華為天才少年造出自動駕駛單車！親自試駕被摔，網(wǎng)友：不夠智能啊
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本文來自：量子位（ID：QbitAI）
果然高手在民間。
誰能料到，一輛自行車的硬核打開方式，竟是大火的自動駕駛。
踢開腳撐，金雞獨立、穩(wěn)如泰山：
單側(cè)加個板磚？小場面：
畢竟，它是連高難度“雜技姿勢”都能hold住的自行車：
沒事走兩步？
可以有，還是會自己拐彎的那種：
避障、上路，毫無壓力：
甚至還配備了特斯拉都沒有的激光雷達。
這就是B站“野生鋼鐵俠”稚暉君耗時4個月時間（基本只是周末），打造出的全新項目XUAN （軒）。
短短幾天，播放量超過150W，硬核、復(fù)雜程度之高，直接看呆一眾網(wǎng)友。
來感受一下這個畫風(fēng)。
連B站老板陳睿都被吸引而來：
甚至業(yè)內(nèi)人士也直呼：
任何一個部分拿出來都是一篇本科畢業(yè)論文。
還有實物，碩士畢業(yè)綽綽有余……
稚暉君到底是如何打造的這么一臺“賽博朋克”自行車？
接下來，讓我們一起一探究竟（經(jīng)授權(quán)）。
（你可能還很關(guān)心它的價格，別著急，我們文末揭曉答案~）
把自行車做成自動駕駛，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）。
（沒錯，就是漂移玩家的最愛）
這種自行車的一大特點，便是結(jié)構(gòu)簡單、沒有剎車。
于是，稚暉君先對死飛進行了一個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，便可以在計算機上完成。
整體來看，XUAN的誕生一共分為三大步：
硬件改造：因為自行車是一個欠驅(qū)動系統(tǒng)，所以先要做的就是讓它站穩(wěn)，然后跑起來。這一步將涉及一套復(fù)雜的自動控制系統(tǒng)。
智能化：畢竟自動駕駛嘛，“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)，以及一個算力足夠強大的計算芯片作大腦。
軟件和算法：最后一步，便是在上述的硬件基礎(chǔ)上，開發(fā)、實現(xiàn)一套感知和控制算法。稚暉君稱之為“注入靈魂”。
Step by Step，先來看下第一個大問題。
自行車怎么自己保持平衡？
在騎自行車的時候，前后方向的平衡，靠得是2個輪子的支撐和地面摩擦力。
而左右方向上，運動過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：
那么在靜止狀態(tài)下呢？
稚暉君給出的思路便是——角動量守恒。
簡單來說，當車子在重力作用下發(fā)生傾倒，就用動量輪來產(chǎn)生一個相反力矩，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無刷電機，目的是驅(qū)動一個金屬的動量輪。
而在座位后方，他也安裝了一個無刷電機，這個目的則是靠摩擦力來驅(qū)動后輪，讓自行車整體前后運動。
稚暉君本是想用3D打印來完成這兩個零件的加工，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”，問題迎刃而解）
而后，便是快樂的組裝環(huán)節(jié)：
OK，自行車的平衡問題，就此解決。
自行車的“機器大腦”
硬件框架有了，想讓自行車能跑起來，甚至能認路，下一步就是上“腦子”。
跟人類相似，機器人也分“大腦”和“小腦”。
簡單來說，小腦用來控制實時行動；大腦則負責(zé)耗費算力、高時延的感知和決策。
這一回，稚暉君給自行車上的“小腦”是ESP32。
ESP32是一種低成本、低功耗的單片機控制器，集成Wi-Fi和雙模藍牙。
基于FreeRTOS（一個開源嵌入式實時操作系統(tǒng)），稚暉君搭建了小腦的RPC通信框架，用來實現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)處理，以及電機的控制算法。
“大腦”則是昇騰310。這是昇騰系列的邊緣計算芯片，基于達芬奇架構(gòu)，最高能夠提供22TOPs的算力。
大腦的算法開發(fā)，主要基于昇騰AI棧和ROS（機器人操作系統(tǒng)）實現(xiàn)。
于是，在深度相機、激光雷達等傳感器的幫助之下，這輛自行車能夠檢測出周圍的物體，實現(xiàn)避障和跟隨：
還能夠機智地識別地形，給自己規(guī)劃路徑：
自行車的“機器心臟”
當然啦，“成精”的自行車，不僅要有頭腦，還要有一顆強勁的“心臟”來驅(qū)動它工作。
而XUAN的“心臟”來自稚暉君的另一個項目，Ctrl-FOC矢量控制驅(qū)動器。
這是一個超迷你雙通道無刷電機驅(qū)動器，單路最大驅(qū)動電流能超過100A。
值得一提的是，稚暉君的這一FOC驅(qū)動器有兩個版本的設(shè)計方案，其中一個版本，電路設(shè)計為上下疊板設(shè)計，將邏輯單元和功率單元分開。也就是說，只需要替換掉驅(qū)動電路，就可以匹配更大功率的電機。
具體到XUAN這個項目，下圖中這么大點的驅(qū)動器，最終實現(xiàn)了兩路共100A的無刷電機FOC控制，還驅(qū)動了車頭60kg扭力舵機和散熱風(fēng)扇。
最后，注入靈魂
萬事俱備，但想要上路，至此還少了一點煉丹的靈魂——調(diào)參。
稚暉君表示，這輛自動駕駛自行車的控制代碼中，有超過50個重要參數(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，電機的功率、重心的分布等物理參數(shù)，也都會對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)自動駕駛研發(fā)那樣，先在仿真環(huán)境里讓自行車跑了個踏實。
總之，讓一輛自行車成熟起來，自己上路，夠不容易的。
就有網(wǎng)友表示：
人傻了，畢業(yè)設(shè)計題目是自行車自平衡系統(tǒng)設(shè)計，做到調(diào)參就不會了。
不過，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，用動量輪來控制平衡屬于某種意義上的作弊。對此，稚暉君回應(yīng)：現(xiàn)在的龍頭傳動結(jié)構(gòu)設(shè)計不太合理，之后會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“天才少年計劃”加入華為。
他的視頻向來以硬核著稱，比如從手畫PCB到寫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，“這事不能就這么過去了”，于是乎：
（心疼稚暉君幾秒）
當然，稚暉君本人也在視頻中表示，其實很早就有設(shè)計這種自行車的想法。
最初是因為看到清華大學(xué)的那項自行車研究，可以跟隨人類，敏捷避開障礙物。
其背后的類腦芯片“天機”，也于2019年8月登上Nature封面。
好奇的小伙伴肯定會問了，二者有何區(qū)別？
量子位替你們問完了哈~
首先，是原理不太一樣。
清華的自行車模仿的是人類行為，沒有使用動量控制，而稚暉君的“軒”則涉及到了動量控制。
此外，在龍頭方面，稚暉君表示在改進過后，也可以實現(xiàn)清華的控制方式（移動過程使用龍頭平衡，靜止狀態(tài)使用動量平衡）。
但最核心的一個區(qū)別就是，清華打造的自行車背后，核心是類腦芯片。
對此，稚暉君表示：
他們的工作很厲害，我這個無法類比，只是受他們啟發(fā)做了個類似的應(yīng)用。
為了體現(xiàn)跟清華工作的區(qū)別，稚暉君本人還在項目名字上下點了功夫。
XUAN里的“U”，代表的意思是unNATURAL，“正經(jīng)翻譯”就是——沒上過Nature……
這個項目一如既往地開源了，如果你也想復(fù)刻一下……
哦對了，是時候該揭曉XUAN的造價了——據(jù)大神本人不完全統(tǒng)計，超3萬元。
不過，稚暉君也表示：
最終硬件成本來算的話應(yīng)該不到一萬，就激光雷達貴一點，主要還是試錯成本。
項目連接：
https://github.com/peng-zhihui/XUAN-Bike/tree/main/Hardware/XUAN%E5%8A%A0%E5%B7%A5%E4%BB%B6
參考鏈接：
[1]https://zhuanlan.zhihu.com/p/147659820
[2]https://www.bilibili.com/video/BV11V41127pq
— 完 —
點這里??關(guān)注我，記得標星呀～
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