自行车这回终于能 “自行” 了。
在一次雨天骑车滑倒受伤后，B 站 “野生钢铁侠” 稚晖君表示：“这事不能就这么过去了！”
没过多久，他在 B 站上推出了引来众人围观的自动驾驶单车 —— XUAN （轩）。
该视频在几天内播放量便破百万，其中一位自称是北理工车辆工程专业的网友评论道：“任何一个部分拿出来都是一篇本科毕业论文。还有实物，硕士毕业绰绰有余……” 甚至 B 站老板陈睿也被招来了。
（来源：bilibili）
稚晖君在视频中表示：“2021 年可谓是自动驾驶爆发元年，各大厂商纷纷宣布入局下注。自动驾驶也是我十分感兴趣的一个方向，同时很巧的是我本职工作又是做 AI 的，所以一个很有意思的想法就出来了。”
他介绍了 XUAN 的设计思路：与四个轮子的汽车不同，自行车是一个欠驱动系统，若没有外力控制，连平稳站立都不可能，更别说跑起来了。因此打造自动驾驶单车的第一步便是要设计一套自动控制系统。
其次，为了去除 “工具人” 驾驶员，还需要给自行车搭载一套由传感器组成的感知网络，能够让它 “眼观六路，耳听八方” 的传感器感知网络，以及一个充当大脑的计算芯片，其算力要求足够强大。
最后一步，是给单车 “注入灵魂”，实现一套巧妙的感知和控制算法。
稚晖君改造的对象是深受漂移爱好者喜欢的 “死飞”，该自行车的特点是结构简单、没有刹车，通过反向蹬车来减速。
他首先利用计算机辅助工具 CAD 对 “死飞” 进行了建模，由此得到一个虚拟 “死飞”，之后作便可以在计算机上对车体模型进行一系列的设计和操作。
驱动结构方面，他为 “死飞” 安装了两个巨大的无刷电机和一个控制龙头的舵机。传感器方面搭载了一个 RGBD 深度相机、加速度计和陀螺仪，以及一个激光雷达。
电池是 6S 的航模动力锂电池，能提供约 2-3 个小时的续航。主控计算模块被安置在了座椅的后方。
图 | 无刷电动机（来源：稚晖君）
他设计的无刷电机，实际上是一个用于驱动的金属动量轮，其原理来自角动量守恒定律，作为物理学最普遍的一条定律，该原理同样应用到了航天设计中，太空中的卫星在没有摩擦的情况下由此能够调整自身姿态。
硬件改造完成后，就该给自行车 “造脑” 了。和人类相似，机器人也分 “大脑” 和 “小脑”，“小脑” 负责控制实时行动；大脑则会是耗费算力、进行高时延的感知和决策。
稚晖君运用低成本、低功耗的单片机控制器 ESP32 来作为自行车的 “小脑”，ESP32 集成 Wi-Fi 和双模蓝牙。在开源嵌入式实时操作系统 FreeRTOS 的基础上，为了实现传感器的数据处理，他搭建了一个 RPC 通信框架，同时也能实现电机算法控制。
XUAN 的 “大脑” 是华为昇腾系列的边缘计算芯片昇腾 310。它基于达芬奇架构，能够提供最高 22TOPs 的算力。算法开发则依靠华为昇腾 AI 栈和机器人操作系统（ROS）。在激光雷达、深度相机等传感器的加持下，XUAN 能实时检测出周围物体，完成跟随、避障等任务，此外还能在识别地形后为自己规划路径。
机器脑完成后，便是 “造心” 工程。XUAN 的 “心脏” 来自稚晖君的另一个项目，Ctrl-FOC 矢量控制驱动器，这是个 “超迷你双通道无刷电机驱动器”，其最大驱动电流可超过 100 安。
最后，便是为自行车 “注入灵魂”—— 调参。稚晖君介绍，这辆自动驾驶自行车的控制代码中，有超过 50 个重要参数，其中包括反馈矩阵、滤波器截止频率、PID 增益等。自行车的重心分布和电机功率也会影响最终效果。
因此，稚晖君采用了游戏引擎 Unity 进行模拟。他在游戏引擎中构建了一个虚拟的物理环境，游戏中的模拟自行车有着真实的质量，他将自行车的 “自行” 的过程算法在虚拟环境中可视化了出来，模拟过程没有问题后他才将仿真过程搬到现实。
图 | XUAN（来源：稚晖君）
此外，稚晖君在视频中提到了清华大学的自行车研究项目。 2019 年 8 月，清华大学类脑计算研究中心施路平团队研发的第二代 “天机芯”（Tianjic）登上了 Nature 封面。
图 | Nature 2019 年 8 月封面，封面标题为《双重控制》（Dual Control）。（来源：Nature）
清华大学研究团队在一辆无人驾驶自行车上试验了这款芯片的能力。搭载 “天机芯” 的自行车，除了能够进行基础的实时目标探测、追踪、过障和避障之外，还能够自主进行决策，其控制包括语音理解控制和自适应姿态控制。
图 | 清华大学的自动驾驶自行车（来源：Nature）
稚晖君介绍，同样是自动化自行车，XUAN 与之存在原理上的区别：“清华团队的核心是类脑芯片，其自行车模仿的是人类行为，没有使用动量控制，而 XUAN 则涉及到了动量控制。”
（来源：Bilibili）
稚晖君对此说道： “他们的工作很厉害，我这个无法类比，只是受他们启发做了个类似的应用。 ”
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