編輯導(dǎo)語：

作者：代潤澤、陳大鑫、劉冰一；微信公眾號：AI科技評論

什么是自行車？B站一位UP主可能會給你一個與眾不同的回答，即不用人力就能自己行駛的車。如今，越來越多人在媒體平臺上發(fā)布他們的奇思妙想，展示了無限創(chuàng)意。文中的AI算法工程師稚暉君便是如此，讓我們一起來看一下。

不知道大家從小到大有沒有思考?過這樣一個問題：什么叫自行車？

——??？這還用問嗎？

——對啊，這還用問嗎？

自行車那當(dāng)然是不靠人騎著它自己就能行駛的車啊。

考慮到2021年是自動駕駛爆發(fā)元年，造手機的、送外賣的、賣襪子的等等各種大廠紛紛入局造車。

這時一位B站UP主表示道，何不做一輛能自動駕駛的自行車？

這不是在開玩笑！

這是野生鋼鐵俠、華為天才少年、AI算法工程師稚暉君昨天剛剛“發(fā)布”的一個新項目。

稚暉解釋道，他前段時間不小心騎自行車摔傷了，休養(yǎng)后直言不能就這么算了！表示，正在著手設(shè)計自動駕駛自行車，這是說到做到了！

話不多說，直接來看看他是怎么完成的吧。

讓自行車變成自動駕駛，首先需要的是硬件改造，加入自動控制系統(tǒng)。

其次，為了將駕駛員的工具人存在性去掉，需要給車子搭載一整套傳感器組成的感知網(wǎng)絡(luò)，以及一個算力足夠強大的計算芯片作為大腦。

最后就是在前面的硬件基礎(chǔ)上開發(fā)實現(xiàn)一套感知和控制算法，俗稱注入靈魂。

一、第一步，讓車子跑

對于結(jié)構(gòu)上的改造——先在CAD上面建模，得到一輛虛擬自行車，也可以稱之為自行車的數(shù)字孿生。

有了車體模型，所有的改造工作都可以在計算機上完成，只需加上“一點點”的細(xì)節(jié)，那么最終的改造方案就出來了：

先給車子安裝兩個巨大的無刷電機，以及一個控制龍頭的舵機。

傳感器方面搭載了一個RGBD的深度相機，加速度計和陀螺儀，以及一個激光雷達(dá)。

電池使用的是6S的航模動力鋰電池，續(xù)航大約有2-3小時。

主控計算模塊被安置在了座椅的后方。

而驅(qū)動結(jié)構(gòu)方面，關(guān)于控制龍頭的旋轉(zhuǎn)舵機，前后方向的平衡靠兩個輪子的支撐和地面摩擦力，至于左右的平衡，當(dāng)在騎行狀態(tài)下，可以靠著左右調(diào)節(jié)龍頭來獲得轉(zhuǎn)向加速度以此來抵消重力的影響。

那么靜止?fàn)顟B(tài)下如何保持左右平衡呢？

要靠角動量守恒，上過小學(xué)二年級的都知道角動量守恒定律是自然界中最普遍的守恒定律之一。

當(dāng)系統(tǒng)一個動力角動量發(fā)生變化的時候，就會將力矩傳遞給其他物體。所以這輛自行車中間的無刷電機，其實就是驅(qū)動一個金屬的動量輪。

實際上這也是在太空中衛(wèi)星??在沒有摩擦力的情況下調(diào)整自身姿態(tài)的一樣的原理。

而后面的無刷電機就是靠摩擦力驅(qū)動后輪，讓車子整體前后運動。

關(guān)于零件的加工，其中一部分零件可以用3D打印來制作，不過考慮到功率問題，3D打印塑料的硬度和剛性都不太適合作為核心的結(jié)構(gòu)件，因此用于固定電機的零件，稚暉君還是選擇用金屬來加工。

所有的零件配齊組裝完成后，就需要安裝電力系統(tǒng)了 ，也就是主控模塊和 AI計算單元。

二、第二部分，讓車子有機器大腦

和人類一樣，將計算單元分為小腦和大腦，那么小腦部分就分為低算力、低時延、運行實時系統(tǒng)，大腦部分就分為高算力、高時延、運行非實時操作系統(tǒng)，用于感知、思考和決策。

在這個系統(tǒng)中使用的是在HoloCubic里面的MCU，ESP32作為小腦。

大腦則應(yīng)用了昇騰邊緣計算機芯片昇騰310 AI處理器。

然后設(shè)計一個載板，將這兩個計算單元整合到一起，板子的結(jié)構(gòu)為四層設(shè)計，比較簡單：

PCB打樣之后再手工焊接一下，這也是傳統(tǒng)藝能環(huán)節(jié)：

之后通過總線把大腦和小腦相連，在軟件上實現(xiàn)一套RPC框架，讓它們可以方便地通信。其中小腦的框架基于FreeRtos，主要是實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)處理，以及電機的控制算法。簡單分為三個任務(wù)：閉環(huán)控制線程、電機通信線程、以及屏幕刷新線程。

另外用下面這個小屏幕來實時顯示一些參數(shù)。

而大腦的軟件框架就要復(fù)雜很多。除了基于昇騰的整個AI棧之外，還在系統(tǒng)中使用了一個做機器人常用的框架—— ROS，本質(zhì)上是一個高性能的通信中間件。

到現(xiàn)在電路方面已經(jīng)有了腦子，還缺一個很重要的模塊，那就是心臟，也就是此前設(shè)計的Ctrl-FOC驅(qū)動器。

作為Ctrl的二代作品，它的表現(xiàn)還是非常的猛的，在很小的體積之下， 實現(xiàn)了兩路共100安 的無刷電機FOC控制，同時還順便 驅(qū)動了前面60Kg的舵機，以及一個散熱風(fēng)扇。

此時，把結(jié)構(gòu)零件和電路全部 整合起來，車輛的完全體就誕生啦！

到了這里，稚暉君表示以上組裝還算比較常規(guī)，接下來的注入靈魂才是關(guān)鍵。

這就要涉及到機器人了，機器人是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計一臺機器人的時候，科學(xué)的方法是將機器人進行理論上的分析，也就是運用運動學(xué)和動力學(xué)的建模，通過數(shù)學(xué)模型知道哪些事情是相對 容易的哪些是復(fù)雜的。

例如，這輛車子的控制代碼中，有超過50個重要參數(shù)：控制周期、反饋矩陣、PID增益、濾波器截止頻率等。這些魔法數(shù)字要全部得到合理的設(shè)置，才能使系統(tǒng)進入穩(wěn)定且快速收斂的狀態(tài)。（這里可以類比深度學(xué)習(xí)的調(diào)參大法）

而一些物理參數(shù)的設(shè)置，如電機功率應(yīng)該選多大的？飛輪質(zhì)量應(yīng)該選多少？

重心的分布應(yīng)該怎樣設(shè)置才比較合理？也都需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型進行指導(dǎo)才行。

在得到模型之后， 為了進一步驗證理論的準(zhǔn)確性，一般要在計算機中進行仿真，這里稚暉君使用的是游戲引擎Unity——先在游戲引擎中構(gòu)建一個虛擬的物理環(huán)境，賦給小車真實的的質(zhì)量和重力， 接著將控制算法的計算結(jié)果可視化呈現(xiàn)出來。

這一步驗證完成之后 ，還有一個sim2real的過程，也就是把仿真結(jié)果遷移到現(xiàn)實環(huán)境中。其實這是一個很復(fù)雜的過程，因為現(xiàn)實中有更多的不確定性因素，很多情況下機器人往往在仿真中重拳出擊，而在現(xiàn)實中“唯唯諾諾”秒變智障?，有的甚至在仿真中也一言難盡。

同理，這輛車在調(diào)試的過程中也是非常艱辛的。

在這套系統(tǒng)中在姿態(tài)控制中，稚暉君使用的LQR控制器，方向控制使用了經(jīng)典的PID算法，傳感器則是對加速度計和陀螺儀數(shù)據(jù)使用了二階的巴特沃斯濾波器之后再通過卡爾曼濾波器進行數(shù)據(jù)融合，最終得到車身姿態(tài)。

終于，在經(jīng)過稚暉君漫長的參數(shù)整定之后，控制算法終于收斂到了完美的效果！

你現(xiàn)在已經(jīng)是一輛「成熟」的自行車了，是時候拉出去遛一遛了證明自己了。

哇！可以看出它做到了靜態(tài)保持靜止：

這主要得益于合理的算法和設(shè)計，且當(dāng)車子受到一定的沖擊和突然增加負(fù)載的情況下，也能穩(wěn)定地保持平衡。

甚至能在高危場景下保持平衡！就差在鐵柵欄上跳舞?了。

再結(jié)合下后輪電機的驅(qū)動能力，讓它「走兩步」也毫無壓力，而且剎車功能也是很正常的，有網(wǎng)友表示至少要比X撕辣強。

所以說如果大家某天晚上看到一輛會自己行駛的自行車也不要害怕，它只是「成精了」而已。

到現(xiàn)在，能動的基本目標(biāo)已經(jīng)達(dá)成，可是這就結(jié)束了嗎？

當(dāng)然沒有，接下來就是最令人期待的自動駕駛環(huán)節(jié)了！

這就要通過引入AI 來實現(xiàn)了，當(dāng)然了話先說到前面，這里實現(xiàn)的自動駕駛也只是一定程度上的。

另外由于這個車子搭載了深度相機，在電腦上就可以看到車子WIFI實時的RGB圖傳畫面，再結(jié)合一些AI算法即可實現(xiàn)一些有趣的功能，比如說自動避障、運動識別跟隨。

另外，自動駕駛怎么能少的了路徑規(guī)劃呢，此時車子搭載的激光雷達(dá)就排上了用場。激光雷達(dá)通過測量激光發(fā)射到反射所需時間，再乘以光速就可以獲得目標(biāo)的距離位置。

由此360°成像的結(jié)果可獲取攝像頭更加可靠的深度信息，將這些數(shù)據(jù)用于SLAM圖與路徑規(guī)劃，最后就可以實現(xiàn)讓自行車自主探索了。

不過稚暉君表示這只是“非?；A(chǔ)”的自動駕駛設(shè)計，還有很多地方需要改進。比如龍頭的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計不太合理，如果換成諧波減速伺服電機直驅(qū)，那么行駛的穩(wěn)定性將大幅度提升。

另外受限于整車功率，這套系統(tǒng)目前還無法載人，就只能真.無人駕駛了，但是如果換成電動車可能就不一樣了（不過，這可能就是另外一個故事了）。

最后，稚暉君談起最初設(shè)計這樣一倆自行車的想法最早是因為看到清華大學(xué)曾研制了一款自動駕駛的自行車，還登上了Nature封面：

所以他就想著自己也復(fù)現(xiàn)一個類似的項目，并給車子起名為XUAN，這是因為軒是我國古代對車子的稱呼。

Tips：本次項目的結(jié)構(gòu)設(shè)計是全部開源的，有興趣想要復(fù)現(xiàn)的同學(xué)可以嘗試一下。

最后，說到稚暉君，大家估計都很熟悉了。目前稚暉君已經(jīng)加入了“華為天才少年計劃”。不管是做嵌入式的還是計算機的，稚暉君都是諸多電子愛好者欽佩的大佬。他本碩就讀于電子科技大學(xué)，之后進入OPPO算法崗工作，目前已經(jīng)是華為AI架構(gòu)師。

其實稚暉君并非第一次這般“硬核”，AI 科技評論曾報道過他自制B站百大Up獎杯，這位斜杠青年有如此充沛的精力輸出高質(zhì)量工作，讓大家有種“平時上班的工作量還是太小了”的錯覺。

作者：代潤澤、陳大鑫、劉冰一；公眾號：AI科技評論

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