單挑稚暉君，設(shè)計(jì)自動(dòng)駕駛兩輪車，結(jié)果發(fā)生意外…這個(gè)up主超級(jí)勵(lì)志！

電子發(fā)燒友網(wǎng)報(bào)道（文/李彎彎）近年來自動(dòng)駕駛大爆發(fā)，不僅僅是各大廠商紛紛入局，網(wǎng)絡(luò)上也涌現(xiàn)出一批科技達(dá)人，設(shè)計(jì)各種類型的自動(dòng)駕駛自行車，自動(dòng)駕駛電動(dòng)車……

最近B站一位UP主發(fā)了一條視頻，說自己之前以電動(dòng)汽車為原型，設(shè)計(jì)了一輛自動(dòng)駕駛兩輪車，車是設(shè)計(jì)出來了，結(jié)果卻因?yàn)橐馔獍岩粭l腿給炸沒了。

車子的核心原理是，基于角動(dòng)量守恒理論設(shè)計(jì)的。在車的內(nèi)部，有一個(gè)高速旋轉(zhuǎn)陀螺儀，速度可達(dá)到每分鐘上萬轉(zhuǎn)，當(dāng)物體高速旋轉(zhuǎn)的時(shí)候，它的角動(dòng)量很大，旋轉(zhuǎn)的軸就會(huì)一直穩(wěn)定的指向一個(gè)方向，意思是說，想要更加穩(wěn)定，就必須轉(zhuǎn)得足夠快，以此來保證兩輪車平衡。

之所以會(huì)出現(xiàn)意外，是因?yàn)樗?dāng)時(shí)把轉(zhuǎn)數(shù)調(diào)太高，導(dǎo)致內(nèi)部的陀螺儀炸開，飛出的鐵塊把腿給炸沒了。據(jù)他描述當(dāng)時(shí)的場(chǎng)面慘不忍睹，機(jī)床上兩公分厚的鑄鐵都沒有抗住，炸了一個(gè)缺口，房屋墻壁也炸出來好多洞。

之前稚暉君設(shè)計(jì)過無人駕駛自行車，與他的自行車相比，這個(gè)以電動(dòng)車為原型設(shè)計(jì)的無人駕駛兩輪車，可以載人。不過因?yàn)槭軅木壒剩@位UP主說，之前設(shè)計(jì)的這個(gè)車子也就一直擱置下來，他格外提醒，大家在工作和做研究的時(shí)候，一定要注意安全。

真的是被這位UP主深深感動(dòng)到，可以說是非常勵(lì)志了，在他的個(gè)性簽名寫的是“意外受傷截肢，很幸運(yùn)的撿了條命，以后積極生活”，更有意思的是，他給自己設(shè)計(jì)了各種功能的假肢，果然沒有什么可以抵擋對(duì)科技創(chuàng)造的熱情。

如何設(shè)計(jì)一輛無人駕駛兩輪車

那么具體如何設(shè)計(jì)一輛兩輪無人駕駛車呢？從稚暉君視頻，可以詳細(xì)的了解到每一個(gè)設(shè)計(jì)步驟，他設(shè)計(jì)的是一輛無人駕駛自行車。

首先，與4個(gè)輪子的汽車不同，自行車是一個(gè)欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，不進(jìn)行控制的話，不僅不能跑，還站不穩(wěn)，因此這里需要一套復(fù)雜的自動(dòng)控制系統(tǒng)；

其次，為了把駕駛員工具人的存在性給去掉，需要給車子搭載一套傳感器組成的感知網(wǎng)絡(luò)，以及一個(gè)算力足夠強(qiáng)大的計(jì)算芯片作為大腦；

最后，就是在前面的硬件基礎(chǔ)上開發(fā)實(shí)現(xiàn)一套巧妙的感知和控制算法，俗稱注入靈魂。

第一步，硬件改造，讓車子跑起來

稚暉君改造的自行車是一輛死飛（Fixed Gear），它結(jié)構(gòu)很簡(jiǎn)單，沒有剎車，減速靠反向蹬車。首先是使用計(jì)算機(jī)輔助工具CAD來進(jìn)行建模，一通操作之后得到一輛虛擬的自行車。

圖：用CAD建模得到的虛擬自行車

有了車體模型之后，所有的改造工作都可以在計(jì)算機(jī)上完成。

圖：在設(shè)計(jì)圖紙上改造完成的車子

稚暉君給車子安裝了兩個(gè)巨大的無刷電機(jī)，以及一個(gè)控制龍頭的舵機(jī)。傳感器方面，搭載了一個(gè)RGBD的深度相機(jī)，加速度計(jì)和陀螺儀，以及一個(gè)激光雷達(dá)。電池使用的是6S的航模動(dòng)力鋰電池，續(xù)航大概有2-3個(gè)小時(shí)。主控計(jì)算模塊被安置在座椅的后方。

兩個(gè)無刷電機(jī)的作用是什么呢？自行車前后方的平衡靠的是兩個(gè)輪子，以及地面的摩擦力，而左右的平衡，在騎行的時(shí)候靠左右調(diào)節(jié)龍頭，來獲得轉(zhuǎn)向加速度，以此抵消重力的影響，而靜止?fàn)顟B(tài)下怎么平衡呢，靠的是角動(dòng)量守恒。

角動(dòng)量守恒定律是自然界中最普遍的守恒定律之一，當(dāng)系統(tǒng)中一個(gè)物體角動(dòng)量發(fā)生變化的時(shí)候，就會(huì)將力矩傳遞給其他物體，中間的無刷電機(jī)，就是用于驅(qū)動(dòng)的動(dòng)量輪，后面的無刷電機(jī)，則是用于靠摩擦力驅(qū)動(dòng)后輪，讓車子整體前后運(yùn)動(dòng)。

圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完之后，就是零件加工，其中一部分零件可以用3D打印制作，但由于做的東西功率比較硬核，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，所以用于固定電機(jī)的零件，使用的是金屬來加工。湊齊改造所需的所有零件，組裝完成就是下面的樣子。

第二步，智能化，安裝主控模塊以及AI計(jì)算單元

我們?cè)谠O(shè)計(jì)機(jī)器人時(shí)，會(huì)將計(jì)算系統(tǒng)分為低算力、低時(shí)延、運(yùn)行實(shí)時(shí)系統(tǒng)的小腦，用于控制身體，以及高算力、高時(shí)延、運(yùn)行非實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)的大腦，用于感知、思考和決策。

在這個(gè)系統(tǒng)中，小腦使用的是MCU ESP32，大腦用的是昇騰310 AI處理器，昇騰310搭載達(dá)芬奇Core，可以提供最高22TOPS的AI算力。

圖：再設(shè)計(jì)了一個(gè)載板，把兩個(gè)計(jì)算單元整合到一起

大腦和小腦通過總線相連，并在軟件上實(shí)現(xiàn)一套R(shí)PC框架，讓它們可以方便地進(jìn)行通信。

小腦的框架是基于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(jiǎn)單地劃分了三個(gè)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。

大腦的軟件框架則要復(fù)雜很多，除了基于昇騰的整個(gè)AI棧之外，稚暉君還在系統(tǒng)中使用了ROS，這是機(jī)器人界常用的框架，它本質(zhì)上是一個(gè)高性能的通信中間件，后面的消息分發(fā)、業(yè)務(wù)串流、SLAM等的實(shí)現(xiàn)都是基于ROS開發(fā)的。

大腦和小腦有了之后，電路方面還有一個(gè)很重要的模塊，那就是心臟，采用的是Ctrl-FOC驅(qū)動(dòng)器，這個(gè)驅(qū)動(dòng)器很厲害，雖然體積很小，卻實(shí)現(xiàn)了兩路共100A的無刷電機(jī)FOC控制，同時(shí)還順便驅(qū)動(dòng)了前面的60KG舵機(jī)，以及一個(gè)散熱風(fēng)扇。

圖：把結(jié)構(gòu)零件和電路全部整合起來，就完成了

第三步，算法，給機(jī)器注入靈魂

稚暉君介紹，機(jī)器人是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的時(shí)候，科學(xué)的方法是首先對(duì)機(jī)器人進(jìn)行理論上的分析，也就是運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)的建模，數(shù)學(xué)建模會(huì)告訴我們哪些事情是相對(duì)容易的，哪些是復(fù)雜的。

舉例來說，在這個(gè)車子的控制代碼中，有超過50個(gè)重要參數(shù)、控制周期、反饋矩陣、PID增益、濾波器截止頻率等，這些數(shù)字要全部得到合理設(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，比如說，電機(jī)功率應(yīng)該選多大？飛輪質(zhì)量應(yīng)該選多少？重心的分布怎么設(shè)置才比較合理等，也都需要有準(zhǔn)確的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行指導(dǎo)。

在得到模型之后，為了進(jìn)一部驗(yàn)證理論的準(zhǔn)確性，一般會(huì)先在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行仿真，視頻中，稚暉君用的是一個(gè)游戲引擎Unity，在游戲引擎中構(gòu)建一個(gè)虛擬的物理環(huán)境，賦給小車真實(shí)的質(zhì)量和重力，然后將控制算法的計(jì)算結(jié)果可視化顯示出來。

驗(yàn)證完成之后，還有一個(gè)sim2real的過程，就是把仿真的結(jié)果遷移到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，這個(gè)過程很復(fù)雜，因?yàn)楝F(xiàn)實(shí)中有很多的不確定性因素，很多情況下，機(jī)器人往往是在仿真中重拳出擊，然后在現(xiàn)實(shí)中唯唯諾諾，所以整個(gè)調(diào)試的過程也是異常艱辛。

這套系統(tǒng)，姿態(tài)控制使用的是LQR控制器，方向控制使用的是PID，傳感器則是對(duì)加速度計(jì)和陀螺儀，數(shù)據(jù)使用二階的巴特沃斯濾波器之后，再通過卡爾曼濾波進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，最終得到車身的姿態(tài)。經(jīng)過漫長(zhǎng)的參數(shù)整定之后，控制算法終于收斂了完美的效果，到這里，一輛成熟的自行車就完成了。

圖：一輛成熟的自行車

經(jīng)過測(cè)試，車載的姿態(tài)保持性能非常好，受到一定沖擊，或者突然增加負(fù)載，也能穩(wěn)定的保持平衡。

結(jié)合后輪電機(jī)的驅(qū)動(dòng)能力，讓它走兩步也毫無壓力。至此，能動(dòng)的基本目標(biāo)已經(jīng)達(dá)成了。

最后引入AI，實(shí)現(xiàn)一定程度的自動(dòng)駕駛。這個(gè)自行車搭載了深度相機(jī)，可以在電腦上看到，車子WIFI實(shí)時(shí)的RGB圖，再結(jié)合一些AI算法，可以實(shí)現(xiàn)避障、讓它在行駛過程中，識(shí)別各種物體，進(jìn)行跟隨等功能。

除此之外，自動(dòng)駕駛中的一個(gè)很重要的技術(shù)，就是路徑規(guī)劃，車子搭載了激光雷達(dá)，激光雷達(dá)通過測(cè)量，激光發(fā)射到反射回來所消耗的時(shí)間，乘以光速就可以獲得目標(biāo)的距離位置。

由此360度成像就能夠獲得比攝像頭更可靠的深度信息，將這些數(shù)據(jù)用于進(jìn)行SLM圖與路徑規(guī)劃，最后就可以實(shí)現(xiàn)讓自行車進(jìn)行自主探索環(huán)境了。

小結(jié)

稚暉君之前在設(shè)計(jì)完這輛無人駕駛自行車的時(shí)候，提到由于開發(fā)時(shí)間有限，本次項(xiàng)目只是實(shí)現(xiàn)了非?；A(chǔ)的自動(dòng)駕駛功能功能，還有很多可以改進(jìn)的地方，比如，受限于整車的功率，這套系統(tǒng)目前無法實(shí)現(xiàn)載人，如果換成電動(dòng)車，就不一樣了，而如今用無人駕駛電動(dòng)車載人的設(shè)計(jì)也已經(jīng)有人設(shè)計(jì)出來啦，給科技愛好者們的創(chuàng)造力點(diǎn)贊。