整理 | 苏宓
出品 | CSDN（ID：CSDNnews）
图源 | 视觉中国
在自动驾驶火爆的时代，自行车可以「金鸡独立」，还能「风驰电掣」？
最近，一个来自 B 站的硬核 up 主智慧君带着一辆改装后的自动驾驶自行车出现了。他还发布了一段名为我把自行车变成了自动驾驶！！视频，在短短几天内获得 180w 播放量已达到全站排名第一 1 名。
与此同时，这段视频也很吸引人 B 站 CEO 陈睿的强势围观者称赞他「重新定义自行车」。
问是什么让博主花了四个月的时间和自行车过不去？
是因为无聊热爱自行车？还是因为对技术的执着？
其实都不是！
01
这个项目诞生的很大一部分原因是天气。
有一天，天空不美，飘着雨，骑自行车的稚晖君因为一个漂移不小心摔倒了。
在康复过程中，智慧君开玩笑说：作为一个拥有技术密码并且总是头铁的野生钢铁侠，我说这件事不能这样过去。
同时，受 2019 清华大学依托精密仪器类脑计算研究中心施路平教授团队发布类脑计算芯片天空运动启发无人驾驶自行车着陆，自行车着陆。天空晴朗后，被称为科技教徒和野钢铁侠的志辉军决定拯救这个糟糕的天气。哦，不，这是一辆糟糕的自行车。
于是，他开始了自动驾驶自行车的设计和着陆之路。毕竟如果不能跑，为什么叫自行车？
02
所谓自动驾驶自行车，首先要实现自动，众所周知，两轮自行车没有外力支撑，几乎站不稳，所以与四轮车相比，自动驾驶自行车首先需要解决汽车站问题，这需要一套；其次，需要消除司机的存在，这需要；最后，要实现驾驶。
为实现上述目标，稚晖君主要从三个维度出发，突破，开始改装传统自行车。
视频中，稚晖君采用了骑自行车爱好者最喜欢的自行车——死飞（Fixed Gear）自行车。这辆车和普通自行车有一定的区别。它是一辆单速车。它的车轮和踏板一直处于联动状态，没有刹车。如果你想减速，你可以通过反向踏板来实现。
重建，首先要了解自己想法的可行性和理想状态，这需要通过设计、模拟和验证来实现。
在这里，智慧君使用计算机辅助工具 CAD 在此基础上，所有的改造工作都可以在计算机上完成，
经过多次考虑，稚晖君将构想落地图纸：
1. 顾名思义，车头安装了控制水龙头的舵机，用于控制水龙头，包括转向等；传感器配备了 RGBD 深度相机，可用于识别前方物体，避开或跟随；
2. 加速度计、陀螺仪和激光雷达安装在自行车杆上，主要用于自动驾驶路径规划；
3. 下方搭载一个 6S 航模动力锂电池，续航可达 2-3 个小时；
4. 座椅前后安装 2 无刷电机，其主要作用是让两轮自行车静止，无外力支撑，原理是物理、自然的基本定律之一——角动量守恒定律，即当系统中物体角动量发生变化时，将扭矩传递给其他物体。因此，自行车中间的无刷电机用于驱动金属动量轮，后无刷电机用于通过摩擦驱动后轮，使汽车整体前后移动；
5.座椅后面放置了主控计算模块，包括 AI 计算单元等。
完整的设计图纸如下：
对于零件部件，可以使用部件 3D 然而，有些零件对硬度和刚度有很强的要求，所以只能用金属加工。加工好所有零件后，组装好。
接下来，电路系统的设计和安装进入了第二个主要环节，包括主控模块，旨在让汽车运行。
作为 AI 算法工程师的稚晖君，将电路系统的机器大脑分为两大板块：
一种是小脑，用于控制身体的低计算能力、低延迟和实时系统。在这个项目中，智慧君使用它 MCU ESP32；
另一种是用于感知、思考和决策的高计算能力、高延迟和操作非实时操作系统的大脑。在这里，智慧君选择了华为面向边缘场景的高能效、高集成度 AI 达芬奇处理器-升腾310 Core 最高可以提供 22TOPS 的AI 算力。
上述两个计算单元通过一个载板集成在一起。 PCB 打样后，大脑和小脑通过总线通过手工焊接连接。
在软件层面，稚晖君说：
小脑的框架主要是基于 FreeRTOS 实现传感器的数据处理和电机的控制算法。简单分为闭环控制线程、电机通信线程和屏幕刷新线程三个任务。
大脑的软件框架相对复杂得多，除了整个基于升腾的软件框架 AI 除了栈，机器人界常用的框架也在系统中使用 ROS，本质上是高性能通信中间件，后续消息分发，业务串流，SLAM 以实现为基础 ROS 开发的。
基于此，小脑和大脑都准备好了。除此之外，稚晖君还选择了以前自制的 FOC 控制驱动器（https://www.bilibili.com/video/BV11V41127pq）作为电路的心脏，两路共同实现 100A 的无刷电机 FOC 控制，顺便驱动前面 60 KG 舵机和散热风扇。
视频中，稚晖君透露，该车的控制代码包括控制周期、反馈矩阵、PID 增益、滤波器截止频率、电机功率、飞轮质量、重心分布设置等 50 为了使系统进入稳定状态，必须合理设置这些参数。
因此，在运行调试前，稚晖君借助 Unity 在赋予自行车正式的质量和重力后，发动机工具实现了虚拟的物理环境，可视化地显示了控制算法的计算结果。
其次，通过 Sim2Real，将模拟结果转移到现实环境中。当然，在现实世界中，包裹着许多不确定性因素，调试过程并不像预期的那么容易，就像智慧君在视频中的细数一样，如：
在姿势控制中使用 LQR 经典控制器用于方向控制 PID，传感器采用二阶巴特沃斯滤波器进行加速度计和陀螺仪数据，然后通过卡尔曼滤波器集成数据，最终获得车身姿势...
03
经过几次辗转反侧，自行车不仅实现了基本的自动驾驶功能，而且可以独立探索环境。未来，该项目仍有很大的改进空间，但目前的结果足以令人惊叹。
当稚晖君把这个项目命名为——XUAN（extremely Unnatural Auto-Naigation）的同时，其宣布将项目的结构设计全部开源。
04
值此之际，我们也不仅好奇稚晖君究竟是何方神圣？
打开其个人网站，我们发现稚晖君虽然仅毕业三年，但是其在编程开发、硬件设计等层面早已身经百战。据悉，在学生时期，稚晖君从大二开始就参加了各种电子设计竞赛，并获得大量奖项。大三时，开始成立团队和工作室，专注于嵌入式软硬件和机器人项目的开发。研究生阶段，组建创业团队与公司，聚焦尖端机器人相关技术的研发，也获得过一些投资。
在 2018 年从电子科技大学毕业后，稚晖君加入 OPPO 研究院 AI 实验室，负责算法相关工作，后成为华为天才少年项目中的一员，目前担任华为 AI 算法工程师。
与此同时，他从 2017 年便开始在 B 站上开启了【自制】之路，除了此次自制自动驾驶自行车之外，还自制过便携显示器、FOC 矢量控制驱动器、火星车、门禁卡等等，其背后所运用的知识广度与宽度不容小觑，而稚晖君的技术能力也更令人佩服。
视频地址：https://www.bilibili.com/video/BV1fV411x72a
GitHub 项目开源地址：https://github.com/peng-zhihui/XUAN-Bike
个人网站：http://www.pengzhihui.xyz/