繼卓大大發(fā)布了推文“基于RT106x電磁智能車AI算法”，并將此列為2020年智能車競賽的比賽項目之一以后，AI算法智能車受到了廣大同學(xué)和專家的熱烈討論。很多同學(xué)都想在自己的賽道上感受一下AI的魅力，但苦于沒有文檔和工具而無從下手。

在這里向大家介紹我們在RT106x的小車上部署實(shí)施AI的方法，以及一個base line的電磁導(dǎo)引神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，希望能拋磚引玉，激發(fā)同學(xué)們開動腦筋，將AI在電磁智能車上的應(yīng)用發(fā)揚(yáng)光大。

先期準(zhǔn)備

硬件條件

話不多說，首先必須有電磁智能車一輛，無線透傳模塊用于采集訓(xùn)練數(shù)據(jù)（感謝逐飛科技友情贊助）。

下圖是我們使用的車模，其中紅色框內(nèi)車身的7個電感，是AI算法中電磁車運(yùn)行導(dǎo)向的輸入電感。

AI電磁實(shí)驗的車模及其傳感器配置

藍(lán)色框內(nèi)的電感是抓取訓(xùn)練數(shù)據(jù)時的導(dǎo)航電感，在AI算法中并不使用（在模型部署成功后可以拆除）。

軟件環(huán)境

Python：3.7.3

Keras：2.2.4

TensorFlow：1.13.1

模型設(shè)計

模型的目的是通過車身的電感值來推導(dǎo)出對小車舵機(jī)的轉(zhuǎn)向控制命令，這是典型的回歸問題。

我們訓(xùn)練了簡易的Baseline模型，結(jié)構(gòu)如下：

使用Netron軟件顯示的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

如圖所示，模型只使用了Dense算子——也就是全連接層，在一些文獻(xiàn)里稱之為多層感知機(jī)。模型使用最新一筆7個電感的讀數(shù)，參數(shù)19,301個，內(nèi)存需求很小，運(yùn)算速度快，用RT1060哪怕是按16位量化也完全無壓力。

不過，各位同學(xué)不要以為設(shè)計完了模型就萬事大吉了，以為有了AI模型就可以忘掉經(jīng)典算法中調(diào)參的痛苦。小編可以負(fù)責(zé)任地告訴你，痛苦才剛剛開始……

采集數(shù)據(jù)，訓(xùn)練模型

數(shù)據(jù)采集和處理

眾所周知訓(xùn)練數(shù)據(jù)是機(jī)器學(xué)習(xí)的重中之重，沒有完備的數(shù)據(jù)AI模型只不過是鏡中花水中月，沒有任何意義。訓(xùn)練數(shù)據(jù)對于模型而言就是韓信點(diǎn)兵多多益善，但也一定要小心不要引入錯誤數(shù)據(jù)，錯誤數(shù)據(jù)會讓你出軌~啊不，是讓小車出軌，然后就無跡可尋了。小編為了訓(xùn)練數(shù)據(jù)不知道掉了多少頭發(fā)，死了多少腦細(xì)胞。

我們獲取訓(xùn)練數(shù)據(jù)的方法是：小車運(yùn)行經(jīng)典導(dǎo)航算法，由小車的前置電感導(dǎo)航，實(shí)時抓取車身的電感數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)向數(shù)據(jù)，再通過無線透傳模塊發(fā)送到PC端，PC上的串口工具把數(shù)據(jù)保存成文本格式。

怎么把文本格式的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成訓(xùn)練數(shù)據(jù)呢？這就要借助強(qiáng)大的Python了，在腳本里讀入文本文件，把7組AD值作為x_train、x_test，對應(yīng)的轉(zhuǎn)向值pwm作為y_train、y_test，并保存成numpy數(shù)組文件以方便訓(xùn)練腳本調(diào)用，建議生成四個文件x_train.npy、x_test.npy、y_train.npy、y_test.npy，注意數(shù)據(jù)格式要符合模型結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)范圍要壓縮至-128~127之間用于制作測試文件。

在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換時需要對AD值做一個簡單濾波。以下是我們使用的濾波算法僅供參考。

簡單的濾波算法

模型訓(xùn)練

在訓(xùn)練腳本讀取訓(xùn)練數(shù)據(jù)numpy文件，并把數(shù)據(jù)范圍標(biāo)準(zhǔn)化至-1~+1的浮點(diǎn)數(shù)。并調(diào)整數(shù)據(jù)表形狀(reshape)為模型輸入?yún)?shù)的結(jié)構(gòu)。

輸入?yún)?shù)結(jié)構(gòu)
（建議把源代碼的若干個相關(guān)行分自然段，每個自然段添加一行中文注釋。比如reshape的，astype的）

模型函數(shù)：

模型函數(shù)

模型訓(xùn)練部分代碼（添加少量關(guān)鍵中文注釋）：

訓(xùn)練部分代碼
這里保存了臨時文件xxx_ctx.h5，為了訓(xùn)練中途意外停止后，重新訓(xùn)練時可以支持?jǐn)帱c(diǎn)續(xù)練。

優(yōu)化器使用RMSprop，損失函數(shù)使用mean_squared_error。

訓(xùn)練損失函數(shù)

訓(xùn)練時誤差迅速下降，下降速度越來越慢，20輪訓(xùn)練后精度即已接近最終效果。這里顯示了訓(xùn)練了120次后的結(jié)果：loss=0.0044.

訓(xùn)練過程誤差

各位看官讀到這里是不是腦海里已經(jīng)有了智能車策馬奔騰的畫面了，并且迫不及待的想把訓(xùn)練好的模型部署到小車上了？
No No No，經(jīng)常被生活打臉的小編告訴你這是完全不夠的。為什么呢？很簡單模型過擬合了。AI模型運(yùn)行時會有誤差，遲早導(dǎo)致出軌，那么有哪些誤差呢：

模型計算的誤差，邏輯回歸引入的誤差，無論訓(xùn)練多少遍一定會存在一定的誤差

訓(xùn)練數(shù)據(jù)采集時的誤差，前置電感和車身電感距離上的誤差

累積誤差，前兩種誤差會導(dǎo)致小車偏離軌道以至誤差越來越大。積累到在訓(xùn)練數(shù)據(jù)里沒有出現(xiàn)過的程度時，模型就不知該怎么辦了，這是出軌的根源（說起來簡單，小編其實(shí)被虐了很久才悟出來）。

知道了癥結(jié)所在，就可以對癥下藥了：盡可能讓訓(xùn)練數(shù)據(jù)里出現(xiàn)小車的各種回歸正軌的模式。簡單的說就是要引入從偏離軌道狀態(tài)重返回軌道過程的糾正數(shù)據(jù)，我們通過兩種辦法獲得糾正數(shù)據(jù)。

第1種方法：把小車電機(jī)配置成手動控制模式，但要保留轉(zhuǎn)向控制功能和數(shù)據(jù)采集功能。把小車移動到偏離位置，手動推動小車，小車原有的控制算法會矯正方向使小車回到軌道上去。同時要抓取實(shí)時數(shù)據(jù)并保存。如下視頻所示

手動控制模式采集數(shù)據(jù)

第2種方法：在用經(jīng)典算法引導(dǎo)小車時，加入隨機(jī)干擾，故意讓小車偏離軌道一會，同時讓控制算法短暫休眠，小車在此期間會出軌，待算法喚醒后趕緊再糾正回來，并且實(shí)時保存糾正的數(shù)據(jù)。如下視頻所示

經(jīng)典算法引導(dǎo)采集數(shù)據(jù)

總結(jié)一下，數(shù)據(jù)分三部分：

經(jīng)典算法導(dǎo)航的正常數(shù)據(jù)。

手動偏移的糾正數(shù)據(jù)。

經(jīng)典算法隨機(jī)干擾的糾正數(shù)據(jù)。

把三個數(shù)據(jù)合成一套訓(xùn)練數(shù)據(jù)。特別注意第2種方法中可能會引入錯誤數(shù)據(jù)（小車過度偏離賽道，手動移動小車時小車與賽道平面角度過大或與水平面距離太遠(yuǎn)），實(shí)際操作過程中要小心。由于機(jī)器學(xué)習(xí)的不可解釋特性，錯誤數(shù)據(jù)或不合適數(shù)據(jù)會導(dǎo)致不可預(yù)知的行為，所以整個過程可能需要多次嘗試和調(diào)整。

模型部署

經(jīng)過多輪的訓(xùn)練，我們得到最終的模型文件smartcar.h5。

那么怎么部署到小車上呢，這要借助“NNCU”這一套神器了。NNCU模型轉(zhuǎn)換器可以點(diǎn)擊這里從網(wǎng)盤下載，這里有個大禮包，里面有nnCU工具、教學(xué)視頻、用戶手冊，還有一個MCU+AI的ppt。
通過轉(zhuǎn)換器把模型轉(zhuǎn)換成C文件。這樣就可以很方便的集成到原有的工程中了，注意還需要集成一些依賴庫和算法庫，可以參考性能測試工程（nncie_stub.uvproj）。
從網(wǎng)盤中下載解壓nncu_test_nighty.7z，運(yùn)行“nncu_vbgui.bat”，選擇模型文件，配置信息如下：

模型配置信息
這里我們使用14位來量化模型，對于NNCU工具，9-16位都會使用16位整數(shù)來封裝。

16位量化和8位量化相比，以犧牲少量模型推理時間和加倍模型數(shù)據(jù)的代價，換來幾乎無損的精度。
這里還有個重要的小建議：雖然使用16位整數(shù)來表達(dá)，但實(shí)際最好只使用其中的9-15位（未用的位會自動做有符號擴(kuò)展），是為了防止模型運(yùn)算期間的乘累加溢出。

注意輸入數(shù)據(jù)移位指數(shù)7位，這意思是說數(shù)據(jù)里有7個二進(jìn)制位用于表達(dá)分?jǐn)?shù)（或者說是小數(shù)）部分。回想前文提到測試集和訓(xùn)練集中數(shù)據(jù)范圍是-128+127，而模型訓(xùn)練時，模型處理數(shù)據(jù)范圍是-1+1，所以量化數(shù)據(jù)里其實(shí)是放大到128倍了，也就是7個二進(jìn)制分?jǐn)?shù)位。

我們再看“輸出后處理類型“。由于模型是做預(yù)測，后處理需要用戶自己處理，不需要執(zhí)行引擎后處理。
中間層、輸出層分?jǐn)?shù)位數(shù)：由于模型輸出是-1~+1之間，10位分辨率也比較夠用，這里占用量化總位數(shù)14位中的10位來表達(dá)分?jǐn)?shù)。大家也可以試試其它的，比如9-13，一般影響極小。
點(diǎn)擊”干活!”，會跳出后臺轉(zhuǎn)換腳本的命令窗口，稍候片刻會在nncu_pc目錄下生成model1.nncu.c—模型執(zhí)行文件。那么怎么使用以及模型量化后性能怎么樣呢？

NNCU工具里提供了測試工程“test_mcu”，各位同學(xué)可以通過這個工程測試量化后的模型性能，也可以參考這個工程來進(jìn)行模型移植工作。具體的操作，可以點(diǎn)擊看這個視頻（末尾部分），也可以看這篇微信文章"在MCU上實(shí)現(xiàn)AI深度學(xué)習(xí)，你想知道的都在這兒"以了解更多。

測試性能，首先需要制作測試數(shù)據(jù)集。我們把a(bǔ)d_test_dat.npy作為輸入，把模型計算結(jié)果和pwm_test_label.npy值的平方差作為誤差，計算平均差值來評估量化后的模型性能。

把訓(xùn)練集和測試集復(fù)制到”datasetssmartcar_ad”目錄，命名如下：

存儲訓(xùn)練集和測試集合的目錄

點(diǎn)擊工具右下角“制作測試數(shù)據(jù)”按鈕。選擇迷你數(shù)據(jù)集中smartcar_ad，點(diǎn)擊”干活"。在目錄nncu_pc下生成測試文件smartcar_ad.nctv.c。

生成測試文件
下一步是測試模型性能（參照幫助視頻“nncu_使用入門.mp4”）?？截恗odel1.nncu.c, smartcar_ad.nctv.c到目錄test_mcuoardsevkmimxrt1060demo_apps ncie_stub中，覆蓋原有文件：model.nncu.c，tv.nctv.c。

打開工程mdk ncie_stub.uvprojx，在helo_world.c中的測試函數(shù)CIETest，模型計算測試集求得平均差值。平均差值越小表示模型在測試集的擬合性越高。但注意這是沒有累積誤差情況下，實(shí)際上需要多加入回歸正軌的數(shù)據(jù)，否則即使差值小也不能保證實(shí)際效果，只是模型過擬合，在測試集上表現(xiàn)的很好。

應(yīng)用模型激素測試集合進(jìn)行測試

CI_RunModelXIP_NoCopyOutput(pvModel, pImg + 8, (void**)&g_out);

是模型執(zhí)行的函數(shù)調(diào)用，用法如下：

pvModel – 模型數(shù)據(jù)，在model1.nncu.c定義，包含了模型的信息和參數(shù)

pImg + 8 – x_text 也就是7個AD數(shù)值

g_out – 模型輸出buffer，根據(jù)配置輸出為16bit，帶有分?jǐn)?shù)位的數(shù)據(jù)。需要移位得到-128~+127的數(shù)值范圍才能發(fā)送給舵機(jī)。

編譯工程，通過JLink連接板子，并打開串口程序，接收串口的調(diào)試信息。開始debug模式，工程默認(rèn)使用sram運(yùn)行程序，等待測試程序執(zhí)行。執(zhí)行結(jié)束后，串口會輸出執(zhí)行結(jié)果：即平均差值，和平均執(zhí)行時間。

小編訓(xùn)練的模型6000次平均差值是16，每次計算時間1.87dms——0.187ms。

串口輸出測試結(jié)果

實(shí)戰(zhàn)演習(xí)

經(jīng)過模擬測試，模型性能符合預(yù)期，下一步就是把相關(guān)代碼集成到電磁車系統(tǒng)中。首先集成nncie庫nncie_imxrt10x0.lib，model.nncu.c，以及nncu_mcucmsis_nnSource中的CMSIS_NN相關(guān)代碼（參照測試工程）。其次集成模型的調(diào)用方法：

模型調(diào)用方法
model1數(shù)組就是模型數(shù)據(jù)，ad_array是7個電感數(shù)據(jù)（如果12bit，需要移位到8bit），pwm是模型計算的轉(zhuǎn)向值(范圍-128+127)。請注意，制作訓(xùn)練數(shù)據(jù)時，為了方便訓(xùn)練計算，我們把轉(zhuǎn)向值范圍由真實(shí)值-420420壓縮到了-128127，所以在控制舵機(jī)時，需要把計算所得的轉(zhuǎn)向值放大到-420+420。

現(xiàn)在小伙伴可以在賽道上驗證模型的實(shí)際性能了，可能第一次不會成功，需要多些耐心處理訓(xùn)練數(shù)據(jù)反復(fù)的重新訓(xùn)練，迭代調(diào)試了。

結(jié)果展示

這是小編訓(xùn)練的模型的實(shí)際運(yùn)行情況（摘除了前置采集裝置）

AI電磁車模實(shí)際運(yùn)行情況

未來展望

以上是AI機(jī)器學(xué)習(xí)部署到電磁智能車的全過程，可以驗證機(jī)器學(xué)習(xí)在電磁智能車上實(shí)施的可行性。
在這個過程中遇到很多問題，主要是處理分析訓(xùn)練數(shù)據(jù)，經(jīng)過多次迭代訓(xùn)練才得到一個基本可靠的模型。
當(dāng)然還存在一些有待改進(jìn)地方：

小車目前還是勻速運(yùn)動，沒有速度變化，怎樣設(shè)計更好的模型來引入速度參數(shù)？

數(shù)據(jù)獲得方式是不是有更好的辦法，通過對電磁軌道的模擬，來通過公式工具推導(dǎo)訓(xùn)練數(shù)據(jù)？

怎樣可以引入更加豐富的賽道內(nèi)容，比如交通引導(dǎo)線，指示燈，障礙物？等等。
編輯：hfy