2011年7月22日，我又一次站在了中國青少年機器人競賽的領獎臺上，獲得了機器人創(chuàng)意比賽初中組一等獎。記得上一次獲獎是在2010年，對于我來說，兩次獲獎不同的只有時間和地點，相同的還是激動自豪的心情。金燦燦的獎牌代表的是大家對我過去努力的鼓勵與肯定，更堅定了我伴隨科技創(chuàng)新繼續(xù)前行的勇氣和信心。
　　我從小就是一個“科技發(fā)燒友”，可以說我是與科技創(chuàng)新項目共同成長的。記得在上小學六年級時，我瘋狂地迷上了電動遙控汽車，每當控制著我心愛的玩具車飛馳在學校的操場或者小區(qū)的廣場時，總感覺自己就像是達喀爾拉力賽的車手，身臨其境，聚精會神。但是，我在玩電動遙控汽車的過程中卻發(fā)現(xiàn)了一個問題，那就是現(xiàn)有的電動遙控汽車多是用充電電池作為能源的，這些電池的充電時間太長了，而一次充電后的可用時間又比較短，常常是讓我等待很長時間才能玩上一小會兒，感覺很不盡興。于是，我就在想，充電電池為什么充電時間那么長呢？能不能再充得快一些呢？如果不能，能不能用一種更好的儲存電能的東西來代替充電電池呢？一系列問題在我腦海中飄來飛去，我想試著找到這些答案。為此，我還專門向學校的科技輔導老師請教過，老師鼓勵我把這個問題作為一個小項目去研究，而且還成立了一個科研小組，由我和曹沛晴同學組成。她也是一個電動玩具迷，跟我有著相似的想法與經歷。就這樣，我們的第一個小科研項目開始立項研究了。
　　接下來的幾個星期，我們上網檢索了很多相關資料，看得懂看不懂的都下載了下來，有時間就學習學習。通過那些資料，我們大概明白了一個道理，那就是，充電電池就像是可以不斷蓄水的池子，有一個進水口和一個放水口，而“進水口”與“放水口”的“水流量”大小決定了充電電池充放電時間的長短。那能不能改變充電電池“進水口”與“放水口”的“水流量”大小呢？我們就這個問題請教了老師，老師說充電電池的“進口水量”可以換個名字叫“充電電流”，而“出口水量”可以叫做“放電電流”。對于某種類型的充電電池，充電電流的大小是有限制的，如果太大或太小，對電池的使用都會產生影響。放電電流也是一樣，它也不能太大，那樣會損壞電池，放電電流的大小主要取決于用電設備。于是我們明白了，看來充、放電時間是充電電池的特性所決定的，比較可行的方法之一就是尋找一種東西來代替它了。
　　一次偶然的機會，在新華網看到上海在2006年就已經開通了用超級電容作電源的11路電動公交車，電容公交車進站后可趁著上下客的間隙，車頂充電設備會自動垂直升起，搭到隱藏在候車站“屋檐”下的電纜上，30秒鐘就能完成充電，多快呀！這是為什么呢？它們使用的是什么“電池”呢？經過調查檢索，我們終于有了結論，這個“電池”叫做超級電容，也叫電化學電容器。雙電層電容器是最常見的一種超級電容，可以反復充放電數(shù)十萬次，充放電速度極快。與蓄電電池相比，它節(jié)能、綠色、安全。超級電容的優(yōu)點確實很多，但缺點也很要命，它能儲存的電量不多，電動汽車每充一次電可以行駛的距離不會太遠，所以車輛充電一定要快，要不然很難推廣應用。我們在想，能不能做一個在車位上就能快速充電的設備呢？這樣不但能解決我們的電動遙控汽車的充電問題，將來說不定也能為“電動汽車”的推廣出一份力呢。我們的這個想法也得到了家長和老師的支持與鼓勵。
　　在老師的指導下，我們選取工作電壓為4.8V的電動遙控玩具車來改裝，將2個超級電容器放置在車廂中，電容器用導線串聯(lián)，連接處用焊錫固定，然后同時從正負極引出2組導線，一組用接線插頭與電動車電源插口相連，另一組與車底的2塊金屬導電板相連。為實時監(jiān)測超級電容器在充電或汽車運行過程中的電壓和容量，我們設計和加工了一個LED電壓指示器。因為超級電容器的電壓與容量成正比，所以LED電壓指示器是根據超級電容器的工作電壓設計和制作的。我們經實際測試發(fā)現(xiàn)，當電容器電壓低于2.5V時，車輛將無法驅動，而電容器的電壓是5.4V，所以LED電壓指示器用5個紅色發(fā)光二極管進行顯示，另用5個普通二極管分別與發(fā)光二極管相連，因為紅色發(fā)光二極管的導通電壓是1.8V，所以只要電壓在1.8V基礎上增加0.6?0.7V，第一個發(fā)光二極管就會慢慢亮起，以后電壓每上升0.6?0.7V，就會有1個發(fā)光二極管亮起，若5個全亮，說明電壓達到4.8?5.3V，電容器已充滿電。用焊錫將LED電壓指示器引線與電容器組正負極相連，電壓指示器則固定在車廂尾部，以便于觀察。
　　我們根據車底實際尺寸，還設計了一個自動充電站，該充電站與停車位合二為一，主要由充電觸頭、觸頭升降機構、驅動電機、測距傳感器、微動開關、車位指示燈、大電流AC/ DC轉換器、車位充電控制器組成。
　　
　　圖1 車位式自動充電站模型實物
　　遙控汽車只需駛入充電車位，測距傳感器檢測到有車輛駛入后，啟動攝像頭拍攝汽車的車牌，并通過天線將圖像傳輸至充電管理計算機來識別車號。車牌經識別后，如果符合要求，計算機則發(fā)出指令，車位充電控制器接受指令后打開紅色車位指示燈，同時驅動電機轉動，帶動齒輪、齒條結構運動，將充電觸頭向上推起，使得充電觸頭與汽車底部的金屬導電板緊密接觸，再通過安裝在充電觸頭上的微動開關將“已接觸好”的信號傳給車位充電控制器。檢測到充電觸頭與金屬導電板接觸無誤后，控制器打開AC/DC轉換器，對超級電容進行大電流充電，僅需幾十秒鐘就可將超級電容充滿，車上的LED電壓指示器全亮。充電管理計算機在識別汽車車牌后，還可以根據不同車型，發(fā)指令給AC/DC轉換器調整電流大小，調整充電時間。充完電后，車位充電控制器發(fā)指令關閉電源，啟動電機降下充電觸頭，車位指示燈綠燈亮起，汽車駛離充電站，車位充電控制器記錄耗電量并自動在計算機里記錄所需要的費用。
　　在我們所做的模型中，因為超級電容器組的充電電流非常大，所以汽車的充電速度非常快，使用非常方便。就這樣，我們完成了“超級電容電動汽車的智能充電系統(tǒng)”這個小發(fā)明設計，通過使用超級電容器，我們的電動遙控汽車充電時間僅需40多秒，可以跑6?7分鐘，解決了我們的實際問題。而且據專家老師們說，我們這個小發(fā)明可以有效解決城市電動汽車的現(xiàn)場快速充電問題，對電動汽車的普及和推廣具有參考價值。
　　一瞬間，我的“信息檢索指針”又迅速指到了我上初二的那一年。在進入人大附中學習后，我的發(fā)現(xiàn)問題、思考問題、解決問題、動手實現(xiàn)等方面的能力得到了更進一步地提高。在一次學校機器人科技小組活動的時候，我了解到了第11屆中國青少年機器人競賽創(chuàng)意比賽的主題是“救援機器人”，當時，我腦子里就閃現(xiàn)出了一個想法，能否將我的有關“超級電容器”的小成果用在這個比賽中呢？我為此問題自己思考了好幾天。記得當時有一條新聞特別轟動，就是上海靜安區(qū)教師公寓火災，由于火災始發(fā)于樓宇外墻體，發(fā)現(xiàn)與撲救不及時，給社會和國家造成不可彌補的傷害和損失。我在想，能不能設計一種移動式的火災監(jiān)控系統(tǒng)，來專門監(jiān)控這種外墻體火災，為人們的安全生活提供保障。而為了保證這種移動式火災監(jiān)控系統(tǒng)巡檢的連貫性，是否可以考慮超級電容器的使用呢？帶著種種問題的思考，我開始了我的又一個科技創(chuàng)新之旅。
　　首先，我提出了一個觀點：隨著科技的進步與生活水平的提高，人們對生活和工作環(huán)境的安全性與舒適性提出了更高的要求，對于危險、災難而言，“防患”的意義大于“救災”。如何能夠及時發(fā)現(xiàn)危險，合理預防，又盡量少地打擾人們的正常生活，做到“人性化”防患，是需要認真思考的一個重要問題。
　　我的這個想法得到了老師的肯定與贊同。我們在老師的指導下，利用自己所學的知識，開始設計這種電動安防機器人（主要功能為火災預警），我們的設計目標是使它以車載電源為動力，用電機進行驅動，能夠對特定區(qū)域進行安全巡檢并能根據監(jiān)測情況采取相應的應急措施。
　　電動安防機器人能夠“默默無聞”（既安靜又環(huán)保）地守護在我們身邊，將危險發(fā)現(xiàn)于萌芽，有效提高我們的生活、工作質量。但如果使用充電電池作為儲能元件，機器人亟須解決的一個重要問題就是電池的快速充電。因此，對安防機器人快速充電方式進行探討研究，保證其巡檢工作的連續(xù)性，具有十分重要的實用價值。針對快速充電問題，我們之前的研究成果又發(fā)揮了它的作用。
　　
　　圖2 可快速充電的安防機器人演示系統(tǒng)
　　在研究過程中，我們巧妙地將以前的研究成果與新的研究問題相結合，檢索相關研究成果，制訂研究計劃，提出研究方案，并對相關知識進行學習，擴充知識面；在我的電動遙控汽車的基礎上，設計制作安防機器人本體，實現(xiàn)以超級電容器為儲能元件的機器人；制作機器人傳感器模塊，通過光電開關實現(xiàn)機器人路徑檢測，通過紅外測溫傳感器實現(xiàn)火災預檢，使機器人既可以自動行駛，又能夠可靠地對火災進行檢測。我們通過與老師討論，制訂了控制策略，控制舵機實現(xiàn)機器人沿軌跡行駛；因為以前是由人通過觀察LED指示燈來判斷電是否充滿，這樣顯然不能滿足自動機器人的需要，為此，我們設計制作了超級電容電壓檢測接口，通過單片機實現(xiàn)自動判斷何時需要充電，何時電已充滿；我們還對充電站進行了改進，通過傳感器與電機等實現(xiàn)機器人自動充電，并能與機器人進行交互，當機器人充滿電時，充電站會停止充電，放下充電架，使機器人能夠順利通行；在機器人身上設計安裝報警裝置，實現(xiàn)機器人發(fā)現(xiàn)火災隱情能夠自動報警的功能。我們設計成果的優(yōu)點是該機器人以電能為能源，低碳無污染、低噪音、能源效率高、使用維護便捷。
　　“信息檢索指針”又回到了現(xiàn)在，耳邊鼓勵與祝賀的掌聲還在持續(xù)，我看了看胸前佩掛的金燦燦的獎牌，思緒萬千。機器人創(chuàng)意比賽使我受益匪淺。首先，我認為通過創(chuàng)意活動培養(yǎng)了我的研究能力，讓我學到了很多研究方法，了解了研究的過程，鍛煉了我發(fā)現(xiàn)問題、分析問題、解決問題的能力；第二，培養(yǎng)了我的創(chuàng)新精神，科學研究不僅要有開闊活躍的思維，更要有勤奮嚴謹、鍥而不舍的行動；第三，培養(yǎng)了我的組織協(xié)調能力，主要是對時間的利用上，因為經常參加科技活動，所以時間上要比其他同學更緊張，這就需要合理安排學習、生活、科研等方面的時間和精力，達到更高的學習效率；第四，讓我的集體榮譽感更強了，通過競賽，尤其是組隊參賽，代表學校、北京市去比賽，我總有著志在必得的決心和勇氣；最后，是對我責任心的提高，培養(yǎng)了我學習、創(chuàng)新、做人等的認真態(tài)度。創(chuàng)意的快樂讓我享受不盡。
　　掌聲漸漸稀落，面對前路征程，我充滿期待和信心。