什麼是電機向量控制

“你已經是一輛成熟的腳踏車了，應該學會自己跑起來。”

相信不少人都有過這樣的想法，但很顯然，我們的腳踏車只是個“寶寶”，沒法自己跑起來。不過對於普通人來說辦不到的事，對於有些人來說卻並不困難。

前幾天，B站上就有一位UP主釋出了自己“養大”腳踏車的影片，在經過四個月的“哺育”之後，他成功讓一輛腳踏車自己跑起來了。他就是稚暉君，本名彭志輝，2020年華為“天才少年”計劃簽約者。

一輛自動駕駛腳踏車，是如何誕生的？

在影片中，稚暉君介紹了這輛自動駕駛腳踏車誕生的全過程。

首先他選擇了一輛死飛（Fixed Gear，固定齒輪腳踏車）作為本體，並在CAD上建立了這輛腳踏車的3D模型，然後就是以這輛死飛的數字孿生為基礎，設計一套改造方案。

為了讓腳踏車能在靜止和運動時保持平衡，稚暉君選擇了使用角動量守恆的原理，在車座前方設定一個較大的無刷電機，控制動量輪的運作。同時他在後輪上方又設定了一個無刷電機，靠摩擦力來驅動後輪，讓腳踏車實現前後移動，並在龍頭上安裝舵機控制轉向。

在感測器方面，稚暉君為腳踏車安裝了一個RGBD的深度相機、加速計、陀螺儀和鐳射雷達，用來探測周圍環境和車輛自身的狀況。而用來控制車輛自動駕駛的主控計算模組，則被他安置在了車座後方。

設計完成之後就是零件製作，那些對強度要求不高的零件，稚暉君使用了3D列印技術，而剩下的金屬零件則是交給了“家裡有廠”的朋友代為加工。

完成了硬體框架的搭建，下一步就是給腳踏車安上「腦子」，讓它能夠跑起來甚至自己認路。

相對而言，「大腦」的軟體框架就要複雜得多，除了基於昇騰的整個AI棧之外，稚暉君還使用了ROS（機器人作業系統），來實現訊息分發、業務串流、SLAM等功能。

「小腦」的框架是基於FreeRTOS，主要實現感測器的資料處理以及電機的控制演算法，並透過一個小螢幕實時顯示部分引數。

相對而言，「大腦」的軟體框架就要複雜得多，除了基於昇騰的整個AI棧之外，稚暉君還使用了ROS（機器人作業系統），來實現訊息分發、業務串流、SLAM等功能。

為了將這兩個「腦子」整合到一起，稚暉君設計了一個四層的載版，透過匯流排把「大腦」和「小腦」連線起來。

“身體”和「腦子」已經就緒，接下來還差一個“心臟”，也就是驅動器。稚暉君使用了之前專案中設計的Ctrl-FOC向量控制驅動器。這是一個超迷你雙通道無刷電機驅動器，能夠實現兩路共100A的無刷電機FOC控制，同時還驅動了一個60KG舵機及一個散熱風扇。

萬事俱備，把上面所有的結構零件和電路整合起來，一輛自動駕駛腳踏車就誕生了。不過，目前階段的腳踏車還遠遠沒法上路，必須為它注入“靈魂”——調參。

稚暉君表示，這個車子的控制程式碼中有 50 多個重要引數，比如控制週期、反饋矩陣、PID 增益等。這些數字全部都要得到合理設定，才能使系統進入穩定且快速收斂的狀態。電機功率、飛輪質量等物理引數的設定則需要有準確的數學模型來指導，否則一不小心就會“翻車”。

在歷經九九八十一難得到模型以後，為了進一步驗證模型的準確性，稚暉君又在遊戲引擎Unity中進行了模擬，先讓腳踏車能在模擬環境中自如行動，隨後再遷移到現實環境當中。

現在，腳踏車已經能夠維持自身靜態和動態的平衡，也有了“自己行動”的能力，接下來就要引入自動駕駛技術了。

透過腳踏車搭載的RGBD深度相機，再結合AI演算法，腳踏車就擁有了自動避障、自動跟隨等功能。

再用上鐳射雷達，腳踏車就能像掃地機器人那樣自動規劃路線，探索未知環境了。

至此，這輛被稚暉君命名為“軒”的自動駕駛腳踏車終於算是初步完成了。

做一輛自動駕駛腳踏車，腦洞從何而來？

有類似想法的人，稚暉君並不是第一個。2016年，谷歌就拍攝了一段“自動駕駛腳踏車”的短片，雖然最後谷歌自曝那只是個愚人節玩笑，腳踏車的“自動駕駛”也是透過畫面合成的，但還是讓人們大開眼界。

2019年，清華大學釋出了自主研發，同時也是世界首款異構融合類腦晶片。當時為了演示這款類腦晶片的效能，清華大學就製作了一款自動駕駛腳踏車，並因此登上《Nature》封面。稚暉君這次啟動“軒”計劃，就有致敬清華大學的因素在裡面（雖然兩者原理並不相同）。

除了本身的興趣和致敬之外，稚暉君之所以會開啟“軒”這個專案，也有自我提高，熟練新技能的目的——作為華為重金簽約的天才少年，稚暉君之前接受過不少採訪，他也透露過自己業餘製作的各種專案是因為“比較喜歡在積累了一定程度的新知識和技能之後，構思一個專案把這些知識都用上並呈現出來。”

而對於稚暉君來說，加入華為天才少年計劃，不僅是對自己能力的一種認可，同時也讓個人愛好、公司價值、時代趨勢達成了統一，而這對於稚暉君來說正是他最理想的工作狀態