百度学“开”挖掘机

今年10月31日万圣节前夜,来自天津某工地的一段挖掘机视频,引起了网友的广泛讨论。视频中的挖掘机在深夜里运行着,而驾驶位上却没有人在操作:


“挖掘机被鬼附身了?”、“难道是遥控器控制的?”、“司机是被 P 掉了吗?”一时间,网友们议论纷纷。


其实,这是云南百度研发的世界上第一台无人自主挖掘机。


为什么百度要开挖掘机?今天,我们找到几位“内部人员”,向他们了解了一些幕后的故事。


 


 

其实,挖掘机在工地上也称得上是“网红”了。在工程机械届,挖掘机设备不仅在数量上占到全国工程机械比的1/4到1/3,还凭借着高通用性和灵活性,成为各大工地上老少咸宜的“熟面孔”。挖掘机上楼顶拆房、挖掘机过悬崖排障……那都是常规操作。

 

在中国海量的建设项目里,挖掘机稳稳占据着工程机械的“C位”。

 

天津武清的老高就是一名挖掘机师傅,从业17年的他,拥有两个身份。

 

天津武清区的高师傅 |

 

首先,他是一名“一线员工”。顾名思义,老高需要经常跑去全国各地,到青海、西藏、内蒙古这些地方的工地上,亲自开挖掘机、修挖掘机。因为,不是每个地方都有像老高这样成熟的挖掘机师傅。

 

其次,他也是一个小老板,自己买了10台挖掘机,承包小型的工程业务。然而,由于难以招募到合格的挖机操作手,导致经常出现3-4台挖掘机闲置的状况。

 

为什么挖掘机在中国建设工程中的需求量这么大,而挖掘机师傅却如此难招?

 

老高告诉我们:是因为这个行业太苦太累,大家都不愿意来干。开挖掘机,操纵着重型装备,感受个人的力量成百上千倍放大,看似颇有一种豪迈的浪漫,但是枯燥反复、十天半个月呆在深山工作远离家人的生活到底很难长久坚持。

 

除此之外,工地情况很复杂,有的挖掘机甚至在山上操作,随时都有翻车等生命危险。另外,挖掘机的噪音和震动都特别大,还一直在旋转,机器后面的柴油机会排放出浓厚的污染尾气,一般人进去之后几分钟就会受不了。

 

挖掘机的作业场景 |

 

一边是建设工程的大量需求,一边是挖掘机师傅的严重短缺。一个行业正在面临巨大难题。

 

 

 

其实,目前市场上已经出现了一些带有数控或辅助操作功能的新型挖掘机。你可以理解为小时候的玩具车:拿着遥控手柄就能操控挖掘机的运动。

 

但和玩具车不一样的是,遥控挖掘机可不是谁都能“玩”,只有精通挖掘机操作要领的专业师傅,才能上手。


而且,它虽然能把人从狭窄的驾驶室里解放出来,但并不能让人离开工地:操作者还是需要站在挖掘机几米开外的地方,观察机器的一举一动。

 

数控挖掘机 |

图片来自网络 |

 

换句话说,目前我们只是把驾驶室搬到了离挖掘机5米以外的地方,让工作环境不再那么恶劣,但并没有实际解决人力短缺的难题。

 

如何让挖掘机真正实现“无人化”?杨睿刚所带领的百度机器人与自动驾驶实验室团队,也恰好在思考这个问题。

 

经过前期的调研和体验,团队发现“无人挖掘机”的设想完全可以变为现实。“我们可以把挖掘机想象成一个带有机械臂的、能自动驾驶的大型机器人。团队本来就有做机械臂和自动驾驶小车的规划,在这方面也有深厚的积累,所以技术方面是没有问题的。”杨睿刚信心十足。

 

今年7月,百度无人自主挖掘机项目组正式成立,百度三维视觉科学家杨睿刚和百度访问学者潘佳教授带领着团队成员邓卓、卢飞翔、杨雅珏、徐昊、程新景,在初期制定了清晰的技术路线。


程新景介绍道,“大的框架就是从‘感知’到‘规划’再到‘执行’”。

 

“打个比方,‘感知’就是挖掘机看到这里有一堆土,然后开到这堆土面前;‘规划’就是怎么去挖这堆土,让挖掘机根据这堆土规划出一个最优的挖掘轨迹;‘执行’就是挖掘机把这堆土挖起来,卸到另一个地方,然后再回来。挖掘机回来的时候,会对这堆土重新感知,重新规划并执行,一直循环下去”。

 

技术路线示意图 |

 

前期准备工作完成后,项目组在今年9月去天津进行封闭开发,那是他们第一次从办公室写代码,到工地上开挖掘机。


“在施工现场调试机械,跟你坐在大楼里写代码,是完全不一样的两种感受。后者还停留在技术层面,而前者是实操,会接触到各种各样的硬件和软件上的问题,还是非常不一样的。”程新景说道。

 

场地鸟瞰图 |

 

而老高从业17年后对挖掘机的认知,也即将变得“很不一样”。

 

 

 

团队初来乍到,在挖掘机师傅的场地上做调试,老高感到十分新奇,常常过来凑热闹,“你们这个遥控的还不错”。

 

“无人挖掘机和遥控挖掘机是完全不一样的”,徐昊向我们解释到,“举个简单的例子就能明白:按照一人开一台挖掘机来讲,遥控的还是一人只能开一台,但无人的挖掘机一个人可以开十台”。

 

百度首创的无人挖掘技术方案,是世界上首套基于 AI 视觉技术开发的低成本、可量产、适用工程挖掘装备的人工智能解决方案。只需通过简单的改装,在工程机械装备上部署环境感知和自动控制系统,设备就能实现自主行驶和作业,大铲子上下翻飞,挖土运土一气呵成。

 

据介绍,在工程项目当中应用百度的无人挖掘技术方案,可以实现少人化或无人化的全天候智能施工。施工效率能提升15%,人力成本能降低40%,实现收入提升50%以上。百度研发的无人挖掘机,不仅真正意义上解放了人力,还极大程度地提升了施工的效率和效益。

 

百度无人自主挖掘机 |

 

而这一切成功的背后,是所有人难以想象的艰辛付出。

 

测试工地的环境十分恶劣。因为要随时调试挖掘机,团队成员们就住在泥巴土地上,日出而作,日落而息。晴天的时候风沙大,雨天的时候就变成一个个泥坑。室外没有树木遮阴,原本白白瘦瘦的成员们回北京后都黑了好几个度。

 

团队成员在测试工地上 |

 

而室内的情况也没有好到哪里去。工地没有正规的洗手间,日常用水也不是自来水,而是从地底下抽上来的水。刚去的时候,屋子里爬满了苍蝇,还有一股很神奇的味道。


但即便在这样的环境下,团队成员们仍然不断推进着项目的进度,哪怕是最娇小的女生也在工地上开起了挖掘机。


杨雅珏在开挖掘机 |

 

在这里,正常办公也成为一个难题。“刚开始的时候,工地上没有桌子椅子,我们只好把电脑搁在废弃的轮胎上,把键盘放在土地上,鼠标就随便找一个纸板凑合。”卢飞翔回想起当时的场景,觉得有些搞笑。

 

团队成员在工地上办公 |

 

“上网也是一个问题。刚去的时候,工地是没有网的。但对于我们来说,查资料、远程调试等,都需要网络。后来我们干脆自己搭建了一个网络,包括远程控制平台等。”

 

虽然困难重重,但幸好,工地上还有一群善良而可爱的人们倾囊相助。

 

工地地处郊区,附近没有餐馆和饭店,交通还很不方便。用手机叫车一般是叫不到的,团队如果想外出吃饭,会耽误很长时间。工地里的师傅们见状,主动给大家做大锅饭吃。

 

除了照顾团队成员们的日常起居,挖掘机师傅们还慢慢投入到“研发”工作中来。“刚开始研发的时候老高都是看着我们干,后来有了兴趣,就加入我们一起干,简直成了‘全职’。”说到这里,杨雅钰的脸上浮现出感恩的笑意。

 

师傅在帮忙安装传感器 |

 

“他们会从自己的角度给我们一些建议,以及机器在测试中遇到问题时,他们自己平时会如何处理。比如,在设计挖掘机的挖土动作时,师傅们会亲自示范一遍,或者告诉我们这个情况应该怎么挖,我们再去修改。这样就能让机器挖得越来越像人。”


徐昊与加工师傅一起讨论方案 |

 

“连工地上的狗子都帮我们测试!”卢飞翔补充道。工地里有一条警犬,从小就被训练看管挖掘机,只要挖掘机动起来就会兴奋得汪汪叫。有时候团队在远处运营程序,看不清挖掘机是否在运行,这时只要听到狗叫,就知道机器在工作了。


“它叫大黑,现在已经是我们的‘前线特派员’了。为了和它搞好关系,我们每天都会从宾馆带两个鸡蛋喂它“。


工地上的“警犬”大黑 |

 

在天津的这两个月,工地上的每个人都和团队成了好朋友。老高曾经凌晨两点还在四处张罗,帮团队修轮胎;改装师傅6天没洗澡,通宵加班,只为帮助团队在工期前完成车辆改装;师傅们想尽办法联络一切人脉,帮助无人挖掘机顺利上线。


杨睿刚、卢飞翔、徐昊和老高在场地调试 |

 

团队成员们对我们说:“项目做完后非常舍不得,已经和师傅们建立起了革命友谊。直到现在,我们也还经常在微信上问候和感谢他们。老高还出镜并出席了今年11月的百度世界大会,他非常开心。”

 

世界上第一台无人自主挖掘机的诞生,少不了项目组每位成员、工地上每个师傅的参与和付出。

 

从左至右:卢飞翔、程新景、杨睿刚、杨雅珏、徐昊 |


从左至右:徐、卢飞翔、邓卓 |



暖融融的善意和沉甸甸的心血,将被永远铭记。

 

 

 

在项目前期调研时,我们曾问过老高,开挖掘机最痛苦的事情是什么?这位传统挖掘机的老师傅沉思了一会儿,说是“孤独”。挖掘机一开就是一天,驾驶位只容得下一人,没人聊天,没法消遣。

 

而如今,作为参与“研发”无人挖掘机的一员,老高赞不绝口:“我在这行已经干了十七年了,还真没见过这样的挖掘机,不用人就把活给干了。”

 

 

“一个工地有时候就我一人会开挖掘机,我一走整个工地就会停工,这些家伙就不一样了,我要是有事走开,工地自己也能运转。这机器自己能知道哪里需要挖土,就自己开到哪里挖,卸土也不用管。而且人会打盹,会上厕所、偷懒,但是机器不会。这些家伙还真不赖。”

 


让挖掘机自主作业有多简单?只要四步:一飞、一走、一挖、一送。复杂的工地现场一下子成为精密的工厂流水线,无人操作触手可及。



 一飞  放飞无人机 


放飞无人机无疑是吹响这次自主作业的“冲锋号”。无人机能够捕捉到工地的整体环境状态信息,并将信息发送至自动控制系统。



 一走  施工场地自动驾驶 


接收到无人机的环境信息后,自控系统就可以据此构建出全局地图,自动识别出作业目标如“小沙堆“的位置,并将作业指令发送给挖掘机和运载车。之后,挖掘机和运载车即可在全局地图里规划出自主运动轨迹,借助机上搭载的多目视觉感知系统,就能实现在工地里的自动驾驶了。



 

 一挖  工作目标精准三维重建


到了“工位”,挖掘机立马干活。但是这一铲子挖了多少?小沙堆成什么样了?下一铲怎么铲?这些问题,都有办法。机体上的多目视觉感知系统会实时对“小沙堆”展开高精度的三维扫描和建模,根据多项指标,输出效益最好、最漂亮的挖臂动作。



 

 一送  挖掘机运载车协同作业


待运载车识别到满负载之后,将会自动开到目的地“卸货”然后再返回。运载车返回位置,挖掘机即再次开工。如此往返,直到任务完成。



至此,一次挖掘机自主作业就顺利完成了!




 

AI 技术和工地场景的结合,仅仅花了4个月的时间,便诞下了无人挖掘机这第一个 baby。而在从前,想要掌握开挖掘机的最基础技能,至少得花上半年光景。

 

这一切只是开始。目前,杨睿刚团队正在不断优化和完善设备,为无人挖掘机的落地而努力。他们还准备用 AI 技术赋能更多设备、更多工地,实现铲车、货车等的无人化,让未来的工地上所有的车都能协同起来,实现整个工地的自动化。

 

也希望更多“老高们”,都能脱离那个小小的单人控制室,投入到更广阔的天地里去。



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