华为天才少年造出自动驾驶单车！图纸已开源，硬件成本一万！
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2021-06-16 10:44
鱼羊 金磊 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI
果然高手在民间。
谁能料到，一辆自行车的硬核打开方式，竟是大火的自动驾驶。
踢开脚撑，金鸡独立、稳如泰山：
单侧加个板砖？小场面：
毕竟，它是连高难度“杂技姿势”都能hold住的自行车：
没事走两步？
可以有，还是会自己拐弯的那种：
避障、上路，毫无压力：
甚至还配备了特斯拉都没有的激光雷达。
这就是B站“野生钢铁侠”稚晖君耗时4个月时间（基本只是周末），打造出的全新项目XUAN （轩）。
短短几天，播放量超过150W，硬核、复杂程度之高，直接看呆一众网友。
来感受一下这个画风。
连B站老板陈睿都被吸引而来：
甚至业内人士也直呼：
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……
稚晖君到底是如何打造的这么一台“赛博朋克”自行车？
接下来，让我们一起一探究竟（经授权）。
（你可能还很关心它的价格，别着急，我们文末揭晓答案~）
把自行车做成自动驾驶，共分几步？
稚晖君选择的自行车，是大家非常熟知的死飞 （Fixed Gear）。
（没错，就是漂移玩家的最爱）
这种自行车的一大特点，便是结构简单、没有刹车。
于是，稚晖君先对死飞进行了一个CAD建模的工作。
建模工作完成之后，便得到了一辆虚拟自行车。
此后的所有改造工作，便可以在计算机上完成。
整体来看，XUAN的诞生一共分为三大步：
硬件改造：因为自行车是一个欠驱动系统，所以先要做的就是让它站稳，然后跑起来。这一步将涉及一套复杂的自动控制系统。
智能化：毕竟自动驾驶嘛，“工具人”就得被抹去。因此，这一步便是搭载一整套传感器组成的感知网络，以及一个算力足够强大的计算芯片作大脑。
软件和算法：最后一步，便是在上述的硬件基础上，开发、实现一套感知和控制算法。稚晖君称之为“注入灵魂”。
Step by Step，先来看下第一个大问题。
自行车怎么自己保持平衡？
在骑自行车的时候，前后方向的平衡，靠得是2个轮子的支撑和地面摩擦力。
而左右方向上，运动过程中靠的是龙头的左右调节，获取转向的加速度，以此抵消重力的影响。像这样：
那么在静止状态下呢？
稚晖君给出的思路便是——角动量守恒。
简单来说，当车子在重力作用下发生倾倒，就用动量轮来产生一个相反力矩，抵消掉重力力矩。
具体而言，稚晖君在这辆死飞座位下方安装了一个无刷电机，目的是驱动一个金属的动量轮。
而在座位后方，他也安装了一个无刷电机，这个目的则是靠摩擦力来驱动后轮，让自行车整体前后运动。
稚晖君本是想用3D打印来完成这两个零件的加工，但碍于材料硬度和刚性不足，所以金属材料成为了此次的首选。
（所幸，稚晖君朋友家里“有厂”，问题迎刃而解）
而后，便是快乐的组装环节：
OK，自行车的平衡问题，就此解决。
自行车的“机器大脑”
硬件框架有了，想让自行车能跑起来，甚至能认路，下一步就是上“脑子”。
跟人类相似，机器人也分“大脑”和“小脑”。
简单来说，小脑用来控制实时行动；大脑则负责耗费算力、高时延的感知和决策。
这一回，稚晖君给自行车上的“小脑”是ESP32。
ESP32是一种低成本、低功耗的单片机控制器，集成Wi-Fi和双模蓝牙。
基于FreeRTOS（一个开源嵌入式实时操作系统），稚晖君搭建了小脑的RPC通信框架，用来实现传感器的数据处理，以及电机的控制算法。
“大脑”则是昇腾310。这是昇腾系列的边缘计算芯片，基于达芬奇架构，最高能够提供22TOPs的算力。
大脑的算法开发，主要基于昇腾AI栈和ROS（机器人操作系统）实现。
于是，在深度相机、激光雷达等传感器的帮助之下，这辆自行车能够检测出周围的物体，实现避障和跟随：
还能够机智地识别地形，给自己规划路径：
自行车的“机器心脏”
当然啦，“成精”的自行车，不仅要有头脑，还要有一颗强劲的“心脏”来驱动它工作。
而XUAN的“心脏”来自稚晖君的另一个项目，Ctrl-FOC矢量控制驱动器。
这是一个超迷你双通道无刷电机驱动器，单路最大驱动电流能超过100A。
值得一提的是，稚晖君的这一FOC驱动器有两个版本的设计方案，其中一个版本，电路设计为上下叠板设计，将逻辑单元和功率单元分开。也就是说，只需要替换掉驱动电路，就可以匹配更大功率的电机。
具体到XUAN这个项目，下图中这么大点的驱动器，最终实现了两路共100A的无刷电机FOC控制，还驱动了车头60kg扭力舵机和散热风扇。
最后，注入灵魂
万事俱备，但想要上路，至此还少了一点炼丹的灵魂——调参。
稚晖君表示，这辆自动驾驶自行车的控制代码中，有超过50个重要参数，包括控制周期、反馈矩阵、PID增益、滤波器截止频率等等。
此外，电机的功率、重心的分布等物理参数，也都会对最终的效果造成影响。
稍有不慎，那自行车就不是稳如老狗那画风了……
在数学建模之后，稚晖君还采用了游戏引擎Unity作为仿真环境，像正经自动驾驶研发那样，先在仿真环境里让自行车跑了个踏实。
总之，让一辆自行车成熟起来，自己上路，够不容易的。
就有网友表示：
人傻了，毕业设计题目是自行车自平衡系统设计，做到调参就不会了。
不过，受限于整车功率，目前这辆自行车还不能载人。
另外，也有网友提出，用动量轮来控制平衡属于某种意义上的作弊。对此，稚晖君回应：现在的龙头传动结构设计不太合理，之后会尝试只用龙头控制平衡。
为什么要造XUAN？
有关“栈溢出工程师”、“野生钢铁侠”稚晖君，想来关注B站科技区的小伙伴们已经很熟悉了。
稚晖君本名彭志辉，2018年毕业于电子科技大学，2020年通过“天才少年计划”加入华为。
他的视频向来以硬核著称，比如从手画PCB到写C++代码全部一人搞定的套娃小电视。
辣么这次，稚晖君又是怎么萌发了打造一辆自动驾驶自行车的念头的呢？
理由有些“暴力”……
骑车不小心摔了，脸刹着地……
稚晖君表示，“这事不能就这么过去了”，于是乎：
（心疼稚晖君几秒）
当然，稚晖君本人也在视频中表示，其实很早就有设计这种自行车的想法。
最初是因为看到清华大学的那项自行车研究，可以跟随人类，敏捷避开障碍物。
其背后的类脑芯片“天机”，也于2019年8月登上Nature封面。
好奇的小伙伴肯定会问了，二者有何区别？
量子位替你们问完了哈~
首先，是原理不太一样。
清华的自行车模仿的是人类行为，没有使用动量控制，而稚晖君的“轩”则涉及到了动量控制。
此外，在龙头方面，稚晖君表示在改进过后，也可以实现清华的控制方式（移动过程使用龙头平衡，静止状态使用动量平衡）。
但最核心的一个区别就是，清华打造的自行车背后，核心是类脑芯片。
对此，稚晖君表示：
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。
为了体现跟清华工作的区别，稚晖君本人还在项目名字上下点了功夫。
XUAN里的“U”，代表的意思是unNATURAL，“正经翻译”就是——没上过Nature……
这个项目一如既往地开源了，如果你也想复刻一下……
哦对了，是时候该揭晓XUAN的造价了——据大神本人不完全统计，超3万元。
不过，稚晖君也表示：
最终硬件成本来算的话应该不到一万，就激光雷达贵一点，主要还是试错成本。
视频连接：
https://www.bilibili.com/video/BV1fV411x72a
项目连接：
https://github.com/peng-zhihui/XUAN-Bike/tree/main/Hardware/XUAN%E5%8A%A0%E5%B7%A5%E4%BB%B6
参考链接：
[1]https://zhuanlan.zhihu.com/p/147659820
[2]https://www.bilibili.com/video/BV11V41127pq
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