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:
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:
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:
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”……
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:
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:
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