華為天才少年耗時四個月，將自行車強(qiáng)勢升級為自動駕駛

近日，一位來自 B 站的硬核 up 主稚暉君帶著一輛改裝之后的自動駕駛自行車震撼亮相，他還發(fā)布了一個名為《我把自行車做成了自動駕駛??！》的視頻，短短幾天內(nèi)，獲得 180w+ 的播放量，且曾達(dá)到全站排行榜第 1 名。

與此同時，這條視頻還吸引了 B 站 CEO 陳睿的強(qiáng)勢圍觀，并贊其「重新定義“自行車”」。

而要問是什么讓這位博主耗時四個月非要與一輛自行車“過不去”？

是因?yàn)闊o聊？對自行車的熱愛？還是因?yàn)閷夹g(shù)的執(zhí)著？

其實(shí)都不是！

自行車自行車，不會自行怎么配叫自行車？

這個項(xiàng)目得以誕生的很大一部分原因或要?dú)w功于天氣。

某一天，天空不作美，飄著雨，騎著車的稚暉君在轉(zhuǎn)彎的時候因?yàn)橐粋€“漂移”，一不小心摔了一跤。

在養(yǎng)傷的過程中，稚暉君自我調(diào)侃道，“作為一個掌握了技術(shù)密碼，并且永遠(yuǎn)頭鐵的野生鋼鐵俠，我表示這事就不能這么過去了?！?/span>

同時，受 2019 年清華大學(xué)依托精密儀器系的類腦計(jì)算研究中心施路平教授團(tuán)隊(duì)發(fā)布的類腦計(jì)算芯片“天機(jī)芯”讓無人自行車落地的啟發(fā)，在天空放晴之后，素有“科技教徒”、“野生鋼鐵俠”之稱的稚暉君決定要拯救一下這個糟糕的天氣，哦，不，是糟糕的自行車。

于是，他開始著手了自動駕駛之自行車的設(shè)計(jì)與落地之路，畢竟“如果自己不能跑，憑什么叫它自行車！”

自動駕駛自行車三步走

所謂自動駕駛自行車，首先要實(shí)現(xiàn)自動，眾所周知，兩個輪子的自行車在沒有外力的支撐下，幾乎不能站穩(wěn)，因此相較四輪的汽車，自動駕駛自行車首先需要解決車子“立”起來的問題，這就需要一套自動控制系統(tǒng)；其次，需要將駕駛?cè)说拇嬖谛韵@需要靠傳感器網(wǎng)絡(luò)、AI 芯片來實(shí)現(xiàn)；最后，要實(shí)現(xiàn)“駕駛”，即車子需要跑起來，其背后離不開軟件與算法的存在。

為了實(shí)現(xiàn)以上，稚暉君主要從三個維度出發(fā)，逐個擊破，開始改裝傳統(tǒng)的自行車。

第一步：硬件改造

• 設(shè)備

視頻中，稚暉君采用的是一款騎行愛好者頗為喜歡的自行車——死飛（Fixed Gear）自行車。這款車和普通的自行車有一定的區(qū)別，是一款單速車，其車輪和腳踏板一直是處于聯(lián)動狀態(tài)下，沒有剎車，如果想減速可以通過反向蹬車來實(shí)現(xiàn)。

• 建模

重構(gòu)，首先要先搞清楚自己想法的可行性與理想狀態(tài)，這就需要通過設(shè)計(jì)與模擬、驗(yàn)證來實(shí)現(xiàn)。

在此，稚暉君使用的是計(jì)算機(jī)輔助工具 CAD 實(shí)現(xiàn)建模工作，構(gòu)建了自行車的數(shù)字孿生，基于此，所有的改造工作都可以在計(jì)算機(jī)上完成。

• 設(shè)計(jì)圖紙

經(jīng)過多番斟酌之后，稚暉君將構(gòu)想落地到了圖紙上：

1. 車頭處安裝一個控制龍頭的舵機(jī)，顧名思義，它是用來控制龍頭的，包括轉(zhuǎn)向等；傳感器方面搭載一個 RGBD 深度相機(jī)，可以用于識別前方物體，進(jìn)行避障或跟隨；

2. 自行車車桿處安裝一個加速度計(jì)、陀螺儀，另外還有一個激光雷達(dá)，主要用于自動駕駛的路徑規(guī)劃；

3. 下方搭載一個 6S 航模動力鋰電池，續(xù)航可達(dá) 2-3 個小時；

4. 座椅處前后安裝了 2 個無刷電機(jī)，它們的主要作用是讓兩輪的自行車在靜止且無外力支撐狀態(tài)下可以屹立不倒，其中運(yùn)用到的原理是物理學(xué)、自然界普遍存在的基本定律之一——角動量守恒定律，即當(dāng)系統(tǒng)中的一個物體角動量發(fā)生變化時，其會將力矩傳遞給其他物體。因此，在自行車中間的這個無刷電機(jī)就是用于驅(qū)動一個金屬的動量輪，而后面的無刷電機(jī)是用于靠摩擦力驅(qū)動后輪，讓車子整體前后運(yùn)動；

5.主控計(jì)算模塊安置在了座椅的后方，其中包含了 AI 計(jì)算單元等。

基于以上，完整的設(shè)計(jì)圖紙如下所示：

• 零件加工

針對零件部分，部分可以用 3D 打印制作而成，不過，有的零件對硬度和剛性要求較強(qiáng)，因此只能利用金屬加工而成。在加工好所有的零件之后，組裝好即可。

第二步：智能化

接下來，進(jìn)入了第二個大環(huán)節(jié)——電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)與安裝，這其中包含了主控模塊，旨在讓車子跑起來。

作為 AI 算法工程師的稚暉君，將電路系統(tǒng)的機(jī)器大腦分為兩大板塊：

• 一個是用于控制身體的低算力、低時延、運(yùn)行實(shí)時系統(tǒng)的小腦，這一項(xiàng)目中，稚暉君使用的是 MCU ESP32；

• 另一個是用于感知、思考和決策的高算力、高時延、運(yùn)行非實(shí)時操作系統(tǒng)的大腦，這里稚暉君選擇的是華為面向邊緣場景的高能效高集成度 AI 處理器——昇騰310，其搭載的達(dá)芬奇 Core 可以提供最高 22TOPS 的AI 算力。

通過一個載板將上述的兩個計(jì)算單元整合到一起。在 PCB 打樣之后，基于通過手工焊接方式，將大腦和小腦通過總線相連。

第三步：軟件&算法

在軟件層面，稚暉君表示：

• 小腦的框架主要是基于 FreeRTOS 來實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)處理，以及電機(jī)的控制算法。其中簡單地劃分了三個任務(wù)，一是閉環(huán)控制線程、二是電機(jī)通信線程、三是屏幕刷新線程。

• 大腦的軟件框架相對而言，復(fù)雜得多，除了基于昇騰的整個 AI 棧之外，在系統(tǒng)中還使用了機(jī)器人界常用的框架 ROS，其本質(zhì)上是一個高性能的通信中間件，后續(xù)的消息分發(fā)、業(yè)務(wù)串流、SLAM 等實(shí)現(xiàn)都是基于 ROS 開發(fā)的。

基于此，小腦和大腦均已準(zhǔn)備就緒。除了以上，稚暉君選用了其此前自制的 FOC 控制驅(qū)動器（https://www.bilibili.com/video/BV11V41127pq）作為電路的心臟，實(shí)現(xiàn)了兩路共 100A 的無刷電機(jī) FOC 控制，同時還順便驅(qū)動了前面的 60 KG 舵機(jī)，以及一個散熱風(fēng)扇。

在視頻中，稚暉君透露，這個車子的控制代碼中，包含了控制周期、反饋矩陣、PID 增益、濾波器截止頻率、電機(jī)功率、飛輪質(zhì)量、重心分布設(shè)置等 50 個重要參數(shù)，而這些參數(shù)都必須在合理的設(shè)置下，才能使得系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。

因此，在運(yùn)行調(diào)試之前，稚暉君借助 Unity 引擎工具實(shí)現(xiàn)了一個虛擬的物理環(huán)境，在賦給自行車正式的質(zhì)量、重力后，將控制算法的計(jì)算結(jié)果可視化顯示出來。

其次，通過 Sim2Real，將仿真結(jié)果遷移到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中。當(dāng)然在被諸多不定性因素包裹的現(xiàn)實(shí)世界中，其調(diào)試過程也并非想象中那么容易，正如稚暉君在視頻中細(xì)數(shù)的點(diǎn)滴，如：

在姿態(tài)控制中使用的是 LQR 控制器，方向控制使用了經(jīng)典的 PID，傳感器則是對加速度計(jì)和陀螺儀數(shù)據(jù)使用了二階的巴特沃斯濾波器之后，再通過卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終得到車身的姿態(tài)......

自動駕駛自行車——XUAN（軒）

幾經(jīng)“折騰”后，這個自行車不僅實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)的自動駕駛功能，而且能夠自主探索環(huán)境。未來這個項(xiàng)目還有很大的提升空間，但當(dāng)前的成果足以讓人驚嘆。

當(dāng)稚暉君將這款項(xiàng)目命名為——XUAN（extremely Unnatural Auto-Navigation）的同時，其宣布將項(xiàng)目的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)全部開源。

稚暉君本君！

值此之際，我們也不僅好奇稚暉君究竟是何方神圣？

打開其個人網(wǎng)站，我們發(fā)現(xiàn)稚暉君雖然僅畢業(yè)三年，但是其在編程開發(fā)、硬件設(shè)計(jì)等層面早已身經(jīng)百戰(zhàn)。據(jù)悉，在學(xué)生時期，稚暉君從大二開始就參加了各種電子設(shè)計(jì)競賽，并獲得大量獎項(xiàng)。大三時，開始成立團(tuán)隊(duì)和工作室，專注于嵌入式軟硬件和機(jī)器人項(xiàng)目的開發(fā)。研究生階段，組建創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)與公司，聚焦尖端機(jī)器人相關(guān)技術(shù)的研發(fā)，也獲得過一些投資。

在 2018 年從電子科技大學(xué)畢業(yè)后，稚暉君加入 OPPO 研究院 AI 實(shí)驗(yàn)室，負(fù)責(zé)算法相關(guān)工作，后成為華為天才少年項(xiàng)目中的一員，目前擔(dān)任華為 AI 算法工程師。

與此同時，他從 2017 年便開始在 B 站上開啟了【自制】之路，除了此次自制自動駕駛自行車之外，還自制過便攜顯示器、FOC 矢量控制驅(qū)動器、火星車、門禁卡等等，其背后所運(yùn)用的知識廣度與寬度不容小覷，而稚暉君的技術(shù)能力也更令人佩服。

相關(guān)資料：

• 視頻地址：

  https://www.bilibili.com/video/BV1fV411x72a

• GitHub 項(xiàng)目開源地址：

  https://github.com/peng-zhihui/XUAN-Bike

• 個人網(wǎng)站：

  http://www.pengzhihui.xyz/

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