让所有机器人都能立体看世界
项目名称：高性能全集成激光雷达芯片——让机器用“芯”感知
项目负责人：西安电子科技大学微电子学院2013级博士、师资博士后 马瑞
公司名称：芯辉科技
入围组别：创意组
“我们的芯片是一个系列，叫作CMOS全集成激光雷达芯片。别看它小，它的‘小宇宙’可是很厉害的。”放在项目负责人马瑞手掌心的芯片看起来还不及小拇指指甲盖的一半，“这是我们的8线芯片，主打高精度，针对的主要是要求准确探测的智能服务机器人。”
扫地机器人、无人机、家用服务机器人、无人驾驶汽车……这些无人控制的智能设备不再只是存在于想象中，而是开始逐步进入我们的生活，甚至开始改变我们的生活。面对能够替我们清扫地板、可以自主行驶或是与我们进行交流的机器人，我们或许都有一个疑问，他们靠什么识别、躲避障碍物？
其实，这些机器人也有类似我们人类眼睛的“感官”，那就是它们最核心的模块——雷达系统。雷达作为机器人的眼睛，能够帮助机器人获取周围环境信息，例如进行障碍物定位、距离探测，并且能够引导机器人自主行进、主动避障等，被视作机器人实现高级智能行为的基础和先决条件。
激光雷达——具有解析度高、抗有源干扰能力强、探测可靠度高、不受光线影响、测速范围大等优点——成为无人控制设备的不二之选，尤其是激光雷达还可实时探测出周围环境的三维图像，即使夜间也可以使用，真正“借”了一双“慧眼”给这些无人控制设备。而这双“慧眼”的“瞳仁”就是激光雷达芯片。
激光雷达芯片的性能、成本等决定了整体激光雷达产品的优劣，并且，激光雷达芯片的成熟与量产决定了激光雷达的大量应用和普及。市场上现有激光雷达均存在成本高、体积大、探知能力弱、可靠性差等痛点。
如今，这些痛点被一支来自西安电子科技大学微电子学院国家级集成电路实验教学示范中心的项目组一一解决。
项目组将核心电路的500多个分立元器件集成为一块芯片。“小宇宙”如此强大的CMOS全集成激光雷达芯片自然有很多优势，能够快速获取百米范围内的不同目标，从底层硬件提高激光脉冲飞行时间的探测精度，创新性地引入高精度ADC，同时获取距离和强度信息，使图像更细腻，同时，它还可以做到亚纳秒级不可见光探测，增强抗干扰能力，提高探测安全性。也就是说，它可以让机器人视野更宽、看得更远更清晰。
方寸之间何以能作出如此大的文章？
刘马良——西电微电子学院副教授，芯辉科技技术总监——说：“我们的创新点就在于一块芯片里包括了前端高速高增益大动态范围跨阻放大器、高速低延迟比较器、皮秒级高精度时间数字转换器三部分，并实现了多通道集成，其中高动态范围激光脉冲接收模块和高精度计时模块是激光雷达的核心模块，它决定了激光雷达的探测性能。”他继续解释道：“这款芯片采用的是有助于提高垂直分辨率的多线列集成，我们还加入了前端串扰抑制电路，用以减少像元输入之间的干扰，另外，我们还用基于流水线ADC的多通道数据输出来优化芯片面积和功耗。这些做法不仅可以提高激光雷达装配的效率和可靠性，还可以极大地降低成本。”
就是这样一块小小的芯片，可以使整机体积至少缩小一半、功耗降低50%以上、核心电学器件成本降至原先的1%，并且无需经过电学调试。
不仅如此，针对不同应用需求，团队还研发了多款激光雷达芯片。马瑞指着桌子上大小不同的三块芯片说道：“这些都是我们还未封装的芯片。刚才看的那个是8线，主要是面向智能服务机器人、ADAS汽车辅助驾驶的中端市场。”他用镊子夹起一块更小的说：“它的长是1.66毫米，宽是0.88毫米，这是我们的单线激光雷达芯片，面向扫地机器人、儿童玩具等小型机器人的入门级市场。”这块“迷你款”芯片的探测距离可达20至50米，单片成本不足1元。
相比这款主打性价比的芯片，另一块长条形的芯片可算是三款芯片当中的“奢侈品”了，“这是我们最近才研发的64线激光雷达芯片，主要是针对高端市场，比如无人自动驾驶、无人机自主飞行等等。”马瑞略带自豪地介绍道：“这是我们国内首款可量产多线的激光雷达芯片，它要比业界同类型产品领先至少6个月。”
“让机器用‘芯’感知”，这不仅是他们项目的一句宣传语，更是他们团队用心做创新的体现。
成为肝脏术前规划领域的“AlphaGo”
项目名称：精诊科技—基于深度学习的肝脏术前规划系统
项目负责人：西安电子科技大学网络与信息安全学院2013级本科生、保送清华大学直博生 王博
公司名称：精诊科技公司
入围组别：创意组
据相关资料显示，我国肝病患者超过2亿，并且逐年增加，引起肝脏手术随之增加，肝脏切除手术的年需求量约为137万台。
“国家卫计委曾发布过一组数据，我国肝胆外科专业医生大概有8000人，分布在不同医院，水平不一，而且基本每位肝胆外科医生平均每年要主刀大约181台肝切除手术。”说起当初为什么要针对肝脏手术做术前规划系统，团队负责人王博谈道：“肝脏是我们人体重要的供血器官，内部动脉血管错综复杂，肝内肿瘤多包络在这些重要血管内，所以临床医学要求，在肝脏手术之前必须进行术前规划，以使手术路径避开这些重要血管。课题组成员在医院调研的时候亲眼看到，有个车祸肝破裂的患者晚开刀十几分钟人就没了，有个肝硬化的患者切肝准一点兴许就能救回来。所以我们就觉得要通过改善术前规划系统来提升手术效率，这样不仅可以减轻医生的工作负荷，也能让更多患者得到及时、有效的治疗。”
“传统术前规划产品存在一些问题，比如医学影像依赖手动分割，耗时长，效率也低。而且二维影像和电脑中三维重建图像的平面视角存在局限性，会影响医生对各组织相对位置的判断。术前规划中缺乏对病灶的量化分析，人工测算起来耗时耗精力。”魏榕，2016年从西电毕业，现为北京大学前沿交叉学院磁共振成像研究中心在读博士生。她介绍道：“国外现在有一些辅助术前规划产品，但是在模型处理等方面还存有弊端。国内目前主要集中在图像的识别处理方面，虚拟可视技术领域的研发才刚开始。所以，我们这套系统算得上是走在前面了。”
这套术前规划系统的全自动三维还原肝脏功能与AlphaGo一样，都是采用深度学习算法实现的，通过大量的数据进行训练，最终超过手动还原水平。
团队前期与首都医科大学附属北京友谊医院建立了深度合作，对2400套人体肝脏CT数据进行深度学习，在自动分割与三维量化的虚拟现实系统及其相关外围设备的基础上，融合机器学习、肝脏CT自动分割、三维量化、虚拟现实渲染、视频流传输等技术，设计出一套高精准、图像全自动分割、沉浸式交互、实时量化动态参数的肝脏术前规划系统。此系统已在首都医科大学附属北京友谊医院试用。
“又准又快易操作”，是这套系统相比其他术前辅助规划系统的突出优势。医生可以在虚拟现实环境中对肝脏、病灶及内部复杂的解剖结构做出个体化、全量化的分析，3至4分钟内即可完成自动分割肝脏CT图像并重建。整个过程并不需要多么复杂的大型器械，只需要医生戴上一副VR眼镜，便可快速使用该系统功能。
“你看，这个模型右上方有一把手术刀，医生戴上VR眼镜之后，就可以直接抓取这把手术刀，进行虚拟切割操作，系统可以根据医生的操作实时量化残肝体积、病灶距血管距离等重要参数，并进行跟踪。”王博指着电脑上显示出的彩色肝脏三维模型介绍道：“操作完成后，整个过程和这些参数还都可以投到大屏显示，方便医生们在会诊时根据模拟情况进行评估。”
除了可以进行实时沉浸式手术规划，该系统还可以调阅病患资料。在病患资料浏览界面，医生可以很方便地实现多项资料的快速调阅与切换。
王博在电脑中插入一张光盘，解释道：“医生可以把这样一张病人CT图像光盘插入电脑，戴上VR眼镜，就能进入系统。系统通过神经网络进行深度学习可自动、精准分割肝脏CT图像，并根据分割好的CT图像快速重建高精度三维器官模型。”
电脑显示出手术方案规划页面，王博一边操作系统一边介绍：“我们的系统使用了2400套人体肝脏CT数据进行深度学习，数据量远远超过国内其他CT分割算法项目，并且通过级联的全卷积神经网络和三维条件随机场使计算机能够自动分割肝脏CT图像并自动诊断有无病灶。完成后还会使用法国3DIRCADb数据集的15套CT图像进行精度评估。手动计算切除体积的话，精度不到85%，但我们的系统能够使精度达到94.3%，不到4分钟就可以重建病人肝脏器官三维立体模型。”在他讲解的几分钟时间里，系统已将CT图像进行了自动分割，病灶部分被清楚地划分出来，而且在三维模型左上角标注出准确的病灶体积、器官体积、放缩倍数及肿瘤距离等数据参数。
作为第三届“互联网+”大赛陕西赛区冠军，他们还有更高更长远的目标。团队成员、清华经管学院金融硕士徐正清说道：“医疗行业比较特殊，门槛也比较高，综合考虑我们系统的研发成本、适应性和各级医院的综合实力，公司首先将产品销售定位在国内二、三甲医院的肝胆外科。随着我们与合作的医院不断深入，我们也会逐步渗透并尝试开拓医疗培训教学的市场。”
是无人机 更是空中机器人
项目名称：鲲鹏易飞无人机
项目负责人：西安电子科技大学电子工程学院2010级博士、校企联合培养博士后 张文博
公司名称：昆山鲲鹏易飞无人机科技有限公司
入围组别：初创组
提到“无人机”，很多人首先想到的可能就是玩具、航模、或是航拍工具。体积小、飞行速度快、机动灵活、操作简单、价格相对低廉，这些优点让众多航拍或航模爱好者成为这类消费级无人机的忠实拥趸。
除了用于娱乐、拍摄的消费级无人机，还有一些无人机要完成电力线巡检、林业监测等特殊任务，这便是行业级无人机。由于完成的任务特殊，对无人机的作业半径、作业效率等都有较高要求，而目前市场上的行业无人机产品存在机型不理想、智能化水平不高两大痛点。
“我们主要是为客户提供定制化的行业无人机硬件、软件、服务一揽子解决方案。针对目前市场上行业无人机存在的痛点，我们自主研发了一款倾转机翼式垂直起降无人机，并在其上搭建了基于嵌入式GPU和深度学习的机载人工智能系统”。张文博——西安电子科技大学电子工程学院2010级博士、校企联合培养博士后、昆山鲲鹏易飞无人机科技有限公司总经理——提到的正是他们团队设计研发的易飞无人机。
此款无人机最大的优势在于其结合了固定翼无人机续航时间长、作业半径大和多旋翼无人机起降灵活、可在空中悬停的优点。起飞时，机翼垂直于地面，由4个螺旋桨提供上升动力；当飞至一定高度后，两对机翼进行90度倾转，切换至固定翼巡航姿态，此时飞行速度可达140公里/小时；若在作业过程中发现异常点或需要降落时，机翼反向倾转90度，重新切换至垂直飞行模式，可实现空中悬停或垂直降落。这样创新性的设计，使其只需10平方米左右的场地即可平稳起降。
除了硬件方面“强强联合”，易飞无人机的“驾驶员”也十分聪明。该无人机在嵌入式GPU的基础上搭建了一套机载深度学习框架，配备了先进的人工智能系统，已能够实现车辆或人员目标的检测与跟踪，甚至可以及时发现人群聚集、奔跑、跌倒等异常情况。下一步根据行业用户的具体需求，可以为其定制化地开发行业无人机软硬件整体解决方案。
负责项目机载人工智能系统研发的吴鑫说：“我们这套系统可以实现一键起飞、远距离自动巡航、部分作业自主完成、一键返航降落的‘傻瓜式’操作。我们的目标就是要将行业无人机打造成一款真正的空中机器人。”
面对无人机产业领域的强大竞争，张文博显得信心十足：“我们的飞控系统、机械结构、地面站系统、4G图传模块都是自主研发的，具有较高的技术壁垒，所以我们不怕友商和我们竞争。而且我们的无人机具有高度自动化的优势，对飞手和起降场地的要求都特别低。”他指着电脑上的一幅卫星地图解释道：“这就是我们的地面站，有点儿像机场的塔台，通过它可以设置飞机参数，控制飞机完成起飞、巡航作业、返航降落等整个流程。而且我们使用4G信号来实现图像传输，能够不受距离限制地将无人机作业现场的影像数据传回来，方便地面人员进行指挥决策。”相比固定翼无人机需要手工抛飞的危险或发射架弹射的繁琐，易飞无人机能够让会按快门的你轻松成为一名合格的飞手。
“你可以把我们这款无人机当做是空中机器人或者是空中智能信息处理平台”，张文博说。易飞无人机作为行业无人机，其需要完成的多是具有鲜明行业特色的特殊任务，因此，公司把安防、电力、林业等政府部门和相关企业定为目标客户，目前已与新疆怡林实业股份有限公司、江苏十方通信股份有限公司苏州分公司等建立了合作关系。
对于企业未来的发展，张文博也有很多设想：“产品方面，我们未来可能会涉及无人机多传感器智能信息处理平台、无人机调度中心、大数据分析系统等。技术方面的话，可能会根据各类行业任务，配置各种传感器组合方案，并开发与之匹配的机载智能信息处理系统等。”
“让行业无人机更易飞”，这或许不仅是易飞无人机的优势，更是张文博团队在无人机领域的奋斗目标。
来源：西安电子科技大学