美国国家航空航天局是如何为下一次火星任务打造无人驾驶汽车的
1848字
2020-07-22 19:30
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火星译客

本月下旬,美国国家航空航天局(NASA)预计将发射其最新的火星漫游者“毅力”号(Perseverance),对这颗红色星球进行首次此类任务。它的工作是收集和储存地质样本,以便它们最终能够返回地球。“毅力”号将花费数天时间探索Jezero陨石坑,这个陨石坑是火星上一个古老的河流三角洲,它所收集的样本可能包含了外星生命存在的第一个证据。但首先它必须找到它们。为此,它需要一些该死的好电脑——至少按照火星的标准是这样。

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“毅力”号比美国航空航天局之前的四辆漫游者更具有自主性,被设计成美国宇航局喷气推进实验室机器人系统工程师菲利普·特乌称为“火星上的自动驾驶汽车”。和地球上的卫星一样,“毅力”号将使用一系列传感器导航,将数据输入机器视觉算法。但是,尽管地面自动驾驶汽车上到处都是用钱能买到的最好的电脑,但从1997年开始,“毅力”号的主要电脑速度与高端个人电脑差不多。“毅力”那迟钝的大脑能够处理所有这些自动驾驶的唯一方式是因为NASA给了它第二台像机器人司机一样的电脑。

在以前的漫游者上,导航软件必须与所有其他系统共享有限的计算资源。因此,为了从一个点到达另一个点,漫游者会拍张照片,了解一下周围的环境,驾驶一会儿车,然后停下来几分钟,想想下一步该怎么走。但由于“毅力”号可以将许多视觉导航过程转移到专用电脑上,因此它在火星探索中就不必采取这种走走停停的方式。相反,它的主计算机可以计算出如何在应该去的地方坚持下去,它的机器视觉计算机可以确保它在路上不会撞上任何石头。特乌说:“我们离持续驾驶和思考越来越近了。”

自主性对“毅力”号的使命至关重要。地球和火星之间的距离是如此之大,以至于一个无线电信号可以以光速飞行22分钟来完成一次单程旅行。长时间的延迟使得它不可能实时控制漫游者,而且等待近一个小时的指令来完成火星和地球之间的往返也是不现实的。“毅力”号有一个紧凑的计划——它需要放下一架小型直升机进行飞行测试,然后收集几十个岩石样本,并在表面找到一个地方储存它们。(稍后的任务将把贮藏物资带回地球,以便对其进行研究,寻找生命迹象。)如果火星车有希望在分配给它的主要任务年内完成所有这些任务,它必须能够自己做出很多导航决定。

地面自动驾驶车辆通常使用激光来确定目标的位置和距离,但这些激光雷达系统体积庞大,能源消耗大,而且容易出现机械故障。相反,毅力会用立体视觉和视觉测程法来确定自己在这颗红色星球上的位置。立体视觉结合了“左摄像头”和“右摄像头”的两幅图像,创建了一幅漫游者周围环境的3D图片,而视觉测程软件则分析了不同时间的图像,以估计漫游者移动了多远。

NASA喷气推进实验室计算机视觉组的高级研究科学家和主管拉里·马特斯说:“我们担心激光雷达在太空任务中的机械可靠性。”“几十年前,我们在喷气推进实验室开始使用立体视觉来进行3D感知,当时激光雷达还远远不够成熟,现在效果非常好。”

马特斯为每一个曾经去过火星的漫游者帮助建造了视觉导航系统。除了NASA在火星上的首个漫游者索杰纳外,所有的移动探测车都使用了立体视觉和视觉测程技术。但锲而不舍的特殊之处在于,它有专门的硬件和一套奇特的机器视觉新算法。

“毅力”号的新型数字眼镜将使它能够以比前一代快几倍的速度自主导航,这意味着它有更多的时间专注于主要的科学目标。不过,要想驶完一只树懒一小时所能走的距离,还需要一整天的毅力。但与美国宇航局之前的火星探测器相比,毅力是一个棘手的问题。特乌说:“任何火星漫游者一天行驶的距离是219米。”“我们每天能够行驶200米左右,所以平均来说,“毅力”号将会达到或超过火星探测器目前的记录。”

思考得慢并不是“毅力”号的错,而应该怪辐射。火星没有磁场或厚厚的大气层来保护它不受来自太阳的带电粒子流的影响,这些粒子会对电脑造成严重破坏。它们可以让晶体管在不该开关的时候开关,如果这些错误累积到一定程度,就会导致电脑崩溃。这可能会导致宝贵数据的丢失或者整个任务的失败,所以NASA的工程师们在一开始就竭尽所能地防止撞击的发生。

有很多技术可以使计算机对辐射免疫。例如,增加更难开启和关闭的晶体管是可能的,这使得它们不太可能被任性的离子翻转。Xilinx是加州一家科技公司,该公司为“毅力”号设计并制造了机器视觉计算机。该公司的太空系统设计师米纳尔·萨万特(Minal Sawant)说,这种芯片经过设计增强了辐射强度。根据该公司进行的资格测试,该芯片每年不会出现超过2位倒装错误,即离子导致存储在内存中的位信息从1变为0或从0变为0。

但是,一般来说,保护处理器免受辐射需要降低其性能。这一部分与处理器的设计有关,另一部分与测试组件的防辐射能力需要很长时间有关。当一个部件合格的时候,最先进的处理器的性能已经大幅提升。NASA的工程师们不想使用老技术;但他们确实希望使用他们知道有用的技术。“毅力”号公司使用的Xilinx芯片已经在之前的几次太空任务中使用过,并且有近十年的性能数据支持。

"美国航天工业传统意义上是非常厌恶风险,这是有逻辑的。“一个小错误就可能导致整个任务向南,所以他们希望使用已经进入太空的组件,而不是尝试新技术。可靠性是关键。”

Xilinx的机器视觉计算机将运行由特乌、马特斯和他们在NASA的同事开发的全新视觉算法。与地球上的自动驾驶汽车不同,“毅力”号的后备箱里没有一堆用于图像处理的豪华的强大计算机。在这颗红色星球上,能源和处理能力是宝贵的资源,这意味着毅力用于导航的算法必须尽可能精简和高效,同时又不影响其准确性。

“即使硬件是完美的,算法也总是会出错,”马特斯说。“在计算机视觉中,会有异常值导致算法出错。所以我们必须克服这种可能性。“离群值可能包括这样一种情况:探测器看不到一个物体,或者误以为是别的东西。”解决这个问题的一个办法是将其他传感器的数据输入漫游者的导航系统,这样它就不只是依靠视觉四处走动了。例如,陀螺仪和加速计帮助漫游者了解表面的坡度和粗糙度。

另一种解决方案是在发射前尽可能让探测车的算法适用于多种情况,这样当它到达火星时就不会有任何意外。在美国宇航局位于帕萨迪纳市的喷气推进实验室,有一个巨大的户外场地,布满了卵石和红土,模拟了火星的景观。这里是“火星场”,在过去的几年里,它被用作了一个算法的试验场,这些算法将指导“毅力”号。图乌和他的同事们经常把一个火星车的复制品带到火星院子里,故意构造一些他们认为会混淆火星车的场景。例如,如果漫游者把自己开进了死胡同,它能不能改道,尝试新的路线?

“系统越复杂,它能做出的决策就越多,”特乌说。“确保你已经覆盖了月球车可能遇到的所有可能的情况,这是非常具有挑战性的。但通过做大量像这样的实际操作测试,我们发现了算法中的怪癖。”

但在一个巨大的沙箱中排列巨石的方法只有这么多。对“毅力”号导航算法的大多数测试都是在虚拟模拟中进行的,漫游者团队在漫游者的软件中模拟了所有可能的场景,以了解在这些情况下它的表现如何。这仍然主要是移动(虚拟的)石头,但并没有真正的限制类型的景观和场景,可以建模。特乌表示,这一视觉算法的广泛测试结合了所有由漫游者获得的传感器数据,将使“毅力”号在比其他任何火星漫游者在地上航行得更困难。

但即使是最完美的模拟也比不上真实的东西。探测器将在明年2月着陆火星时接受迄今为止最高风险的测试。如果一切顺利,它所策划的道路可能会引导我们找到地球以外生命存在的证据。

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