【S4A應用】S4A遙控探測車

【前言】
當買來的遙控車套件測試ok後就在思考下一步，這樣的遙控車能做什麼，還有什麼可以讓遙控車變得更有趣的構想，而且學生也會感興趣呢？



最直接的想法是讓它更快，但是可能要整組結構大幅變動(如四輪)，而且市面上類似的遙控車產品也都有了，對學生的吸引力可能不足，所以要想辦法做出市面上買不到的遙控車。

另一個想法是聯想到太空科技，印象中好像有遙控車是在別的星球上執行任務，經過google後，有找到planetary rover探測車的相關資料，如月球探測車及火星探測車等。

探測車有自走及從地球遙控的功能，另外的功能也很多，如導航定位、土壤礦物探測分析，放射性同位素供電等功能，因為太過深奧而無法理解及實作，但是有些功能也許是可以做到，如裝上照相鏡頭、測距功能等，如果能用S4A來實作，以後不管是做給學生玩或是指導學生做出來，相信都是很有趣的。於是就有了「遙控探測車」的嘗試。


【設計過程】
在設計之前，得先認知到S4A的瓶頸，因為S4A與Arduino傳訊太過頻繁，且Scratch也不是專為Arduino設計的，使得S4A在藍牙無線傳輸上，延遲得特別明顯。因此不管是做自走車，或是稍複雜點的遙控，都有一定的延遲，使得即時性的反應處理不理想，在設計或實作，都要與這個限制奮鬥，但是S4A是中小學生踏入互動設計的入門磚，只好盡力克服。

在設計這個作品的關鍵問題當然就是影像功能了，如果遙控車裝上個鏡頭一定很酷，但是其實ArduinoUNO只有8位元的cpu，是無法直接處理視訊資料的。那就要靠模組了，在之前買的Arduino開發實戰指南一書中，有使用wiCam模組，wiCam會跳過Arduino，直接以wifi方式將影像傳回PC，這樣可以減輕Arduino的負擔。但是後來發生問題，因wiCam是大陸廠商獨家做的，而且暫時開發新版，所以不賣，那怎麼辦呢？

後來在coopermaa的文章找到了解決方法。用手機來當攝影鏡頭，因為有了免費的app(IP攝像頭，請上google play)讓pc端可以wifi接收影像，所以這個方式如同wiCam，只是手機體積大一些，但是手機有自己的電源，不用傷腦筋想處理電源問題，而且手機很容易取得，不會被特定廠商綁住。為了測試，買了一個空機只有一張小朋友再多一點點的手機(A3S，為了縮小體積選3.5吋畫面)，最後測試OK，使用200萬畫素的鏡頭即可，所以大部分人的手機應該都跑得動，只是怕摔到會心疼(我的A3S不會)。

另外在使用時，因wifi傳送影像的App需與PC在同一網段，所以另外準備一台無線AP(也許做些設定，可以省掉這個設備，但是因AP都有現成的，所以就沒研究了)

在本作品中，有兩個無線協定的傳輸通道，一個是wifi的影像，一個是藍牙的S4A，以下是概念圖

以下是測試車子上的手機鏡頭畫面傳至電腦的影片(小孩交談的背景聲請自動忽略)

(註：台中的江昭漢老師有提供影像的另一個解法，是用openwrt+TP-link路由器+IP 攝影機，來解決，不過這個方法技術門檻較高，要設定linux並改路由器韌體，有興趣的人可另找資料並實作，在此謝謝江老師的建議)

影像方面還有一個問題，S4A怎麼放入手機鏡頭畫面呢？當初的想法是一步一步順著來想辦法的。

為了配合手機上面會傳送影像的app，所以用瀏覽器(這裡用chrome)就可以收到鏡頭的畫面，如下圖

希望畫面可以小一點，所以用畫面內的全螢幕。再來是chrome的工具列如果能隱藏就更好了，還好chrome本身有提供功能，請見下圖

這樣就有了手機鏡頭傳來的畫面，可是要怎麼讓它跟S4A畫面放在一起呢？只要把影像釘在最上層即可，由網路上找到了DeskPins軟體可達到此功能，這樣就可以把瀏覽器的影像與S4A操作界面放在一起了，如下圖

在設計的過程中，通常都會產生新的問題，當把手機的鏡頭裝上遙控車，並以PC上收到的影像來操作時，發現了幾個問題：

第一個問題是光源不足，當我把遙控車開進桌子底下時，就發現傳來的畫面是黑的，因為遙控車有了影像之後，就可以開進較窄小的地方，但是進去後，就沒有光線了，當然，加個燈就好了，之前買的Arduino初學者套件，有LED模組直接拿來用，而且很亮呢！這樣在窄小的空間就可以放心到處探險了。

當然，有了LED照明，也會連帶想到感光的光敏電阻，設計時也有加進來，因為每個人對光線的感受不同，所以當光敏電阻測得亮度低時，並不會自動開燈，而是經由訊息來提醒使用者，是否太暗而需要開燈。

第二個問題是視角與操縱問題，因為一般的遙控其實是以第三人稱的視角來控制的，操縱者可從上方直接看到整台車的前後左右環境的距離，這樣的操縱相對起來比較容易。如下圖。

那如果依影像畫面來操縱的話，視角會如何呢？會變成第一人稱視角，看到的畫面，就是以車子的高度，車子的角度來看，如下圖

 這樣的感受第一次操作時會覺得很新奇，因為你是透過遙控車的鏡頭來看前方，但是經過操作後會遇到一些困難，受限於鏡頭，會有死角問題，車子的左右後方是看不到，除非轉過去。有時會遇到左右轉沒有反應，結果走近一看，原來是車子的死角卡到東西了。

另一個因視角而來的問題是，轉不到適當的角度，當平常以第三人稱視角操縱時，在狹長直線可以通過，可是以透過鏡頭時，因本實作手機鏡頭是偏左方，所以走路很容易歪掉(不易判斷走直線)，而且因S4A的無線操控延遲，所以一次轉彎就轉20度而無法轉小角度。

死角的問題可由操作經驗來解決，或是走到車子附近看看問題在哪，小角度得靠馬達的調速功能來解決，所以後來也加入調速功能，因左右速度與前後速度的要求不同，向前不能太慢，左右不能太快，所以分成兩個變數，使用者可從S4A畫面來調整速度。

再來是測距功能，經由第一人稱的影像畫面，不容易判斷前方的距離。所以想加入測距的功能，因S4A無法直接使用超音波模組，所以改用紅外線測距模組，是sharp的GP2Y0A21，該模組的感應組與距離的轉換公式請參考這裡，但是因紅外線容易受到環境光干擾，再加上10公分以內的距離會有誤判的情形，再加上S4A無線的延遲那就更慘了，所以使用起來要有心理準備，會有相當的誤差。

另外之前由蘇恆誠老師分享的雷達作品，因為有了距測，再加上原有套件有個以SG90伺服馬達左右轉的雲台，再加上S4A已提供畫筆功能，所以就把雷達也實作了出來，但是除了上一段提到的誤差問題外，使用雷達時車子必須停止，怕使用者等太久，所以只有掃描前方100度(左右各50度)，一次10度，只有掃11個點而已。

以下是雷達使用的影片，因為要拍到車子又要拍到畫面，測出的結果就不講究了(小孩交談的背景聲請自動忽略)

以上是大致的設計過程

【探測車功能】
在此整理一下遙控探測車的功能：

◎影像功能---將前方情形經由手機鏡頭傳回PC上

◎照明功能---S4A可控制LED的照明，另程式發現光敏電阻測得的亮度偏低時，會有訊息在畫面上通知

◎測距及雷達功能---以紅外線測距儀測量前方的距離，並傳回S4A換算成公分。再加上伺服馬達可轉動的頭來做出前方，左右共100度的測距雷達

◎驅動功能---S4A以藍牙方式控制車子的L293D馬達模組，讓車子前進、後退、左右轉，另外可由S4A來改變前後速度及左右速度，以做到小角度的控制

【硬體配置】
Arduino上各個模組的接法已整理成如下方的表格，因為程式使用S4A，所以分配上還是要符合S4A韌體的規範

我做出來的車子照片如下，共分成前面、側面及背面三張照片，並有標上一些模組的位置。

【程式】
為了實作出以上的探測車功能，在S4A的程式上也需要花上不少功夫，限於篇幅就不逐一解說程式，這此提供S4A端的探測車程式下載，有緣人請自行研究，一些設計上的問題都已在上文中提過。

【迷宮設計】
當初只是為了要展示車子的功能，沒想到設計迷宮也挺有趣。迷宮用一般的巧拼來製作，一開始做出來的版本如下：

沒想到，讓學生與自己小孩試玩時，他們都能一起快樂的製作迷宮，並做出不同的迷宮。

以下是在家裡與小孩一起做的迷宮

以下是學生做的迷宮

以下是在maker faire時做的迷宮，因場地有限，只能藏在長桌底下

【操作影片】

在五月的S4A實驗課程中，先是指導8位5、6年級學生做出藍牙遙控車後，再接著把這台進階的遙控探測車搬出來給學生玩，他們的反應還挺不錯的呢！(學生有自己做過就知道其中的甘苦與樂趣)，以下是他們操作(遊玩?)的影片

【結語--夢想會長大】
一開始提到太空探測車，好像要做出什麼不得了的東西，其實真正能實做出來的功能有限，受限於技術與軟體，實做出來後也仍有一些問題待克服。

儘管如此，在有限的各種條件下，仍然可以讓學生感受到遙控與科技的樂趣，雖說實做出來的東西只能在一間教室內來操作，但是一些概念的雛形都已具備，讓孩子們體驗甚至自己做出。未來，有誰知道他們長大後，會不會進行幾百公尺的遙控、幾公里的遙控，甚至是真的太空中的遙控呢？在自己沒有接觸到Arduino的三十幾年，我從來也不會去想，也不認為我能夠做出這樣的作品來呢！

好像有個廣告詞是，夢想會長大。希望這樣的作品，能夠讓學生的夢想長大。