華為天才少年，造出自動(dòng)駕駛單車！圖紙已開(kāi)源，重新定義「自行」車！
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魚(yú)羊 金磊 發(fā)自 凹非寺
量子位 報(bào)道 | 公眾號(hào) QbitAI
果然高手在民間。
誰(shuí)能料到，一輛自行車的硬核打開(kāi)方式，竟是大火的自動(dòng)駕駛。
踢開(kāi)腳撐，金雞獨(dú)立、穩(wěn)如泰山：
單側(cè)加個(gè)板磚？小場(chǎng)面：
畢竟，它是連高難度“雜技姿勢(shì)”都能hold住的自行車：
沒(méi)事走兩步？
可以有，還是會(huì)自己拐彎的那種：
避障、上路，毫無(wú)壓力：
甚至還配備了特斯拉都沒(méi)有的激光雷達(dá)。
這就是B站“野生鋼鐵俠”稚暉君耗時(shí)4個(gè)月時(shí)間（基本只是周末），打造出的全新項(xiàng)目XUAN （軒）。
短短幾天，播放量超過(guò)150W，硬核、復(fù)雜程度之高，直接看呆一眾網(wǎng)友。
來(lái)感受一下這個(gè)畫(huà)風(fēng)。
連B站老板陳睿都被吸引而來(lái)：
甚至業(yè)內(nèi)人士也直呼：
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……
稚暉君到底是如何打造的這么一臺(tái)“賽博朋克”自行車？
接下來(lái)，讓我們一起一探究竟（經(jīng)授權(quán)）。
（你可能還很關(guān)心它的價(jià)格，別著急，我們文末揭曉答案~）
把自行車做成自動(dòng)駕駛，共分幾步？
稚暉君選擇的自行車，是大家非常熟知的死飛 （Fixed Gear）。
（沒(méi)錯(cuò)，就是漂移玩家的最愛(ài)）
這種自行車的一大特點(diǎn)，便是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、沒(méi)有剎車。
于是，稚暉君先對(duì)死飛進(jìn)行了一個(gè)CAD建模的工作。
建模工作完成之后，便得到了一輛虛擬自行車。
此后的所有改造工作，便可以在計(jì)算機(jī)上完成。
整體來(lái)看，XUAN的誕生一共分為三大步：
硬件改造：因?yàn)樽孕熊囀且粋€(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，所以先要做的就是讓它站穩(wěn)，然后跑起來(lái)。這一步將涉及一套復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)。
智能化：畢竟自動(dòng)駕駛嘛，“工具人”就得被抹去。因此，這一步便是搭載一整套傳感器組成的感知網(wǎng)絡(luò)，以及一個(gè)算力足夠強(qiáng)大的計(jì)算芯片作大腦。
軟件和算法：最后一步，便是在上述的硬件基礎(chǔ)上，開(kāi)發(fā)、實(shí)現(xiàn)一套感知和控制算法。稚暉君稱之為“注入靈魂”。
Step by Step，先來(lái)看下第一個(gè)大問(wèn)題。
自行車怎么自己保持平衡？
在騎自行車的時(shí)候，前后方向的平衡，靠得是2個(gè)輪子的支撐和地面摩擦力。
而左右方向上，運(yùn)動(dòng)過(guò)程中靠的是龍頭的左右調(diào)節(jié)，獲取轉(zhuǎn)向的加速度，以此抵消重力的影響。像這樣：
那么在靜止?fàn)顟B(tài)下呢？
稚暉君給出的思路便是——角動(dòng)量守恒。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，當(dāng)車子在重力作用下發(fā)生傾倒，就用動(dòng)量輪來(lái)產(chǎn)生一個(gè)相反力矩，抵消掉重力力矩。
具體而言，稚暉君在這輛死飛座位下方安裝了一個(gè)無(wú)刷電機(jī)，目的是驅(qū)動(dòng)一個(gè)金屬的動(dòng)量輪。
而在座位后方，他也安裝了一個(gè)無(wú)刷電機(jī)，這個(gè)目的則是靠摩擦力來(lái)驅(qū)動(dòng)后輪，讓自行車整體前后運(yùn)動(dòng)。
稚暉君本是想用3D打印來(lái)完成這兩個(gè)零件的加工，但礙于材料硬度和剛性不足，所以金屬材料成為了此次的首選。
（所幸，稚暉君朋友家里“有廠”，問(wèn)題迎刃而解）
而后，便是快樂(lè)的組裝環(huán)節(jié)：
OK，自行車的平衡問(wèn)題，就此解決。
自行車的“機(jī)器大腦”
硬件框架有了，想讓自行車能跑起來(lái)，甚至能認(rèn)路，下一步就是上“腦子”。
跟人類相似，機(jī)器人也分“大腦”和“小腦”。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，小腦用來(lái)控制實(shí)時(shí)行動(dòng)；大腦則負(fù)責(zé)耗費(fèi)算力、高時(shí)延的感知和決策。
這一回，稚暉君給自行車上的“小腦”是ESP32。
ESP32是一種低成本、低功耗的單片機(jī)控制器，集成Wi-Fi和雙模藍(lán)牙。
基于FreeRTOS（一個(gè)開(kāi)源嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)），稚暉君搭建了小腦的RPC通信框架，用來(lái)實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)處理，以及電機(jī)的控制算法。
“大腦”則是昇騰310。這是昇騰系列的邊緣計(jì)算芯片，基于達(dá)芬奇架構(gòu)，最高能夠提供22TOPs的算力。
大腦的算法開(kāi)發(fā)，主要基于昇騰AI棧和ROS（機(jī)器人操作系統(tǒng)）實(shí)現(xiàn)。
于是，在深度相機(jī)、激光雷達(dá)等傳感器的幫助之下，這輛自行車能夠檢測(cè)出周圍的物體，實(shí)現(xiàn)避障和跟隨：
還能夠機(jī)智地識(shí)別地形，給自己規(guī)劃路徑：
自行車的“機(jī)器心臟”
當(dāng)然啦，“成精”的自行車，不僅要有頭腦，還要有一顆強(qiáng)勁的“心臟”來(lái)驅(qū)動(dòng)它工作。
而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。
這是一個(gè)超迷你雙通道無(wú)刷電機(jī)驅(qū)動(dòng)器，單路最大驅(qū)動(dòng)電流能超過(guò)100A。
值得一提的是，稚暉君的這一FOC驅(qū)動(dòng)器有兩個(gè)版本的設(shè)計(jì)方案，其中一個(gè)版本，電路設(shè)計(jì)為上下疊板設(shè)計(jì)，將邏輯單元和功率單元分開(kāi)。也就是說(shuō)，只需要替換掉驅(qū)動(dòng)電路，就可以匹配更大功率的電機(jī)。
具體到XUAN這個(gè)項(xiàng)目，下圖中這么大點(diǎn)的驅(qū)動(dòng)器，最終實(shí)現(xiàn)了兩路共100A的無(wú)刷電機(jī)FOC控制，還驅(qū)動(dòng)了車頭60kg扭力舵機(jī)和散熱風(fēng)扇。
最后，注入靈魂
萬(wàn)事俱備，但想要上路，至此還少了一點(diǎn)煉丹的靈魂——調(diào)參。
稚暉君表示，這輛自動(dòng)駕駛自行車的控制代碼中，有超過(guò)50個(gè)重要參數(shù)，包括控制周期、反饋矩陣、PID增益、濾波器截止頻率等等。
此外，電機(jī)的功率、重心的分布等物理參數(shù)，也都會(huì)對(duì)最終的效果造成影響。
稍有不慎，那自行車就不是穩(wěn)如老狗那畫(huà)風(fēng)了……
在數(shù)學(xué)建模之后，稚暉君還采用了游戲引擎Unity作為仿真環(huán)境，像正經(jīng)自動(dòng)駕駛研發(fā)那樣，先在仿真環(huán)境里讓自行車跑了個(gè)踏實(shí)。
總之，讓一輛自行車成熟起來(lái)，自己上路，夠不容易的。
就有網(wǎng)友表示：
人傻了，畢業(yè)設(shè)計(jì)題目是自行車自平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)，做到調(diào)參就不會(huì)了。
不過(guò)，受限于整車功率，目前這輛自行車還不能載人。
另外，也有網(wǎng)友提出，用動(dòng)量輪來(lái)控制平衡屬于某種意義上的作弊。對(duì)此，稚暉君回應(yīng)：現(xiàn)在的龍頭傳動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不太合理，之后會(huì)嘗試只用龍頭控制平衡。
為什么要造XUAN？
有關(guān)“棧溢出工程師”、“野生鋼鐵俠”稚暉君，想來(lái)關(guān)注B站科技區(qū)的小伙伴們已經(jīng)很熟悉了。
稚暉君本名彭志輝，2018年畢業(yè)于電子科技大學(xué)，2020年通過(guò)“天才少年計(jì)劃”加入華為。
他的視頻向來(lái)以硬核著稱，比如從手畫(huà)PCB到寫(xiě)C++代碼全部一人搞定的套娃小電視。
辣么這次，稚暉君又是怎么萌發(fā)了打造一輛自動(dòng)駕駛自行車的念頭的呢？
理由有些“暴力”……
騎車不小心摔了，臉剎著地……
稚暉君表示，“這事不能就這么過(guò)去了”，于是乎：
（心疼稚暉君幾秒）
當(dāng)然，稚暉君本人也在視頻中表示，其實(shí)很早就有設(shè)計(jì)這種自行車的想法。
最初是因?yàn)榭吹角迦A大學(xué)的那項(xiàng)自行車研究，可以跟隨人類，敏捷避開(kāi)障礙物。
其背后的類腦芯片“天機(jī)”，也于2019年8月登上Nature封面。
好奇的小伙伴肯定會(huì)問(wèn)了，二者有何區(qū)別？
量子位替你們問(wèn)完了哈~
首先，是原理不太一樣。
清華的自行車模仿的是人類行為，沒(méi)有使用動(dòng)量控制，而稚暉君的“軒”則涉及到了動(dòng)量控制。
此外，在龍頭方面，稚暉君表示在改進(jìn)過(guò)后，也可以實(shí)現(xiàn)清華的控制方式（移動(dòng)過(guò)程使用龍頭平衡，靜止?fàn)顟B(tài)使用動(dòng)量平衡）。
但最核心的一個(gè)區(qū)別就是，清華打造的自行車背后，核心是類腦芯片。
對(duì)此，稚暉君表示：
他們的工作很厲害，我這個(gè)無(wú)法類比，只是受他們啟發(fā)做了個(gè)類似的應(yīng)用。
為了體現(xiàn)跟清華工作的區(qū)別，稚暉君本人還在項(xiàng)目名字上下點(diǎn)了功夫。
XUAN里的“U”，代表的意思是unNATURAL，“正經(jīng)翻譯”就是——沒(méi)上過(guò)Nature……
這個(gè)項(xiàng)目一如既往地開(kāi)源了，如果你也想復(fù)刻一下……
哦對(duì)了，是時(shí)候該揭曉XUAN的造價(jià)了——據(jù)大神本人不完全統(tǒng)計(jì)，超3萬(wàn)元。
不過(guò)，稚暉君也表示：
最終硬件成本來(lái)算的話應(yīng)該不到一萬(wàn)，就激光雷達(dá)貴一點(diǎn)，主要還是試錯(cuò)成本。
以及，劃重點(diǎn)，不售賣哈~
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