小孩也能玩轉人工智能?-RISC-V加持下的AI機器人小車評測
發布時間:2019-11-01
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小孩也能玩轉人工智能?-RISC-V加持下的AI機器人小車評測
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截止目前,身居電子行業的從業者,幾乎沒有人不知道人工智能這個詞。但是,即便耳熟能詳,對絕大多數人來說人工智能即熟悉又遙遠,一般都會認為這是一個最頂尖的領域,非常晦澀難懂。

然而實際情況呢?確實很難,除了人工智能這個詞本身具有廣泛的概念,其下細分出像機器學習、機器視覺、深度學習等無一不是各個領域頂尖的難題。不過,今天電路城要給大家介紹的是一款易于入門學習的人工智能機器人小車,讓你告別枯燥難懂的編程體驗,而實際專注于應用本身,而且其最大的價值不是在于必須要多么資深的工程師才能玩轉,而是真正面向那些對人工智能有興趣、想琢磨的青少年朋友,讓他們在玩的過程中學習,在學得過程中通過玩更進一步加深學習印象。

M.A.R.K機器視覺人工智能學習小車

不久前,電路城拿到柴火創客教育推出的M.A.R.K機器視覺人工智能學習小車。M.A.R.K ,即Make A Robot Kit,是一款由人工智能技術賦能,致力于K12人工智能教育的機器人產品。通過 M.A.R.K,用戶能實踐學習機器人的組裝與搭建,并親身體驗到如圖像識別,物體檢測,機器視覺巡線及自動駕駛等人工智能技術。M.A.R.K 所使用的的機器之眼主控板(CyberEye) 可以支持 Codecraft 圖形化編程 和 Python 文本編程。在M.A.R.K 組裝完畢后, 用戶就可以通過官方的項目式教程逐步編寫自己的智能應用程序,掌握編程技巧和人工智能相關知識。

剛收到這個機器人小車,著實被這碩大的包裹嚇一大跳,原本以為是個很小很精致的STEAM產品。另一方面,從包裝上也看到到標注的適合12歲以上的青少年朋友學習。

打開包裝呈現在我們面前的是整齊的器件排列,都被很好的嵌入在緩震泡棉中,整個產品在運輸過程中也不用太擔心造成的損壞。

除了第一眼看到的一層,還有第二層的空間,布局著更多配件,包括主控板以及諸多的傳感器板。

下圖是機器人小車的所有器件,可以看到廠商非常的貼心,還贈送了螺絲刀跟電池。

所有器件詳細的介紹如下:

核心大腦:ESP32 + K210 Ai模塊

下圖是核心主控模塊,包括了2.4寸彩色液晶顯示屏。(像素是240*320,成像區域是160*120。)

當然,顯示屏不是重點,重點是核心主控板cyberEye,也就是在PCB板子的正面,我們可以看到的ESP32 WiFi模塊+K210 AI模塊的組合。cyberEye是基于帶有神經網絡加速器IP的SoC芯片方案推出的一款:兼容Arduino硬件擴展接口的人工智能教育學習開發板,可以離線運行圖像識別相關算法和人工智能模型、人臉檢測、 MobileNet 物體識別、 tiny yolov2 20分類? 、 識別顏色值、找形狀、找直線、面部識別等、 MNIST 手寫數字識別、 Feature map 顯示。

cyberEye上搭載的AI模塊是SiPEED推出的基于勘智K210 AI芯片的人工智能模塊。

勘智K210是集成機器視覺與機器聽覺能力的系統級芯片 (SoC)。使用臺積電 (TSMC) 超低功耗的 28 納米先進制程,具有雙核 64 位處理器,擁有較好的功耗性能,穩定性與可靠性。

K210 包含 RISC-V 64 位雙核 CPU,每個核心內置獨立 FPU. K210 的核心功能是機器視覺與聽覺,其包含用于計算卷積人工神經網絡的 KPU 與用于處理麥克風陣列輸入的 APU. 同時 K210 具備快速傅里葉變換加速器,可以進行高性能復數 FFT 計算。因此對于大多數機器學習算法,K210 具備高性能處理能力。

K210 內嵌 AES 與 SHA256 算法加速器,為用戶提供基本安全功能。

K210 擁有高性能、低功耗的 SRAM,以及功能強大的 DMA,在數據吞吐能力方面性能優異。

K210 具備豐富的外設單元,分別是:DVP、JTAG、OTP、FPIOA、GPIO、UART、SPI、RTC、I2S、I2C、WDT、Timer 與 PWM,可滿足海量應用場景。

因此,勘智K210 定位于 AI 與 IoT 市場的 SoC,同時是使用非常方便的 MCU,可以支持機器視覺解決方案,或者支持機器聽覺解決方案,或者兩者結合,實現機器視覺/聽覺混合解決方案。

具體來說,在機器視覺方案中可以實現如基于卷積神經網絡的一般目標檢測、基于卷積神經網絡的圖像分類任務、人臉檢測和人臉識別、實時獲取被檢測目標的大小與坐標以及實時獲取被檢測目標的種類等等;

而在機器聽覺方案中可實現像聲源定向、聲場成像、波束形成、語音喚醒、語音識別等功能;

而在機器視覺/聽覺混合解決方案中,勘智K210 可提供更強大的功能。一方面,在應用中既可以通過聲源定位和聲場成像輔助機器視覺對目標的跟蹤,又可以通過一般目標檢測獲得目標的方位后輔助機器聽覺對該方位進行波束形成。另一方面,可以通過攝像頭傳來的圖像獲得人的方向后,使得麥克風陣列通過波束形成指向該人。同時也可以根據麥克風陣列確定一個說話人的方向,轉動攝像頭指向該人。

下圖則是機器人小車的云臺攝像頭,規格型號為OV2640,支持200萬像素,該攝像頭一共含有兩個舵機和一個攝像頭模塊,通過數據線連接到cyberEy主板。

下圖則是超聲波傳感器,非常常見,尤其接觸智能小車或者機器人的應該不會陌生。作為一款非接觸式距離測量模塊,工作頻率為40KHz。當我們通過信號引腳提供超過10uS的脈沖觸發信號時,超聲波模塊將發出8個40kHz周期的周期并檢測回波。回波信號的脈沖寬度與測量的距離成比例。從而我們可以得出距離的測量,公式為:距離=回波信號高電平時間*聲速(340M / S)/ 2。

下圖是一個按鍵模塊,包含一個獨立的“瞬時開/關”按鈕。“瞬間”意味著按鈕在釋放后會自行彈回。按下時按鈕輸出HIGH信號,釋放時按鈕輸出LOW,沒什么好說的。

下圖則是電磁鐵模塊。主要的材料是電磁鐵,與普通磁鐵不同的是,它磁場是由電流產生的。由于安培定律,在導線中流動的電流在導線周圍產生磁場。為了集中磁場,在電磁鐵中將導線纏繞成線圈,其中并排放置許多匝線。所有線圈的磁場穿過線圈的中心,在那里產生強磁場。

以下是循跡傳感器模塊。其工作原理就是利用紅外線的物理性質來測量的傳感器。M.A.R.K小車在巡線時,循跡傳感器會發射紅外線,經過地圖的反射,再被循跡傳感器接收到,由于黑白兩種顏色對紅外光的吸收比例是不一樣的,黑色會吸收較多的紅外光。因此,小車可以自動巡線。

接下來是機器人小車的M.A.R.K.主板,更確切的說是帶擴展接口的底板,基本上pcb板上主要是一些接口擴展,連接核心板以及小車的各個功能模塊,如攝像頭,傳感器,電機等,唯一需要注意的是在組裝的時候確保接線正確。

底板的另一面則基本沒什么元器件,沒什么好說的。

最后一個是小車的車架,自帶馬達以及電池盒。

看完機器人小車的配件,自帶的傳感器模塊還是非常豐富的,我們可以根據不同的功能進行自由組合,如此可以實現不同的功能,比如:

  • 利用循跡模塊或者攝像頭自動巡線;
  • 結合超聲波傳感器不僅可以自動避障,還可以在巡線的過程中自動避障;
  • 通過機器學習,識別多種類別的物體,例如:數字、家庭動物、普通物體和交通路標;
  • 配合燈光和揚聲器用作不同場景的提示,例如:廣場巡邏時,發現危險事物提示相關工作人員;
  • 結合硬件配備卡片,可以實現商場巡邏、自動運載特定事物和根據路標自動駕駛并避障行人等;

介紹完小車的硬件部分,接下來筆者將把小車組裝好,組裝過程就不多啰嗦了,官方提供了詳細的組裝文檔,基本上青少年自己動手組裝也沒什么問題,只不過要注意其中的幾點:比如Speaker的連接;伺服電機的接線以及傳感器模塊的連線。

組裝完成后的小車

花了1個多小時把機器人小車組裝完成,小車側面圖。

正面圖,還未取下攝像頭上的蓋帽。

小車尾部圖,包括了眾多電源接口,調試接口,開關等。

小車俯視圖。

以上都是沒有將小車車蓋裝上去的,方便大家觀看小車結構,最后一張則是完整的小車樣子,車蓋是通過磁吸安裝在小車上,非常的方便,這個設計值得借鑒,當然也僅限于速度不會很快的小車上。

機器人小車實測

終于到了最終環節,振奮人心的實測環節。不過在此之前,我不確定板子是否已經在出廠燒錄了內置的程序,所以不死心的試了下,貌似沒什么反應,只有攝像頭來回轉動,屏幕顯示welcome to cyberEye。

所以最終還是免不了需要先對小車編程,編程主要針對主控的核心板,所以可以非常方便的直接拿下主控板編完程序在裝到小車上。

如何編程?柴火創客提供了不同的編程方式和編程語言,軟件平臺提供Codecraft,可以支持windows、mac系統以及也支持手機app的編程,另外也有在線版Codecraft編程,為了方便,筆者選用的是在線版編程的方式。其次,小車的編程語言支持圖形化編程和python編程方式,作為一款主要面向青少年教育的AI機器人小車套件,孩子對編程的學習不會像成人一樣,需要更好的方式,而圖形化無疑是更直觀和更簡單的,即使是零基礎的學習者也可以通過簡單的學習、快速掌握并編寫程序來控制硬件,完成項目的創作。所以柴火創客教育的Codecraft是一款基于Scratch 3.0開發的圖形化編程軟件工具。

打開在線版編程網址。獲取網址:https://ide.tinkergen.com/(推薦使用瀏覽器: Chrome。同時支持 Safari/ Firefox/ 360極速/ 360安全瀏覽器)

默認是一個其它的模塊,我們可以在設備中選擇添加設備,添加cyberEye模塊。

載入完畢后可以看到,官方非常貼心的把各種功能模塊的分別歸類,所以我們可以按照相應的功能需求直接從分類中獲取需要的功能模塊,然后再根據自己的連接方式選擇相應的信號管腳進行圖形化編程。另外在上傳程序的時候需要有相應的驅動,如果沒有安裝會提示你相應的安裝步驟,基本上照著使用指導的步驟來就行了。

安裝驅動完成連接cyberEye開發板時會在電腦設備端看到端口,不過讓人疑惑的是有兩個,用哪個?或者兩個都可以?

實際試了下,發現兩個都能連接,但是在連接的同時能上傳的是COM8(以筆者電腦為例),判別的方法很簡單,其一COM口會顯示cyberEye COM8,其二會有查看我的固件的提示,其三會點亮可以上傳的按鈕。

上傳之后我們就可以將cyberEye核心板安裝回機器小車上,當然,你也可以直接拿著小車來不用將核心板頻繁的拆卸進行編程。

下面是實際演示的情況。

小車的自動巡線功能演示。

另外筆者發現底板上裝修鋪設的“瓷磚”中間正好也是一條黑線,正好也可以用于小車的巡線,其次,在下面的功能中加上超聲波傳感器,在檢測到障礙物的時候全速后退。

識別跟蹤。

危險物的識別。

代碼很簡單,用圖形化編程的少年朋友都不需要接觸神經網絡就可以直接使用專注在功能上。

危險物識別demo。

官方給出的例程除了巡線等功能比較稱贊外,關于機器視覺的這部分還有很大的提升空間,當然這跟攝像頭本身的素質,神經網絡模型的算法,訓練的數據都有很大的關系,如果對這部分感興趣的朋友就需要自己鉆研了,對于這部分內容來說,官方的答復是后續會針對高級課程推出相關內容,目前提供的并不多。可能他們的主要的對象還是針對青少年朋友,關于AI,神經網絡這部分內容并不適合青少年朋友,所以只實現基本的功能,這基本上滿足青少年學編程的需求和目的了。

小結

柴火創客教育推出的AI機器人小車M.A.R.K相比市面上眾多的人工智能小車明顯要真智能許多,搭載了勘智K210 AI芯片的人工智能模塊,可以有效進行機器視覺和聽覺方面的開發,因此,在筆者看來,除了使用圖形化編程去實現小車的功能適合青少年,同樣也適合對人工智能,對機器視覺聽覺感興趣的工程師朋友,市面上通常的機器視覺以及聽覺的開發板雖然也有,但是缺少應用產品的支撐,而這個M.A.R.K.正是由人工智能芯片為核心的機器人小車,在你實際去研究神經網絡模型、算法等的同時,還能在實際應用中測試體驗自己的研究成果,何樂而不為呢?

 

關于柴火創客教育AI機器人小車更多內容的介紹,也可以訪問官方的詳情頁面:

https://www.tinkergen.com/cn_mark

 

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