火星探測器自動駕駛技術(shù)發(fā)展有多迅猛？

隨著算力的提高，火星探測器自動駕駛技術(shù)發(fā)展有多迅猛？

現(xiàn)在好幾家公司都在投入大量的資源和精力，來開發(fā)地球上的乘用車、卡車和公共汽車的自動駕駛系統(tǒng)，但美國JPL（噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）中的一個由專業(yè)科學(xué)家和工程師組成的小組，卻一直在研究一個另類的課題：給火星探測車賦予自動駕駛能力。

很顯然，火星探測器與我們的距離很遠(yuǎn)，根據(jù)地球和火星各自軌道上的位置來看，其相距5500萬到4億公里之間。光速大約為30萬公里/秒，因此無線電通訊需要三到二十二分鐘才能完成單程“旅行”。如果再提供遠(yuǎn)程駕駛所需的視覺反饋，那么往返通訊時間就會增加一倍。由于較大的時延，我們沒有辦法在地球上遠(yuǎn)程駕駛火星探測器。在馬斯克或其他人去那里之前（大概是駕駛著特斯拉電動車），擁有真正自主意識的自動駕駛機(jī)器人是必需的。

我們不需要擔(dān)心在火星上會有車禍發(fā)生，至少在看到《瘋狂麥克斯》越野車呼嘯而過之前我們是這么認(rèn)為的。如果真的發(fā)生交通事故，我們會有更多的問題要處理，這比設(shè)置火星的道路規(guī)則更難。道路規(guī)則理解本就有很多問題，比如理解車道標(biāo)志、停車標(biāo)志、限速標(biāo)志、紅綠燈等等，不過這些問題到了火星之后就會變得毫無意義。

流浪者

到目前為止，美國宇航局已經(jīng)在火星上投放了四個探測器，自動駕駛能力也在不斷提高，第五個探測器也會計(jì)劃在不久的未來發(fā)射。探路者號于1996年12月4日發(fā)射，搭載了第一個成功登陸火星的探測器。1997年7月4日，探路者號使用了一種獨(dú)特的安全氣囊著陸系統(tǒng)在火星上的阿瑞斯谷安全著陸，這個系統(tǒng)看起來像一個裝滿足球的袋子，它會在火星表面最不穩(wěn)定的地方進(jìn)行彈跳，最后滾到一個地方停下。

著陸后的兩個火星日，流浪者探測車駛離探路者號來到火星表面。然而在三個月后，通訊中斷了，它的總行程僅為100米多一點(diǎn)，也就是一個足球場的長度。很可能是電池壞了，也可能是火星的寒冷造成的。當(dāng)任務(wù)結(jié)束時，流浪者已經(jīng)將計(jì)劃中的7天運(yùn)行周期延長了12倍，并將550張火星景觀的照片發(fā)回了地球。

探路者號使用的是基于PowerPC架構(gòu)的并具有抗輻射能力的RAD6000 CPU，而流浪者號的CPU是2MHz 80C85，內(nèi)存為64 Kb。（這是一個上世紀(jì)70年代的8位舊CPU）。因此，流浪者號擁有Radio Shack（睿俠牌） TRS-80 Model 100便攜式電腦的所有計(jì)算能力。

圖1：火星上的流浪者號太陽能火星車。

（圖片來源：NASA / JPL）

流浪者號與地球的通信微弱的。它通過一個9600波特的射頻調(diào)制解調(diào)器與探路者著陸器通信，該調(diào)制解調(diào)器提供的有效數(shù)據(jù)速率僅為2600波特，理論最大射程約為500米。顯然，流浪者探測車的“駕駛員”極具耐心，“他”坐在地球上的駕駛座上，戴著3D護(hù)目鏡，向其發(fā)出明確的移動指令。

勇氣號與機(jī)遇號

接下來兩輛火星探測器分別是“勇氣號”和“機(jī)遇號”，兩者是火星探測漫游者號的一部分。與流浪者一樣，都是太陽能的。兩輛火星車配有20MHz RAD6000 CPU，其提供了22 MIPS原始處理能力。“勇氣號”、“機(jī)遇號”于2003年發(fā)射，前后相隔不到一個月。勇氣號首先于2004年1月4日在Gusev隕石坑著陸，機(jī)遇號于2004年1月25日在Meridiani平原著陸。兩個著陸點(diǎn)分別位于火星兩側(cè)，相距約1萬公里。顯然兩者此生不會在相遇，所以不需要考慮車輛躲避算法。

圖2：火星上的勇氣號探測器。

（圖片來源：NASA / JPL）

從2004年運(yùn)行到2010年，勇氣號行駛了7.72公里（約為原計(jì)劃的13倍），運(yùn)行時間比原計(jì)劃長約20倍。可惜的是，在2009年5月，勇氣號通過特洛伊沙地時，車輪陷入軟土，使其無法動彈，之后的觀測數(shù)據(jù)一直被限制在原地，往后的幾次解救行動都失敗了。直到2010年NASA宣布放棄拯救計(jì)劃，勇氣號從此變?yōu)殪o止觀測平臺。2011年，NASA在最后一次嘗試聯(lián)絡(luò)后結(jié)束勇氣號的任務(wù)。

機(jī)遇號要比勇氣號境遇好得多。截至2018年1月25日，“機(jī)遇號”已在火星漫游14年之多，行駛路程達(dá)到45.16公里，比計(jì)劃的92天長約55倍。然而在2018年6月，火星上刮起了遮天蔽日的沙塵暴，美國宇航局與“機(jī)遇號”失去聯(lián)系。在陽光充足的情況下，機(jī)遇號也許還會復(fù)活。但就像埃爾頓·約翰爵士在《***》中唱的那樣，“火星冷得像地獄”。沒有電力，機(jī)遇號就無法讓自己或電池保持適宜的溫度。

由于計(jì)算能力有限，勇氣號和機(jī)遇號的自主駕駛能力受到嚴(yán)重限制。操作員將一天的計(jì)劃指令上傳到漫游者上（在模擬器中驗(yàn)證之后），這兩輛火星探測車會使用他們的立體成像功能和導(dǎo)航軟件找出到達(dá)指定目的地的最佳和最安全的路線，同時避開立體攝像機(jī)識別出的地面障礙。

勇氣號和機(jī)遇號的導(dǎo)航算法被稱為格式塔(GESTALT)。格式塔負(fù)責(zé)立體視覺控制、可遍歷性分析、路徑選擇和驅(qū)動。

好奇號

顯然只依靠太陽能，三輛探測車前輩并不能走得太遠(yuǎn)。因此，下一個前往火星的探測車“好奇號”，用的是钚RTG（放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)），這種發(fā)電機(jī)可以日夜不停地通過核裂變產(chǎn)生100瓦以上的電力。此外，RTG的余熱可以讓“好奇號”的內(nèi)部（電池和電子產(chǎn)品）保持溫暖。好奇號于2011年11月26日發(fā)射升空，并于2012年8月6日登陸火星。通常情況下，RTG可以工作數(shù)十年（钚238的半衰期為87年），每年只會損失一點(diǎn)輸出功率。因此，好奇號RTG的電力輸出每年只下降一到兩瓦特。

圖3：火星上的好奇號探測車。

（圖片來源：NASA / JPL）

本質(zhì)上來說，一種取之不盡用之不竭的能源有效地增強(qiáng)了好奇號的傳動系統(tǒng)，這意味著這款核動力探測車可以比它的前輩們走得更快更遠(yuǎn)，取得更多的科學(xué)研究。同時它也需要一個更強(qiáng)大的CPU來運(yùn)行自動駕駛軟件。

好奇號的CPU是一款較新的RAD750，可以在200MHz的時鐘頻率下工作，傳輸速度為400 MIPS。與勇氣號和機(jī)遇號上的RAD6000 CPU一樣，好奇號的RAD750 CPU也是基于PowerPC處理器架構(gòu)。且經(jīng)過了輻射硬化。

好奇號于2012年8月6日登陸火星，在整個好奇號登陸火星的過程中，最驚險的一段莫過于進(jìn)入-下降-著陸過程了，該階段縮寫為EDL，指的是飛船以每秒5.9公里的速度撞擊火星大氣層頂，開始降落過程。EDL過程持續(xù)僅僅7分鐘（被稱為恐怖7分鐘），以火星車平安降落于火星地表為結(jié)束標(biāo)志。從接觸火星大氣層頂之前10分鐘探測器拋掉巡航級開始，到有“天空起重機(jī)”之稱的下降級切斷連著好奇號的纜繩，飛船一共將經(jīng)歷6種不同的姿態(tài)，從而允許各階段動作的展開。

好奇號目前在運(yùn)行格式塔的改進(jìn)版本，用于自主導(dǎo)航，這個版本在400 MIPS RAD750 CPU上的運(yùn)行速度比在22 MIPS RAD6000 CPU上的快18倍。

美國航天局計(jì)劃在2020年啟動“Mars 2020”計(jì)劃。為了盡可能降低任務(wù)成本和風(fēng)險，“Mars 2020”計(jì)劃中的設(shè)計(jì)基于NASA成功研發(fā)的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Mars Science Laboratory)任務(wù)架構(gòu)，該架構(gòu)包括好奇號探測車和“天空起重機(jī)”著陸系統(tǒng)。用于“Mars 2020”任務(wù)的好奇號探測車進(jìn)行了改進(jìn)升級，比如為了更好地應(yīng)對崎嶇的地形，探測車安裝了皮條帶輪。經(jīng)過6年多的時間，好奇號的鋁輪正開發(fā)出額外的孔，如圖4所示。

圖4:“好奇號”探測車火星上滑行了六年多之后，其鋁制車輪開始出現(xiàn)磨損。

(圖片來源：NASA / JPL)

“Mars 2020”探測器的自動駕駛系統(tǒng)通過FPGA協(xié)處理器進(jìn)行加速。“Mars 2020”探測器仍將運(yùn)行格式塔 AutoNav算法，但當(dāng)任務(wù)啟動時，新的探測器將搭載一個基于FPGA的硬件加速器，名為Vision Compute Element (VCE，見圖5)。這在好奇號上是不存在的。

圖5：“Mars 2020”探測器視覺計(jì)算單元(VCE)中包含了一個新的基于FPGA的硬件加速器，有助于火星表面的著陸導(dǎo)航和自動駕駛。

（圖片來源：NASA / JPL）

VCE包含三個插入Compact PCI背板的卡：一張擁有探測車RAD750處理器的CPU，一個CEPCU1（Compute Element Power Conditioning Unit #1），以及一張計(jì)算機(jī)視覺加速卡或CVAC。CVAC是為“Mars 2020”開發(fā)的一種新卡，它是基于FPGA的硬件加速器，用于視覺相關(guān)的應(yīng)用程序。

在著陸初期，CVAC加速了著陸器視覺系統(tǒng)(LVS)的任務(wù)，該系統(tǒng)將著陸前的初始定位誤差從3.2公里(僅基于慣性測量)減少到40米。當(dāng)探測器從地球表面4200米下降到2000米的高度時，LVS將相機(jī)圖像與存儲的地圖進(jìn)行匹配，在10秒或更短的時間內(nèi)，利用固定在探測器外部的一個額外攝像頭來尋找地標(biāo)。這個快速計(jì)算提供了足夠的時間來將空中起重機(jī)定位在目標(biāo)著陸區(qū)的無礫石區(qū)域。

如圖5所示，“Mars 2020”探測器下降階段與探測車共享VCE。當(dāng)下降階段準(zhǔn)備完成時，利用天空起重機(jī)的操縱，VCE與下降階段的連接被切斷，探測器下降到火星表面。此時，VCE被重新用于格式塔自動駕駛算法。

格式塔算法采用圖像采集、立體分析、視覺測距、可通行性分析、路徑規(guī)劃與執(zhí)行。圖像采集包括對安裝在探測車相機(jī)上的圖像進(jìn)行捕獲、采樣、傳輸和存儲。立體分析分為圖像校正、濾波和視差處理。視覺測距包括識別和跟蹤圖像之間的特征，以估計(jì)位置變化?？赏ㄐ行苑治鰧⒘Ⅲw數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為路徑規(guī)劃器使用的映射。路徑規(guī)劃和執(zhí)行利用估計(jì)的位置和可通行性分析來確定和指揮探測車朝著總目標(biāo)進(jìn)行下一步行動。

FPGA

CVAC上的FPGA是可重新配置的Xilinx Virtex-5QVs，它是具有131,072個邏輯單元，320個DSP Slice和10.728 Mbits BRAM——是一款具有空間級抗輻射的FPGA。Virtex-5QV是一個可編程的視覺處理器，RTAX2000被永久配置為一個內(nèi)務(wù)處理芯片。RTAX2000還負(fù)責(zé)配置和重新配置Virtex-5QV FPGA。

Xilinx早在2011年就宣布推出Virtex-5QV FPGA。它能抵抗單事件的干擾，對單事件鎖存具有完全的免疫力，能夠承受超過1個Mrad(Si)的總電離劑量，并提供數(shù)據(jù)通路保護(hù)，免受單事件瞬變。

CVAC使用Virtex-5QV FPGA加速某些立體分析和視覺里程測量任務(wù)。它實(shí)現(xiàn)了立體分析任務(wù)中大部分計(jì)算，包括圖像校正、濾波和視差計(jì)算。它還實(shí)現(xiàn)了視覺測距任務(wù)的一部分，包括特征檢測和匹配。特征檢測采用角點(diǎn)檢測，特征匹配采用序列中圖像局部區(qū)域的絕對差和(SAD)算法。

CVAC上的Virtex-5QV FPGA為格式塔自動算法任務(wù)提供了顯著的硬件加速。與20MHz RAD6000 CPU相比，256像素寬圖像的立體聲分析速度至少快了4800倍，而FPGA在不到十分之一秒的時間內(nèi)就處理512P和1024P的圖像。

在使用著20MHz RAD6000 CPU上的MER 探測車上，視覺里程測量算法需要160秒來估計(jì)一個相對的姿態(tài)變化。而在“Mars 2020”上，視覺測程任務(wù)由FPGA和RAD750 CPU分擔(dān)，同樣的算法只需要8.8秒。然而，視覺里程測量算法的FPGA部分，對于512P的圖像需要0.016秒。

在火星上6年多的時間里，“好奇號”已經(jīng)完成了大量的科學(xué)研究，而且它還將持續(xù)數(shù)年。當(dāng)“Mars 2020”探測器在2021年登陸這顆紅色星球時，好奇號也將繼續(xù)執(zhí)行大量的科學(xué)任務(wù)，而且由于噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室將FPGA置于駕駛系統(tǒng)上，這輛探測車的速度將會更快。