自行車什么時候能實(shí)現(xiàn)「自己行走」呢？

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自行車屬于欠驅(qū)動系統(tǒng)，如果不進(jìn)行控制就無法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定站立

最近，B站野生技術(shù)協(xié)會野生鋼鐵俠、「華為天才少年計(jì)劃」入選者、AI算法工程師稚暉君發(fā)布了一個「自動駕駛」自行車項(xiàng)目，自行車化身「自動行走」的車！

視頻講解詳細(xì)，網(wǎng)友直呼：666666

那么，稚暉君是如何打造自動駕駛「自行車」的呢？

第一步當(dāng)然是最基本的讓車子跑起來，這就需要硬件改造，加入自動控制系統(tǒng)。

第二步要去掉駕駛員工具人，這就需要給車子搭載一整套傳感器組成的網(wǎng)絡(luò)，還需要一個算力足夠的芯片，而這個芯片也是整個自行車的「大腦」。

最后，在前面的硬件基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)感知和控制算法，也就是給這臺車「注入靈魂」。

改造「死飛」

介紹完步驟，我們具體來看：

改造的對象是一輛「死飛」（Fixed Gear），結(jié)構(gòu)簡單，沒有剎車，靠反向蹬車減速。

像鋼鐵俠造機(jī)器人那樣，這臺自動駕駛的自行車也需要用計(jì)算機(jī)輔助工具CAD來建模，得到一輛虛擬自行車，或者叫做自行車的數(shù)字孿生。

先給車子安裝兩個巨大的無刷電機(jī)。

以及一個控制龍頭的舵機(jī)。

傳感器方面搭載了一個RGBD的深度相機(jī)，加速度計(jì)和陀螺儀，以及一個激光雷達(dá)。

而電池使用的是6S的航模動力鋰電池，續(xù)航大約有2-3小時。

主控計(jì)算模塊被安置在了座椅的后方。

驅(qū)動結(jié)構(gòu)方面，控制龍頭的旋轉(zhuǎn)舵機(jī)，前后方向的平衡靠兩個輪子的支撐和地面摩擦力。

那么左右平衡呢？當(dāng)在騎行狀態(tài)下，可以靠著左右調(diào)節(jié)龍頭來獲得轉(zhuǎn)向加速度以此來抵消重力的影響。

那么靜止?fàn)顟B(tài)下呢？

這就要靠角動量守恒，學(xué)過大學(xué)物理的同學(xué)都知道角動量守恒定律是自然界中最普遍的守恒定律之一。

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當(dāng)系統(tǒng)一個動力角動量發(fā)生變化的時候，就會將力矩傳遞給其他物體。所以這輛自行車中間的無刷電機(jī)，其實(shí)就是驅(qū)動一個金屬的動量輪。

實(shí)際上這也是在太空中衛(wèi)星在沒有摩擦力的情況下調(diào)整自身姿態(tài)的一樣的原理。

而后面的無刷電機(jī)就是靠摩擦力驅(qū)動后輪，讓車子整體前后運(yùn)動。

關(guān)于零件，其中一部分零件可以用3D打印來制作，不過由于這次所需零件比較硬核，3D打印塑料的硬度和剛性都不太適合作為核心的結(jié)構(gòu)件，因此用于固定電機(jī)的零件，稚暉君還是選擇用金屬來加工。

此處就要感嘆一下，有一個家里有廠，可以直接開模做零件的朋友也很重要！

安裝機(jī)器大腦

在所有的零件安裝完成后，就需要安裝電力系統(tǒng)了 ，也就是主控模塊和AI計(jì)算單元。

和人類一樣，將計(jì)算單元分為小腦和大腦，小腦包括低算力、低時延、運(yùn)行實(shí)時系統(tǒng)，大腦包括高算力、高時延、運(yùn)行非實(shí)時操作系統(tǒng)，用于感知、思考和決策。

而在這個項(xiàng)目中，小腦用的是HoloCubic里面的MCU，ESP32，大腦則應(yīng)用了昇騰邊緣計(jì)算機(jī)芯片昇騰310 AI處理器，搭載的達(dá)芬奇core可以提供高達(dá)22TOPS的算力。

然后，稚暉君設(shè)計(jì)一個載板，將這兩個計(jì)算單元整合到一起，板子的結(jié)構(gòu)為四層設(shè)計(jì)。

PCB打樣之后再手工焊接一下，這也是傳統(tǒng)藝能環(huán)節(jié)。

之后通過總線把大腦和小腦相連，在軟件上實(shí)現(xiàn)一套RPC框架，讓它們可以方便地通信。

其中小腦的框架基于FreeRtos，主要是實(shí)現(xiàn)傳感器的數(shù)據(jù)處理，以及電機(jī)的控制算法。

簡單分為三個任務(wù)：閉環(huán)控制線程、電機(jī)通信線程、以及屏幕刷新線程。

大腦的軟件框架要復(fù)雜很多。

除了基于昇騰的整個AI棧之外，還在系統(tǒng)中使用了一個做機(jī)器人常用的框架—— ROS，本質(zhì)上是一個高性能的通信中間件。

到這里，電路方面已經(jīng)有了腦子，還缺一個很重要的模塊，那就是心臟，也就是此前稚暉君設(shè)計(jì)的Ctrl-FOC驅(qū)動器。

‍作為Ctrl的二代作品，它的表現(xiàn)還是非常的猛的，在很小的體積之下， 實(shí)現(xiàn)了兩路共100安 的無刷電機(jī)FOC控制，同時還順便 驅(qū)動了前面60Kg的舵機(jī)，以及一個散熱風(fēng)扇。

到這里自動駕駛自行車就整合完成了。

稚暉君簡單做了一個總結(jié)：

機(jī)器人是一個復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的時候，科學(xué)的方法是將機(jī)器人進(jìn)行理論上的分析，也就是運(yùn)用運(yùn)動學(xué)和動力學(xué)的建模，通過數(shù)學(xué)模型知道哪些事情是相對 容易的哪些是復(fù)雜的。

例如，這輛車子的控制代碼中，有超過50個重要參數(shù)：控制周期、反饋矩陣、PID增益、濾波器截止頻率等。

這些魔法數(shù)字要全部得到合理的設(shè)置，才能使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定且快速收斂的狀態(tài)。

而一些物理參數(shù)的設(shè)置，如電機(jī)功率應(yīng)該選多大的？飛輪質(zhì)量應(yīng)該選多少？

重心的分布應(yīng)該怎樣設(shè)置才比較合理？也都需要準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行指導(dǎo)才行。

在得到模型之后， 為了進(jìn)一步驗(yàn)證理論的準(zhǔn)確性，一般要在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行仿真，這里稚暉君使用的是游戲引擎Unity——先在游戲引擎中構(gòu)建一個虛擬的物理環(huán)境，賦給小車真實(shí)的的質(zhì)量和重力，接著將控制算法的計(jì)算結(jié)果可視化呈現(xiàn)出來。

這一步驗(yàn)證完成之后 ，還有一個sim2real的過程，也就是把仿真結(jié)果遷移到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中。

其實(shí)這是一個很復(fù)雜的過程，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中有更多的不確定性因素，很多情況下機(jī)器人往往在仿真中重拳出擊，而在現(xiàn)實(shí)中「唯唯諾諾」秒變智障，這里視頻中舉了一個DARPA參賽作品的例子。

‍同理，這臺車在調(diào)試的過程中也是非常艱辛的。

在這套系統(tǒng)中在姿態(tài)控制中，稚暉君使用的LQR控制器，方向控制使用了經(jīng)典的PID算法，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器進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終得到車身姿態(tài)。

經(jīng)過漫長的參數(shù)整定，終于得到了一臺成熟的「自動駕駛」自行車。

‍那么，自動駕駛效果到底如何呢？

靜態(tài)站立非常穩(wěn)！

戳它也一副「我自巋然不動」的樣子

突然在一側(cè)增加重物仍然能保持平衡

‍甚至可以來點(diǎn)雜技動作

前進(jìn)、倒退也是一如既往的穩(wěn)

‍實(shí)現(xiàn)自動駕駛功能

至此，能動的基本目標(biāo)已經(jīng)達(dá)成。

接下來就是引入AI，實(shí)現(xiàn)「一定程度」的自動駕駛。

由于這個車子搭載了深度相機(jī)，在電腦上就可以看到車子WIFI實(shí)時的RGB圖傳畫面，再結(jié)合一些AI算法即可實(shí)現(xiàn)一些有趣的功能，比如說自動避障、運(yùn)動識別跟隨。

‍另外，還有自動駕駛少不了的路徑規(guī)劃，此時車子搭載的激光雷達(dá)就排上了用場。

激光雷達(dá)通過測量激光發(fā)射到反射所需時間，再乘以光速就可以獲得目標(biāo)的距離位置。

由此360°成像的結(jié)果可獲取攝像頭更加可靠的深度信息，將這些數(shù)據(jù)用于SLAM圖與路徑規(guī)劃，最后就可以實(shí)現(xiàn)讓自行車自主探索了。

稚暉君表示這只是「非?；A(chǔ)」的自動駕駛設(shè)計(jì)，還有很多地方需要改進(jìn)。

比如龍頭的傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不太合理，如果換成諧波減速伺服電機(jī)直驅(qū)，那么行駛的穩(wěn)定性將大幅度提升。

另外受限于整車功率，這套系統(tǒng)目前還無法載人，就只能真·無人駕駛了，但是如果換成電動車可能就不一樣了。

稚暉君給這輛自動駕駛自行車取名XUAN（eXtremely Unnatural Auto-Navigation）,同時也是「軒」的意思，因?yàn)椤杠帯乖诠糯擒囎拥囊馑肌?/p>

目前該項(xiàng)目已經(jīng)在GitHub上開源，感興趣的朋友可以前往下載。

https://github.com/peng-zhihui?tab=repositories

并非第一輛「成精」的自行車

以后如果你在晚上看到一輛自行車「鬼鬼祟祟」，不要驚慌，那只不過是一輛「成精」的自行車。

而這其實(shí)并不是第一輛成精的自行車。

2019年8月1日，《自然》封面文章介紹了清華大學(xué)在通用人工智能上的新嘗試：一款名為「天機(jī)」的全新芯片架構(gòu)，結(jié)合類腦計(jì)算和人工智能算法，展示了一輛由新型人工智能芯片驅(qū)動的自動駕駛自行車。

試驗(yàn)中，無人自行車不僅可以識別語音指令、自動控制平衡，還能對前方行人進(jìn)行探測和跟蹤，并自動避開障礙。

沒錯，不僅能自動避障，還在追趕目標(biāo)，這速度也是相當(dāng)快了。