如果一切順利，那么「機(jī)智號(hào)」將成為第一架翱翔在火星上空的飛行器。

這架名為「機(jī)智號(hào)」的無(wú)人直升機(jī)，被吊裝在「毅力號(hào)」火星車的肚子下面，一路送往那顆紅色星球。機(jī)智號(hào)本體只有 1.8 公斤重，一盒紙巾大小，四條機(jī)械腿上卻裝有兩根長(zhǎng)達(dá) 1.2 米的碳纖維旋翼。除了拍照它不執(zhí)行科學(xué)任務(wù)，主要是驗(yàn)證在火星上自主飛行的能力。

為了完成這項(xiàng)艱巨的任務(wù)，「機(jī)智號(hào)」必須經(jīng)受住一系列考驗(yàn)——嚴(yán)酷的溫度、苛刻的功率限制，并在距離地球達(dá)10光分的火星上完成90秒的飛行任務(wù)。由于距離過(guò)遠(yuǎn)，實(shí)時(shí)通信或控制顯然無(wú)法實(shí)現(xiàn)，它必須自主飛行。

那么NASA噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室（JPL）是如何設(shè)計(jì)這架直升飛機(jī)的？我們采訪到NASA JPL火星無(wú)人機(jī)行動(dòng)負(fù)責(zé)人Tim Canham。

整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程最重要的策略，是權(quán)衡設(shè)計(jì)與火星無(wú)人機(jī)的任務(wù)背景，這也是本次技術(shù)演示的最大意義所在?！笝C(jī)智號(hào)」并不需要像「毅力號(hào)」火星車那樣完成科學(xué)考察工作；相反，它只需要做好自己的本份，飛行一段距離。如果運(yùn)氣好，「機(jī)智號(hào)」還可以捕捉幾張航拍圖，僅此而已。這項(xiàng)任務(wù)的價(jià)值在于，我們要證明低空飛機(jī)器能夠在火星表面飛行，并收集更多數(shù)據(jù)，以指導(dǎo)下一代火星旋翼飛機(jī)的設(shè)計(jì)與制造工作。一切只是開(kāi)始，更令人興奮的遠(yuǎn)景發(fā)展還在后頭。

「機(jī)智號(hào)」不需要刻意完成任何復(fù)雜的任務(wù)，因?yàn)楣馐腔鹦菬o(wú)人機(jī)這個(gè)概念就已經(jīng)足夠復(fù)雜了。在火星上放飛無(wú)人機(jī)極具挑戰(zhàn)性，除了功率與通信限制之外，還有一項(xiàng)核心挑戰(zhàn)——火星的大氣密度僅為地球的1%。

考慮到上述情況，Tim Canham告訴我們，「機(jī)智號(hào)」只要能夠在火星表面成功起降一次，對(duì)NASA來(lái)說(shuō)就已經(jīng)是場(chǎng)輝煌的勝利。Canham協(xié)助開(kāi)發(fā)了指揮「機(jī)智號(hào)」運(yùn)行的軟件架構(gòu)。作為「機(jī)智號(hào)」運(yùn)營(yíng)團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人，Canham目前主要處理無(wú)人機(jī)計(jì)劃與「毅力號(hào)」火星車團(tuán)隊(duì)之間的協(xié)調(diào)工作。通過(guò)交流，我們希望深入了解「機(jī)智號(hào)」無(wú)人機(jī)如何在火星表面自主實(shí)現(xiàn)起降飛行。

問(wèn)：您能聊聊「機(jī)智號(hào)」無(wú)人機(jī)的硬件配備嗎？

Tim Canham: 「機(jī)智號(hào)」無(wú)人機(jī)屬于技術(shù)演示項(xiàng)目，所以JPL愿意為此承擔(dān)更高的失敗風(fēng)險(xiǎn)。這一點(diǎn)與火星車乃至深空探測(cè)器不同——后者屬于B級(jí)任務(wù)，不少NASA員工已經(jīng)在這部分硬件與軟件開(kāi)發(fā)工作中投入了多年時(shí)間。

對(duì)于純技術(shù)演示，JPL傾向于嘗試更多新的實(shí)現(xiàn)方式。因此，我們決定盡可能擺脫手工件的束縛，大量采用現(xiàn)成的消費(fèi)類硬件。目前市面上已經(jīng)存在很多堅(jiān)實(shí)耐用且能夠抵御輻射的航空電子元件，而且大部分技術(shù)屬于普通商業(yè)級(jí)產(chǎn)品。

以處理器為例，我們使用的是高通公司提供的驍龍801芯片。它實(shí)際上就是一塊手機(jī)處理器，而且體積非常小巧。不瞞您說(shuō)，驍龍801實(shí)際上是此次任務(wù)中最先進(jìn)的處理器，其性能反而比「毅力號(hào)」火星車上的處理器強(qiáng)大得多。事實(shí)上，這塊無(wú)人機(jī)使用的芯片擁有比火星力高出幾個(gè)數(shù)量級(jí)的算力，負(fù)責(zé)通過(guò)500 Hz主頻在制導(dǎo)期間循環(huán)運(yùn)行，以保持無(wú)人機(jī)在火星大氣中的平衡飛行。更重要的是，我們還需要捕捉圖像并分析特征，同時(shí)以30 Hz頻率逐幀跟蹤畫面內(nèi)容?？傊?，這些任務(wù)都對(duì)處理器性能提出了極高要求，而NASA目前使用的一切航空電子元件都達(dá)不到要求。實(shí)際上，我們已經(jīng)開(kāi)始從SparkFun上訂購(gòu)零件。我們的理念非常簡(jiǎn)單：雖然這些只是商用硬件，但我們會(huì)進(jìn)行全面測(cè)試；只要效果良好，就應(yīng)該可以直接使用。

問(wèn)：能否介紹一下「機(jī)智號(hào)」使用的導(dǎo)航傳感器？

Tim Canham: 我們使用的手機(jī)級(jí) IMU、激光測(cè)高儀（來(lái)自SparkFun）以及向下的 VGA 攝像機(jī)進(jìn)行單眼特征跟蹤。導(dǎo)航時(shí)，無(wú)人機(jī)逐幀比較幾十個(gè)特征，以跟蹤相對(duì)位置找出方向和速度。這一切功能都會(huì)通過(guò)位置估計(jì)來(lái)完成，而不需要記住特征或創(chuàng)建地圖。

圖：NASA機(jī)智號(hào)無(wú)人機(jī)底部圖，可以看到其上搭載的激光測(cè)高儀和導(dǎo)航攝像機(jī)。

我們還裝有一臺(tái)傾角儀，用于在起飛時(shí)確定地面的傾斜度。另外，無(wú)人機(jī)上搭載一個(gè)1300萬(wàn)像素的手機(jī)級(jí)彩色攝像頭——與導(dǎo)航無(wú)關(guān)，我們只是希望在飛行過(guò)程中拍攝幾張精美的照片。我們將其稱為RTE，以縮寫方式稱呼各類系統(tǒng)也是太空項(xiàng)目的傳統(tǒng)。其實(shí)我們之前還考慮過(guò)在系統(tǒng)中加入危險(xiǎn)檢測(cè)功能，但時(shí)間有限最后只能作罷。

問(wèn)：這架無(wú)人機(jī)是怎么自主飛行的？

Tim Canham: 其實(shí)你可以把這架無(wú)人機(jī)理解成某種傳統(tǒng)的JPL航天器，其中安裝一套排序引擎，我們?yōu)槠渚帉懥硕鄺l序列、相關(guān)命令，再將文件上傳其中以供執(zhí)行。

在模擬過(guò)程中，我們將低空飛行的制導(dǎo)部分劃分成多個(gè)途經(jīng)點(diǎn)，每個(gè)途經(jīng)點(diǎn)都對(duì)應(yīng)著我們?cè)谥茖?dǎo)軟件中設(shè)定的一條命令序列。在需要飛行時(shí)，我們會(huì)向無(wú)人機(jī)發(fā)出指令，之后即由制導(dǎo)軟件接管并完成起飛、穿越各途經(jīng)點(diǎn)、以及最后的著陸動(dòng)作。

但這種方式中的每個(gè)途經(jīng)點(diǎn)都經(jīng)過(guò)特別設(shè)計(jì)，不能算是真正的自主飛行——我們并沒(méi)有設(shè)定任何目標(biāo)與規(guī)則，也沒(méi)有做出任何高級(jí)推理，所以這只能算是半自主方案。更簡(jiǎn)單直接的方法就是，指定專人通過(guò)操縱桿遠(yuǎn)程指揮其飛行，但地球距離火星太遠(yuǎn)，即時(shí)遙控根本實(shí)現(xiàn)不了。面對(duì)緊張的項(xiàng)目時(shí)間表，我們只能提前制定出大體飛行計(jì)劃，幫助無(wú)人機(jī)理解需要完成的預(yù)定飛行軌跡。在實(shí)際飛行中，無(wú)人機(jī)本身會(huì)根據(jù)風(fēng)力、風(fēng)向及其他實(shí)際環(huán)境因素調(diào)整飛行方式，保證始終沿既定航線前行。這同樣是種半自主方案，用以順利完成發(fā)射前制定的飛行路線。

就個(gè)人看來(lái)，我覺(jué)得這不能算是高級(jí)自主技術(shù)，而更多只是一種腳本式的飛行導(dǎo)引。只有直接要求無(wú)人機(jī)“給那塊巖石拍張照片”、它就能照做，才算真正的自主飛行。但作為初始任務(wù)，我們這次只需要證明飛行器能在火星地表成功飛行。至于全自主飛行方案，我們會(huì)在后續(xù)任務(wù)中逐步嘗試，這可能需要制作一架體量更大的無(wú)人機(jī)、搭載能夠?qū)崿F(xiàn)更強(qiáng)自主功能的先進(jìn)硬件。

說(shuō)起這個(gè)，我們不妨回顧火星上的第一位訪客——探路者號(hào)。它的任務(wù)更簡(jiǎn)單：繞基地先進(jìn)一圈，最好拍下巖石及其他樣本的照片。因此作為初步技術(shù)演示，我們對(duì)火星上的第一架無(wú)人機(jī)也沒(méi)必要苛求過(guò)多。

問(wèn)：在某些極端情況下，無(wú)人機(jī)有沒(méi)有可能偏離預(yù)定飛行路線？

Tim Canham: 制導(dǎo)軟件會(huì)持續(xù)檢測(cè)各傳感器的運(yùn)行狀況，保證生成高質(zhì)量數(shù)據(jù)。如果傳感器發(fā)生故障，無(wú)人機(jī)確實(shí)會(huì)做出相應(yīng)反應(yīng)，即保持最后一條飛行指引信息、嘗試著陸，而后向我們發(fā)送情況報(bào)告并等待處理意見(jiàn)。總之，在檢測(cè)到傳感器故障后，無(wú)人機(jī)將停止飛行。我們一共在機(jī)智號(hào)上安裝了三個(gè)傳感器，都與飛行過(guò)程緊密相關(guān)，三者的數(shù)據(jù)將融合起來(lái)共同為機(jī)智號(hào)提供導(dǎo)航指引。

圖：一位藝術(shù)家為此次火星飛行任務(wù)繪制的想象圖。（圖片來(lái)源/NASA/JPL-Caltech）

問(wèn)：初始飛行計(jì)劃是怎么制定出來(lái)的？

Tim Canham: 我們經(jīng)歷了全面的選址過(guò)程，一切以「毅力號(hào)」火星車預(yù)計(jì)降落地點(diǎn)周邊的環(huán)境為起點(diǎn)。根據(jù)實(shí)際情況，我們整理出軌道圖像，并從中粗略識(shí)別出火星車將先后抵達(dá)的多個(gè)點(diǎn)位。結(jié)合周邊巖石的坡度、高度乃至特定區(qū)域內(nèi)的地表紋理，我們精心選取了適合無(wú)人機(jī)飛行的區(qū)域。

這里同樣有不少權(quán)衡因素——最安全的地表應(yīng)該沒(méi)有任何紋理，代表這一塊區(qū)域沒(méi)有巖石；但這種缺少紋理的地面，也可能令無(wú)人機(jī)無(wú)法準(zhǔn)確捕捉其特征、進(jìn)而失去制導(dǎo)能力。為此，我們最好選擇一片易于跟蹤特征的碎石灘，同時(shí)保證這里沒(méi)有任何可能威脅著陸過(guò)程的大石塊。

問(wèn)：這架無(wú)人機(jī)計(jì)劃完成哪些飛行任務(wù)？

Tim Canham: 因?yàn)橹皇堑谝淮螄L試，所以我們只規(guī)劃了三項(xiàng)主要任務(wù)，而且起降點(diǎn)全部選在同一位置。只有這樣，才能保證無(wú)人機(jī)始終處于經(jīng)過(guò)調(diào)查的安全飛行區(qū)域內(nèi)。我們的時(shí)間窗口也非常有限，只有30天。如果時(shí)間再寬裕些，我們可能會(huì)嘗試讓其降落在其他看起來(lái)比較安全的新區(qū)域。但至少三項(xiàng)既定任務(wù)都是起飛、飛行、而后返航并降落在同一地點(diǎn)。

問(wèn)：JPL擁有豐富的機(jī)器人制造經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)發(fā)的機(jī)器人往往能夠在主要任務(wù)完成后長(zhǎng)時(shí)間保持正常運(yùn)作。但這次只設(shè)定30天的任務(wù)執(zhí)行周期，是否意味著除非發(fā)生意外事故，否則這架功能仍然完好的無(wú)人機(jī)將被直接遺棄在火星表面？

Tim Canham: 是的，計(jì)劃就是這樣，火星車會(huì)前往別處繼續(xù)執(zhí)行主要任務(wù)。毅力號(hào)團(tuán)隊(duì)已經(jīng)為我們劃撥了不少資源，留下了30天的時(shí)間窗口，我們對(duì)此深表感謝。在此之后，無(wú)論無(wú)人機(jī)狀況是否良好，火星車本體都會(huì)繼續(xù)前進(jìn)。所以我們可以隨意安排飛行任務(wù)，但絕對(duì)不能超過(guò)30天時(shí)限。

目前我們還沒(méi)有規(guī)劃好最后兩輪飛行，但根據(jù)前三輪飛行任務(wù)的執(zhí)行速度，我們可能會(huì)有一周左右時(shí)間做點(diǎn)新鮮的嘗試。不過(guò)當(dāng)下，我們還是要先認(rèn)真把前三輪任務(wù)做好。

只要能成功完成一次飛行，我們的目標(biāo)就算是基本實(shí)現(xiàn)。接下來(lái)我們會(huì)略微擴(kuò)大飛行范圍，如果仍然成功，那么最后兩輪飛行就可以稍微冒點(diǎn)險(xiǎn)了。比如我們可能會(huì)飛上一百米，或者做個(gè)大回環(huán)之類的動(dòng)作。但最重要的是，理解無(wú)人機(jī)在火星表面的飛行方式，所以第一輪任務(wù)最重要，我們得認(rèn)真觀察無(wú)人機(jī)的飛行能力。

問(wèn)：假如前四輪飛行一切順利，那么在最后一輪嘗試中，您打算設(shè)計(jì)怎樣的飛行任務(wù)？是做點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)比較大、但成功后意義重大的嘗試，還是風(fēng)險(xiǎn)較小、但重要性同樣偏低的嘗試？

Tim Canham: 這是個(gè)好問(wèn)題，我們也在認(rèn)真思考。如果只剩一輪飛行機(jī)會(huì)，再考慮到反正這架無(wú)人機(jī)終究要被遺棄，我們可能會(huì)做點(diǎn)大膽的探索。但現(xiàn)在我們還沒(méi)到這一步，目前值得關(guān)注的只有前三輪飛行，之后的紅利部分稍后再研究。

問(wèn)：JPL的工程師們?cè)谔剿髦羞€有哪些特別的發(fā)現(xiàn)，能給我們講講嗎？

Tim Canham: 這是我們第一次在火星環(huán)境下使用Linux。沒(méi)錯(cuò)，我們的無(wú)人機(jī)用的是Linux系統(tǒng)，軟件框架則是JPL內(nèi)部開(kāi)發(fā)的立方體衛(wèi)星與儀器專用框架。

幾年前，我們已經(jīng)把項(xiàng)目開(kāi)源，現(xiàn)在大家可以直接通過(guò)GitHub下載火星無(wú)人機(jī)上的飛行軟件，把它用在自己的項(xiàng)目當(dāng)中。這是開(kāi)源領(lǐng)域的一場(chǎng)輝煌勝利，我們把開(kāi)源系統(tǒng)與開(kāi)源飛行軟件框架，同商用零部件整合了起來(lái)。

如果你想親自嘗試，也完全沒(méi)有問(wèn)題。對(duì)JPL來(lái)說(shuō)，這種結(jié)合還是新鮮事物，以往我們大多使用特別安全、特別可靠的部件。但這一次靈感碰撞讓人們感到興奮無(wú)比，我們也期待這種新思路能在未來(lái)迸發(fā)出更大的能量。