比赛中找到科研方向

杨超+唐雪

我是清华大学计算机系一年级硕士研究生杨超，本科就读于四川大学电子信息学院信息与通信工程专业。之所以能顺利保送到清华大学计算机系人工智能研究所读研，与我本科时就形成的“质疑+勤奋+热爱”学习研究态度密不可分。目前，我的研究方向是智能感知与机器人认知，主要研究机器人智能控制，智能感知和机器学习等，这也是我在长期的比赛钻研过程中找到的最感兴趣的方向。

敢于质疑，极速挑战射频电路

2013年8月，我参加了第十届全国大学生电子设计大赛。大赛是以临时公布一个全新的挑战题目的形式，要求参赛者3天内制作出满足规定的作品。

开题后，我拿到的题目是制作一个射频宽带放大器，这属于高频通信电路的基础问题。在限时的紧张气氛中，我灵感顿失，方向全无。第一天，我尝试制作了射频电路板，选定射频芯片后，小心翼翼地焊接。但是非常遗憾，我使用频谱分析仪测试它的增益、带宽等性能时，发现并不满足要求。焦虑中，我决定暂时坐下来，先听取一下指导老师的意见，吸取一下别人的经验，让自己把握好方向。

第二天，指导老师给了我一本功率放大芯片的数据手册，安慰我说，使用手册上的芯片理论上能够达到要求。我拿着官方手册将信将疑，认为并不是书本上或者别人的知识就一定正确。也因为我敢于怀疑权威，很快便在老师给出的方案里找出一个严重的设计局限。找到突破口后，我陷入了癫狂的实验状态，不断地制作电路板、焊接、调试。此后一直到比赛结束的60多个小时里，我大概只睡了三个小时。

最终，我们设计的射频宽频放大电路完全满足要求，最终获得了全国大学生电子设计四川赛区一等奖。这次比赛给我的感触很大，让我坚定了“所谓的权威不一定正确”这个想法，并学会了根据实际应用场景去做相应的调整。

从此以后，在科研中我始终抱着“智者千虑，必有一失”的想法，习惯性地在那些看似完美的方案里投出锋利的一瞥，大胆提出自己的想法。比如在目前的研究生阶段“五指灵巧手的柔性控制”这一课题中，要让我们设计的机械模仿人的五个手指，执行精细操作——抓取物品，或者使用工具完成指定任务等。

博士后师兄指出，为了能够完成精细操作，需要独立精确地控制每个手指关节的自由度，才能最终针对抓取物品输出指定抓取手型。导师对此并无异议，而我经过分析发现，这个方案在实际操作控制“灵巧手”的时候，往往存在各种误差，使得关节达不到指定位置，而且精细控制每个关节会给后续控制算法增加很大难度和运算量。

于是，我凭借对CAN总线的“先验”知识和指关节之间的耦合关系，提出了更为人性化的手指关节分布式控制方案，利用每个手指的各个关节之间的联动关系，使得控制更加柔性、稳定、强大，令“灵巧手”的抓取控制更具泛化能力。最终，我成功说服了导师和博士后师兄，课题组采用了我的方案开展了后续工作。

刻苦自学，半年创新显微镜

2013年底，我邀请两名队友，一起参加了英特尔杯大学生电子设计竞赛嵌入式系统专题邀请赛。参赛者被要求自行寻找项目突破点，提交作品。

面对纷繁的选题，我们难理头绪。一次我去医院，偶然瞥见医生为了观察样本和记录样本特征，一直反复调节电子显微镜。我突然迸发了灵感，想设计一款全新的自动聚焦显微镜，避免人工频繁调焦的麻烦，以便高效观察病人的血液样本，并自动帮助医生分析样本成分。我立即向队友和指导老师阐明想法，得到了他们充分的肯定：“相当创新！”

未料，在做实验前，第一个难题已让我们冒冷汗：做这样的产品首先必须进行机械设计，制作一个显微镜平台，而我和队友们都是电子出身。踌躇再三，一向敢于尝试新事物的我承担了显微镜平台设计这项任务，熟悉SolidWorks制图软件，学习机械工件名称概念，画工程图纸，一切都从头开始。

期间，我被“模型需求”弄得晕头转向，幸好学校有个机械加工厂。每天一大早，我就抱着自己的笔记本电脑跑去画图，请教厂里一位机械系的退休老教授，直到深夜再回宿舍。那位教授不厌其烦地为我解惑，让我明白了模型工件的耦合关系和加工误差范围。经过大半个月的努力，我终于按照自己的想法，加工好了比赛需要的显微镜平台。该模型与我想象中的毫无二致，初尝甜头的我极其兴奋，便立刻着手进行下一步的高精度聚焦过程。

由于显微镜运动非常精细，我们必须使用一款精确到0.5um的电机驱动。做好防静电处理后，电机及电机驱动精确地控制了镜筒的上下运动。随后在优化显微镜工作的过程中，我们严格参照摄像头采集图像的清晰程度，量化图像的清晰度，下达控制指令，控制镜筒快速准确地上下移动，让摄像头采集到的样本图像是最清晰的，这便完成了自动聚焦的过程。

作品做到这一步，已满足了我们的设计初衷。医生或科研工作者可以不需要手动调整显微镜，就能看到细胞图像了。但我们想进一步让它具有细胞专家一样的能力，能够辨识细胞的特性，能够区分样本的白细胞类型，还能统计各种白细胞的浓度。

在指导老师的帮助下，我和队友参考机器学习中监督式学习的思路，使用大量已知结果的样本，引导机器向正确的结果靠近，使之具有跟人一样的辨识能力，以及对外界新事物具有判别分类能力。因此，我们从市场上大量获取白细胞的特性样本，用这些已知样本去“训练”这台机器，让它具有专家的辨识能力。最终，它成了一个简易的“细胞专家机器人”，不仅能够准确识别病人血液各种白细胞成分，还能根据以往病历推测出病人的身体状况。

2014年7月，我们设计出的这款产品最终得了国际三等奖。自主钻研是我前进的动力，这与导师的督促与否无关，也与学校奖学金的诱惑无关，只有全身心地投入到自己感兴趣的事情上去，终将得到好的回报。

狂热兴趣，午夜调试智能车

射频电路和显微镜之赛锻造了我的学术品格，而智能车之赛让我真正确定了自己研究生的专业方向——计算机人工智能。

大三时，我看到全国大学生飞思卡尔智能车比赛的通知。按照比赛给定的车型，我们可以自己改装机械结构，设计并制作电机驱动，感知算法和控制算法，在给定的赛道上自主循迹并且在尽可能短的时间内跑完赛道。我本来就对智能车非常感兴趣，便迫不及待地邀请了另外两个同学，一起参加了比赛。

未曾料到，那次比赛出师不利。第二年，我们重振旗鼓，总结第一次失利的原因，展开地毯式扫描，把之前的每个设计方案，包括机械结构、电路设计都从原理上仔细推敲了一遍，还在仿真软件上再次验证方案的可靠性。

为了寻找符合机电原理的智能车设计方案，我几乎翻遍了整个图书馆的机械、自动化、电子信息类图书，终于研发出了参赛智能小车的自主循迹。并且，从现在看来，此自主循迹相当于如今学术界、汽车工业界非常火的无人驾驶汽车Self-driving Cars，可实现基本或者完全不需要人的操作和帮助下，在实际交通道路上自如行驶。

智能车设计中还需要很多次的调试，以验证自己的机械结构、电路设计，特别是控制算法在智能车在实际跑道跑起来的效果。为此，学校为我们提供了一个调试场地——图像所实验室旁边狭窄的走廊，我们却为此吃尽了苦头。因为白天有大批来来往往的研究生，使得我们用心铺制的赛道须臾就被踩得面目全非。我和队友只好调整战术，选择在午夜12点以后再铺制赛道，调试智能车。

为了调试一个参数，我们一般会让智能车反复跑十几圈。那段时间，我们几乎每天都要忙到凌晨两三点，对当天的结果很满意后才回宿舍休息。在这种单调的、琐碎的工作中，我并不觉得枯燥，也从未埋怨过。因为在这个过程中，我深深地迷上了与之息息相关的计算机人工智能专业。机器人和智能车运用的原理别无二致，只是更为复杂。也正是这次经历，很好地启发了我现在的研究方向，让我学会运用的智能感知原理，着力于研究机器人的智能控制——能通过摄像头、传感器等来感知外界信息，进行决策分析和推理计算，最后控制机器人执行末端。最重要的是，我在制作智能车时，日以继夜地调试出来的参数，以及掌握的控制算法，都对我如今正在做的机器人控制也有了极大的启发。最终，我们的作品获得了西南赛区二等奖。

本科阶段的参赛经历，让我顺利找到了自己感兴趣的研究领域，比其他同学有了更好的实践基础。也因此，我在参加清华计算机系推免面试的时候，把自己设计的智能车拿到了面试现场进行演示，得到了老师们的好评，最终成功推免计算机系研究生。

责任编辑：曹晓晨