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爆肝200天，18岁高中生用树莓派造机器人

电子工程世界 2021-08-08 07:30
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难以想象，这竟然是一个18岁高中生独立做出来的机器人！
无论室内外，都能实现跟踪：
就连在黑夜里跟着走，也No problem：
当坐骑也完全没问题：
原理确定、外形设计、电路连接、代码编写，所有工作耗时200天。
而且，全部由这位叫做凌十七的B站Up主一人完成！
视频上传不到3天，就斩获近百万播放量。
本来，自主导演的机器人故事和硬核DIY机器人全流程已经足够惹眼。
在视频即将结束时，Up主还掏出乐器，为这一项目献曲一首，直接引爆了弹幕：
请问还有什么是您不会的呢？
六边形战士！
宝藏男孩？！
从程序员，到导演，到音乐爱好者，多种身份无缝切换！
这到底是怎样的一位Up主？
这又是怎样的一个机器人？

从建模到制作，全自主设计

要做一个什么样的机器人呢？
凌十七给出了他心目中的标准：
钢结构，塑料外壳。
能跟随，能跑，能装东西，能拉着走，关键……还能坐。
画好了设计图，18岁的少年沉吟道：可行。
那就开始，第一步：建模！
大家来感受一下这个建模工作量：
拉近了看，整个机身的设计并非粗糙直白的几何形状，而是参考人体工学，从稳定性和实用性等方面进行了设计：
建模完成后，就迎来了下一个头秃程度不输建模的环节——
外壳制作。
让模型从电脑来到现实里，凌十七选用以水洗树脂为材料进行3D建模。
这听起来似乎不需要过多的操作，只要坐在机器前等着收成品就好：
但实际尝试起来，问题可就太多了：

  • 使用水洗树脂作为打印耗材可能会出现开裂问题

  • 在成品外壳过薄时会出现更严重的变形，进而导致无法安装

  • 超大尺寸的零部件对于组装精度的要求非常高

这中间没有捷径，只有一次次进行地尝试、调整、再尝试、再调整。
样子成型了，接下来就是给零部件们上补土。
这道工序能在统一底色的同时，填补了打印表面出现的不平整。
然后就是外表制作的最后一步，刷漆：
现在，“很没有技术含量，非常无聊且浪费时间”的外壳制作环节完成了。
再来看机器人的眼睛，凌十七所选用的二维激光雷达：
他一共使用了两个雷达，并都根据通信规则重写了解包算法。
好，接下来就是去制作机器人的心脏了！
凌十七选择了单片机作为主控设备，来控制无刷电机和舵机，并进行遥控、驱动和跟随速度方向的最终判断：
然后将树莓派作为跟踪算法输出设备，串口传输数据给单片机：
这里的单片机和树莓派都由一个统一的10A降压模块供电。
但由于树莓派USB可提供的电流非常小，而雷达又是直接从USB端口拉供电的，所以一开始常常会陷入无限重启的状态中。
因此，凌十七把雷达中的电路供电压（VCC）单独引到了5V，解决了这个问题。
至于完整的跟踪功能，凌十七一共用了250行代码来实现。
和外壳制作相比，代码书写称得上是“很有技术含量，非常不无聊且花费时间”了。
毕竟，在最后列出来的已解决的问题中，程序方面的例子是最多的：
要能在硬件支持范围之外跟踪目标，因此限制了跟踪角度，超出后重新寻找目标；
要防止在丢失目标时乱跑，因此就通过程序使在探测到目标距离过长时停止跟踪；
还要能够及时与单片机通信，防止通信过多丢失数据，以及非线性的转向算法……
而最终，设计图里所提到的功能，已经基本实现了。
除了开头提到的功能外，存储东西也完全没问题：
站在自己这十分有说服力的杂乱地面上，凌十七这样表示：
这是我这辈子目前开发过最难的项目。

机器人背后的故事

没错，从0到1打造一个机器人，对于机器人专业的学生来说也许不难，但对于高中生而言，需要自学从编程、电路到自动控制的所有技术知识。
软件上，所有程序和软硬件代码都需要自行调试、优化，算法上修过的bug可以说是“不计其数”：
硬件上，在对机身进行建模时，凌十七虽然专门学习了相关的设计方法：
但自己动手做的时候，仅仅是外壳设计这个“看起来没啥技术含量”的工作，就耗费了相当长一段时间，坏过好几个外壳：
可想而知，除了外壳，在建模和设计上还有多少需要更换的零部件。
凌十七自己也表示，最后产出的零件垃圾甚至“能再造一台机器人”出来：
后来好不容易做好后，机器人又损坏了一次。
2020年8月开始设计、10月制作，但在12月份进行户外拍摄的时候，这个机器人的“头部”意外掉了。
由于脖子连接处的舵机很不牢靠，最初只是搭在机器人身上，很容易取下来，导致虽然在家中实验时没出现任何问题，但在不平坦的路面上却无法hold住，最终坏了。
了解这一情况后，凌十七改进了机器人结构，全部采用螺丝固定，就没有再出现类似的问题。
但也正是因为这件事，项目被迫中止了一段时间，后来拆除接近1/3的机器人外壳，重新制作后，才于2021年4月左右完成。
当然，也并非只调整了外壳，这次改装也对软件进行了重新升级。
雷达上，加入了三四个算法，主要是为了优化通信和雷达的无效数据，还有几个是为了排除跟踪时可能出现的误导、或是某些严重影响运行效果的情况；
驱动算法上，也经过了参数调整优化，但这一操作并不规范，基本是在试错，如果进行更正式的项目的话，可能会算好一个正规的模型，再进行编程。
所有算法都是凌十七自行编写的，没有参考其他算法：
毕竟没见过类似产品，而且在确定原理的时候，脑子里就已经想好逻辑了，所以也没想过要找别人的代码。
经过9个月打磨的机器人，从各方面来说都较为优秀，不过对于凌十七来说，还是有可以继续改进的地方。
一方面，机器人并不能做出表情，所有视频中的表情都是后期处理上去的，也就是特效制作。
凌十七表示，原本是想外包特效，结果发现外包能力不足，做出来的特效太拉垮……所以就自己学着去做了，效果确实要更好。
当然，直接显示表情也是可以做到的，只是“目前市面上已经有很成熟的算法了”，因此他没有考虑作为机器人的“亮点”来完成。
另一方面，从机器人本身来说，物理稳定性不好；而避障算法所采用的两代激光雷达，也都受光照影响，效果与预期有差距，户外的表现不够好。
如果有时间再优化的话，凌十七打算将两个激光雷达和摄像头进行结合，会让户外跟踪更加稳定。
至于为什么要做这个机器人？
凌十七表示，最初是想找个人帮忙拎设备（如录视频所用的三脚架、摄像机），后来意识到，这件事可以“不必由人来完成”。
要是能做个自动拉货车，还能当代驾，岂不美哉。
虽然后期确实投入了巨大的精力，但从完成度来看，效果还是非常不错的。
而机器人小D（Devil）的名字，则来源于一首名为《Devil Swing(Remix)》的歌。
也正是因为这个项目，让凌十七决心从电子工程转专业（此前已被佐治亚理工学院录取），去学习AI和机器人。
△原本想要学习的专业
在接受量子位采访中，凌十七表示，自己通过这个项目意识到，以后可能是算法的天下，所以想把重心更多地放到编程上。

“想转专业去搞AI&机器人”

凌十七来自上海师范大学附属中学（上师大附中），前16年也与其他中学生一样，“基本在应对考试中度过”。
高一，凌十七通过竞赛接触到机器人，从此打开了新世界的大门。
视频中可见，除了在“机器人综合技能”和“电子控制项目”比赛中获得一等奖以外，凌十七还发明了一种“激光定位特殊用途使用的遥控装置”，并斩获多个奖项。
凌十七表示，虽然这些比赛“含金量不高”，但成功激起了他对机器人的兴趣：
当我第一次发现，我能让自己以外的事物按照我的意志运行的时候，何其感动，何其震撼，就感觉一切从未如此充满意义。
机器人就是照亮我人生道路的第一道光。
他于2019年开始上传视频，并于2020年初制作了一把小刀，带电路、能发光的那种，播放量一下子从几万冲上了一百多万：
接下来的一个视频中，这把小刀直接进化成了能喷火、变色的光剑，播放量达到了200W+，也坐实了“手工UP主”的名声：
在那之后，机器人小D一打造就是9个月，转眼来到2021年。
期间，凌十七一度有过想要放弃的念头，“感觉再搞下去自己就要不正常了”，但最终还是坚持了下来。
也正是在这个项目中，他找到了自己未来前进的方向。
对于这个机器人，不少大V激情转发：
B站官方也热烈鼓励：
值得一提的是，凌十七的技能点并不仅限于机器人、导演和弹琴，据他的高中同学表示，画画、编曲等等技能点也已经点亮。
对于未来，凌十七表示，更有可能去创业，做产品或是搞创作。如果投身科研的话，大概率会想要研究通用人工智能（AGI）方向。
虽然这个机器人还没有涉及AI方向的算法，不过凌十七表示，已经打算开始从CV学起，做一些相关的AI小项目，例如物体、形状识别等算法。
他会在AI领域擦出什么样的火花？
让我们拭目以待。

来源：量子位

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