生活与科学：探究自动驾驶原理(组图)

发布 : 2025-5-12  来源 : 明报新闻网


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施凌教授


【明报专讯】自动驾驶车辆逐渐普及，成为未来交通的主要趋势，这些没有司机的车辆如何安全地在道路上行驶？这背后少不了反馈控制，包括传感器、控制器和执行器之间的紧密配合。

香港青年科学院院士、香港科技大学电子及计算机工程学系施凌教授（图）以有趣的铅笔平衡实验，助大家显浅地理解反馈控制的原理。

实验材料：铅笔1支

实验步骤：

1.将铅笔垂直放在手掌，笔尖向下朝向掌心

2. 通过移勾x??掌来保持铅笔垂直平衡

3.当铅笔向左倾斜时，将掌心向左移动；当铅笔向右倾斜时，则将掌心向右移动，这样铅笔就可持续竖立于掌心

解说铅笔平衡实验

实验是「倒立摆」概念的简单化演绎，这是经典的控制系统。实验中，我们以一支铅笔（代表垂直的杆子）和手掌（代表可移动的底座）来展示这个原理。当我们将铅笔竖直地放在手掌上时，由于铅笔的重心在上方，我们需要不断调整手掌的位置来保持铅笔的直立。例如，当铅笔向左倾斜时，手掌必须立即向左移动，方能令铅笔保持平衡。

在自动巡航系统中，传感器就像我们的眼晴，负责收集车辆周围的环境信息，包括车辆的速度和角度等状态。在实验中，当铅笔开始倾斜时，我们的大脑会思考如何移勾x??掌来保持铅笔平衡，这正如自动巡航系统中的控制器在运作，它计算是否需要微调车辆的速度。之后，手掌的移动动作，就如同执行器根据控制器的指令来调整车辆的行驶速度。这就是自动巡航系统中的反馈控制原理。

施教授还列举生活例子，进一步说明这个概念：想像你在洗澡时，假如认定30℃是最舒适的水温，我们就会扭勾x??龙头以调节水温。如同自动巡航系统运作一样，当设定一个合适的时速，例如80公里，当传感器探测到车辆的速度高于或低于这一数值时，控制器会向执行器发出加速或减速的指令，正如当我们的皮肤感受水温后，会通过扭勾x??龙头来调节水温至最舒适的30℃。

身体的「自动巡航系统」

了解到自动巡航系统中的传感器、控制器和执行器后，同学不妨尝试回答以下问题：如果你从家里走到附近的超市，在这过程中，什么是传感器、控制器及执行器呢？

来揭晓答案：眼睛是传感器，帮助我们收集周围的数据，例如路面状?；大脑是控制器，根据数据思考路线规划；双腿则是执行器，根据规划走到超市。这样的比喻是否让你对自动巡航的原理有更深入的理解？

相信通过这个铅笔平衡的实验及日常生活中的例子，同学不仅能够理解自动驾驶车辆的运作原理，也能对日常生活中的反馈控制有更深刻的认识。

文：香港青年科学院

图：香港青年科学院、方绮婷、郑惠霞

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[常识学堂 第336期]