生活與科學：探究自動駕駛原理
【明報專訊】自動駕駛車輛逐漸普及，成為未來交通的主要趨勢，這些沒有司機的車輛如何安全地在道路上行駛？這背後少不了反饋控制，包括傳感器、控制器和執行器之間的緊密配合。
香港青年科學院院士、香港科技大學電子及計算機工程學系施凌教授(圖)以有趣的鉛筆平衡實驗，助大家顯淺地理解反饋控制的原理。
實驗材料：鉛筆1支
實驗步驟：
1.將鉛筆垂直放在手掌，筆尖向下朝向掌心
2. 通過移動手掌來保持鉛筆垂直平衡
3.當鉛筆向左傾斜時，將掌心向左移動；當鉛筆向右傾斜時，則將掌心向右移動，這樣鉛筆就可持續豎立於掌心
解說鉛筆平衡實驗
實驗是「倒立擺」概念的簡單化演繹，這是經典的控制系統。實驗中，我們以一支鉛筆(代表垂直的桿子)和手掌(代表可移動的底座)來展示這個原理。當我們將鉛筆豎直地放在手掌上時，由於鉛筆的重心在上方，我們需要不斷調整手掌的位置來保持鉛筆的直立。例如，當鉛筆向左傾斜時，手掌必須立即向左移動，方能令鉛筆保持平衡。
在自動巡航系統中，傳感器就像我們的眼晴，負責收集車輛周圍的環境信息，包括車輛的速度和角度等狀態。在實驗中，當鉛筆開始傾斜時，我們的大腦會思考如何移動手掌來保持鉛筆平衡，這正如自動巡航系統中的控制器在運作，它計算是否需要微調車輛的速度。之後，手掌的移動動作，就如同執行器根據控制器的指令來調整車輛的行駛速度。這就是自動巡航系統中的反饋控制原理。
施教授還列舉生活例子，進一步說明這個概念：想像你在洗澡時，假如認定30℃是最舒適的水溫，我們就會扭動水龍頭以調節水溫。如同自動巡航系統運作一樣，當設定一個合適的時速，例如80公里，當傳感器探測到車輛的速度高於或低於這一數值時，控制器會向執行器發出加速或減速的指令，正如當我們的皮膚感受水溫後，會通過扭動水龍頭來調節水溫至最舒適的30℃。
身體的「自動巡航系統」
了解到自動巡航系統中的傳感器、控制器和執行器後，同學不妨嘗試回答以下問題：如果你從家裏走到附近的超市，在這過程中，什麼是傳感器、控制器及執行器呢？
來揭曉答案：眼睛是傳感器，幫助我們收集周圍的數據，例如路面狀况；大腦是控制器，根據數據思考路線規劃；雙腿則是執行器，根據規劃走到超市。這樣的比喻是否讓你對自動巡航的原理有更深入的理解？
相信通過這個鉛筆平衡的實驗及日常生活中的例子，同學不僅能夠理解自動駕駛車輛的運作原理，也能對日常生活中的反饋控制有更深刻的認識。
文：香港青年科學院
圖：香港青年科學院、方綺婷、鄭惠霞
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[常識學堂 第336期]
