小米新发布的平衡车自动跟随是什么原理怎么实现的啊？

转贴一份由Ninebot总裁王野主笔及研发团队(任冠佼、刘晓影、张晶)共同撰写的《九号平衡车Plus开发日记》第三章——更好玩：无线电跟随的创新挑战。这里或许有大家想知道的答案。

很多人把2015年叫做“机器人元年”。在那一年，很多个人助理机器人映入大家眼帘，比如说Jibo，Pepper，Buddy。作为一个机器人行业的老兵，在我们传统的思想，机器人是生产力工具，然而那时候我意识到，原来普通用户对于一个私人的机器人助手是抱有多大的期待！然而，理想是丰满的，现实却是骨感的——机器人技术距离科幻电影中那种情景，或者说大家思想中期待的那种场景，距离还太远了。那能否把需求先简化一些呢，先做个小跟班吧，哪怕啥也不做，就是跟着你就好。

自动跟踪这个需求本质上来自于用户反馈。作为产品设计者，我们最大的喜悦其实来自用户对我们的肯定，因此也会不断的查看各种评论与反馈。我们在一些论坛上看到用户的反馈：“有的时候我不想骑平衡车，推着又太累，能否让它跟在身后呢？”恰逢当时我们也在关注一些高精度定位技术，需求与技术两者结合，我们就想到了做一个自动跟随功能。但是没想到当时的技术也远没有达到可量产级别，给我们的产品设计带来了很大的挑战。现在回过头来看，真的是一路坑。好在，都被我们一一趟平了。

Plus实际上还有一个同胞兄弟，就是Segway

Loomo(中文名“路萌”)。Loomo加入了Intel的Realsense可以获取RGBD的视觉信息，带有一个屏幕，并配备x86架构处理器，可以说性能更加强大，且交互体验更加完美。我们都明白，想做跟随功能，更好的体验是不需要用户按任何的启动按钮，最好是依赖视觉，当机器人找到你的时候，就发现主人来了并跟上。然而，使用视觉最大的问题，成本还是太高。一套完整的解决方案需要一个CPU(中央处理器)而不是MCU(微控制器)，需要一套Camera的系统，例如Realsense或者分辨率很高的摄像头，随之而来的就是需要的处理信息很多，功耗增加、发热等等问题，而解决这个问题务必要增加散热结构、代码优化等各种工作量。这个给我们带来了巨大的挑战。

那么能否用一个尽量简单的方案实现同样的用户体验呢？答案是有的。采用无线电定位的技术，就可以在不牺牲太多用户的前提下解决这个问题。为什么说不用牺牲太多体验呢？实际上我们认为让用户佩戴一个信标不是一个那么好的体验，但是我们还收到另外一个反馈：“九号平衡车的手机遥控没有手感反馈”，那么，能否将被跟踪的信标和实体摇杆集成在一起呢？因此，我们才想到了做一个遥控器，它既是可被跟踪的信标，又是实体摇杆的通讯载体，可以同时实现遥控与跟随。完美！

然而，基于无线电定位的技术，实现起来并不简单。

我们定制的无线电跟随技术，在我们把它民用化之前，有一个应用场景是美国海军的补给品定位，包括舰上和岸上仓库内的人员和物资定位，以有利于快速调度。

我们是第一次将其用在了消费电子领域，实现了自主跟踪，并实现了量产。

这里面有两大坑。

第一点是天线的设计问题。我们最早拿到解决方案的时候，是能够实现较高精度定位的。“角度精度5°、距离精度10cm”这个精度足够我们做跟踪了，但是现有方案前提条件也比较多，比如水平安装高度会影响定位精度，比如对定位系统自身的姿态要求很高，姿态会影响测量精度再比如说地面会反射等问题。如果要求用户握持遥控器时必须保持固定姿态，或者要求用户握持遥控器的高度与平衡车相同，这显然是不可接受的。我们首先要解决的是设计一款能够不受姿态影响的天线，这可难坏了我们这样机械、电子出身的工程师，这完全是雷达、射频领域的问题啊。隔行如隔山，对于我们这些射频零基础的人，必须恶补一下相关的知识。不过，工程师存在的价值就是发现问题、分析问题、解决问题，在几个月的时间内，我们深入理解了天线领域的一些全新概念和设计方法，而在几个月之前，我们听都没听过。伴随着时间一点点的推进，我们的知识逐步完善，加上请教这个领域的一些专家，再加上供应商的一些帮助，我们的天线一遍又一遍的改进，终于搞定了！回过头来看时，我们车辆端遥控器已经做了9款，遥控器端也已经做了7款，终于做出了既可靠，成本又低、可量产的天线。

此外我们还做了很多的工作来提升这个系统的稳定性与鲁棒性，比如说采用一个电机带着天线转、比如说天线做一个倾角，经过不断尝试，一个新的基于无线电的定位系统就实现了。当我们回过头看时，这不就是一个雷达系统嘛！

第二点是射频信号对于金属以及人体遮挡非常敏感的问题。Demo完成的时候是2016年的9月份，当时基本的跟踪已经成型了，但是由于使用的技术局限，当金属或者人体遮档天线的时候，测量角度会产生很大的偏差。

这里面结构团队与ID团队给了非常大的支持。为了不遮挡信号，我们脚控部分的型材无法直接坐到腿垫的位置，而需要通过塑胶件来支持整个强度。将塑胶件做到金属件相同的强度，恐怕也只有珍源了。可以看到下面这个像手雷一样的塑胶件，每一根筋的形态都是经过特殊设计的，目的就是不影响信号的情况下，做到高强度。

然后就是遥控器的设计了，为了不让用户手遮挡天线，晓影同学的ID，在满足人体工学的前提下，最大程度的露出了天线部位，让通讯质量良好，有助于定位。

接下来就是算法的处理了。在这样设计的前提下，信号仍然被遮挡了怎么办？我们采集了信号强度、测量的距离、测量的角度等等各种一系列的数据，进行了离线的机器学习，训练出了一套判断遥控器信号质量的参数。这样，每次信号来后，我们就知道这个信息是否值得被信任，如果连续收到信号质量差的数据，则自动跟踪停止，不至于撞到旁边的行人或者飞车。所以，现在的胖九跟随时如果你刻意的遮挡住遥控器，车辆会比较稳定的停在原地。

到此为止，一个能够稳定自动跟踪的系统，终于被我们设计出来了。我们将一个用在军工、工业级的技术，带来给普通的用户，让大家第一时间感受到科技给生活带来的乐趣，这种感觉让人心里成就感爆棚。

好奇心是探索世界的一把钥匙，感触太深了。5月份的一天，我在我家小区测试平衡车跟随的时候，一个五六岁的小女孩看到了，就非常萌的问：“妈妈，为什么这个平衡车可以自己走啊？”她妈妈的回答更加搞笑：“因为那个小车有电呀！”听到这个结论不禁莞尔，我真想告诉她，这里面有非常先进的无线定位技术，而不是简单的因为有电……还是保持一种神秘吧，希望她能够探索这里面的秘密。不过回想过来，我们能否也能保持像小女孩这样的好奇心，不断探索世界呢？

未完待续……

Robotics两大主体业务，持续以创新技术研发生产具有未来科技体验产品。目前在中国(北京)、美国、荷兰、新加坡设区域总部，拥有700多项行业核心专利，在全球超过100个国家和地区拥有渠道网络。企业机构股东包括红杉资本、小米科技、Intel、GIC、海泉基金等，估值15亿美金，成为一家独角兽公司。