Fig. 13 · Labo de robotique · Cerveau ROS 2

Raspberry Pi 5

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Banc

Pas encore de mesure

Alimentation (rail 5 V)

Pas encore de mesure

Consommation

0 mA

Monter et casser

1MonterÀ suivre
Démontez-le jusqu'au circuit nu
Débranchez l'alimentation, puis retirez tous les composants. Le Pi 5 se monte comme n'importe quelle carte moderne : les composants montés en surface d'abord, puis les connecteurs traversants du plus bas au plus haut, et la carte microSD et l'Active Cooler en dernier.
2
Placement automatique des composants CMS, puis refusion
3
Posez les composants traversants bas
4
Posez les connecteurs hauts
5
Soudez les composants traversants
6
Insérez la carte microSD
7
Posez l'Active Cooler
8
Branchez l'alimentation USB-C de 27 W
9
Lancez le nœud de conduite ROS 2
10
Vérifiez l'alimentation et la chaleur
11
Cassez-le : alimentez-le avec un chargeur de téléphone 5 V 2 ACasser
12
Cassez-le : faites-le tourner sans l'Active CoolerCasser
13
Cassez-le : une soudure froide sur le connecteur du ventilateurCasser
14
Cassez-le : des moteurs de propulsion sur le 5 V du PiCasser
15
Cassez-le : le 5 V du robot câblé à l'enversCasser
16
Cassez-le : 12 V sur les broches 5 VCasser
17
Vue éclatée

Casser exprès

Chaque panne est de celles qui piègent ceux qui montent pour de vrai. Déclenchez-la, lisez le symptôme sur le banc, puis réparez.

Sous-tension due à un chargeur de téléphone
mauvaise tension
Pourquoi ça arrive
Symptôme: L'alimentation lit 4,6 V, l'horloge tombe à 1,5 GHz, get_throttled affiche 0x50005 et le noyau écrit 'Undervoltage detected!' dans son journal.
Le Pi 5 signale une sous-tension sous 4,63 V (±5 %). Un chargeur de téléphone 5 V 2 A et un câble fin faiblissent sous la charge du Pi : le firmware limite donc l'horloge. Les alimentations faibles causent aussi des redémarrages aléatoires, des cartes SD corrompues et des périphériques USB qui décrochent.
Solution: Utilisez l'alimentation USB-C officielle 5 V 5 A (27 W).
Pas d'Active Cooler
surchauffe
Pourquoi ça arrive
Symptôme: La température du CPU dépasse 80 °C, l'horloge descend de 2,4 GHz vers 1,5 GHz, get_throttled affiche 0x40004 et le nœud de conduite avertit de la chaleur.
Le firmware réduit la fréquence des cœurs Arm par paliers dès 80 °C, et celle du GPU aussi à 85 °C. Sous la charge de ROS 2, un BCM2712 nu y arrive vite, et 1,5 GHz ne représente que 62,5 % de la pleine vitesse.
Solution: Débranchez, remettez l'Active Cooler et branchez son câble sur le connecteur de ventilateur.
Soudure froide sur le connecteur de ventilateur
soudure froide
Pourquoi ça arrive
Symptôme: Le ventilateur s'arrête et repart, son rapport cyclique saute entre 0 et la valeur de la courbe, et le CPU chauffe davantage.
Une soudure froide est une goutte terne et granuleuse qui n'a jamais mouillé la pastille : elle ne fait contact qu'une partie du temps. La broche d'alimentation ou de PWM du ventilateur décroche à chaque vibration.
Solution: Refaites la soudure : chauffez la pastille et la broche ensemble, ajoutez un peu de soudure neuve et laissez-la prendre en un congé brillant et concave.
Brown-out : des moteurs sur le rail 5 V du Pi
brown-out
Pourquoi ça arrive
Symptôme: L'alimentation chute, la LED s'éteint et revient, et le terminal répète le journal de démarrage : le Pi se réinitialise chaque fois que les moteurs démarrent.
Un motoréducteur TT tire 1,2-1,5 A quand il démarre ou cale. Deux moteurs plus les 0,8 A du Pi, c'est plus que ce que peut donner le buck de 3 A du robot : le 5 V s'effondre et la carte se réinitialise.
Solution: Alimentez les moteurs depuis la batterie à travers un driver de moteurs commandé par l'ESP32, et donnez au Pi sa propre alimentation 5 V 5 A.
Polarité inversée sur les broches 5 V du GPIO
polarité inversée
Pourquoi ça arrive
Symptôme: Rien ne démarre, l'alimentation passe en limitation de courant et le PMIC chauffe.
L'USB-C a un détrompeur et ne peut pas se brancher à l'envers, mais les broches 5 V du connecteur vont directement au rail d'entrée 5 V, sans aucune protection. Inversé, le courant traverse le PMIC dans le mauvais sens et le brûle.
Solution: Inversez les fils : le 5 V sur la broche 2 ou 4, la masse sur la broche 6. Mieux encore, alimentez le Pi par l'USB-C.
12 V sur les broches 5 V
mauvaise tension
Pourquoi ça arrive
Symptôme: Le PMIC grille aussitôt et la carte reste morte.
Les broches 5 V contournent tous les régulateurs : ce que vous y injectez arrive directement à l'entrée du PMIC. Une batterie 3S (11,1-12,6 V), c'est plus du double de ce pour quoi le PMIC est conçu.
Solution: N'alimentez les broches 5 V qu'avec une alimentation 5 V régulée, comme un convertisseur buck réglé sur 5,1 V, ou utilisez l'USB-C.
Pas de carte microSD
pièce manquante
Pourquoi ça arrive
Symptôme: La LED reste rouge : la carte est alimentée, mais aucun journal de démarrage n'apparaît.
Le Pi 5 n'a pas de système d'exploitation à lui. Le bootloader dans sa flash SPI en cherche un sur la carte (puis sur l'USB et le réseau, si vous réglez l'ordre de démarrage) et ne trouve rien à charger.
Solution: Débranchez, insérez une carte écrite avec Raspberry Pi Imager, et remettez sous tension.
PMIC oublié
pièce manquante
Pourquoi ça arrive
Symptôme: Aucune lumière : rien ne s'allume sur la carte.
Le DA9091 produit tous les rails à partir de l'entrée 5 V. Sans lui, aucune puce n'est alimentée.
Solution: Remettez U4 et faites sa refusion.
BCM2712 oublié
pièce manquante
Pourquoi ça arrive
Symptôme: La LED reste rouge : les rails s'établissent, mais pas de journal de démarrage ni de lumière verte.
Le BCM2712, c'est l'ordinateur : les quatre cœurs Arm, le GPU et le contrôleur mémoire. Les rails s'établissent, mais rien n'exécute le bootloader.
Solution: Remettez U1 et faites sa refusion.
RAM oubliée
pièce manquante
Pourquoi ça arrive
Symptôme: La LED fait huit courts clignotements verts, encore et encore, et le démarrage s'arrête.
Le bootloader ne trouve aucune SDRAM et affiche le code de clignotement documenté 0L8S : zéro clignotement long et huit courts, « SDRAM failure ».
Solution: Remettez U2 et faites sa refusion.
RP1 oublié
pièce manquante
Pourquoi ça arrive
Symptôme: La LED fait quatre clignotements longs et trois courts, et il n'y a ni USB, ni Ethernet, ni GPIO.
Chaque port du Pi 5 vient du RP1. Le firmware ne le trouve pas et affiche le code de clignotement documenté 4L3S, « RP1 not found ».
Solution: Remettez U3 et faites sa refusion.

Présentation du banc

Montez-le, la carte microSD et le refroidisseur en dernier, puis alimentez-le avec une vraie alimentation de 5 A

Le Raspberry Pi 5 est le cerveau du robot, pas sa moelle épinière : un ordinateur Linux quatre cœurs à 2,4 GHz qui fait tourner ROS 2, SLAM Toolbox, Nav2 et la chaîne de traitement de la caméra. Linux n'est pas temps réel : les boucles des moteurs et de l'équilibre vivent donc sur un ESP32 ou un Nano qui parle au Pi par une liaison série USB, la même répartition que l'UGV Rover de Waveshare. Montez-le à partir de la carte nue, donnez-lui sa carte microSD et l'Active Cooler, alimentez-le avec une vraie alimentation 5 V 5 A et regardez le terminal. La chaleur évolue ici environ dix fois plus vite que sur une vraie carte : vous voyez en quelques secondes ce qui prend des minutes sur l'établi.

Sources

Sur le banc

Sélectionné

Immédiat : bascule tout de suite, sans téléversement

Code : Démarrage et vérification

# boot_check.py : lancez-le après le premier démarrage pour vérifier que le Pi est en bonne santé
# sur une carte SD neuve, mettez d'abord à jour :
#   sudo apt update && sudo apt full-upgrade
from pathlib import Path
import subprocess


def vcgencmd(*args):
    out = subprocess.run(['vcgencmd', *args], capture_output=True, text=True, check=True)
    return out.stdout.strip()


model = Path('/proc/device-tree/model').read_text().rstrip('\x00')
print(model)                             # Raspberry Pi 5 Model B Rev 1.0
print(vcgencmd('get_throttled'))         # throttled=0x0 : l'alimentation n'a jamais faibli
print(vcgencmd('measure_temp'))          # température du CPU
print(vcgencmd('measure_clock', 'arm'))  # horloge Arm : 2400000000 Hz à pleine vitesse

Exercices pratiques

0/3 exercices

Écrivez le code, puis lancez les vérifications. L'exécution utilise une horloge virtuelle et un monde scripté : le même code donne toujours le même résultat.

Publier /cmd_vel à 10 Hz avec un timer

Python

Le code de départ fait rouler le robot depuis une boucle while avec time.sleep(0.1). Cela bloque le nœud : rclpy ne peut jamais exécuter ses callbacks, et la période dérive de la durée de chaque publication. Réécrivez-le à la manière de ROS 2 : un timer de 0,1 s qui publie le Twist (0,2 m/s en avant, 0,5 rad/s en rotation) et journalise ce qu'il a envoyé, puis rclpy.spin().

Vérifications

Pas encore lancéUtilise un timer de 0,1 s et rclpy.spin, sans boucle avec sleep
Pas encore lancéPublie 0,20 m/s et 0,50 rad/s dix fois par seconde
Pas encore lancéTourne 2 secondes sans erreur

Indices

self.create_timer(0.1, self.tick) appelle tick toutes les 0,1 s une fois que le nœud tourne.
Journalisez chaque message avec self.get_logger().info(f'linear.x={msg.linear.x:.2f} angular.z={msg.angular.z:.2f}').
Remplacez Drive().run() par node = Drive() et rclpy.spin(node).

Code pour Publier /cmd_vel à 10 Hz avec un timer

Transformer /cmd_vel en vitesses de roues

Python

L'ESP32 pilote deux roues : le Pi découpe donc chaque Twist en une vitesse de roue gauche et une droite, left = v − ω·b/2 et right = v + ω·b/2, où b est la distance entre les roues. Terminez le nœud de base : déclarez un paramètre wheel_base (0,16 m), abonnez-vous à cmd_vel et journalisez les deux vitesses.

Vérifications

Pas encore lancéDéclare wheel_base et s'abonne à cmd_vel
Pas encore lancéJournalise left=0.16 right=0.24 m/s pour chaque message

Indices

self.declare_parameter('wheel_base', 0.16), puis lisez-le avec self.get_parameter('wheel_base').value.
self.create_subscription(Twist, 'cmd_vel', self.on_cmd, 10) appelle on_cmd pour chaque message.
Avec v = 0,2 m/s, ω = 0,5 rad/s et b = 0,16 m, vous obtenez left = 0,16 m/s et right = 0,24 m/s. Journalisez f'left={left:.2f} right={right:.2f} m/s'.

Code pour Transformer /cmd_vel en vitesses de roues

Trois nœuds : capteur, filtre, arrêt de sécurité

Python

Un système à plusieurs nœuds, sans robot. Le nœud capteur publie une distance qui se rapproche d'un mur (2,0 m, 1,9 m, 1,8 m … à 10 Hz). Écrivez un nœud filtre qui fait la moyenne des window dernières mesures (un paramètre, 4) et publie range_avg, et un nœud de sécurité qui publie un Twist nul sur cmd_vel et avertit une seule fois quand la moyenne passe sous stop_m (un paramètre, 0,5 m). Sur un vrai Pi, allez plus loin : vos propres types .msg et .srv, un fichier de lancement Python avec arguments, puis ros2 bag record et la relecture.

Vérifications

Pas encore lancéDéclare window et stop_m et s'abonne à range
Pas encore lancéLe filtre journalise une moyenne pour chaque mesure
Pas encore lancéLe nœud de sécurité s'arrête à 0,45 m en moins de 2 secondes

Indices

Filtre : gardez une liste, ajoutez-y chaque mesure, faites pop(0) quand elle dépasse la fenêtre, et publiez sum / len.
Sécurité : retenez que vous vous êtes arrêté, pour que l'avertissement ne s'affiche qu'une fois.
Avec une fenêtre de 4, la moyenne passe pour la première fois sous 0,5 m à 0,45 m : journalisez f'obstacle at {msg.data:.2f} m: stop'.
Sur un Pi : ros2 pkg create --build-type ament_python my_robot, un fichier de lancement avec DeclareLaunchArgument, puis ros2 bag record -a et ros2 bag play.

Code pour Trois nœuds : capteur, filtre, arrêt de sécurité

# Tâche : faire la moyenne de la distance dans un nœud filtre et arrêter le robot dans un nœud de sécurité
import rclpy
from rclpy.node import Node
from rclpy.executors import SingleThreadedExecutor
from std_msgs.msg import Float32
from geometry_msgs.msg import Twist

class Sensor(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('sensor')
        self.pub = self.create_publisher(Float32, 'range', 10)
        self.k = 0
        self.create_timer(0.1, self.tick)

def tick(self):
        # le robot roule vers un mur à 1 m/s : 0,1 m plus près toutes les 0,1 s
        msg = Float32()
        msg.data = max(0.2, 2.0 - 0.1 * self.k)
        self.k += 1
        self.pub.publish(msg)

class Filter(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('filter')
        # déclarez 'window', publiez la moyenne glissante sur range_avg et journalisez-la

class Safety(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('safety')
        # déclarez 'stop_m', abonnez-vous à range_avg et publiez Twist() une fois qu'elle passe en dessous

rclpy.init()
executor = SingleThreadedExecutor()
for node in (Sensor(), Filter(), Safety()):
    executor.add_node(node)
executor.spin()

Monter et casser

1MonterÀ suivre

Démontez-le jusqu'au circuit nu

Débranchez l'alimentation, puis retirez tous les composants. Le Pi 5 se monte comme n'importe quelle carte moderne : les composants montés en surface d'abord, puis les connecteurs traversants du plus bas au plus haut, et la carte microSD et l'Active Cooler en dernier.

Placement automatique des composants CMS, puis refusion

Posez les composants traversants bas

Posez les connecteurs hauts

Soudez les composants traversants

Insérez la carte microSD

Posez l'Active Cooler

Branchez l'alimentation USB-C de 27 W

Lancez le nœud de conduite ROS 2

Vérifiez l'alimentation et la chaleur

Cassez-le : alimentez-le avec un chargeur de téléphone 5 V 2 ACasser

Cassez-le : faites-le tourner sans l'Active CoolerCasser

Cassez-le : une soudure froide sur le connecteur du ventilateurCasser

Cassez-le : des moteurs de propulsion sur le 5 V du PiCasser

Cassez-le : le 5 V du robot câblé à l'enversCasser

Cassez-le : 12 V sur les broches 5 VCasser

Vue éclatée

Présentation du banc

Montez-le, la carte microSD et le refroidisseur en dernier, puis alimentez-le avec une vraie alimentation de 5 A

Sur le banc

Sélectionné

Immédiat : bascule tout de suite, sans téléversement

Code : Démarrage et vérification

# boot_check.py : lancez-le après le premier démarrage pour vérifier que le Pi est en bonne santé
# sur une carte SD neuve, mettez d'abord à jour :
#   sudo apt update && sudo apt full-upgrade
from pathlib import Path
import subprocess


def vcgencmd(*args):
    out = subprocess.run(['vcgencmd', *args], capture_output=True, text=True, check=True)
    return out.stdout.strip()


model = Path('/proc/device-tree/model').read_text().rstrip('\x00')
print(model)                             # Raspberry Pi 5 Model B Rev 1.0
print(vcgencmd('get_throttled'))         # throttled=0x0 : l'alimentation n'a jamais faibli
print(vcgencmd('measure_temp'))          # température du CPU
print(vcgencmd('measure_clock', 'arm'))  # horloge Arm : 2400000000 Hz à pleine vitesse

Trois nœuds : capteur, filtre, arrêt de sécurité

Python

Vérifications

Pas encore lancéDéclare window et stop_m et s'abonne à range
Pas encore lancéLe filtre journalise une moyenne pour chaque mesure
Pas encore lancéLe nœud de sécurité s'arrête à 0,45 m en moins de 2 secondes

Indices

Filtre : gardez une liste, ajoutez-y chaque mesure, faites pop(0) quand elle dépasse la fenêtre, et publiez sum / len.
Sécurité : retenez que vous vous êtes arrêté, pour que l'avertissement ne s'affiche qu'une fois.
Avec une fenêtre de 4, la moyenne passe pour la première fois sous 0,5 m à 0,45 m : journalisez f'obstacle at {msg.data:.2f} m: stop'.
Sur un Pi : ros2 pkg create --build-type ament_python my_robot, un fichier de lancement avec DeclareLaunchArgument, puis ros2 bag record -a et ros2 bag play.

Code pour Trois nœuds : capteur, filtre, arrêt de sécurité

class Filter(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('filter')
        # déclarez 'window', publiez la moyenne glissante sur range_avg et journalisez-la

class Safety(Node):
    def __init__(self):
        super().__init__('safety')
        # déclarez 'stop_m', abonnez-vous à range_avg et publiez Twist() une fois qu'elle passe en dessous

rclpy.init()
executor = SingleThreadedExecutor()
for node in (Sensor(), Filter(), Safety()):
    executor.add_node(node)
executor.spin()

Raspberry Pi 5

Le banc

Monter et casser

Démontez-le jusqu'au circuit nu

Placement automatique des composants CMS, puis refusion

Posez les composants traversants bas

Posez les connecteurs hauts

Soudez les composants traversants

Insérez la carte microSD

Posez l'Active Cooler

Branchez l'alimentation USB-C de 27 W

Lancez le nœud de conduite ROS 2

Vérifiez l'alimentation et la chaleur

Cassez-le : alimentez-le avec un chargeur de téléphone 5 V 2 ACasser

Cassez-le : faites-le tourner sans l'Active CoolerCasser

Cassez-le : une soudure froide sur le connecteur du ventilateurCasser

Cassez-le : des moteurs de propulsion sur le 5 V du PiCasser

Cassez-le : le 5 V du robot câblé à l'enversCasser

Cassez-le : 12 V sur les broches 5 VCasser

Vue éclatée

Casser exprès

Sous-tension due à un chargeur de téléphone

Pas d'Active Cooler

Soudure froide sur le connecteur de ventilateur

Brown-out : des moteurs sur le rail 5 V du Pi

Polarité inversée sur les broches 5 V du GPIO

12 V sur les broches 5 V

Pas de carte microSD

PMIC oublié

BCM2712 oublié

RAM oubliée

RP1 oublié

État en direct

Consommation

Testez-vous

Après : Placement automatique des composants CMS, puis refusion

Après : Soudez les composants traversants

Après : Branchez l'alimentation USB-C de 27 W

Après : Lancez le nœud de conduite ROS 2

Après : Cassez-le : alimentez-le avec un chargeur de téléphone 5 V 2 A

Après : Cassez-le : faites-le tourner sans l'Active Cooler

Quiz de fin de banc

Présentation du banc

Sources

Sur le banc

Exercices pratiques

Publier /cmd_vel à 10 Hz avec un timer

Vérifications

Transformer /cmd_vel en vitesses de roues

Vérifications

Trois nœuds : capteur, filtre, arrêt de sécurité

Vérifications

Raspberry Pi 5

Le banc

Monter et casser

Démontez-le jusqu'au circuit nu

Placement automatique des composants CMS, puis refusion

Posez les composants traversants bas

Posez les connecteurs hauts

Soudez les composants traversants

Insérez la carte microSD

Posez l'Active Cooler

Branchez l'alimentation USB-C de 27 W

Lancez le nœud de conduite ROS 2

Vérifiez l'alimentation et la chaleur

Cassez-le : alimentez-le avec un chargeur de téléphone 5 V 2 ACasser

Cassez-le : faites-le tourner sans l'Active CoolerCasser

Cassez-le : une soudure froide sur le connecteur du ventilateurCasser

Cassez-le : des moteurs de propulsion sur le 5 V du PiCasser

Cassez-le : le 5 V du robot câblé à l'enversCasser

Cassez-le : 12 V sur les broches 5 VCasser

Vue éclatée

Casser exprès

Sous-tension due à un chargeur de téléphone

Pas d'Active Cooler

Soudure froide sur le connecteur de ventilateur

Brown-out : des moteurs sur le rail 5 V du Pi

Polarité inversée sur les broches 5 V du GPIO

12 V sur les broches 5 V

Pas de carte microSD