華為天才少年造出自動駕駛單車！圖紙已開源，硬體成本一萬

魚羊 金磊 發自 凹非寺量子位 報道 | 公眾號 QbitAI

果然高手在民間。

誰能料到，一輛自行車的硬核開啟方式，竟是大火的自動駕駛。

踢開腳撐，金雞獨立、穩如泰山：

單側加個板磚？小場面：

畢竟，它是連高難度「雜技姿勢」都能hold住的自行車：

沒事走兩步？

可以有，還是會自己拐彎的那種：

避障、上路，毫無壓力：

甚至還配備了特斯拉都沒有的鐳射雷達。

這就是B站「野生鋼鐵俠」稚暉君耗時4個月時間（基本只是週末），打造出的全新項目XUAN（軒）。

短短几天，播放量超過150W，硬核、複雜程度之高，直接看呆一眾網友。

來感受一下這個畫風。

連B站老闆陳睿都被吸引而來：

甚至業內人士也直呼：

任何一個部分拿出來都是一篇本科畢業論文。還有實物，碩士畢業綽綽有餘……

稚暉君到底是如何打造的這麼一臺「賽博朋克」自行車？

接下來，讓我們一起一探究竟（經授權）。

（你可能還很關心它的價格，彆著急，我們文末揭曉答案~）

把自行車做成自動駕駛，共分幾步？

稚暉君選擇的自行車，是大家非常熟知的死飛（Fixed Gear）。

（沒錯，就是漂移玩家的最愛）

這種自行車的一大特點，便是結構簡單、沒有剎車。

於是，稚暉君先對死飛進行了一個CAD建模的工作。

建模工作完成之後，便得到了一輛虛擬自行車。

此後的所有改造工作，便可以在計算機上完成。

整體來看，XUAN的誕生一共分為三大步：

硬體改造：因為自行車是一個欠驅動系統，所以先要做的就是讓它站穩，然後跑起來。這一步將涉及一套複雜的自動控制系統。智慧化：畢竟自動駕駛嘛，「工具人」就得被抹去。因此，這一步便是搭載一整套感測器組成的感知網路，以及一個算力足夠強大的計算晶片作大腦。軟體和演算法：最後一步，便是在上述的硬體基礎上，開發、實現一套感知和控制演算法。稚暉君稱之為「注入靈魂」。

Step by Step，先來看下第一個大問題。

自行車怎麼自己保持平衡？

在騎自行車的時候，前後方向的平衡，靠得是2個輪子的支撐和地面摩擦力。

而左右方向上，運動過程中靠的是龍頭的左右調節，獲取轉向的加速度，以此抵消重力的影響。像這樣：

那麼在靜止狀態下呢？

稚暉君給出的思路便是——角動量守恆。

簡單來說，當車子在重力作用下發生傾倒，就用動量輪來產生一個相反力矩，抵消掉重力力矩。

具體而言，稚暉君在這輛死飛座位下方安裝了一個無刷電機，目的是驅動一個金屬的動量輪。

而在座位後方，他也安裝了一個無刷電機，這個目的則是靠摩擦力來驅動後輪，讓自行車整體前後運動。

稚暉君本是想用3D列印來完成這兩個零件的加工，但礙於材料硬度和剛性不足，所以金屬材料成為了此次的首選。

（所幸，稚暉君朋友家裡「有廠」，問題迎刃而解）

而後，便是快樂的組裝環節：

OK，自行車的平衡問題，就此解決。

自行車的「機器大腦」

硬體框架有了，想讓自行車能跑起來，甚至能認路，下一步就是上「腦子」。

跟人類相似，機器人也分「大腦」和「小腦」。

簡單來說，小腦用來控制實時行動；大腦則負責耗費算力、高時延的感知和決策。

這一回，稚暉君給自行車上的「小腦」是ESP32。

ESP32是一種低成本、低功耗的微控制器控制器，整合Wi-Fi和雙模藍芽。

基於FreeRTOS（一個開源嵌入式實時作業系統），稚暉君搭建了小腦的RPC通訊框架，用來實現感測器的資料處理，以及電機的控制演算法。

「大腦」則是昇騰310。這是昇騰系列的邊緣計算晶片，基於達芬奇架構，最高能夠提供22TOPs的算力。

大腦的演算法開發，主要基於昇騰AI棧和ROS（機器人作業系統）實現。

於是，在深度相機、鐳射雷達等感測器的幫助之下，這輛自行車能夠檢測出周圍的物體，實現避障和跟隨：

還能夠機智地識別地形，給自己規劃路徑：

自行車的「機器心臟」

當然啦，「成精」的自行車，不僅要有頭腦，還要有一顆強勁的「心臟」來驅動它工作。

而XUAN的「心臟」來自稚暉君的另一個項目，Ctrl-FOC向量控制驅動器。

這是一個超迷你雙通道無刷電機驅動器，單路最大驅動電流能超過100A。

值得一提的是，稚暉君的這一FOC驅動器有兩個版本的設計方案，其中一個版本，電路設計為上下疊板設計，將邏輯單元和功率單元分開。也就是說，只需要替換掉驅動電路，就可以匹配更大功率的電機。

具體到XUAN這個項目，下圖中這麼大點的驅動器，最終實現了兩路共100A的無刷電機FOC控制，還驅動了車頭60kg扭力舵機和散熱風扇。

最後，注入靈魂

萬事俱備，但想要上路，至此還少了一點煉丹的靈魂——調參。

稚暉君表示，這輛自動駕駛自行車的控制程式碼中，有超過50個重要參數，包括控制週期、反饋矩陣、PID增益、濾波器截止頻率等等。

此外，電機的功率、重心的分佈等物理參數，也都會對最終的效果造成影響。

稍有不慎，那自行車就不是穩如老狗那畫風了……

在數學建模之後，稚暉君還採用了遊戲引擎Unity作為模擬環境，像正經自動駕駛研發那樣，先在模擬環境裡讓自行車跑了個踏實。

總之，讓一輛自行車成熟起來，自己上路，夠不容易的。

就有網友表示：

人傻了，畢業設計題目是自行車自平衡系統設計，做到調參就不會了。

不過，受限於整車功率，目前這輛自行車還不能載人。

另外，也有網友提出，用動量輪來控制平衡屬於某種意義上的作弊。對此，稚暉君迴應：現在的龍頭傳動結構設計不太合理，之後會嘗試只用龍頭控制平衡。

為什麼要造XUAN？

有關「棧溢位工程師」、「野生鋼鐵俠」稚暉君，想來關注B站科技區的小夥伴們已經很熟悉了。

稚暉君本名彭志輝，2018年畢業於電子科技大學，2020年通過「天才少年計劃」加入華為。

他的視訊向來以硬核著稱，比如從手畫PCB到寫C++程式碼全部一人搞定的套娃小電視。

辣麼這次，稚暉君又是怎麼萌發了打造一輛自動駕駛自行車的念頭的呢？

理由有些「暴力」……

騎車不小心摔了，臉剎著地……

稚暉君表示，「這事不能就這麼過去了」，於是乎：

（心疼稚暉君幾秒）

當然，稚暉君本人也在視訊中表示，其實很早就有設計這種自行車的想法。

最初是因為看到清華大學的那項自行車研究，可以跟隨人類，敏捷避開障礙物。

其背後的類腦晶片「天機」，也於2019年8月登上Nature封面。

好奇的小夥伴肯定會問了，二者有何區別？

量子位替你們問完了哈~

首先，是原理不太一樣。

清華的自行車模仿的是人類行為，沒有使用動量控制，而稚暉君的「軒」則涉及到了動量控制。

此外，在龍頭方面，稚暉君表示在改進過後，也可以實現清華的控制方式（移動過程使用龍頭平衡，靜止狀態使用動量平衡）。

但最核心的一個區別就是，清華打造的自行車背後，核心是類腦晶片。

對此，稚暉君表示：

他們的工作很厲害，我這個無法類比，只是受他們啟發做了個類似的應用。

為了體現跟清華工作的區別，稚暉君本人還在項目名字上下點了功夫。

XUAN裡的「U」，代表的意思是unNATURAL，「正經翻譯」就是——沒上過Nature……

這個項目一如既往地開源了，如果你也想復刻一下……

哦對了，是時候該揭曉XUAN的造價了——據大神本人不完全統計，超3萬元。

不過，稚暉君也表示：

最終硬體成本來算的話應該不到一萬，就鐳射雷達貴一點，主要還是試錯成本。

以及，劃重點，不售賣哈~

視訊連線：https://www.bilibili.com/video/BV1fV411x72a

項目連線：https://github.com/peng-zhihui/XUAN-Bike/tree/main/Hardware/XUAN%E5%8A%A0%E5%B7%A5%E4%BB%B6

參考連結：[1]https://zhuanlan.zhihu.com/p/147659820[2]https://www.bilibili.com/video/BV11V41127pq