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“华为天才少年” 重新定义 “自行” 车,四个月便让单车自己跑起来

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  自行车这回终于能 “自行” 了。

  在一次雨天骑车滑倒受伤后,B 站 “野生钢铁侠” 稚晖君表示:“这事不能就这么过去了!”

  没过多久,他在 B 站上推出了引来众人围观的自动驾驶单车 —— XUAN (轩)。

  该视频在几天内播放量便破百万,其中一位自称是北理工车辆工程专业的网友评论道:“任何一个部分拿出来都是一篇本科毕业论文。还有实物,硕士毕业绰绰有余……” 甚至 B 站老板陈睿也被招来了。

  

  (来源:bilibili)

  稚晖君在视频中表示:“2021 年可谓是自动驾驶爆发元年,各大厂商纷纷宣布入局下注。自动驾驶也是我十分感兴趣的一个方向,同时很巧的是我本职工作又是做 AI 的,所以一个很有意思的想法就出来了。”

  他介绍了 XUAN 的设计思路:与四个轮子的汽车不同,自行车是一个欠驱动系统,若没有外力控制,连平稳站立都不可能,更别说跑起来了。因此打造自动驾驶单车的第一步便是要设计一套自动控制系统。

  其次,为了去除 “工具人” 驾驶员,还需要给自行车搭载一套由传感器组成的感知网络,能够让它 “眼观六路,耳听八方” 的传感器感知网络,以及一个充当大脑的计算芯片,其算力要求足够强大。

  最后一步,是给单车 “注入灵魂”,实现一套巧妙的感知和控制算法。

  
图 | 自动驾驶自行车的改造思路(来源:稚晖君)

  稚晖君改造的对象是深受漂移爱好者喜欢的 “死飞”,该自行车的特点是结构简单、没有刹车,通过反向蹬车来减速。

  他首先利用计算机辅助工具 CAD 对 “死飞” 进行了建模,由此得到一个虚拟 “死飞”,之后作便可以在计算机上对车体模型进行一系列的设计和操作。

  
图 | 死飞的 CAD 建模(来源:稚晖君)

  驱动结构方面,他为 “死飞” 安装了两个巨大的无刷电机和一个控制龙头的舵机。传感器方面搭载了一个 RGBD 深度相机、加速度计和陀螺仪,以及一个激光雷达。

  电池是 6S 的航模动力锂电池,能提供约 2-3 个小时的续航。主控计算模块被安置在了座椅的后方。

  

  图 | 无刷电动机(来源:稚晖君)

  他设计的无刷电机,实际上是一个用于驱动的金属动量轮,其原理来自角动量守恒定律,作为物理学最普遍的一条定律,该原理同样应用到了航天设计中,太空中的卫星在没有摩擦的情况下由此能够调整自身姿态。

  硬件改造完成后,就该给自行车 “造脑” 了。和人类相似,机器人也分 “大脑” 和 “小脑”,“小脑” 负责控制实时行动;大脑则会是耗费算力、进行高时延的感知和决策。

  稚晖君运用低成本、低功耗的单片机控制器 ESP32 来作为自行车的 “小脑”,ESP32 集成 Wi-Fi 和双模蓝牙。在开源嵌入式实时操作系统 FreeRTOS 的基础上,为了实现传感器的数据处理,他搭建了一个 RPC 通信框架,同时也能实现电机算法控制。

  XUAN 的 “大脑” 是华为昇腾系列的边缘计算芯片昇腾 310。它基于达芬奇架构,能够提供最高 22TOPs 的算力。算法开发则依靠华为昇腾 AI 栈和机器人操作系统(ROS)。在激光雷达、深度相机等传感器的加持下,XUAN 能实时检测出周围物体,完成跟随、避障等任务,此外还能在识别地形后为自己规划路径。

  机器脑完成后,便是 “造心” 工程。XUAN 的 “心脏” 来自稚晖君的另一个项目,Ctrl-FOC 矢量控制驱动器,这是个 “超迷你双通道无刷电机驱动器”,其最大驱动电流可超过 100 安。

  最后,便是为自行车 “注入灵魂”—— 调参。稚晖君介绍,这辆自动驾驶自行车的控制代码中,有超过 50 个重要参数,其中包括反馈矩阵、滤波器截止频率、PID 增益等。自行车的重心分布和电机功率也会影响最终效果。

  因此,稚晖君采用了游戏引擎 Unity 进行模拟。他在游戏引擎中构建了一个虚拟的物理环境,游戏中的模拟自行车有着真实的质量,他将自行车的 “自行” 的过程算法在虚拟环境中可视化了出来,模拟过程没有问题后他才将仿真过程搬到现实。

  

  图 | XUAN(来源:稚晖君)

  此外,稚晖君在视频中提到了清华大学的自行车研究项目。 2019 年 8 月,清华大学类脑计算研究中心施路平团队研发的第二代 “天机芯”(Tianjic)登上了 Nature 封面。

  

  图 | Nature 2019 年 8 月封面,封面标题为《双重控制》(Dual Control)。(来源:Nature)

  清华大学研究团队在一辆无人驾驶自行车上试验了这款芯片的能力。搭载 “天机芯” 的自行车,除了能够进行基础的实时目标探测、追踪、过障和避障之外,还能够自主进行决策,其控制包括语音理解控制和自适应姿态控制。

  

  图 | 清华大学的自动驾驶自行车(来源:Nature)

  稚晖君介绍,同样是自动化自行车,XUAN 与之存在原理上的区别:“清华团队的核心是类脑芯片,其自行车模仿的是人类行为,没有使用动量控制,而 XUAN 则涉及到了动量控制。”

  

  (来源:Bilibili)

  稚晖君对此说道: “他们的工作很厉害,我这个无法类比,只是受他们启发做了个类似的应用。 ”

  -End-

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