点击
您可以订阅上面的“IEEE电气与电子工程师学会”公众号。汇聚全球科技前沿动态，开启科研创业新思路。
图片：AstroboticDrone's-Eye 视图：一架运行 Astrobotic 导航软件的无人机绘制了冰岛熔岩管的地图。
尼尔·阿姆斯特朗让它看起来很容易。 “休斯顿，这里是宁静基地。鹰号已经着陆了。”他平静地说，就好像他刚刚把车开进停车场一样。事实上，阿波罗11号着陆器的着陆是令人伤脑筋的。当鹰飞到月球表面时，阿姆斯特朗和他的同事巴兹·奥尔德林意识到它会降落在计划的着陆点附近，并径直飞向一块巨石。阿姆斯特朗开始寻找更好的“停车”地点。最后，在150米处，他以大约45秒的剩余燃料转向了一个稳定的地方。
“如果他没有到那里，谁知道会发生什么？”安德鲁·霍克勒说道。坐在一个玻璃墙会议室里，该会议室位于一座改建的砖砌仓库中，该仓库是匹兹堡机器人工业区的一部分，也是科技初创公司的中心。据了解，这里是航天机器人公司Astrobotic Technology的总部。未来几十年，人类对月球的探索将主要依靠机器人登陆车、漫游车和无人机。霍克勒领导的团队的目标是确保这些机器人飞船（包括 Astrobotic 自己的游隼着陆器）的性能至少与阿姆斯特朗一样好。
Astrobotic的精确导航技术将允许无人驾驶和无人着陆器精确着陆，因此未来阿姆斯特朗不必加强对登陆艇的控制。一旦安全地漂浮在月球表面，像 Astrobotic 这样的机器人将探索月球的地质情况，寻找未来月球基地的地点，并为这些基地携带设备和材料。最终，火星车将帮助开采深埋在火山喷口和两极的矿物质和水。
2007 年，卡内基梅隆大学的机器人专家组建了 Astrobotic 来角逐 Google Lunar X 大奖，该奖项要求各团队将机器人航天器发送到月球。该公司于 2016 年退出竞争，但其使命仍在不断发展。据悉，该公司目前拥有 20 名员工，已与十多个组织签署了向月球运送有效载荷的合同，价格为每公斤 120 万美元，该公司称这是业内最低的。去年年底，Astrobotic 成为 NASA 选定为其为期 10 年、耗资 26 亿美元的商业月球有效载荷服务 (CLPS) 计划运送有效载荷到月球的九家公司之一。该航天局于5月底宣布了第一轮CLPS合同，该航天局将在2021年7月之前获得7950万美元的有效载荷。
与此同时，中国、印度和以色列都已发射或计划很快发射未经重新编程的月球着陆器。到 2029 年阿波罗 11 号登月 60 周年时，月球可能会更加繁忙。
俄亥俄州立大学的航空航天工程师约翰·霍拉克说，月球的引力是普遍存在的。 “月亮挂在天上，在向我们招手。这种召唤不仅仅是语言或文化的障碍。看到这么多人思考如何到达月球，这并不奇怪。”
在月球上，没有 GPS、指南针、磁场或高分辨率地图来提示月球飞船确定其所在位置和目的地。任何飞机在计算、功率和传感器方面都会受到限制。在月球上航行更像是古代波利尼西亚人的寻路，他们研究星星和洋流来追踪船只的轨迹、位置和方向。
航天器的探路器是一种惯性测量装置，它使用陀螺仪和加速度计从固定的起点计算姿态、速度和方向。这些系统根据之前的估计进行推断，因此误差会随着时间的推移而累积。 “当你向前飞行时，你对自己所在位置的了解变得越来越模糊绘制地形图软件，”霍奇勒说。 “我们的系统将这种模糊性压缩到一个已知点。”
传统的制导系统可以让航天器在几公里长的椭圆内着陆，但 Astrobotic 的系统可以让航天器在距离目标 100 米的范围内着陆。这将允许在可开采的陨石坑附近、雾气笼罩的冰柱上或靠近月球基地的着陆垫上着陆。霍奇勒说：“在一个地点着陆一次是一回事，以精确的方式重复着陆又是另一回事。”
Astrobotic 的地形相对导航 (TRN) 传感器包含智能导航所需的所有硬件和软件。它使用 32 位处理器，适用于其他任务，并使用 FPGA 硬件加速进行低级计算机视觉处理。处理器和 FPGA 均经过抗辐射处理。这个砖块大小的装置可以用螺栓固定在任何航天器上。当着陆器接近时，传感器将每秒拍摄数百万像素的月球表面图像。类似于面部识别的算法将找到图像中的独特特征，并将它们与存储的地图进行比较，以计算月球坐标和方向。
图片，顶部：LROC 团队/亚利桑那州立大学；底部：Astrobotic 比生活更真实：Astrobotic 的沙克尔顿陨石坑周围区域的合成图像[底部]与美国宇航局月球勘测轨道飞行器拍摄的图像几乎没有区别[顶部]。
这些存储的地图是一个计算奇迹。美国宇航局的月球勘测轨道器 (LRO) 于 2009 年开始绘制月球地图，它捕获的图像与着陆器下降时看到的图像具有非常不同的视角和阴影。在两极尤其如此，太阳的角度极大地改变了光线。
因此，Astrobotic 的软件专家正在创建合成地图。他们的软件从基于 LRO 数据的高程模型开始。它将这些地形模型与太阳、月球和地球的相对位置、着陆器的大致位置以及月球土壤的纹理和反射率等数据融合在一起。最后，基于物理的光线追踪系统（类似于动画电影中用于创建合成图像的系统）将所有内容整合在一起。
霍克勒在月球南极附近拍摄了两张 50 × 200 公里的照片。其中一张照片是由 LRO 拍摄的。另一个是由 Celestial Robotics 软件创建的数字渲染版本。我无法将他们分开。霍克勒表示，未来的 TRN 系统可能能够在着陆器下降时在飞行中构建高保真地图，但以目前的机载计算能力来说这是不可能的。
为了确认 TRN 的算法，Astrobotic 在莫哈韦沙漠进行了测试。 2014 年的一段视频显示，TRN 传感器安装在 Masten Space Systems 制造的垂直起降飞行器上，Masten Space Systems 是另一家被选为 NASA CLPS 项目的公司。天体机器人工程师提前绘制了灌木丛地图，其中包括一个可能的着陆点，上面散布着沙袋以模拟大岩石。在视频中，车辆在没有设定目的地的情况下起飞。导航传感器扫描地面并将其看到的内容与存储的地图进行匹配。危险检测传感器使用激光雷达和立体摄像机来绘制岩石地形的形状和高度，并跟踪着陆器与地面的距离。飞机安全着陆，避开了沙袋。
Astrobotic 预计其首次 CLPS 任务将于 2021 年 7 月由联合发射联盟 Atlas V 火箭发射。坚固耐用的 Peregrine 着陆器的 28 个有效载荷将包括 NASA 科学仪器、墨西哥航天局的另一台仪器、智利和日本初创公司的漫游车以及付费客户的个人纪念品。
在太空机器人公司员工称之为“老虎巢穴”的地方，一只大毛绒老虎盯着航空航天工程师杰里米·哈迪，他看起来玩得太开心了。他正在驾驶一架虚拟无人机穿越屏幕上的树木和岩石景观。当他切换到无人机的视野时，景观中充满了绿点，每个绿点都是无人机跟踪的独特特征，例如角落或边缘。
哈迪使用的程序称为 AstroNav，它将引导推进驱动的无人机穿过月球的巨型熔岩管。霍奇勒说，温度稳定的隧道被认为有数十公里长，“可以容纳整个城市”。无人机将在飞行中绘制隧道地图，然后返回月球站或地球进行充电并发送图像。
哈迪的无人机在未经授权的区域飞行。 Astronav 使用同步定位和建图 (SLAM) 算法，这是一种重型技术，自动驾驶汽车和办公交付机器人也使用它来构建周围环境的地图并计算自己在地图中的位置。 Astronav 混合了来自无人机惯性测量单元、立体视觉相机和激光雷达的数据。该软件通过多帧跟踪绿点特征来计算无人机的位置。
该公司已在西弗吉尼亚州的一个洞穴、新墨西哥州的火山口和冰岛的洛夫特里尔熔岩管中测试了由空间导航系统引导的六角形直升机。类似的撞击技术可以引导自主月球车探索永久阴影区域。
Astrobotic 有很多竞争对手。 CLPS 的另一个承包商是德雷珀实验室 (Draper Laboratories)，它帮助指导了阿波罗任务。该实验室的导航系统将搭载日本初创公司 iSpace 的月球着陆器登上月球，该系统也是围绕图像处理和识别而构建的。
太空系统项目经理艾伦·坎贝尔表示，德雷珀的“特殊酱汁”是为美国陆军联合精确空中输送系统开发的软件，该系统通过降落伞在战区提供补给。在一个叫做空气导管的盒子里，有一个朝下的摄像头、电机和一台运行窗帘软件的小型计算机。该软件通过将相机图像中的地形特征与商业卫星图像进行比较来确定降落伞的位置绘制地形图软件，从而使降落伞能够在距离目标50米的范围内着陆。
该设备还使用多普勒激光雷达，可检测危险并测量相对速度。 “当你爬得更高时，你可以将图像与地图进行比较，”坎贝尔说。在较低的高度，采用不同的方法来跟踪特征及其移动方式。 “激光雷达将为您提供更精细的危险纹理图。”
坎贝尔补充道，德雷珀在阿波罗时代的长期经验为该实验室带来了优势。 “我们以前去过月球，但我认为我们的竞争对手不能说同样的话。”
其他渴望登上月球的国家也依赖自主导航。例如，中国的嫦娥四号于一月初成为第一个登陆月球背面的航天器。在着陆视频中，航天器在水面上盘旋了几秒钟。坎贝尔说：“这表明它有激光雷达或（A）相机，正在拍摄该区域的图像，以确保它降落在安全的地方。” “这绝对是一个自治系统。”
以色列的月球飞船Beresheet也有望在4月份实现完全自主着陆。据报道，该公司依赖于在计算机上运行的图像处理软件，其功能与智能手机大致相同。然而，在着陆前不久，由于明显的发动机故障，它在月球表面坠毁。
俄亥俄州的霍拉克表示，登月竞赛中没有赢家。 “我们需要世界各地大量成功的组织来完成这项工作。”
Astrobotic 也在进行进一步的研究。其天体导航系统可用于不存在高分辨率地图的其他宇宙物体，例如木星和土星的卫星。挑战将是缩小软件的计算能力要求。霍奇勒指出，太空计算远远落后于地球计算。一切都必须具有耐辐射性，并针对耐热挑战环境而设计。 “这往往是非常习惯的，”他说。 “你不可能每两年就有一个新的处理器系列。Apple Watch 的计算能力比许多航天器还要强大。”
月球将成为精密着陆和导航的重要试验平台。霍奇勒说：“登陆月球所需的许多技术与登陆火星或木卫二这样的冰冷卫星所需的技术相似。” “在我们最近的邻居中证明事情比在太阳系中容易得多。”中间的物体要容易得多。”
点击
