智東西（公眾號：zhidxcom）
編譯 |?熊大寶
編輯 |?李水青
智東西4月13日報(bao)道，此前(qian)NASA宣布，4月11日，火(huo)星直(zhi)升(sheng)機(ji)(ji)“機(ji)(ji)智號”（Ingenuity）將首次在火(huo)星自主(zhu)飛行(xing)，但(dan)由于(yu)數(shu)據出錯，首飛時間改為不早(zao)于(yu)4月14日。此次飛行(xing)中，機(ji)(ji)智號將根據航點(dian)進行(xing)自主(zhu)爬升(sheng)、懸停(ting)、平移(yi)、降(jiang)落飛行(xing)，如若成功，將證明(ming)直(zhi)升(sheng)機(ji)(ji)用作探索(suo)火(huo)星工具是可行(xing)的。
“機智號”是一臺小(xiao)型(xing)雙螺旋槳直升機，僅重(zhong)1.8千克，大(da)小(xiao)猶如紙巾盒一般，配備高通驍龍801處理器(qi)、VGA攝像(xiang)機、激(ji)光高度計、斜率計等傳感器(qi)導航，由(you)兩個(ge)1.2米碳(tan)纖(xian)維轉子推(tui)進。2021年2月，機智號搭(da)乘NASA“毅力號”抵達火星，4月4日(ri)成(cheng)功登陸火星表面(mian)。
當機(ji)智號在太空完全自主運行前，NASA噴氣推進實驗室進行了(le)大(da)量模擬(ni)練習和飛行檢(jian)查，通(tong)過模擬(ni)火星(xing)大(da)氣條件、火星(xing)重力、直升機(ji)飛入火星(xing)時的(de)物理和視覺環(huan)境等，來將機(ji)智號調(diao)試到最佳(jia)狀態。機(ji)智號的(de)首席飛行員霍(huo)華德·格(ge)里(li)普（Howard Gripp）對該系統(tong)進行了(le)介紹(shao)。
一、構建仿真模擬系統，“還原”火星環境
為了讓機(ji)智(zhi)號能在(zai)火(huo)星上飛起(qi)來，格里普團隊(dui)起(qi)初使用模(mo)擬工具設計(ji)直(zhi)升機(ji)原型，并在(zai)真空室中設計(ji)了一整(zheng)套測試系統來復(fu)制火(huo)星的大氣條件(jian)。
當遇(yu)到(dao)火(huo)星(xing)引力等很多無(wu)法復制的(de)事情時，團隊只能依靠模(mo)擬(ni)系統(tong)盡可能地還(huan)原，因(yin)此研發了一種火(huo)星(xing)直升機仿真模(mo)擬(ni)系統(tong)——DARTS SHELL（飛鏢殼(ke)；Dshell）。該(gai)系統(tong)是一個多任務(wu)航天器(qi)模(mo)擬(ni)系統(tong)，用于(yu)測試和驗證飛行和硬(ying)件，可為(wei)大型硬(ying)件模(mo)型提供支持(chi)。
該模擬系統基于(yu)噴氣(qi)推(tui)進(jin)實驗室運行30余年(nian)的(de)多體(ti)模擬框架，格里普團(tuan)隊在其(qi)中(zhong)加(jia)入旋翼(yi)模型和空氣(qi)動力學(xue)模型，來(lai)進(jin)行火星引(yin)力、火星空氣(qi)動力學(xue)環境和直升(sheng)機飛入時的(de)物(wu)理、視覺環境的(de)模擬。
▲模擬系統中的“機(ji)智號”
由(you)于火(huo)星大氣稀薄，密度只有地球大氣的1%，飛行器必(bi)須足夠輕(qing)盈才能(neng)夠飛得動。因此，在(zai)還(huan)原火(huo)星引力時，模擬器可通過讓直(zhi)升機(ji)重量參數變小，或增加外部繩索牽(qian)引以(yi)達到(dao)減(jian)輕(qing)直(zhi)升機(ji)重力的效果。
在大氣和視覺環境(jing)的還原上，模(mo)擬系統能夠進(jin)行(xing)直升機從預設(she)A點(dian)到B點(dian)的完整飛(fei)行(xing)測試，包括直升機起飛(fei)時內(nei)部飛(fei)行(xing)軟件的運(yun)行(xing)、攝像頭飛(fei)行(xing)時的拍(pai)攝圖像等。
格(ge)里普表示，模擬(ni)系統在(zai)一(yi)定程(cheng)度(du)上(shang)彌補了(le)在(zai)地球上(shang)做不(bu)到的物理測試，團(tuan)(tuan)隊可以根據(ju)在(zai)地球上(shang)的測試參(can)數來驗證模擬(ni)，并且(qie)能夠在(zai)任意場景進行大量測試。例如團(tuan)(tuan)隊使用(yong)(yong)蒙特(te)卡羅(luo)法，連(lian)續飛行一(yi)千(qian)次，從(cong)中(zhong)(zhong)找出穩定參(can)數。蒙特(te)卡羅(luo)法也稱統計試驗法，用(yong)(yong)以描述一(yi)個(ge)系統運行過程(cheng)中(zhong)(zhong)的隨機(ji)現(xian)象(xiang)。
二、模擬系統存干擾，能力范圍內求精準
在地球(qiu)測(ce)試火(huo)星直升(sheng)機必定與火(huo)星條(tiao)件下(xia)運(yun)行(xing)存在偏差，因此多次(ci)調試非常重要。
目前火星直升(sheng)(sheng)機通過(guo)了許多測試，例如：團隊可以在(zai)崎(qi)嶇(qu)不平的(de)模擬地(di)形下(xia)運行(xing)直升(sheng)(sheng)機，讓(rang)直升(sheng)(sheng)機按(an)照(zhao)既定目的(de)行(xing)駛。”
▲“機智號”飛行區衛星影像
但是(shi)，地球上(shang)能做的(de)物理測試是(shi)有限的(de)，很(hen)(hen)多方面(mian)還(huan)存在(zai)不(bu)確定性(xing)。在(zai)不(bu)確定性(xing)很(hen)(hen)高的(de)方面(mian)，團(tuan)隊在(zai)力所(suo)能及的(de)范(fan)(fan)圍內構建模(mo)擬(ni)，將直升機模(mo)擬(ni)器(qi)置身于沙塵暴、氣(qi)旋等極端(duan)情況下，測試超出真實參數的(de)范(fan)(fan)圍，以探討在(zai)極端(duan)情況下的(de)應對策略。
模(mo)擬系統(tong)也不(bu)完(wan)美。團隊使用的(de)(de)模(mo)擬傳感(gan)器(qi)具有現實的(de)(de)模(mo)擬噪聲和偏差水平，攝像頭圖像的(de)(de)呈現存在現實干擾(rao)。如果不(bu)在意這些事情，就會略過(guo)很重(zhong)要的(de)(de)細節。因此(ci)，團隊盡量做到準確，并通過(guo)在高度不(bu)確定的(de)(de)區域進行超(chao)邊(bian)界捕捉。
模擬調試(shi)完畢后(hou)，在機智號起飛之前，團隊還(huan)需(xu)進行各種飛行檢查(cha)，例(li)如驗證(zheng)控制(zhi)系統的(de)響應(ying)性(xing)。
驗(yan)證(zheng)內容包括：1、機智(zhi)號(hao)在不起(qi)飛的情況(kuang)下將(jiang)葉(xie)片旋轉到(dao)(dao)每分(fen)鐘2537轉的全(quan)速(su)；2、第一次飛行時(shi)速(su)從每秒1米(mi)(mi)爬(pa)升到(dao)(dao)3米(mi)(mi)；3、爬(pa)升至(zhi)3米(mi)(mi)處懸停30秒并原地(di)旋轉；4、下降著陸。
三、模擬系統設計周期長，更強CPU可加速迭代
在直升機建模過程中(zhong)，格里(li)普團隊發(fa)現(xian)：火(huo)星(xing)直升機的(de)轉子(zi)動(dong)力學與(yu)地(di)球(qiu)直升機大(da)不(bu)相同，轉子(zi)相應葉片彎曲時產生的(de)振(zhen)動(dong)要比在地(di)球(qiu)上(shang)小。如果不(bu)考慮這(zhe)一點，直升機在真實火(huo)星(xing)環境(jing)下的(de)反應系統將(jiang)非(fei)常(chang)緩慢。
因此，格里普團隊改變車輛設計，制造(zao)來(lai)一個極其輕(qing)便(bian)和堅硬(ying)的轉子，使其能夠在(zai)火星(xing)大氣層中更快的旋轉。
▲模擬(ni)系統中的“機智號”起飛
火星直升機(ji)的設計周(zhou)期(qi)很長(chang)，需(xu)要構建(jian)和開發(fa)測試(shi)程(cheng)序(xu)并多(duo)次使用真(zhen)空室來測試(shi)它(ta)，而不是把它(ta)建(jian)出來之后再一點(dian)點(dian)調(diao)試(shi)。
對于模擬系統還有多少改(gai)進(jin)空間，格(ge)里普表示，模擬系統在運行(xing)時(shi)需要很多CPU計算(suan)資(zi)源(yuan)同時(shi)運作，如果(guo)未來有更強的(de)計算(suan)能力運用其中，模擬空間也有更高的(de)保(bao)真度。
未來的火星(xing)直(zhi)升(sheng)機可以通(tong)過高保真(zhen)空氣動力學模型(xing)(xing)和更大的多體(ti)模型(xing)(xing)緊密結合起來，快速(su)迭代。
結語：“機智號”首飛推遲顯現技術難題
“機智號”首飛(fei)推遲，再次(ci)表明(ming)了火星上直(zhi)升機運行的(de)(de)難度系(xi)數之(zhi)高，仿真(zhen)模擬系(xi)統無法(fa)預測所有存在的(de)(de)不確定性。希望經過修正調試后(hou)，4月14日“機智號”能如期飛(fei)行。
直升機與現有火(huo)星探索(suo)手段相比具有很多優勢。一方(fang)面(mian)，它(ta)(ta)可(ke)以提供從(cong)地(di)面(mian)幾(ji)米到幾(ji)十米高度的或(huo)型地(di)面(mian)詳細圖(tu)像(xiang)，彌補軌(gui)道飛(fei)行(xing)器圖(tu)像(xiang)分辨(bian)率有限的不足。另(ling)一方(fang)面(mian)，它(ta)(ta)能夠不受地(di)形限制充(chong)當(dang)偵(zhen)察平(ping)臺，與軌(gui)道飛(fei)行(xing)器配合，繪制地(di)形圖(tu)為其路徑規劃提供參考(kao)。
“機(ji)智號(hao)”若成功飛行，可為火星(xing)探(tan)索(suo)提供(gong)了一(yi)種全新途徑，將(jiang)加快火星(xing)生命探(tan)索(suo)、地質勘探(tan)、氣候環境測量等研究進(jin)度，甚至為將(jiang)來(lai)人(ren)類登(deng)陸火星(xing)進(jin)行探(tan)索(suo)做準備。
來源：IEEE?Spectrum
