Kapitel 1 Dein Roboter-Auto zum Selberbau

25

1.1 Warum überhaupt ein Roboter-Auto bauen?

25

1.2 Für wen ist dieses Projekt geeignet?

27

1.3 Mehr als nur Likes: dein Projekt, deine Zukunft

27

Kapitel 2 Die richtige Ausrüstung: Werkzeuge für das Roboter-Auto-Projekt

29

2.1 Warum die richtigen Werkzeuge wichtig sind

29

2.2 Die wichtigsten Werkzeuge für dein Roboter-Auto-Projekt

30

2.3 Gut verlötet ist halb gewonnen – Grundlagen des Lötens

31

2.3.1 Der Lötprozess – eine Anleitung zur perfekten Lötstelle

32

2.3.2 Wichtiges Lötzubehör – was du noch brauchst

32

2.3.3 Entlötlitze – wenn mal was danebengeht

33

2.3.4 Lötspitzen – das richtige Werkzeug für jede Aufgabe

34

2.3.5 Praktische Helferlein: die »Dritte Hand«

35

2.4 Vorbereitung ist alles

36

Kapitel 3 Das Chassis: die Basis deines Roboter-Autos

37

3.1 Präzision aus dem Drucker: das 3D-gedruckte Chassis

38

3.1.1 Was du benötigst

39

3.1.2 Der Fertigungsprozess: vom Entwurf zum gedruckten Chassis

40

3.1.3 Vorbereitung der Montage der Komponenten im Chassis-Design

42

3.1.4 Zusammenfassung

42

3.2 Flexibel und kreativ: das Chassis aus LEGO-Bausteinen

43

3.2.1 Was du benötigst

43

3.2.2 Aufbau der Getriebemotorhalterung

44

3.2.3 Fahrgestell montieren

46

3.2.4 Zusammenfassung

46

3.3 Günstig und individuell: das Chassis aus Pappe

47

3.3.1 Was du benötigst

47

3.3.2 Modellzeichnung und Zuschnitt

48

3.3.3 Zusammenfassung

51

3.4 Deine Wahl, dein Roboter!

52

Kapitel 4 3D-Druck-Chassis: So erhältst du das Chassis und andere Teile

53

4.1 3D-Druck verstehen: Schicht für Schicht zum Objekt

53

4.2 Die Baupläne: Was ist eine STL-Datei?

54

4.3 Dein Druckmaterial: Filament-Arten für dein Roboter-Auto

54

4.3.1 Polylactide: der Einsteiger-Star

55

4.3.2 Polyethylenterephthalatglycol: der zähe Allrounder

55

4.4 Kein 3D-Drucker zuhause? Kein Problem!

56

4.5 Dein erster 3D-Druck: wichtige Einstellungen und Tipps

56

Kapitel 5 Strom ist die Roboter-Energie – Grundlagen der Elektrizität für dein Roboter-Auto

59

5.1 Elektrische Gesetze und Formeln – das kleine Einmaleins der Elektronik

59

5.1.1 Die Reihenschaltung – alles hintereinander

60

5.1.2 Die Parallelschaltung – alles nebeneinander

61

5.1.3 Das Ohmsche Gesetz – der Dreiklang der Elektrotechnik

63

5.2 Die elektrische Leistung – wie viel Power steckt drin?

63

5.2.1 Beispielrechnungen für dein Roboter-Auto

63

5.2.2 Beispiel: Reihenschaltung von zwei Motoren

64

5.2.3 Beispiel: Parallelschaltung von zwei Motoren

65

5.3 Leistungsaufnahme des gesamten Roboter-Autos in einem Beispiel

65

5.4 Beispielrechnung für einen LED-Vorwiderstand

66

Kapitel 6 Datenübertragung im Detail: der I2C-Bus und der ESP32

69

6.1 Was ist der I2C-Bus?

69

6.2 Wie funktioniert I2C?

71

6.3 Der I2C-Bus des ESP32

73

6.4 I2C-Hubs: mehr Anschlüsse für Sensoren

73

6.5 DIY-I2C-Hub – meine persönliche Empfehlung

74

6.6 Die genaue Verwendung des I2C-Busses im Roboter-Auto

75

6.7 Level-Shifter (Pegelwandler) – die Spannungsanpassung im I2C-System

76

Kapitel 7 Diese Hardware brauchst du für dein Roboter-Auto

77

7.1 Das Gehirn: der ESP32-Mikrocontroller

77

7.2 Fortbewegung: die TT-Getriebemotoren mit Rädern

78

7.3 Motorsteuerung: L298N-Motortreiber-Modul

79

7.4 OLED-Display SSD1306 – das Info-Display

81

7.5 Die 18650-Li-Ion-Akkus

82

7.5.1 Upcycling: alten Akkus neues Leben einhauchen (nichts für Kinder)

83

7.5.2 Wie du 18650-Akkus testest und ihren Zustand prüfst

85

7.6 Batteriehalter mit Feinsicherung und Sicherungshalter

86

7.6.1 Was ist eine Sicherung?

87

7.6.2 Schutz vor Stromspitzen und Kurzschlüssen

87

7.7 Die richtige Spannung: der Spannungswandler

88

7.8 Beleuchtung: NeoPixel-LEDs

89

7.9 Fernsteuerung: Sony PS4/PS5 Gamecontroller

91

7.10 Spannung im Blick: die digitale Spannungsanzeige

92

7.11 Kleinmaterial: Kabel, Verbinder und mehr

94

7.12 Übersicht der benötigten Komponenten

96

7.13 Was kommt als Nächstes?

98

Kapitel 8 Die Spannungsversorgung des Roboter-Autos

99

8.1 Warum drei 18650-Akkus als Spannungsquelle?

99

8.2 Benötigte Komponenten für die Spannungsversorgung

100

8.3 Aufbau der Spannungsversorgung

100

8.3.1 Wichtige Sicherheitshinweise

101

8.3.2 Erläuterung zur Schalterintegration

102

8.4 Was kommt als Nächstes?

106

Kapitel 9 Das 3D-Druck-Chassis – dein Roboter nimmt Gestalt an

107

9.1 Aufbau des Beispiel-Chassis

109

9.2 Vorbereitung der 3D-Druckteile

110

9.3 Dein 3D-Druck-Roboter-Chassis: die Bauteile im Detail

110

9.3.1 Die Bodenplatte

111

9.3.2 Die Motortreiberhalterung

112

9.3.3 Der Rahmen

112

9.3.4 Der Stoßfänger

113

9.3.5 Der Elektronikträger

114

9.3.6 Der Deckel mit Anbauteilen

115

9.3.7 Das Fahrerhaus mit Dach

116

9.3.8 Die Universalhalterung (optional)

117

9.3.9 Der Nadel- und Luftballonhalter (optional)

117

9.3.10 Der Schiebeschild mit Bolzen (optional)

118

9.4 Was kommt als Nächstes?

120

Kapitel 10 Schritt-für-Schritt-Montage des 3D-gedruckten Roboter-Autos

121

10.1 Fokus auf das 3D-Druck-Beispiel

121

10.2 Start der Roboter-Auto-Verkabelung und -Montage

122

10.3 ESP32 – logische Verkabelung vorbereiten

124

10.4 LED-Daten-Pin vorbereiten

126

10.5 Anschlusskabel der Motoren vorbereiten und anschließen

127

10.6 TT-Getriebemotoren montieren und anschließen

128

10.6.1 Motoren in Reihe schalten für reduzierte Geschwindigkeit und erhöhte Lebensdauer

129

10.6.2 Motoren parallel schalten für eine hohe Endgeschwindigkeit

131

10.6.3 Hinweis zur Polung der Motoren

132

10.6.4 Motortreiber einsetzen

132

10.7 Spannungswandler befestigen

133

10.8 Anschluss des Motortreibers an den ESP32

134

10.9 Verkabelung des Fahrerhauses

136

10.9.1 OLED-Display anschließen

136

10.9.2 Spannungsanzeige einbauen und anschließen

140

10.9.3 Ein-/Ausschalter einbauen und anschließen

142

10.10 LED-Verkabelung vorbereiten und einbauen

144

10.11 Erster Test der Spannungsversorgung

147

10.12 Was kommt als Nächstes?

148

Kapitel 11 Erste Schritte mit der Arduino-Entwicklungsumgebung

149

11.1 Arduino IDE herunterladen und installieren

149

11.2 ESP32-Boards für Arduino IDE einrichten

150

11.3 Benötigte Bibliotheken installieren

152

11.4 ESP32 mit dem Computer verbinden

152

11.5 Test-Sketch hochladen

152

11.5.1 Fehlerbehebung (Troubleshooting)

153

Kapitel 12 Die komplette Software für dein Roboter-Auto

155

12.1 Voraussetzungen prüfen

155

12.2 Roboter-Auto-Programm herunterladen und aufspielen

156

12.3 ESP32-Roboter-Auto-Programm testen

156

12.4 Ausblick und Erweiterungen

158

Kapitel 14 Programmieren mit KI-Unterstützung: deine Prompt-Schule

167

14.1 Die Kunst des Befehls: Was ist ein Prompt und warum ist »Prompt Engineering« wichtig?

167

14.2 Werkzeuge des Dialogs: wichtige Prompting-Techniken

168

14.2.1 Allgemeines Prompting / Zero-Shot-Prompting

169

14.2.2 One-Shot- und Few-Shot-Prompting (Prompting mit Beispielen)

169

14.2.3 System-, Kontext- und Rollen-Prompting

169

14.2.4 Rollen-Prompting genauer betrachtet

171

14.2.5 Chain-of-Thought-Prompting (CoT)

173

14.2.6 Der Aufbau macht den Unterschied: Struktur in Prompts

173

14.3 Dein perfekter Befehl: einen effektiven Prompt für das ESP32-Roboter-Auto erstellen

175

14.4 Der iterative Prozess: vom ersten Entwurf zum fertigen Code

178

14.5 Dokumentation deiner Prompts – behalte den Überblick

179

14.6 Realistische Erwartungen und deine Rolle als Entwickler

179

Kapitel 15 Sensoren im Überblick

181

15.1 Was sind Sensoren und wozu brauchen wir sie?

181

15.2 Der Ultraschallsensor (HC-SR04) – sehen mit Schallwellen

183

15.2.1 Wie funktioniert der HC-SR04-Ultraschallsensor?

184

15.2.2 Anschluss des HC-SR04 an den ESP32

186

15.3 Digitaler Lichtsensor (GY-302/BH1750) – präzise Helligkeit messen

186

15.3.1 Wie funktioniert der digitale Lichtsensor BH1750?

187

15.3.2 Anschluss an den ESP32 über den I2C-Bus

188

15.4 Infrarotsensoren/Liniensensoren – dem Weg folgen

189

15.4.1 Wie funktioniert der Linienfolger-Sensor KY-033?

190

15.4.2 Anschluss an den ESP32 und Einsatz mehrerer Sensoren

191

15.5 Das Gyroskop (GY-521/MPU-6050) – Drehbewegungen und Lage erfassen

193

15.6 Das Kompassmodul – dein Roboter findet die Nordrichtung

196

15.6.1 Anschluss an den ESP32 über den I2C-Bus

197

15.6.2 Eine kurze Einführung in das Kompassmodul

197

15.7 Weitere interessante Sensoren für Roboter-Projekte

198

Kapitel 16 Präzises Lichtmanagement – dein Roboter misst Helligkeit in Lux mit dem BH1750

201

16.1 Der digitale Lichtsensor BH1750 – was er kann und warum er praktisch ist

201

16.2 Das GY-302-Modul (BH1750) am Roboter montieren und anschließen

202

16.2.1 Montage des Moduls

202

16.2.2 Anschluss an den ESP32 über I2C

202

16.3 Programmieren: Lichtstärke in Lux auslesen und auf dem OLED-Display anzeigen

203

16.3.1 Prompt für die Programmierung

204

16.3.2 Erläuterung des generierten Codes

206

16.3.3 Programm auf den ESP32 aufspielen

207

Kapitel 17 Auf der Ideallinie – dein Roboter folgt Spuren mit dem KY-033-Liniensensor

209

17.1 Was bedeutet Linienverfolgung?

209

17.2 Den KY-033-Liniensensor am Roboter montieren und anschließen

211

17.2.1 Montage der Sensoren

211

17.2.2 Anschluss an den ESP32

212

17.2.3 Einstellung der Empfindlichkeit

212

17.3 Programmieren: Linienstatus pro Sensor erkennen

213

17.3.1 Prompt für die Programmierung

213

17.3.2 Erläuterung des generierten Codes

216

17.3.3 Programm auf den ESP32 aufspielen

217

17.4 Das Programm für die Linienverfolgung in Verbindung mit der Motorsteuerung: Wo ist nur die Linie hin?

217

17.4.1 Prompt für die Programmierung

218

17.4.2 Erläuterung des generierten Codes

222

17.5 Testfahrten und Kalibrierung

223

17.6 Problem mit dem Code?

224

Kapitel 18 Balanceakt und Drehmomente – dein Roboter versteht Bewegung

225

18.1 Gyroskop und Beschleunigungssensor kurz erklärt

225

18.2 Den MPU-6050-Sensor am Roboter-Auto montieren und anschließen

226

18.2.1 Montage des Moduls

227

18.2.2 Anschluss an den ESP32

227

18.3 Programmieren: Rohdaten von Gyroskop und Beschleunigungssensor auslesen (mit OLED-Anzeige)

228

18.3.1 Prompt für die Programmierung

228

18.3.2 Erläuterung des generierten Codes

231

18.3.3 Programm auf den ESP32 aufspielen

232

18.4 Logik: von Rohdaten zu Winkeln – Neigung und Drehung verstehen

233

18.4.1 Neigungswinkel (Pitch und Roll) aus Beschleunigungsdaten

233

18.4.2 Drehwinkel (Yaw, Pitch, Roll) aus Gyroskopdaten

234

18.4.3 Sensorfusion – ganz neue Möglichkeiten durch die Kombination von Sensordaten (Ausblick)

234

18.5 Das Programm, um den Roboter um 45 Grad zu drehen

234

18.5.1 Prompt für die Programmierung

235

18.5.2 Erläuterung des generierten Codes

240

18.5.3 Programm auf den ESP32 aufspielen

241

18.5.4 Verbesserungen für zukünftiges Prompting

242

18.6 Testfahrten bzw. Drehung

242

Kapitel 19 Immer nordwärts – dein Roboter-Auto findet die Himmelsrichtung

243

19.1 Was ist ein Magnetometer und wie wird daraus ein Kompass?

243

19.2 Das GY-271-Modul am Roboter montieren und anschließen

244

19.3 Anschluss an den ESP32

245

19.4 Programmieren: Magnetfeld-Rohdaten und Kompassrichtung auslesen

245

19.4.1 Prompt für die Programmierung

246

19.4.2 Erläuterung des generierten Codes

250

19.4.3 Programm auf den ESP32 aufspielen

251

19.5 Erweiterungen und Verfeinerungen

252

19.6 Kompasskalibrierung des QMC5883L – ein Muss für präzise Navigation

253

Kapitel 20 Dein Roboter fährt allein – autonom mit Ultraschallsensor

255

20.1 Den Ultraschallsensor am Roboter montieren

256

20.2 Prompt für die Programmierung

256

20.2.1 Erläuterung des generierten Codes

257

20.3 Testfahrten und Fehlersuche

259

Kapitel 21 Dein Roboter findet seinen Platz in der Welt – Navigation mit dem GPS-Modul

261

21.1 Was ist GPS und wie wird daraus eine Position?

262

21.2 Das GY-NEO6MV2-Modul am Roboter montieren

262

21.3 Anschluss an den ESP32

263

21.4 Programmieren: GPS-Position und Zeit auslesen

263

21.4.1 Prompt für die Programmierung

264

21.4.2 Erläuterung des generierten Codes

265

21.4.3 Programm auf den ESP32 aufspielen

266

21.5 Erweiterungen und Verfeinerungen

266

Kapitel 22 Steuerung per Browser – das Web-Interface

269

22.1 Was ist ein Web-Interface und warum ist es nützlich für dein Roboter-Auto?

269

22.1.1 Der ESP32 als Access Point oder im Heimnetzwerk

270

22.2 Grundlagen: einen einfachen Webserver auf dem ESP32 aufsetzen

270

22.3 Prompt für die Programmierung

271

22.3.1 Erläuterung des generierten Codes

272

22.3.2 Programm auf den ESP32 aufspielen

272

22.4 Herausforderungen und Weiterentwicklungsmöglichkeiten

274

Kapitel 23 Mehr Bewegung: Servo-Motoren für dein Roboter-Auto

275

23.1 Was sind Servo-Motoren und wie unterscheiden sie sich von den Antriebsmotoren?

276

23.1.1 Anwendungsbeispiele für Servos am Roboter-Auto

276

23.2 Das PCA9685-Modul und die Ansteuerung von Servos

277

23.2.1 Warum nutzen wir das PCA9685-Modul dafür?

277

23.2.2 Spannungsversorgung der Servo-Motoren

277

23.2.3 Anschluss eines Servo-Motors an das PCA9685

278

23.3 Einbau des Servo-Controllers und Programmierung

279

23.3.1 Prompt für die Programmierung

280

23.3.2 Generierter Programmcode – drehe den Servo-Motor

280

23.3.3 Erläuterung des generierten Codes

281

23.3.4 Programm auf den ESP32 aufspielen

282

Kapitel 24 Dein Roboter-Auto wird intelligent – lerne das OpenBot Framework kennen

287

24.1 Was du im dritten Teil des Buches lernen wirst

288

24.2 Eine neue Dimension der Autonomie – dein Smartphone als Robotergehirn

289

24.3 Vorstellung des OpenBot-Projekts

289

24.3.1 Die Kernidee – Smartphone als Gehirn, ESP32 als Steuerzentrale

290

24.4 Zusätzlich benötigte Komponenten zum bestehenden Roboter-Auto

292

Kapitel 25 Das OpenBot-System – Zusammenspiel von Smartphone und ESP32-Mikrocontroller

297

25.1 Die Architektur im Detail

297

25.1.1 Smartphone-Seite

297

25.1.2 ESP32-Seite der Roboter-Auto-Controller

298

25.1.3 Kommunikation über Bluetooth oder USB-Kabel

298

25.2 Überblick über die autonomen Fähigkeiten mit OpenBot

299

Kapitel 26 Vom Roboter-Auto zum OpenBot: Vorbereitung und Firmware-Installation

301

26.1 Letzte Hardware-Vorbereitung: die Smartphone-Halterung

301

26.2 Die OpenBot-Firmware: Vorbereitung und Konfiguration

302

26.3 Die Firmware konfigurieren

302

26.3.1 Robotertyp festlegen

303

26.3.2 GPIO-Pin-Belegung für dein Roboter-Auto anpassen

303

26.4 Firmware auf den ESP32 aufspielen

306

26.5 Der erste Test

307

26.6 Die OpenBot-Smartphone-App – Installation und erste Verbindung

307

26.6.1 Installation und Einrichtung der App

308

26.6.2 Bluetooth-Verbindung zwischen Smartphone und ESP32 herstellen

309

26.7 Die Benutzeroberfläche der OpenBot-App

312

26.7.1 Der Diagnose-Modus: der Bildschirm »Robot Info«

312

26.7.2 Der Modus »Controller Mapping«

314

26.7.3 Der Modus »Freies Fahren / Free Roam«

315

26.7.4 Der Modus »Daten sammeln / Data Collection«

319

26.8 Die Benutzeroberfläche der OpenBot-App (AI)

323

26.8.1 Der Modus »Autopilot«

323

26.8.2 Der Modus »Objektverfolgung / Object Tracking«

324

26.8.3 Der Modus »Ziel setzen / Set Goal«

325

26.8.4 Das Model Management

328

Kapitel 27 Datensammlung und KI-Training in der Praxis: eine Schritt-für-Schritt-Anleitung

331

27.1 Trainingsdaten sammeln

331

27.2 Vom Rohstoff zum Gehirn – dein eigenes KI-Modell trainieren

335

27.2.1 Die Werkstatt einrichten: Vorbereitung der Trainingsumgebung am Windows-PC

336

27.2.2 Das Training kopieren, konfigurieren und starten

339

27.2.3 Am Mischpult der KI: die Trainingsparameter der Web-App erklärt

341

27.2.4 Das Abschlusszeugnis: die Trainingsergebnisse verstehen

344

27.3 Das fertige KI-Modell: Export und Übertragung auf das Smartphone

346

27.3.1 Schritt 1: Das fertige Modell auf dem PC finden

347

27.3.2 Schritt 2: Das Smartphone mit dem PC verbinden

348

27.3.3 Schritt 3: Die Modelldatei auf das Smartphone kopieren

349

27.3.4 Schritt 4: Die Modelldatei in die OpenBot-App importieren

349

27.4 Fazit: Die erste autonome Fahrt mit deinem eigenen Modell

350

Kapitel 28 Der visuelle Baukasten – eigene Programme mit OpenBot Playground erstellen

351

28.1 Der OpenBot-Online-Dienst: einfach im Browser loslegen

352

28.2 Die magische Verbindung: PC und Roboter koppeln

352

28.3 Der Baukasten: Logik und KI mit Blöcken erschaffen

352

Kapitel 29 Dein intelligenter Roboter – Zusammenfassung und nächste Abenteuer

355

29.1 Was du gelernt hast: dein Weg zum Roboter-Entwickler

355

29.2 Was jetzt möglich ist: deine Reise beginnt hier

356

Kapitel 30 Die abschließenden Worte: Was du bis jetzt erreicht hast und wie es weitergeht

357

30.1 Was Kinder und auch Erwachsene mitnehmen können

358

30.2 Was du als Nächstes machen kannst

358

30.3 Das ESP32-Roboter-Auto-Projekt in Familie und Schule

359

30.4 Wie ein humanoider Roboter zukünftig mit KI-Unterstützung Probleme lösen könnte – einfach erklärt

359

30.5 Gedanken über die Zukunft des Zusammenlebens mit Large Language Models

361

30.6 Und jetzt? Feiern und Teilen!

364