【我們為什麼挑選這篇文章】除了汽車，現在連腳踏車都可以自動駕駛！中國有神人 DIY 了一台自動腳踏車，能夠自己前進、轉彎、避開障礙物，就算靜止也不會倒。下文帶你看，神人打造自駕腳踏車的過程。（責任編輯：郭家宏）
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作者：量子位
果然高手在民間。
誰能料到，一輛自行車的硬核打開方式，竟是大夯的自動駕駛。
踢開腳架，金雞獨立、穩如泰山：
單側加個板磚？小 case：
畢竟，它是連高難度「雜技姿勢」都能 hold 住的自行車：
沒事走兩步？
可以有，還是會自己轉彎的那種：
避障、上路，毫無壓力：
甚至還配備了特斯拉都沒有的光達。
這就是 B 站「野生鋼鐵人」稚暉君耗時 4 個月時間（基本只是週末），打造出的全新項目 XUAN （軒）。
短短幾天，播放量超過 150 萬，硬核、複雜程度之高，直接看呆一眾網友。
來感受一下這個畫風。
連 B 站老闆陳睿都被吸引而來：
甚至業內人士也直呼：
任何一個部分拿出來都是一篇大學畢業論文。
還有實物，碩士畢業綽綽有餘……
稚暉君到底是如何打造的這麼一台「賽博龐克」自行車？
接下來，讓我們一起一探究竟（經授權）。
（你可能還很關心它的價格，別著急，我們文末揭曉答案~）
讓自行車有自駕功能，需要進行 3 個步驟
稚暉君選擇的自行車，是大家非常熟知的死飛 （Fixed Gear）。
（沒錯，就是甩尾玩家的最愛）
這種自行車的一大特點，便是結構簡單、沒有剎車。
於是，稚暉君先對死飛進行了一個 CAD 建模的工作。
建模工作完成之後，便得到了一輛虛擬自行車。
此後的所有改造工作，便可以在電腦上完成。
整體來看，XUAN 的誕生一共分為三大步：
▌硬體改造：因為自行車是一個欠驅動系統，所以先要做的就是讓它站穩，然後跑起來。這一步將涉及一套複雜的自動控制系統。
▌智慧化：畢竟自動駕駛嘛，「工具人」就得被抹去。因此，這一步便是搭載一整套感測器組成的感知網路，以及一個算力足夠強大的運算晶片作大腦。
▌軟體和演算法：最後一步，便是在上述的硬體基礎上，開發、實現一套感知和控制演算法。稚暉君稱之為「注入靈魂」。
Step by Step，先來看下第一個大問題。
自行車怎麼自己保持平衡？
在騎自行車的時候，前後方向的平衡，靠的是 2 個輪子的支撐和地面摩擦力。
而左右方向上，運動過程中靠的是龍頭的左右調節，獲取轉向的加速度，以此抵消重力的影響。像這樣：
那麼在靜止狀態下呢？
稚暉君給出的思路便是——角動量守恆。
簡單來說，當車子在重力作用下發生傾倒，就用動量輪來產生一個相反力矩，抵消掉重力力矩。
具體而言，稚暉君在這輛死飛座位下方安裝了一個無刷電機，目的是驅動一個金屬的動量輪。
而在座位後方，他也安裝了一個無刷電機，這個目的則是靠摩擦力來驅動後輪，讓自行車整體前後運動。
稚暉君本是想用 3D 列印來完成這兩個零件的加工，但礙於材料硬度和剛性不足，所以金屬材料成為了此次的首選。
（所幸，稚暉君朋友家裡「有廠」，問題迎刃而解）
而後，便是快樂的組裝環節：
OK，自行車的平衡問題，就此解決。
自行車的「腦」，也有分大腦跟小腦
硬體框架有了，想讓自行車能跑起來，甚至能認路，下一步就是上「腦子」。
跟人類相似，機器人也分「大腦」和「小腦」。
簡單來說，小腦用來控制即時行動；大腦則負責耗費算力，執行高時延的感知和決策。
這一回，稚暉君給自行車上的「小腦」是 ESP32。
ESP32 是一種低成本、低功耗的單片機控制器，整合 Wi-Fi 和雙模藍芽。
基於 FreeRTOS（一個開源嵌入式即時操作系統），稚暉君搭建了小腦的 RPC 通訊框架，用來實現感測器的數據處理，以及電機的控制演算法。
「大腦」則是昇騰 310。這是昇騰系列的邊緣運算晶片，基於達文西架構，最高能夠提供 22 TOPs 的算力。
大腦的演算法開發，主要基於昇騰 AI 棧和 ROS（機器人操作系統）實現。
於是，在深度相機、光達等感測器的幫助之下，這輛自行車能夠檢測出周圍的物體，實現避障和跟隨：
還能夠機智地識別地形，給自己規劃路徑：
自行車的「心臟」，是個 FOC 驅動器
當然啦，「成精」的自行車，不僅要有頭腦，還要有一顆強勁的「心臟」來驅動它工作。
而 XUAN 的「心臟」來自稚暉君的另一個項目，Ctrl-FOC 矢量控制驅動器。
這是一個超迷你雙通道無刷電機驅動器，單路最大驅動電流能超過 100 A。
值得一提的是，稚暉君的這一 FOC 驅動器有兩個版本的設計方案，其中一個版本，電路設計為上下疊板設計，將邏輯單元和功率單元分開。也就是說，只需要替換掉驅動電路，就可以匹配更大功率的電機。
具體到 XUAN 這個項目，下圖中這麼大點的驅動器，最終實現了兩路共 100 A 的無刷電機 FOC 控制，還驅動了車頭 60 kg 扭力舵機和散熱風扇。
自行車的「靈魂」：自駕參數
萬事俱備，但想要上路，至此還少了一點煉丹的靈魂——調整參數。
稚暉君表示，這輛自動駕駛自行車的控制程式碼中，有超過 50 個重要參數，包括控制週期、回饋矩陣、PID 增益、濾波器截止頻率等等。
此外，電機的功率、重心的分佈等物理參數，也都會對最終的效果造成影響。
稍有不慎，那自行車就不是穩如老狗那畫風了……
在數學建模之後，稚暉君還採用了遊戲引擎 Unity 作為仿真環境，像正經自動駕駛研發那樣，先在仿真環境裡讓自行車跑了個踏實。
總之，讓一輛自行車成熟起來，自己上路，夠不容易的。
就有網友表示：
人傻了，畢業設計題目是自行車自平衡系統設計，做到調參就不會了。
不過，受限於整車功率，目前這輛自行車還不能載人。
另外，也有網友提出，用動量輪來控制平衡屬於某種意義上的作弊。對此，稚暉君回應：現在的龍頭傳動結構設計不太合理，之後會嘗試只用龍頭控制平衡。
為什麼要造XUAN？
有關「棧溢出工程師」、「野生鋼鐵俠」稚暉君，想來關注 B 站科技區的小夥伴們已經很熟悉了。
稚暉君本名彭志輝，2018 年畢業於電子科技大學，2020 年通過「天才少年計劃」加入華為。
他的影片向來以硬核著稱，比如從手畫 PCB 到寫 C++ 程式碼全部一人搞定的套娃小電視。
辣麼這次，稚暉君又是怎麼萌發了打造一輛自動駕駛自行車的念頭的呢？
理由有些「暴力」……
騎車不小心摔了，臉剎著地……
稚暉君表示，「這事不能就這麼過去了」，於是乎：
（心疼稚暉君幾秒）
當然，稚暉君本人也在影片中表示，其實很早就有設計這種自行車的想法。
最初是因為看到清華大學的那項自行車研究，可以跟隨人類，敏捷避開障礙物。
其背後的類腦晶片「天機」，也於 2019 年 8 月登上 Nature 封面。
好奇的小夥伴肯定會問了，二者有何區別？
量子位替你們問完了哈！
首先，是原理不太一樣。
清華的自行車模仿的是人類行為，沒有使用動量控制，而稚暉君的「軒」則涉及到了動量控制。
此外，在龍頭方面，稚暉君表示在改進過後，也可以實現清華的控制方式（移動過程使用龍頭平衡，靜止狀態使用動量平衡）。
但最核心的一個區別就是，清華打造的自行車背後，核心是類腦晶片。
對此，稚暉君表示：
他們的工作很厲害，我這個無法類比，只是受他們啟發做了個類似的應用。
為了體現跟清華工作的區別，稚暉君本人還在專案名字上下點了功夫。
XUAN 裡的 U，代表的意思是 unNATURAL，「正經翻譯」就是：沒上過 Nature。
這個項目一如既往地開源了，如果你也想復刻一下……
哦對了，是時候該揭曉 XUAN 的造價了——據大神本人不完全統計，超過 3 萬元（人民幣，約新台幣 13 萬元）。
不過，稚暉君也表示：
最終硬體成本來算的話應該不到一萬，就光達貴一點，主要還是試錯成本。
以及，劃重點，不售賣哈！
參考資料
（本文經 AI 新媒體量子位 授權轉載，並同意 TechOrange 編寫導讀與修訂標題，原文標題為〈华为天才少年造出自动驾驶单车！图纸已开源，硬件成本一万，B站老板：重新定义「自行」车〉。首圖來源：GitHub）
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