这张火星图片是NASA机智号火星直升机在2021年5月22日第六次飞行中从33英尺(10米)的高度拍摄的。
影像来源:NASA/JPL-Caltech

在NASA的火星2020毅力号探测器任务的第91个火星日(Sol),机智号火星直升机进行了第六次飞行。这次飞行的目的是扩飞行范围,并通过拍摄西部感兴趣区域的立体图像来展示空中成像能力。机智号被命令爬升到33英尺(10米)的高度,然后以9英里/小时(4米/秒)的地面速度向西南方向移动492英尺(150米)。在这个时候,它要向南平移49英尺(15米),同时向西拍摄图像,然后再向东北方向飞行164英尺(50米),然后降落。

第六次飞行的遥测数据显示,飞行的第一个150米段顺利完成。但在这段飞行的最后,发生了一些事情。机智号开始调整其速度,并以摆动的方式前后倾斜。这种行为在余下的飞行中一直持续。在安全着陆之前,机载传感器显示,旋翼飞机遇到了超过20度的翻滚和俯仰偏移、较大的控制输入和峰值功耗。

第六次机智号飞行Navcam图像:这一系列图像是2021年5月22日,由NASA的机智号火星直升机上的导航摄像机拍摄的,展示了旋翼飞机第六次飞行的最后29秒。
视频来源:NASA / JPL-Caltech。

机智号如何估计运动

在空中,机智号使用机载惯性测量单元(IMU)来跟踪其运动。IMU测量机智号的加速度和旋转率。通过在一段时间内整合这些信息,可以估计出直升机的位置、速度和姿态(它在哪里,它的运动速度如何,以及它在空间中的方向)。机载控制系统对估计的运动作出反应,迅速调整控制输入(每秒500次)。

如果导航系统仅仅依靠IMU,从长远来看,它将不会非常准确。误差会迅速累积,直升机最终会迷失方向。为了长期保持更好的准确性,基于IMU的估计值要定期进行名义上的修正,这就是机智号的导航相机的作用。在空中的大部分时间里,向下看的导航相机每秒拍摄30张火星表面的照片,并立即将它们输入直升机的导航系统。 每次有图像传来,导航系统的算法都会执行一系列的操作。首先,它检查与图像一起接收的时间戳,以确定图像的拍摄时间。然后,该算法根据之前拍摄的图像(通常是由于颜色变化和岩石、沙波等突出物)识别出的表面特征,预测相机在那个特定时间点应该看到的东西。最后,该算法会查看这些特征在图像中实际出现的位置。导航算法使用这些特征的预测和实际位置之间的差异来修正其对位置、速度和姿态的估计。

这张关于机智号的图片是2021年5月23日——其第六次飞行的第二天——由毅力号火星车上的Mastcam-Z仪器拍摄。
影像来源:NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS

第六次飞行的异常情况

飞行大约54秒后,导航摄像机传送图像的管道出现了故障。这个小故障导致了一张图像丢失,但更重要的是,它导致后来所有的导航图像都带有不准确的时间戳。从这一点开始,每次导航算法基于导航图像进行校正时,都是基于关于图像拍摄时间的错误信息进行操作。由此产生的不一致性显著降低了直升机飞行所用的信息,导致估计不断被“修正”,以解释幻影误差。大型摆动随之而来。

异常情况下的生存

尽管遇到了这种异常情况,机智号仍能保持飞行,并在预定着陆地点的约16英尺(5米)范围内安全着陆。它能够做到这一点的原因之一是,我们为确保直升机的飞行控制系统有足够的 “稳定余量 ”付出了大量努力。我们设计的机智号能够容忍重大错误而不至于变得不稳定,包括时间上的错误。在机智号之前的飞行中,并不完全需要这种内置的余量,因为飞行器的行为与我们的预期一致,但在第六次飞行中,这种余量起到了拯救作用。

另一个设计决定也在帮助机智号安全降落方面发挥了作用。正如我以前写过的那样,在下降到着陆的最后阶段,我们停止使用导航相机的图像,以确保在这一关键阶段对直升机运动的平稳和持续估计。这一设计决定在第六次飞行中也得到了回报。机智号在飞行的最后时刻忽略了相机图像,停止了摆动,调整了姿态,并以设计的速度着陆。

纵观全局,第六次飞行以机智号安全着陆而告终,因为一些子系统——旋翼系统、致动器和动力系——对增加的需求作出了反应,使直升机继续飞行。从真正意义上讲,机智号努力克服了这种情况,虽然这次飞行发现了一个现在必须解决的时间漏,但它也从多个方面证实了系统的坚固性。

虽然我们没有刻意计划这样一次紧张的飞行,但NASA现在已经有了飞行数据来探测直升机的性能极限。这些数据将在未来的时间里被仔细分析,扩大我们关于在火星上飞行直升机的知识储备。

参考来源:

https://mars.nasa.gov/technology/helicopter/status/305/surviving-an-in-flight-anomaly-what-happened-on-ingenuitys-sixth-flight/

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