自行車(chē)這回終于能 “自行” 了。

在一次雨天騎車(chē)滑倒受傷后，B 站 “野生鋼鐵俠” 稚暉君表示：“這事不能就這么過(guò)去了！”

沒(méi)過(guò)多久，他在 B 站上推出了引來(lái)眾人圍觀(guān)的自動(dòng)駕駛單車(chē) —— XUAN （軒）。

該視頻在幾天內(nèi)播放量便破百萬(wàn)，其中一位自稱(chēng)是北理工車(chē)輛工程專(zhuān)業(yè)的網(wǎng)友評(píng)論道：“任何一個(gè)部分拿出來(lái)都是一篇本科畢業(yè)論文。還有實(shí)物，碩士畢業(yè)綽綽有余……” 甚至 B 站老板陳睿也被招來(lái)了。

稚暉君在視頻中表示：“2021 年可謂是自動(dòng)駕駛爆發(fā)元年，各大廠(chǎng)商紛紛宣布入局下注。自動(dòng)駕駛也是我十分感興趣的一個(gè)方向，同時(shí)很巧的是我本職工作又是做 AI 的，所以一個(gè)很有意思的想法就出來(lái)了。”

他介紹了 XUAN 的設(shè)計(jì)思路：與四個(gè)輪子的汽車(chē)不同，自行車(chē)是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，若沒(méi)有外力控制，連平穩(wěn)站立都不可能，更別說(shuō)跑起來(lái)了。因此打造自動(dòng)駕駛單車(chē)的第一步便是要設(shè)計(jì)一套自動(dòng)控制系統(tǒng)。

其次，為了去除 “工具人” 駕駛員，還需要給自行車(chē)搭載一套由傳感器組成的感知網(wǎng)絡(luò)，能夠讓它 “眼觀(guān)六路，耳聽(tīng)八方” 的傳感器感知網(wǎng)絡(luò)，以及一個(gè)充當(dāng)大腦的計(jì)算芯片，其算力要求足夠強(qiáng)大。

最后一步，是給單車(chē) “注入靈魂”，實(shí)現(xiàn)一套巧妙的感知和控制算法。

稚暉君改造的對(duì)象是深受漂移愛(ài)好者喜歡的 “死飛”，該自行車(chē)的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒(méi)有剎車(chē)，通過(guò)反向蹬車(chē)來(lái)減速。

他首先利用計(jì)算機(jī)輔助工具 CAD 對(duì) “死飛” 進(jìn)行了建模，由此得到一個(gè)虛擬 “死飛”，之后作便可以在計(jì)算機(jī)上對(duì)車(chē)體模型進(jìn)行一系列的設(shè)計(jì)和操作。

驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)方面，他為 “死飛” 安裝了兩個(gè)巨大的無(wú)刷電機(jī)和一個(gè)控制龍頭的舵機(jī)。傳感器方面搭載了一個(gè) RGBD 深度相機(jī)、加速度計(jì)和陀螺儀，以及一個(gè)激光雷達(dá)。

電池是 6S 的航模動(dòng)力鋰電池，能提供約 2-3 個(gè)小時(shí)的續(xù)航。主控計(jì)算模塊被安置在了座椅的后方。

他設(shè)計(jì)的無(wú)刷電機(jī)，實(shí)際上是一個(gè)用于驅(qū)動(dòng)的金屬動(dòng)量輪，其原理來(lái)自角動(dòng)量守恒定律，作為物理學(xué)最普遍的一條定律，該原理同樣應(yīng)用到了航天設(shè)計(jì)中，太空中的衛(wèi)星在沒(méi)有摩擦的情況下由此能夠調(diào)整自身姿態(tài)。

硬件改造完成后，就該給自行車(chē) “造腦” 了。和人類(lèi)相似，機(jī)器人也分 “大腦” 和 “小腦”，“小腦” 負(fù)責(zé)控制實(shí)時(shí)行動(dòng)；大腦則會(huì)是耗費(fèi)算力、進(jìn)行高時(shí)延的感知和決策。

稚暉君運(yùn)用低成本、低功耗的單片機(jī)控制器 ESP32 來(lái)作為自行車(chē)的 “小腦”，ESP32 集成 Wi-Fi 和雙模藍(lán)牙。在開(kāi)源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng) FreeRTOS 的基礎(chǔ)上，為了實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)處理，他搭建了一個(gè) RPC 通信框架，同時(shí)也能實(shí)現(xiàn)電機(jī)算法控制。

XUAN 的 “大腦” 是華為昇騰系列的邊緣計(jì)算芯片昇騰 310。它基于達(dá)芬奇架構(gòu)，能夠提供最高 22TOPs 的算力。算法開(kāi)發(fā)則依靠華為昇騰 AI 棧和機(jī)器人操作系統(tǒng)（ROS）。在激光雷達(dá)、深度相機(jī)等傳感器的加持下，XUAN 能實(shí)時(shí)檢測(cè)出周?chē)矬w，完成跟隨、避障等任務(wù)，此外還能在識(shí)別地形后為自己規(guī)劃路徑。

機(jī)器腦完成后，便是 “造心” 工程。XUAN 的 “心臟” 來(lái)自稚暉君的另一個(gè)項(xiàng)目，Ctrl-FOC 矢量控制驅(qū)動(dòng)器，這是個(gè) “超迷你雙通道無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器”，其最大驅(qū)動(dòng)電流可超過(guò) 100 安。

最后，便是為自行車(chē) “注入靈魂”—— 調(diào)參。稚暉君介紹，這輛自動(dòng)駕駛自行車(chē)的控制代碼中，有超過(guò) 50 個(gè)重要參數(shù)，其中包括反饋矩陣、濾波器截止頻率、PID 增益等。自行車(chē)的重心分布和電機(jī)功率也會(huì)影響最終效果。

因此，稚暉君采用了游戲引擎 Unity 進(jìn)行模擬。他在游戲引擎中構(gòu)建了一個(gè)虛擬的物理環(huán)境，游戲中的模擬自行車(chē)有著真實(shí)的質(zhì)量，他將自行車(chē)的 “自行” 的過(guò)程算法在虛擬環(huán)境中可視化了出來(lái)，模擬過(guò)程沒(méi)有問(wèn)題后他才將仿真過(guò)程搬到現(xiàn)實(shí)。

此外，稚暉君在視頻中提到了清華大學(xué)的自行車(chē)研究項(xiàng)目。2019 年 8 月，清華大學(xué)類(lèi)腦計(jì)算研究中心施路平團(tuán)隊(duì)研發(fā)的第二代 “天機(jī)芯”（Tianjic）登上了 Nature 封面。

清華大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)在一輛無(wú)人駕駛自行車(chē)上試驗(yàn)了這款芯片的能力。搭載 “天機(jī)芯” 的自行車(chē)，除了能夠進(jìn)行基礎(chǔ)的實(shí)時(shí)目標(biāo)探測(cè)、追蹤、過(guò)障和避障之外，還能夠自主進(jìn)行決策，其控制包括語(yǔ)音理解控制和自適應(yīng)姿態(tài)控制。

稚暉君介紹，同樣是自動(dòng)化自行車(chē)，XUAN 與之存在原理上的區(qū)別：“清華團(tuán)隊(duì)的核心是類(lèi)腦芯片，其自行車(chē)模仿的是人類(lèi)行為，沒(méi)有使用動(dòng)量控制，而 XUAN 則涉及到了動(dòng)量控制?！?/p>

稚暉君對(duì)此說(shuō)道：“他們的工作很厲害，我這個(gè)無(wú)法類(lèi)比，只是受他們啟發(fā)做了個(gè)類(lèi)似的應(yīng)用?！?/p>

原文標(biāo)題：“華為天才少年” 重新定義 “自行” 車(chē)，四個(gè)月便讓單車(chē)自己跑起來(lái)

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