还记得《自然》（Nature）杂志发表的清华大学“天机芯”论文里酷炫无人驾驶自行车吗？S型路线跟踪语音控制“左转”语音控制“直行和加速”自主避障8月1日，清华大学类脑计算研究中心施路平教授团队在《自然》（Nature）杂志上发表了一篇封面文章，发布了一项最新研究成果——类脑计算芯片“天机芯”。同时，文章中搭载天机芯，由优必选科技人形机器人首席科学家、清华大学赵明国教授团队打造的无人驾驶自行车也火爆网络。近日，赵明国教授做了《基于自然动力学的机器人控制——无人驾驶自行车及被动行走》主题分享，详细讲述了团队是如何利用天机芯实现自行车的自动驾驶，并介绍了背后生动有趣的被动行走理论。年赵明国教授进入清华自动化系工作，全身心投入到仿人机器人步态控制及无人驾驶自行车的研究中。他不仅是清华大学自动化系副研究员、机器人控制实验室主任，同时担任优必选科技人形机器人首席科学家，和优必选科技人形机器人团队一起在最前沿的人形机器人技术上进行探索，他所带领的团队多次参加全球机器人领域最知名的RoboCup机器人世界杯比赛，在多个赛项上获得前三名。无人驾驶自行车能用吗？机器人在某种能力上达到人类的水平，甚至超过人，这是所有从事机器人研究的人，尤其是专注运动控制的研究人员需要面对的一个挑战。在挑战的过程中，我们追求的是哪些可以提炼出来做一些新的东西控制方法。所以，我们本身的目的并不仅仅是把无人驾驶自行车做出来，更是把它作为一个标杆，去验证一些技术，然后让这些技术在其他行业能够应用。无人驾驶自行车在天机芯片研发过程中的应用就是一个很好的案例。大家几乎都会骑自行车，而且对人来讲自行车一旦会骑了就是一件很容易的事情，它的平衡受很多因素的影响，如自行车速度、车轮和地面之间的摩擦、风的扰动等等。自行车是人类项最伟大的发明之一，但其力学和控制机理仍没有完全清楚，一定有很多内容值得我们去做研究，一个看起来很简单的自行车却可以作为研究平台。我们早期的研究中，是在固定的速度下，通过车把的转向控制就可以实现在平地上行驶，在稍微粗糙一点的草地上也具有比较好的稳定性，甚至可以过一些障碍。通过控制让自行车做到这样的功能没有特别大的难度，我们通过第一代的天机芯片就实现了这个功能。对于自动行驶的自行车控制起来真正的难度在于低速度、变速度和有各种扰动的时候，能不能做的更好，需要考录更多的内容。当车身发生倾斜的时候，重力力矩会使车很快倒掉，所以车一定要以一个速度绕着圆弧行驶，这样离心力就会和重力达到一个平衡，车就不会倒掉了。关于低速行驶，我们也做了一些实验，通过改变车的部分结构并来车的速度可以降下来，实验中我们能把速度降到1.5公里每小时，相当于成人散步的速度。我们对车的最初想法是让它自主跟住主人，所以我们用神经网络做了一些训练，让车可以在主人的后面跟着主人跑。我们最开始的愿景有这一项：主人变速车要改变速度，主人变路径车也要改变路径。这就要求在车的平衡控制功能之外，系统要具有一个视觉闭环，能够去追踪主人及做好行驶路径控制。把这些都做完之后，和整个天机芯片团队一起，再加上语音识别等功能，并把它们都用天机芯片来实现。天机芯片是世界上第一个异构的芯片，我们的识别、操控恰好为它提供了这样应用问题。自行车的运动模型这是自行车的数学模型，车身倾角、车把转向角、后轮速度，三个变量就可以描述了。一个后轮或者前轮驱动电机，一个车把转向电机就能够实现控制，当然需要角度传感器测量车身的倾角，这个系统的平衡原理和倒立摆没有太本质的区别。这是一个已经做了简化的动力学方程，去掉了若干影响比较小的项。我画圈的很多项的系数都和速度相关，变速行驶时模型参数会发生很大变化，就不是那么好控制，我们科普自行车原理的时候就只保留最主要的那几项，实际上也就可以实现匀速的控制了。但为了更大的适应性，解决状态之间的耦合，对参数的敏感等，都要在工程上把这些做得很好。我们最主要的工作之一是把速度估计做得比较准，测车轮的速度是不够用的，传统的状态观测器也不太适用，也很难建立模型，我们需要把这些理论和实际情况结合起来去具体解决这件事情。下面是就简化的模型介绍控制系统。控制器结构也像大多数机器人一样，包括一个反馈和一个前馈。反馈部分解决不确定性的问题，前馈部分解决动力学问题。所以我们把动力学的K1、K3计算好，再把反馈部分的K2调好，单一速度的平衡就可以做到了。这是最基本的控制系统，我们还要解决很多问题，比如下坡时后轮要不加动力，车速会变化非常大，需要加一些刹车控制车速。正常的控制系统可以加速、可以减速，在自行车里只能加速没有减速，不应该靠电机主动减速，这样效率不高，应该靠刹车来减速，所以调整车速的时候就涉及到大量工程问题。经过摸索，现在这个车能够实现上坡、下坡、适应负载的变化、风的变化基本都没有大的问题。我们也用神经网络自动去适配速度来应对速度的变化，实际上很好地解决了这些问题。我们未来想做什么？短期要把低速、静止，包括机动性、粗糙路面做得更棒。中期还是希望自行车能够实现的更多人类具有的功能，比如腾空、稳定落地等。将来希望自行车能够在更复杂的环境中行驶，还需要增加环境感知系统，因为一辆自行车或摩托车跑到公里每小时以上，对环境的感知会有非常高的要求。所以，它能带动的挑战性问题也应该比较多。这个车可以继续做下去，除了验证天机芯片的功能以外，它本身控制能力的研究也很有趣。这个自行车能不能用？我经常都会被问到这个问题，因为每周都有人到实验室来参观，从教授到企业家都会问类似的问题。基本分成两种看法，有人觉得这个很好，也有些人觉得没什么用。认为明天就能应用的可能有点理想化了，认为没用的人可能只看到了当下。曾经有一家世界强企业的董事长，清华的副校长带着他来实验室，他问我搞这个有什么用，他觉得没什么应用的可能。当时我就问他是否认为这是学校里面可以做的研究工作，他表示认可。我说我们把事情分成两部分，第一部分是做研究，第二部分是做应用，做研究是我们的事情，做应用是企业家的事情。实际上无人驾驶自行车要面临的环境非常复杂，我们几乎处理不了，现在只能说我们有了一项技术，但是可能还有十项技术要我们去做，才能达到能应用的效果。只做其中一个，不足以支撑那么多应用，所以希望更多的人加入进来解决更多的问题。被动行走理论的前世今生这是加拿大的一个教授在年到年做的工作，是一个机械结构，在一个非常小的斜坡上给了一个初始的状态以后，它就可以走下去，而且走出来的性能指标和人比较接近。年它发表在机器人领域最好的杂志IJRR上，作者几乎把这套理论和方法全部写下来了，但实际上这个结果一直没有得到太多人的

转载请注明:http://www.aideyishus.com/lkgx/6620.html