2019年8月20日 星期二

[Tech] 廢材車之廢等級

廢材車之廢等級


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Aug. 20, 2019
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一台能自動駕駛的無人車需要有什麼樣的零件與技術呢?
再把問題簡化一點:一台自走車要怎麼設計呢?
一般而言,自走車(以下本文就以車子來稱呼)可被歸類為機器人(robots)的一種,簡稱為輪軸型機器人。它包含造形功能設計

大哉問

在開始造車之前,讀者們可先試著想想以下的各個問題:
  1. 車子為什麼會
  2. 它的動力來源為何?
  3. 車子結構組成的基本零件為何?
  4. 車子的運動方向(前進、後退、左轉、右轉、平移…)要如何控制?
  5. 金龜車、跑車、水泥車…要怎麼做?

到底要多廢?

根據廢材的運用程度,我們將之分為大、中、小三級:

大廢車 就功能面來說,一台最簡單的車體至少會有車底板提供馬達馬達控制電路(或控制板)的支撐結構,並接電源帶動馬達轉動輪子使車體運動。因此,這種使用最少必要零件(其餘都可以使用廢材來完成,例如:瓦楞紙板、保特瓶、易開罐…)的車子就構成了一台大廢車 [2]。其中,需使用L298 IC(Integrated Circuit,積體電路)來封裝H橋(H bridge)電晶體(transistor)放大電路)來推動馬達運轉。大廢車的材料清單如下:

品名 數量 單位
Micro:bit主板 1
USB傳輸線 1
TT減速馬達(加銲電源線,並用熱熔膠加固) 1
L298 IC [3] 1
麵包板 [4] 1
單心線 1
3號三只電池盒(有蓋、開關) 1
魔鬼氈 2
  • 美術工具:剪刀、美工刀、油性筆、鐵尺、切割墊、鉛筆、壓克力原料、水彩筆、束帶、螺絲起子、熱熔膠、熱熔膠槍…。
  • 電子工具:尖嘴夾、斜口鉗、剝線鉗(選配)。
  • 廢材:瓦楞紙。
在這裡,我們列舉若干作品來佐證相關的教學成果:
  1. 脫皮車:
  2. Walle 2.0:
  3. 螺旋槳車: 
  4. 機器人:
  5. 史派客小基地:
  6. 荒野機器車:
  7. 坦克:

中廢車 將大廢車中的控制IC改為馬達擴充板KSB037。下表為中車的材料清單。其中,各項工具及材料包訂購如大廢車所列

品名數量單位
Micro:bit主板1
USB傳輸線1
TT減速馬達(加銲電源線,並用熱熔膠加固)1
KSB037馬達擴充板1
3號三只電池盒(有蓋、開關)1
魔鬼氈2

小廢車 除了馬達電路控制可選擇最原始的電路形式或整體封裝好的IC外,在市面上也有現成的輪組件(下表藍字)可購買 [5]
購買現成材料的好處是減少手作時間,以求快速組裝當然,成本也是較高。所以,我們將之稱為小廢車 [6]

品名 數量 單位
Micro:bit主板 1
USB傳輸線 1
TT減速馬達(加銲電源線,並用熱熔膠加固) 1
KSB037馬達擴充板 1
3號三只電池盒(有蓋、開關) 1
魔鬼氈 2
萬向輪 1
輪子 2
M3螺絲 1
M3螺帽 1

要幾輪才夠?

上一節我們談到了車子的控制(馬達IC控制電路或擴充板)和輪子(買現成或用廢材作)設計。本節我們再來談談一台車要幾個輪子?
當我們讓學生們設計自己的車子時,各位看官猜一猜,十張設計稿裡會有幾成是畫成四顆輪子的呢?我們大膽的猜測至少會有七成以上的同質性吧?Why?因此,從一輪到多輪,我們一一列舉出現有的相關商品。
  1. 獨輪車不能跑嗎?請看看這台在街頭上偶然會看見的電動獨輪車。請留意,一般而言,單輪的車子只能前進與後退,它是無法轉彎的喔!
  2. 兩輪車站的起來嗎?請看看這台二輪平衡車的小短片。在這裡,兩個輪子各自由一顆馬達來驅動。因此,控制兩馬達的速度差就能讓車子左、右轉彎了。
  3. 三輪車跑得快,上面一定要坐老太太嗎?這段影片是一般我們常見的三輪車另外,三輪車一定是一前輪兩後輪嗎?看看這段影片中的設計
  4. 四輪車應該是四平八穩,不用考慮車體平衡的問題了吧?可是車子要前(輪)驅(動)、後驅,還是前後驅呢?
  5. 車子可以裝五個(含)以上的輪子嗎?這段影片將為我們展示一款多輪車的設計
  6. 世界上的多輪車最多有顆輪子呢?這部影片中將為我們解答

車子的反思

在Google圖片搜尋自走車,再取樣前100張。是不是會有種怎麼都有車體而沒車殼國王的新車之感呢?為什麼會這樣?
以筆者橫跨EE、CS和教育三領域來看,車子設計的難度包含有軟體硬體兩項專業──軟體方面,除了程式語言(programming languages)的學習外,還包括將車子運動對應到馬達的控制的抽象轉具象轉換(transform)過程。
至於硬體電路方面,從基本的電晶體放大電路、積體電路到微處理器(micro controller)介面控制(peripheral control),以及麵包板接線、洞洞板焊線,乃至PCB洗電路板。這些需要反覆練習的硬功夫不是一蹴可及的。(若對電學、電子電路有興趣的讀者,強烈推薦精研曹齊平老師自製的科學魔法車之大小車系列。根據英國BBC報導,某印度裔青年透過自學這台MIT的魔法車而發明了全世界最小的人造衛星!)

結語

科技的進步促成初學者的入門門檻變低。而這個低標並非技術變簡單,而是將科技穩藏(tech hiding)之下,儼然已逐步做到防呆之效。
然而,科技教育不變的本質仍是以人為體科技為用。在教育現場對於車子的教學,應回歸到的教育思考上──男女生的喜好本就不同(女生通常都不愛冰冷冷的機械、科技,車子亦然)、車子教完後就開始了競速賽的濫觴了嗎?…

参考資料
  1. 六種授權條款
  2. 所有材料、零件,能徒手手作就不買現成的。
  3. L298是由兩組達靈頓對(Darlington pair)電晶體放大電路組成的H橋架構,可控制兩顆TT馬達的轉速(speed)與順/逆轉轉向(direction)
  4. 電路三形:麵包板實驗電路、洞洞板焊接電路、印刷電路(Printed Circuit Board,PCB)
  5. 知識要學到下2-3層的基本原理比較有機會應用。
  6. 能花錢買到的材料就不手作。