi Zero in Zero 2 imata po en komunikacijski priključek USB 2.0, prek katerega lahko ob pomoči spojnika USB 2.0 povežemo številne naprave. Pri tem lahko kot ad hoc spojnik USB 2.0 uporabimo tudi originalno Raspberry Pi tipkovnico s tremi prostimi vtičnicami USB-A, ki jo prek ustreznega kabla (vtikač mikro USB na vtikač mikro USB) povežemo z Raspberry Pi Zero (2). Prek tipkovnice nato povežemo še miško, ethernetni vmesnik ter po potrebi še preprosto zvočno kartico z analognim vhodom in izhodom, pametni telefon itn.
Če namesto tega uporabimo zmogljivejši spojnik z več priključki ali pa v enega od priključkov tipkovnice povežemo dodatni spojnik, lahko priključimo še več naprav. Paziti moramo le, da s tem ne preobremenimo napajalnika ali presežemo tokovne zmogljivosti vtičnice mikro USB.
Raspberry Pi sicer omogoča nakup originalnega 2,5-amperskega 5-voltnega napajalnika s priključkom mikro USB, vendar lahko namesto tega z ustreznim vmesniškim kablom uporabimo tudi 5,5-amperski napajalnik za Raspberry Pi 5/500/CM5 ali pa Rasberry Pi Zero (2) napajamo kar iz zadnjega.
Rasberry Pi Zero 2W kot namizni računalnik, povezan s tipkovnico Raspberry Pi z vgrajenim spojnikom USB 2.0.
Za uporabnike namiznih Raspberry Pi je nekoliko nenavaden le kabel z vtikačema mini HDMI in HDMI, ki ga potrebujemo za povezavo Raspberry Pi Zero ali Zero 2 z monitorjem ali s televizorjem, ki lahko prikaže ločljivosti FullHD (1.920 × 1.080 pik) ali več. Morda ga bodo vgradili tudi v Raspberry Pi 6, saj se mnogi pritožujejo nad krhkostjo kablov z vtičem mikro HDMI.
Za povezavo z internetom lahko pri Raspberry Pi Zero 2 W uporabimo tako vgrajeni brezžični vmesnik Wi-Fi/bluetooth kot tudi vse ostale prek USB povezane komunikacijske vmesnike. Za Rapberry Pi Zero in Zero 2 si lahko omislimo celo ohišje in modul za napajanje prek etherneta, ki ga spremenita v pravi mikro namizni računalnik.
Raba Raspberry Pi Zero in Zero 2 kot namiznega računalnika omogoča enostavno testiranje programske opreme za upravljanje naprav, denimo dronov, ki jo lahko tako najprej preizkusimo z diagnostičnim prikazom ključnih parametrov na monitorju na delovni mizi. Nato odklopimo monitor in naprave USB ter zapremo računalnik v ohišje drona, tako da ta ostane med letenjem povezan le z dronovo elektroniko in baterijskim sklopom.
Raspberry Pi Pico 2
Pico z 32-bitno arhitekturo ARM32 je namenjen predvsem manj zahtevnim (domačim) projektom, saj ima odlično podporo v integriranih razvojnih okoljih Visual Studio Code in Arduino 2.x.x IDE. Pri tem se enakovredno kosa z izdelki Espressif Systemsa iz razvejane družine ESP32 z različnimi procesorskim arhitekturami. Posebnost Raspberry Pi Pico 2 je hkratna podpora kar dvema procesorskima arhitekturama ARM Cortex-M33 in RISC-V Hazard3 s po dvema procesorskima jedroma za vsako od arhitektur, vendar lahko naenkrat delujeta le dve procesorski jedri z enako ali različno procesorsko arhitekturo.
Zgradba RP2350, sistema v enem čipu, ki poganja Raspberry Pi Zero 2.
Tako Raspberry Pi Pico kot Pico 2 nimata grafičnih jeder in priključkov (npr. HDMI) za priklop monitorja, saj sta namenjena predvsem gradnji krmilnih vezij. Obenem nanju zaradi sorazmerno majhnih glavnih pomnilnikov (264 KB in 520 KB) navadno ne nameščamo operacijskega sistema, ampak izdelano aplikacijo iz razvojnega okolja Visual Studio Code ali Arduino 2 namestimo neposredno. Tudi sicer so enostavni operacijski sistemi namenjeni pretežno poganjanju vzporednih nalog in njihovemu razporejanju ter omogočanju delovanja in dostopa do datotečnega sistema, pri čemer jih ne upravljamo prek ukazne vrstice (v besedilnem načinu) ali ukaznega okna (v grafičnem načinu). Denimo na Raspberry Pi Zero in Zero 2.
Ker večina operacijskih sistemov in programerskih razvojnih okolij zanje omogoča samo eno verigo programske opreme za prevajanje izvorne kode v izvedljivo programsko kodo (npr. prevajalnik, povezovalnik, optimizator … ), je mogoča le hkratna uporaba jeder z enako procesorsko arhitekturo.
Kljub temu pa na spletu že najdemo sodobnejše operacijske sisteme in orodja, kot je Zephyr (zephyrproject.org), ki omogočajo prevajanje in poganjanje programske kode za računalnike s skupinami procesorjev z različnimi arhitekturami. Mikrokrmilnik RP235x lahko predstavimo tudi kot računalnik z dvema skupinama – po en procesor z različnima arhitekturama, nato poganjamo aplikacije za različne arhitekture na ustreznih procesorskih jedrih.
Namestitev razvojnega okolja in programiranje
Raspberry Pi Zero in Zero 2 se s programerskega stališča skoraj v ničemer ne razlikujeta od večjih Raspberry Pi 3, 4 in 5. Za delovanje potrebujeta (hitro) kartico SD z operacijskim sistemom, ki jo vstavimo v režo na robu tiskanega vezja. Na kartico SD lahko prenesemo tudi gotove aplikacije iz večjih Raspberry Pi, v katerih jih lahko hitreje prevedemo v izvedljivo kodo. Lahko pa namesto tega priključimo tipkovnico, miško, monitor in po potrebi še omrežno kartico, nakar programsko kodo pišemo in testiramo neposredno.
Namestimo lahko tudi integrirano razvojno okolje (npr. Mono Develop, ki spominja na Microsoftov Visual C#, ali pa kar vsestranski Microsoftov Visual Studio Code) ali pa za pisanje, prevajanje in povezovanje programske kode uporabljamo preprostejša orodja, ki so del osnovne namestitve operacijskega sistema. Sicer pa jih namestimo z ukazom sudo apt-get install ...
Integrirano razvojno okolje Visual Studio Code, s katerim lahko prevedemo in naložimo novo aplikacijo v Raspberry Pi Pico 2W.
Za programiranje Raspberry Pi Pico in Pico 2 potrebujemo zmogljivejši računalnik z monitorjem, s tipkovnico, z miško, vsaj enim prostim priključkom USB in internetno povezavo (vsaj pri vzpostavitvi razvojnega okolja). Nanj namestimo ustrezno integrirano razvojno okolje, kot sta Ardiuno 2 in Visual Studio Code, ter ustrezen razširitveni programski vtičnik za programiranje mikrokrmilnikov iz družin RP2040 in RP2350, ki sta vgrajena v Pico in Pico 2.
Integrirano razvojno okolje Arduino 2, s katerim lahko prevedemo in naložimo novo aplikacijo v Raspberry Pi Pico 2W, poganjamo pa ga lahko tudi na Raspberry Pi 5/500/CM5.
Prenos izvedljive kode v Pico in Pico 2 je hiter in enostaven, saj se po pritisku tipki BOOT SEL predstavita kot pogon za množično hrambo podatkov (podobno kot disk), PC pa nanj odloži datoteke z izvedljivo programsko kodo, ki se nato shranijo in zaženejo.
Izdelava drona, robotskega vozila ali plovila (s kamero)
Raspberry Pi Zero 2 je pravšnji za zahtevnejše graditelje dronov, ki potrebujejo kamero, pogosto pa tudi nekaj osnovnih UI-metod za razpoznavanje predmetov ali ovir v živi sliki.
Raspberry Pi Zero 2 W z monitorjem, s tipkovnico in z miško. Spojnik USB je na zadnji strani monitorja.
Na spletu najdemo veliko brezplačne razvojne programske opreme in navodil za gradnjo dronov, tako na osnovi Raspberry Pi Piko (2) kot Raspberry Pi Zero (2). Res pa je, da je med graditelji bolj priljubljen zmogljivejši Raspberry Pi Zero (2), ki omogoča tudi neposredni priklop digitalne kamere z visoko ločljivostjo z enakim priključkom, kot ga ima Raspberry Pi 5.
Graditelji se pogosto odločajo za osnovno različico Raspberry Pi Zero (2) brez modula Wi-Fi/bluetooth, saj namesto tega raje uporabljajo počasnejše radijske module FM z veliko daljšim dosegom.
PiFly (xrefactory.com/pifly) je eden najzanimivejših projektov, ki temelji na Raspberry Pi Zero 2 W z operacijskim sistemom Raspberry Pi OS z brezplačno odprtokodno programsko opremo Raspilot (github.com/Marian-Vittek/raspilot). Večina ogrodja drona je natisnjena na tiskalnik 3D, čemur je dodanih le še nekaj nosilnih palic iz ogljikovih vlaken.
Sestavljen je iz močnostne in senzorske elektronike, vključno z baterijami in s štirimi brezkrtačnimi elektromotorji; piko na i pa dronu, za katerega je avtor odštel okoli 150 evrov, daje digitalna kamera visoke ločljivosti.
Komunikacija med odprtokodno programsko opremo Raspilot za nadzorovanje leta drona in gonilnikom za neposredno upravljanje njegove elektronike poteka po protokolu Dshot-150. Ta omogoča zajemanje podatkov iz zmogljivih tipal, med katerimi so elektronski žiroskop, merilnik pospeškov in lidar, ki na osnovi odboja laserske svetlobe meri oddaljenost od tal.
Sestavljeni dron s kamero na osnovi Raspberry Pi Zero 2 W.
Raspilot omogoča načrtovanje leta drona med začetno in končno točko v prostoru, ki ju podamo s tremi prostorskimi koordinatami in z zasukom, ki določa orientacijo drona med letom. Zagotavljanje stabilnosti leta temelji na preprostih pravilih vztrajnosti v gibanju, medtem ko je neposredno upravljaje hitrosti leta in orientacije prepuščeno algoritmom PID (proporcionalni odvod integrala), ki jih v industriji že dolgo uporabljajo za nadzor procesov. Frekvenca izvajanja merilno-krmilnih ciklov je okoli 200 Hz, kar zadošča tudi, kadar je težišče drona sorazmerno visoko nad štirimi propelerji.
Dron s krmilnikom na osnovi Raspberry Pi Pico 2 W (raspberrypi.com/news/building-a-raspberry-pi-pico-2-powered-drone-from-scratch) je tako popularen, da ga najdemo kar med lanskimi novicami na spletni strani proizvajalca Raspberry Pi. Ima tudi doma narejeno spletno kamero na osnovi Raspberry Pi Zero W, s katerim je prek priključka MIPI CSI povezana digitalna kamera visoke ločljivosti. Živo sliko z drona lahko spremljamo prek pametnega telefona.
Sestavljeni dron na osnovi Raspberry Pi Pico 2 W z modulom in s kamero na osnovi Raspberry Pi Zero.
Odprtokodno programsko opremo za upravljanje drona za Raspberry Pi Pic 2 W najdemo na spletni strani github.com/TimHanewich/scout. Namenjena je zagotavljanju stabilnosti leta, ne pa tudi natančnemu načrtovanju leta med dvema točkama v prostoru. Dvojedrni mikrokrmilnik Raspberry Pi Pico 2 W je za to več kot dovolj zmogljiv, saj se pri zagotavljanju stabilnosti zanaša na elektronski žiroskop MPU-6050. Za daljši doseg letenja lahko namesto povezave Wi-Fi uporabljamo tudi radijski sprejemnik FlySky FS-iA6B Ta sprejema signal z modula za daljinsko upravljanje FlySky FS-i6. Prek spleta ju lahko kupimo že za okoli 30 evrov.
Izdelava drona
Preden se lotimo izdelave, moramo dobro premisliti, kako velik in kako zmogljiv dron potrebujemo. Manjši in lažji droni so manj občutljivi na padce in udarce, zato ne potrebujejo zelo močnih ogrodij. Njihove krmilnike lahko poenostavimo, če jih dobro uravnotežimo, uskladimo moč propelerjev in motorjev ter zagotovimo popolno simetrijo ogrodja in ohišja; podobno kot drone izdelujejo proizvajalci igrač. Sprotno prilagajanje moči posameznih motorjev za stabilnost leta tako ni potrebno. Dovolj je enostavno krmiljenje v parih, pri čemer lahko moč posameznega elektromotornega para določimo z enostavnimi matematičnimi funkcijami (namesto s PID).
Deli za izdelavo drona na osnovi Rapsberry Pico 2W kot krmilnika letenja in Raspberry Pi Zero glavnega dela dodatnega modula s kamero.
Domači graditelji dronov se pogosto odločijo za tiskanje ogrodij in ohišij s tiskalnikom 3D, vendar je tak dron navadno manj uravnotežen, predvsem pa veliko težji kot tisti z ogrodjem in ohišjem iz ulite plastike, ki ju lahko kupimo v trgovinah z modelarskim materialom.
Vprašanje je tudi, kako zmogljive polnilne baterije uporabiti. Zmogljivejše in večje so obenem tudi težje, zato je treba njihovo izbiro uravnovesiti z zmogljivostjo motorjev in največjo dovoljeno skupno težo drona. Običajno motorji porabijo veliko več energije kot miniaturni Raspberry Pi in ostala krmilna elektronika, zato njihova poraba ne bi smela bistveno vplivati na največjo dolžini leta, je pa lahko odločilno razmerje med njihovo težo in težo celotnega drona.
Manj je več?
Raspberry Pi Zero 2 W in Raspberry Pi Pico 2 W sta enako velika kot njuna predhodnika, vendar veliko zmogljivejša. Mnogi, ki so svoje drone zasnovali na Raspberry Pi Pico (prvi različici), so se pritoževali nad premajhno procesno zmogljivostjo, česar za drugo različico ne bi mogli trditi.
Raspberry Pi Zero 2 W z omrežno kartico, spojnikom USB 2.0 in napajanjem iz etherneta v originalnem ohišju za namizno rabo.
Rapberry Pi Zero 2 W združuje sorazmerno visoko stopnjo zmogljivosti 4-jedrnega procesorja, majhno porabo energije, majhne dimenzije in majhno težo. Na Amazon.de bomo zanj odšteli med 23 in 30 evri, kar je za zahtevna krmiljenja PID in uporabi metod UI zelo ugodno.
Zaradi enostavnosti uporabe in cenenosti se nakup Raspberry Pi Piko 2 (na Amazon.de stane okoli 6 evrov) ali Raspberry Pi Piko 2 W (na Amazon.de stane 9 evrov) seveda še veliko bolj izplača.
