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，B 站老板：重新定义「自行」车...

Posted 2021-06-29 公众号码个蛋

文章转载自量子位，上图为b站up主华为天才少年稚晖君

   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。

以及，划重点，不售卖哈～

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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