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天才少年,为何能一个人做出了谷歌没完成的发明?

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钛媒体APP 2021-06-11 14:48

文 | 光锥智能,作者|罗宁

“一个人造车”的实现,不仅是因为天才少年资质超群,更是受惠于这个时代。

前几天,AI工程师稚晖君又又又一次登上了B站热搜,在一片“膜拜大神”的弹幕中,这位天才少年向所有人展示了自己的最新发明,就连B站董事长陈睿也在下面留言:“太强了!UP主重新定义‘自行车’。”

是的,稚晖君发明了一辆名叫“轩”的自行车,你可能会疑惑,自行车不是几百年前就发明出来了吗?但在这位少年手中,自行车被重新定义,因为它真正做到了自动驾驶。

听起来是不是很夸张?但这辆耗时四个月打造的自行车不但具备自适应平衡能力,还可以感知识别周围环境与障碍物,自主规划路径并且自动驾驶,真正做到了“自己行驶”。

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更难的是这辆自行车是稚晖君用自己四个月的周末时间,一个人钻研发明出来的,而这样的成果,曾是四年前谷歌提出的愚人节彩蛋。

我刚实现了自行车“换色自由”,别人家的孩子却重新定义了自行车……

做一辆“自行车”需要几步

我们都知道,自行车和汽车不同,如果没有人控制,想让它站稳都不太可能,所以稚晖君一共要做三件最重要的事:

第一,设计一套自动控制系统,让自行车站起来。

第二,设计一套拥有AI芯片的感知网络,让自行车感知周围环境。

第三,设计一套控制算法,让自行车能够正确处理遇到的各种情况。

稚晖君要改造的是一辆“死飞”——没有刹车且结构简单的公路自行车,通过在CAD上进行建模就能开启改造之路,他给这辆车装上了两个巨大的无刷电机、一个控制龙头的舵机、一个RGBD深度相机传感器、一个加速度计、一个陀螺仪、一个激光雷达、一个6S航模动力锂电池、一个主控计算模块。

为了让自行车在前进时保持左右平衡,稚晖君在车子中间部分设计了一个金属动量轮,利用角动量守恒可以让自行车能自行调整平衡姿态,而后面的无刷电机则能通过摩擦力驱动后轮让车子实现前后运动。做好这些,稚晖君通过3D打印和加工中心把设计的零件一个个加工出来再组装起来。

第二步是给自行车设计出机器大脑,和人的脑结构有些类似,要给自行车配备“小脑”和“大脑”。小脑计算处理能力低,但反应快。大脑拥有高算力但也有高延时。

稚晖君使用了HoloCubic里用到的MCU ESP32作为小脑,大脑部分则是华为昇腾 310 AI处理器,这是华为昇腾目前最强的边缘计算芯片,最高能提供22TOPS的AI算力,已经和市面上一些自动驾驶汽车的算力相当了。

大脑确定,稚晖君还设计了电路板,将两个计算单元整合在了一起,并在软件上实现了一套RPC框架,让大脑小脑可以方便地进行通信。小脑的框架基于FreeRTOS,主要实现传感器的数据处理以及电机的控制算法。大脑的软件框架则复杂很多,稚晖君使用了ROS这一机器人框架实现消息分发、业务串流、SLAM等。另外,稚晖君还设计了一个“心脏”来驱动整个无刷电机和舵机。

到这里,自行车的大脑和心脏就都有了,它已经不再是一辆自行车,更算得上是一个机器人了。稚晖君需要对这个机器人进行运动学和动力学分析,并对各种控制参数进行调整,不但要把自行车模型在Unity游戏引擎中进行仿真,还要在现实状况下进行测试,经过测试之后,他的自行车终于要上路了。

在实际路测中,稚晖君这辆车无论是稳定性还是方向控制上表现都很稳定,甚至还能在有外力干扰时也能平衡稳定,在行驶中,经过激光雷达和深度相机传感器感知环境,这辆自行车也能实现路径规划,完美避障。至此,一辆没有人类驾驶的自行车真正上路了。

至此,稚晖君通过一步一步的规划完成了一辆自行车的改装,让它彻头彻尾变成了一个拥有自动驾驶功能的“机器人”,也难怪会在B站刷屏上热搜。不过,说起自动驾驶自行车这件事,其实早在四年前就已经让人惊讶过一次了。

让谷歌彩蛋变成现实

让自行车学会“自动驾驶”这种事,早在四年前就有一家公司提出想法。当时,这家公司想要研发一辆自行车,在不需要人的时候也能自己过红绿灯,自己礼让行人,甚至自己带小孩拿快递,这听起来简直不可思议。

没错,这是一个谷歌愚人节彩蛋,但在视频中,谷歌用一本正经的口吻介绍了自行车涉及的相关技术。

其中包括计算机视觉、自适应平衡、自动驾驶等,这些技术在当时都不算稀奇,但全都用在自行车上却很难,所以这个愚人节彩蛋到今天也没有被谷歌实现,当时有人评论说“真可惜是四月一号看到这个视频”,“真希望自己有这样一辆自行车。”

让大家没想到的是,两年后的2019年,清华大学开发出全球首款异构融合类脑计算芯片——“天机芯”就让这一愚人节彩蛋梦想成真,还登上了《自然》杂志。

这辆自行车不但实现了谷歌想要实现的自平衡、动态感知、目标探测和跟踪、自动避障等功能,还加入了语音理解能力,通过语音控制就能实现转向、加速功能。

清华大学在2012年开始天机芯项目,为此耗费了7年时间,如果说七年时间会带来哪些改变,那就是计算机算力的提升,以及科学家对于通用人工智能的理解加深。

让自行车能自动驾驶只是天机芯能够实现的众多功能之一,这个Demo也是为了验证在不同场景下该芯片的能力到底如何,而天机芯的出现也对融合计算机科学和神经科学的跨范式计算平台起到了推动作用。

又是两年时间过去,如今稚晖君用自己的努力再次把自行车改装成自动驾驶小车时,我们看到了自动驾驶相关技术的快速进步,以及人工智能算法的升级迭代。要知道在四年前,激光雷达的成本还要上万美元,而如今,装在自行车上的激光雷达成本甚至不到一千美元。

科技进步的红利

Scale Partners 势乘资本发布的《2021自动驾驶行业报告》就提到,2017年激光雷达单价还要5000美金,但预计2022年,单价1500美金的激光雷达就能够普及。其实2021年以来,包括蔚来、小鹏、北汽等众多车企纷纷推出搭载激光雷达的汽车新品,而根据激光雷达厂商Livox的预测,随着L2/L3级别自动驾驶技术的进一步推广,最终激光雷达成本会降低到100美元以下。

另外,稚晖君使用的22TOPS的华为昇腾310芯片带来的算力提升也功不可没。很难想象,如今的自行车竟然能用上算力达到22TOPS的芯片,和英伟达发布的Jetson Xavier NX(算力为21TOPS)相比,华为实现了算力相近但更低的功耗,也能看出华为AI芯片领域的实力。

如今,国内科技公司对于激光雷达、 AI芯片的投入持续增加。前不久,包括小米、百度和美团在内的公司还共同投资了上海激光雷达公司禾赛,目标自然是押注自动驾驶赛道,投资机构预测数据称,到2025年,全球激光雷达市场规模将达126亿美元,中国激光雷达市场将达43.1亿美元。到2025年,中国每100辆私人汽车中,就有3辆搭载激光雷达。

而随着自动驾驶技术的不断升级,汽车厂商对芯片算力的要求也越来越高,华为、百度、寒武纪等纷纷推出自己的AI芯片,这些国内厂商的技术追赶越来越迅速,今年上半年,我们能看到华为已经把自动驾驶技术能力提供给了北汽的产品中,而随着集度(百度与吉利合资品牌)、小米、大疆等越来越多科技公司加入,高算力AI芯片的价格将会进一步降低。

其实,正是因为AI芯片,激光雷达、算法等领域的快速成熟和进步,研究者才有机会将过去的愿望变成现实。也许现在这辆自行车还不能载人,但相关技术运用到诸如电动车、摩托车等产品上,很可能会成为新产品而改变我们的生活。

比如,宝马曾在「BMW Motorrad VISION NEXT 100」发布会上带来过一款概念摩托车产品,就能实现自动平衡功能,而国内的九号电动车也曾带来过一款具备自动驾驶能力的电动摩托,这些产品在实验室中也许已经准备就绪,只等成本降低到消费者能够接受的程度。

“一个人造车”的实现,不仅是因为天才少年的资质超群,更是受惠于科技进步的红利。

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