此前 NASA 宣布，4 月 11 日，火星直升機(jī) “機(jī)智號(hào)”（Ingenuity）將首次在火星自主飛行，但由于數(shù)據(jù)出錯(cuò)，首飛時(shí)間改為不早于 4 月 14 日。此次飛行中，機(jī)智號(hào)將根據(jù)航點(diǎn)進(jìn)行自主爬升、懸停、平移、降落飛行，如若成功，將證明直升機(jī)用作探索火星工具是可行的。
“機(jī)智號(hào)”是一臺(tái)小型雙螺旋槳直升機(jī)，僅重 1.8 千克，大小猶如紙巾盒一般，配備高通驍龍 801 處理器、VGA 攝像機(jī)、激光高度計(jì)、斜率計(jì)等傳感器導(dǎo)航，由兩個(gè) 1.2 米碳纖維轉(zhuǎn)子推進(jìn)。2021 年 2 月，機(jī)智號(hào)搭乘 NASA“毅力號(hào)”抵達(dá)火星，4 月 4 日成功登陸火星表面。
當(dāng)機(jī)智號(hào)在太空完全自主運(yùn)行前，NASA 噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了大量模擬練習(xí)和飛行檢查，通過(guò)模擬火星大氣條件、火星重力、直升機(jī)飛入火星時(shí)的物理和視覺(jué)環(huán)境等，來(lái)將機(jī)智號(hào)調(diào)試到最佳狀態(tài)。機(jī)智號(hào)的首席飛行員霍華德 · 格里普（Howard Gripp）對(duì)該系統(tǒng)進(jìn)行了介紹。
一、構(gòu)建仿真模擬系統(tǒng)，“還原”火星環(huán)境
為了讓機(jī)智號(hào)能在火星上飛起來(lái)，格里普?qǐng)F(tuán)隊(duì)起初使用模擬工具設(shè)計(jì)直升機(jī)原型，并在真空室中設(shè)計(jì)了一整套測(cè)試系統(tǒng)來(lái)復(fù)制火星的大氣條件。
當(dāng)遇到火星引力等很多無(wú)法復(fù)制的事情時(shí)，團(tuán)隊(duì)只能依靠模擬系統(tǒng)盡可能地還原，因此研發(fā)了一種火星直升機(jī)仿真模擬系統(tǒng)——DARTS SHELL（飛鏢殼；Dshell）。該系統(tǒng)是一個(gè)多任務(wù)航天器模擬系統(tǒng)，用于測(cè)試和驗(yàn)證飛行和硬件，可為大型硬件模型提供支持。
該模擬系統(tǒng)基于噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室運(yùn)行 30 余年的多體模擬框架，格里普?qǐng)F(tuán)隊(duì)在其中加入旋翼模型和空氣動(dòng)力學(xué)模型，來(lái)進(jìn)行火星引力、火星空氣動(dòng)力學(xué)環(huán)境和直升機(jī)飛入時(shí)的物理、視覺(jué)環(huán)境的模擬。
▲ 模擬系統(tǒng)中的 “機(jī)智號(hào)”
由于火星大氣稀薄，密度只有地球大氣的 1%，飛行器必須足夠輕盈才能夠飛得動(dòng)。因此，在還原火星引力時(shí)，模擬器可通過(guò)讓直升機(jī)重量參數(shù)變小，或增加外部繩索牽引以達(dá)到減輕直升機(jī)重力的效果。
在大氣和視覺(jué)環(huán)境的還原上，模擬系統(tǒng)能夠進(jìn)行直升機(jī)從預(yù)設(shè) A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)的完整飛行測(cè)試，包括直升機(jī)起飛時(shí)內(nèi)部飛行軟件的運(yùn)行、攝像頭飛行時(shí)的拍攝圖像等。
格里普表示，模擬系統(tǒng)在一定程度上彌補(bǔ)了在地球上做不到的物理測(cè)試，團(tuán)隊(duì)可以根據(jù)在地球上的測(cè)試參數(shù)來(lái)驗(yàn)證模擬，并且能夠在任意場(chǎng)景進(jìn)行大量測(cè)試。例如團(tuán)隊(duì)使用蒙特卡羅法，連續(xù)飛行一千次，從中找出穩(wěn)定參數(shù)。蒙特卡羅法也稱統(tǒng)計(jì)試驗(yàn)法，用以描述一個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中的隨機(jī)現(xiàn)象。
二、模擬系統(tǒng)存干擾，能力范圍內(nèi)求精準(zhǔn)
在地球測(cè)試火星直升機(jī)必定與火星條件下運(yùn)行存在偏差，因此多次調(diào)試非常重要。
目前火星直升機(jī)通過(guò)了許多測(cè)試，例如：團(tuán)隊(duì)可以在崎嶇不平的模擬地形下運(yùn)行直升機(jī)，讓直升機(jī)按照既定目的行駛。
▲ “機(jī)智號(hào)”飛行區(qū)衛(wèi)星影像
但是，地球上能做的物理測(cè)試是有限的，很多方面還存在不確定性。在不確定性很高的方面，團(tuán)隊(duì)在力所能及的范圍內(nèi)構(gòu)建模擬，將直升機(jī)模擬器置身于沙塵暴、氣旋等極端情況下，測(cè)試超出真實(shí)參數(shù)的范圍，以探討在極端情況下的應(yīng)對(duì)策略。
模擬系統(tǒng)也不完美。團(tuán)隊(duì)使用的模擬傳感器具有現(xiàn)實(shí)的模擬噪聲和偏差水平，攝像頭圖像的呈現(xiàn)存在現(xiàn)實(shí)干擾。如果不在意這些事情，就會(huì)略過(guò)很重要的細(xì)節(jié)。因此，團(tuán)隊(duì)盡量做到準(zhǔn)確，并通過(guò)在高度不確定的區(qū)域進(jìn)行超邊界捕捉。
模擬調(diào)試完畢后，在機(jī)智號(hào)起飛之前，團(tuán)隊(duì)還需進(jìn)行各種飛行檢查，例如驗(yàn)證控制系統(tǒng)的響應(yīng)性。
驗(yàn)證內(nèi)容包括：
1、機(jī)智號(hào)在不起飛的情況下將葉片旋轉(zhuǎn)到每分鐘 2537 轉(zhuǎn)的全速；
2、第一次飛行時(shí)速?gòu)拿棵?1 米爬升到 3 米；
3、爬升至 3 米處懸停 30 秒并原地旋轉(zhuǎn)；
4、下降著陸。
三、模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，更強(qiáng) CPU 可加速迭代
在直升機(jī)建模過(guò)程中，格里普?qǐng)F(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)：火星直升機(jī)的轉(zhuǎn)子動(dòng)力學(xué)與地球直升機(jī)大不相同，轉(zhuǎn)子相應(yīng)葉片彎曲時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)要比在地球上小。如果不考慮這一點(diǎn)，直升機(jī)在真實(shí)火星環(huán)境下的反應(yīng)系統(tǒng)將非常緩慢。
因此，格里普?qǐng)F(tuán)隊(duì)改變車輛設(shè)計(jì)，制造來(lái)一個(gè)極其輕便和堅(jiān)硬的轉(zhuǎn)子，使其能夠在火星大氣層中更快的旋轉(zhuǎn)。
▲ 模擬系統(tǒng)中的 “機(jī)智號(hào)”起飛
火星直升機(jī)的設(shè)計(jì)周期很長(zhǎng)，需要構(gòu)建和開(kāi)發(fā)測(cè)試程序并多次使用真空室來(lái)測(cè)試它，而不是把它建出來(lái)之后再一點(diǎn)點(diǎn)調(diào)試。
對(duì)于模擬系統(tǒng)還有多少改進(jìn)空間，格里普表示，模擬系統(tǒng)在運(yùn)行時(shí)需要很多 CPU 計(jì)算資源同時(shí)運(yùn)作，如果未來(lái)有更強(qiáng)的計(jì)算能力運(yùn)用其中，模擬空間也有更高的保真度。
未來(lái)的火星直升機(jī)可以通過(guò)高保真空氣動(dòng)力學(xué)模型和更大的多體模型緊密結(jié)合起來(lái)，快速迭代。
結(jié)語(yǔ)：“機(jī)智號(hào)”首飛推遲顯現(xiàn)技術(shù)難題
“機(jī)智號(hào)”首飛推遲，再次表明了火星上直升機(jī)運(yùn)行的難度系數(shù)之高，仿真模擬系統(tǒng)無(wú)法預(yù)測(cè)所有存在的不確定性。希望經(jīng)過(guò)修正調(diào)試后，4 月 14 日 “機(jī)智號(hào)”能如期飛行。
直升機(jī)與現(xiàn)有火星探索手段相比具有很多優(yōu)勢(shì)。一方面，它可以提供從地面幾米到幾十米高度的或型地面詳細(xì)圖像，彌補(bǔ)軌道飛行器圖像分辨率有限的不足。另一方面，它能夠不受地形限制充當(dāng)偵察平臺(tái)，與軌道飛行器配合，繪制地形圖為其路徑規(guī)劃提供參考。
“機(jī)智號(hào)”若成功飛行，可為火星探索提供了一種全新途徑，將加快火星生命探索、地質(zhì)勘探、氣候環(huán)境測(cè)量等研究進(jìn)度，甚至為將來(lái)人類登陸火星進(jìn)行探索做準(zhǔn)備。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。