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作者:林韋全、林明華(2004-10-21):推薦:徐業良(2004-10-27)
附註:本文為九十三學年度元智大學機械系學士論文。

遠端臨場遙控車之設計與製作

1.     遠端臨場遙控車之背景目的與設計概念

遙控車除了是小朋友常見的玩具之外,在現實生活中也有許多特殊應用的層面,例如軍事無人偵防車、火星探勘車應用等,已是發展成熟的技術。一般玩具遙控車使用者只能用在視線所及範圍內操縱遙控車,本計畫在一般玩具遙控車上裝置攝影機,以無線方式將遠端影像傳回至遙控器上的LCD螢幕,遙控器並能遙控鏡頭轉動,使遙控車除了有遙控的基本功能外,還有即時影像傳輸功能,使得操作遙控車時能有真實與臨場的感受。

1是遠端臨場遙控車之整體設計概念。如圖所示,本計畫發展之遠端臨場遙控車有以下四項基本功能:

(1)   車輛行走:使用者可以利用無線遙控器操縱遙控車輛行走、轉向。

(2)   影像攝影:遙控車上裝置一台攝影機,將鏡頭前方的影像以無線方式傳送到遙控器上的LCD螢幕上。

(3)   光線照明:當車輛在黑暗處,照明設備會自動啟動,使黑暗中的影像能更加清晰。

(4)   鏡頭旋轉:使用者可以利用無線遙控操控鏡頭旋轉,抓取四周的景象。

遠端臨場遙控車大體上可分為遙控裝置、遙控車本體、及視訊裝置等三項子系統。以下分別描述各子系統之設計。

1. 遠端臨場遙控車之整體設計概念

2.     遙控裝置設計

遙控裝置包含兩個部分,第一個部分為控制車子行進,第二個部分為控制攝影機鏡頭旋轉。控制車子行進之遙控方式,使用現成市售遙控車及Futaba Attract兩動式遙控器。遙控車電池使用6Na-Cd串聯而成的長條型可充電電池,總電量為7.2V,電池使用時間約為15分鐘。使用7.2V電池的原因是因為購買遙控車時所附贈,且其為可充電式電池可重覆使用,故電池這部份不作改變。

Futaba Attract兩動式遙控器能控制兩組伺服馬達,一組控制車子的前後行進,另一組控制車子的左右轉向。電池使用83號電池,總電量為12V,但本計畫設計之新遙控面板內部配件包括LCD液晶螢幕、無線發射模組,83號電池電流太小,故改用12V鉛酸電池。

控制攝影機鏡頭旋轉採用TG-11無線收發模組(如圖23),發射模組與接收模組皆使用12V工作電源,發射模組利用接地的方式發射訊號,由接受模組的天線接受訊號,經過編解碼處理後透過類比輸出埠輸出給PIC-PROTO訊號,經由程式讀取訊號的高低電位來判斷該作何回應。假如讀取為高電位訊號,則程式不作回應,當讀取為低電位訊號,則程式會驅動步進馬達旋轉。

市售TG-11無線電收發模組,可使用的電池為5V~12V,遙控距離約為12公尺。無線收發模組必須搭配編、解碼IC,將所設定的密碼與資料一同傳送與接收,以避免外部雜訊干擾,當接收模組所設定的密碼與發射模組相同時,接收模組便開始進行解碼並讀取資料的動作。圖4為完成之遙控器配置圖,為了讓使用者能同時操縱車子的行進與鏡頭轉動,故遙控器必須包括Futaba attract 遙控器、無線發射模組、影像接收模組與電池。且考慮空間規畫與外觀美感的層面,故將元件置於適當大小的壓克力內,且置於遙控器整體的背面,而正面為LCD螢幕、遙控車行進轉向搖桿與鏡頭轉向的方向桿。

2. TG-11發射模組外觀與接腳說明

3. TG-11接收模組外觀與接腳說明

4. 遙控器背面配置

3.     遙控車本體設計

遙控車本體部份配置如圖5主要分為車子底盤、電池、遙控車接受訊號器、與伺服馬達7.2V電池作為高速馬達的電源來驅動車體。使用者利用遙控器的搖桿來發射訊號觸發兩組伺服馬達,一組作為車子的前後行進功能,另一組作為車子的左右轉向功能。車子底盤部份考慮空間規畫的因素,故加裝壓克力板置於電池方向,藉以托住電池使其不因行進時移位。且考慮因車底盤凹凸不平不易放置元件在其上,故在四個車輪附近加裝L形腳架墊高,再將元件置於車箱(壓克力製),而車箱與L形腳架以鏍絲固定住,加強其強健性。

5. 動力驅動裝置之玩具車體圖

4.     視訊裝置設計

視訊裝置的功能在讓使用者經由無線傳輸能在LCD螢幕上看見由遙控車傳回的影像,亦能藉由遙控裝置控制攝影機鏡頭轉動,且當光線不足時會自動啟動照明。

無線影像傳輸與顯示採用市售LCD液晶螢幕、針孔攝影機、與無線接發收器。這些裝置的電源原使用12V的穩壓整流器,但因考慮使用者與遙控車能不受限於插座的影響,而能自由移動,故改以12V鉛酸電池代替。針孔攝影機架設於一壓克力平台上,由步進馬達帶動旋轉。遠端使用者利用TG-11無線電收發模組的兩組訊號CHNNEL 1CHNNEL 4給予PIC16f877單晶片,觸發程式讓馬達順、逆向旋轉。自動照明部分則利用光敏電阻及簡易電路來控制LED燈的亮滅。當車子行進到黑暗處使得光敏電阻值增加,將會啟動燈泡發亮,而車子在光明處行走時,則燈泡為熄滅狀態。

5.     系統整合與測試

6為整合完成之遙控車,圖7則為遙控器,使用者操作介面包括操縱車輛前進後退的方向操縱桿、影像顯示的LCD以及控制鏡頭轉向的方向開關。

6. 整合完成之遙控車

7. 整合完成之遙控器

遙控車提供7.2V12V兩種電源,7.2V電池供給車身電源,而以12V鉛酸電供給遙控器電源,操作範圍操作範圍受限於遙控器傳輸範圍,並依供應的電壓值減少而大幅縮短遙控距離,表1為遙控器傳輸範圍測試數據,可以看出遙控器和車身本體電池電壓衰減都非常快速。以TG-11無線遙控鏡頭轉向,有效距離約12m,影像無線傳輸距離則約18m

使用時間(min)

00:00

05:00

10:00

15:00

使用距離(m)

13.5

10.3

7.5

4.2

遙控器電壓(V)

12

10.7

9.2

8.6

車身電壓(V)

7.2

6.0

4.7

3.7

1. 遙控車時間與使用距離測試數據表

6.     結論與實作心得

原本一般的遙控車僅能在地面上前進轉向,但經過改良設計之後,多了遙控鏡頭旋轉與黑暗中發亮的燈泡這兩種功能性,並且能在遙控器的LCD液晶螢幕上看見車子四周的景象,這樣的設計作品不只能當作小孩子新奇有趣的遙控玩具,亦能發揮監控車的功用,甚至再改良給予更多功能的話,亦能當救難車之用。

目前的設計改良已使其具有足夠的強健性與實用趣味性,但仍有小部份的缺點仍未克服,首先是系統整合後的負載過重,故輕量化是未來首要面臨的課題之一,第二個缺點是秏電量過重,雖然電池為可充電式電池,但由於秏電量過重使得操作時間不長,故電池的改良也是很重要的課題。

在做這次專題之前,對於很多事物與想法都是茫然的,但在專題之後,有了不同的創作想法。另外,原以為做起來簡單卻在趕進度時常常因為小地方的錯誤而造成不預期的效果,甚至是當準備妥當時卻不知道哪個小地方出錯而不能作用,果然是不能忽略小地方且應先有完整周詳的規畫才行。

在此感老師給我們這次做專題的機會,讓我們學習分工合作與思考創作並加以實現。也感謝實驗室裡的學長們的細心指導與建議,讓我們從模糊不清的思路有了明確地方向,對我們來說,這個專題給了我們很好的磨練,也讓我們學習到不少東西。