單元主題：實作智慧定速巡航 (ACC)

1. 單元學習目標

本單元旨在引導你完成一個進階的機器人專案。完成後，你將能：

分析「智慧定速巡航」的運作原理。
應用狀態管理的概念，將複雜問題拆解為多個可執行的子任務。
建構使用「巢狀 Switch」積木的複雜判斷邏輯。
學習使用「變數」來提升程式碼的可維護性與可讀性。
實作透過「資料線」傳遞感應器數值，達成動態的閉環控制 (Closed-Loop Control)。

2. 問題情境：從手動駕駛到自動控制

在交通情境中，駕駛者會根據路況持續調整車速：前方無車時維持定速，接近前車時減速跟隨，遇到緊急狀況則立刻煞車。這些判斷對人類是本能，但機器人需要明確的指令才能執行。

本單元的挑戰，便是為樂高 Mindstorm 機器人設計一套程式，模擬真實車輛的「智慧定速巡航 (ACC)」功能。

3. 核心概念一：運作狀態管理

要實現 ACC 功能，機器人至少需要三種明確的運作狀態：

狀態	情境描述	機器人行為
1. 安全巡航	前方 60cm 以上無障礙物。	以預設的「巡航速度」穩定前進。
2. 減速跟隨	偵測到前方 15cm 至 60cm 內有障礙物。	根據與障礙物的距離調整速度。
3. 緊急停止	障礙物進入 15cm 以內的危險區域。	立刻停止馬達，避免碰撞。

在設計自動化系統時，應優先處理最高風險的狀態，因此「緊急停止」的判斷應具有最高優先級。

4. 核心概念二：決策層級與巢狀 Switch

為了實現具有優先級的判斷，需要使用「巢狀 Switch (Nested Switch)」，也就是在一個 Switch 結構中，再嵌入另一個 Switch。

其決策流程如下：

第一層決策 (高優先級)：判斷是否進入危險區域。
- 條件：距離 < 15cm
- 結果為「是」(✔)：執行「緊急停止」。
- 結果為「否」(X)：進入第二層決策。
第二層決策 (次優先級)：判斷應巡航或跟隨。
- 條件：距離 < 60cm
- 結果為「是」(✔)：執行「減速跟隨」。
- 結果為「否」(X)：執行「安全巡航」。

此結構確保了高優先級的決策（安全）總是被優先執行。我們可以用一個 Mermaid 圖表來視覺化這個流程：

graph TD subgraph ACC 智慧巡航邏輯 A(迴圈 Loop) --> B{Switch: 距離 < 15cm ?}; B -- "是 ✔" --> C[移動轉向: 關閉]; B -- "否 ✘" --> D{Switch: 距離 < 60cm ?}; D -- "是 ✔" --> E[減速跟隨邏輯]; D -- "否 ✘" --> F[安全巡航邏輯]; end style C fill:#f9f,stroke:#333,stroke-width:2px style E fill:#ccf,stroke:#333,stroke-width:2px style F fill:#cfc,stroke:#333,stroke-width:2px

5. 關鍵技巧：使用變數進行參數管理

在「安全巡航」狀態下，機器人需要一個基準速度值，例如 50。

方法一：直接寫入數值
- 在馬達積木的動力參數中直接輸入 50。此方法在需要調整速度時，必須找到對應積木才能修改，缺乏效率。
方法二：使用變數管理
- 在程式開頭定義一個名為 CruiseSpeed 的變數並賦值 50。當馬達需要此速度時，再讀取此變數。
- 優點：此方法將參數集中管理，提升了程式的可維護性與可讀性。若要調整巡航速度，僅需修改初始的變數值即可。

6. 程式實作步驟

定義巡航速度變數
- 於程式開頭，使用 變數 (Variable) 積木，以「寫入」模式定義 CruiseSpeed，數值為 50。
建立主迴圈
- 使用 迴圈 (Loop) 積木包裹後續所有邏輯，使機器人能持續偵測與反應。
建立巢狀決策結構
- A. 第一層決策 (緊急停止)
  - 於迴圈內，放入第一個 切換 (Switch) 積木，設定條件為「超音波感應器」-「比較」-「距離 < 15cm」。
  - 在 「是」(✔) 分支 中，放置「移動轉向」積木，模式設為「關閉」。
  - 在 「否」(X) 分支 中，我們將建構次級決策，請將下一個積木放入此處。
- B. 第二層決策 (巡航/跟隨)
  - 拖曳第二個 切換 (Switch) 積木，放入第一個 Switch 的「否」(X) 分支內部。
  - 設定此新 Switch 的條件為「超音波感應器」-「比較」-「距離 < 60cm」。
設定巡航與跟隨狀態的馬達行為
- A. 減速跟隨 (第二層的「是」分支)
  - 使用「超音波感應器」(測量模式)積木，並透過 資料線 將其「測得距離」輸出，連接至「移動轉向」(開啟模式)積木的「動力」輸入。
- B. 安全巡航 (第二層的「否」分支)
  - 使用 變數 (Variable) 積木，以「讀取」模式取得 CruiseSpeed 的值。
  - 透過 資料線 將其「值」輸出，連接至「移動轉向」(開啟模式)積木的「動力」輸入。

7. 挑戰與延伸：進階功能實作

完成基礎的 ACC 功能後，一個優秀的工程師會思考如何讓系統更完善、更智慧。以下四個挑戰將引導你從不同面向，對你的智慧巡航車進行優化與升級。

挑戰一：系統參數調校 (Parameter Tuning)

目標

學習調整程式中的關鍵參數，並分析參數變化對系統行為的影響，理解機器人「個性」的由來。

核心概念

在我們的 ACC 系統中，15 (緊急停止距離) 和 60 (警戒距離) 這兩個數字，是定義機器人行為模式的關鍵參數 (Parameters)。它們劃分了三個行為區域：

安全區 (> 60cm)
減速區 (15cm - 60cm)
危險區 (< 15cm)

調整這兩個參數，就是在改變這三個區域的大小，這會直接影響機器人的反應靈敏度與決策模式。

操作步驟

找到參數位置：
- 15：位於第一層 Switch 積木的條件中。
- 60：位於第二層 Switch 積木的條件中。
進行系統性測試：
- 測試組合 A (膽小型)：將 緊急停止距離 提高到 25，警戒距離 提高到 80。
- 測試組合 B (激進型)：將 緊急停止距離 降低到 10，警戒距離 降低到 40。
- 測試組合 C (自訂組合)：自行設計一組你認為最理想的參數。

思考與觀察

「膽小型」機器人開起來有什麼感覺？它的優點和缺點是什麼？
「激進型」機器人開起來又有什麼感覺？在什麼情境下它可能會有危險？
「減速區」的範圍大小（警戒距離 - 緊急停止距離）對機器人的駕駛體驗有什麼影響？範圍大比較好，還是小比較好？

挑戰二：增加自動緩衝行為

目標

在緊急停止後，增加一個自動倒車的動作，為機器人創造更安全的反應空間。

核心概念

這個挑戰的核心是擴充狀態行為。原本「緊急停止」狀態的行為只有「停止馬達」，現在我們要將其擴充為一個動作序列 (Action Sequence)：「停止 -> 短暫倒車 -> 再次停止」。

操作步驟

找到緊急停止分支：也就是第一層 Switch 的「是」(✔) 分支。
修改動作序列：
- 目前此分支中只有一個「移動轉向」積木，模式為「關閉」。
- 在它後面，再增加一個「移動轉向」積木。
- 設定這個新的積木：
  - 動力 (Power)：設為一個負值，例如 -30 (代表倒車)。
  - 模式：設為「開啟達秒數 (On for Seconds)」，並設定一個短暫的時間，例如 0.5 秒。
- （可選） 在倒車積木後，可以再加一個「移動轉向」設為「關閉」的積木，確保機器人倒車後會完全停穩。

思考與觀察

增加倒車行為後，機器人的安全性是否提升了？
如果倒車的動力或秒數設定不當（例如太大或太久），可能會發生什麼非預期的情況？
這個自動緩衝行為，在什麼樣的真實情境中特別有用？

挑戰三：系統狀態視覺化

目標

利用主機螢幕，即時顯示機器人目前的運作狀態，使其更易於除錯與理解。

核心概念

視覺化回饋 (Visual Feedback) 是人機互動的關鍵一環。透過在程式的不同分支中加入「顯示 (Display)」積木，我們可以將內部的程式狀態，以文字或圖形的方式呈現在外部，這對於監控與除錯非常有幫助。

操作步驟

找到三個最終狀態的分支：
- 緊急停止：第一層 Switch 的「是」(✔) 分支。
- 減速跟隨：第二層 Switch 的「是」(✔) 分支。
- 安全巡航：第二層 Switch 的「否」(X) 分支。
加入顯示積木：
- 在上述每一個分支的最前面，放入一個「顯示 (Display)」積木。
- 設定顯示內容：將模式設為「文字」-「網格」。
  - 在「緊急停止」分支，顯示文字 STOP!。
  - 在「減速跟隨」分支，顯示文字 Follow。
  - 在「安全巡航」分支，顯示文字 Cruise。
- 重要：記得勾選「清除螢幕 (Clear Screen)」選項，確保每次只顯示最新的狀態。

思考與觀察

執行程式時，螢幕上的文字是否能準確地對應機器人的行為？
如果機器人行為不符合預期，螢幕上的狀態文字能否幫助你更快地找到問題在哪個程式分支？
除了文字，你還能用什麼圖形來代表這三種狀態，讓介面更直觀？

挑戰四：非線性智慧調速

目標

透過數學運算，將線性的速度控制，升級為非線性的速度曲線，以實作更細膩、更多樣的駕駛「個性」。

核心概念

目前的「減速跟隨」模式是線性的 (速度 = 距離)，反應直接但略顯單一。非線性控制則是讓速度與距離的關係，變成一條曲線。這意味著在不同距離區間，速度的變化率是不同的，從而創造出更豐富的動態效果。

技術提示：EV3 的隱藏數學超能力

你可能不知道，EV3 的「數學運算」積木在切換到「進階 (Advanced)」模式後，其實是一個非常強大的工具。它不僅支援四則運算，還內建了許多高階函數，包含：
- sqrt(a)：計算 a 的平方根。
- log(a)：計算 a 的常用對數 (base 10)。
- ln(a)：計算 a 的自然對數。
- abs(a)：計算 a 的絕對值。
- 三角函數：sin(a), cos(a), tan(a) 等。

這為我們實現複雜的控制演算法，提供了堅實的基礎。

操作步驟

找到減速跟隨分支：也就是第二層 Switch 的「是」(✔) 分支。
插入數學運算積木：
- 在「超音波感應器」和「移動轉向」積木之間，放入一個 數學運算 (Math) 積木。
- 將感應器的「測得距離」資料線，連接到數學積木的 a 輸入。
- 將數學積木的「結果」資料線，連接到移動轉向的「動力」輸入。
設定非線性公式：將數學積木的模式設為「進階 (Advanced)」，並在公式框中輸入以下公式進行實驗。
- A. 漸進趨緩型 (平方根曲線)
  - 公式：sqrt(a) * 8
  - 效果：起步和煞車都非常柔和，像一個沉穩、謹慎的駕駛。
- B. 積極趨近型 (平方曲線)
  - 公式：(a * a) / 60
  - 效果：遠距離時加速快，近距離時減速也快，像一個充滿活力的年輕駕駛。

思考與觀察

sqrt(a) * 8 公式中的 8 這個常數，如果把它變大或變小，對機器人的行為有什麼影響？（提示：這個常數被稱為「增益 (Gain)」）
(a * a) / 60 公式中的 60 這個常數，為什麼要用除法？如果把它變大或變小，又有什麼影響？
動手實作：請實作 log(a) 曲線，並描述它的駕駛個性。它與 sqrt(a) 有何不同？（提示：你可能需要一個放大係數，例如 log(a) * 20，因為 log 函數的增長非常緩慢。）