2022年3月17日,即任务的第381个火星日,NASA的毅力号火星探测器回望了它的车轮轨迹。
影像来源:NASA/JPL-Caltech

本月,火星车将开始一系列破纪录的冲刺,前往下一个采样地点,届时将对其自动驾驶能力进行测试。

NASA的毅力号火星车试图在一个月内行驶的距离超过之前任何一辆火星车,而且它将使用人工智能来做到这一点。前方的道路上有沙坑、陨石坑和尖锐岩石的区域,火星车必须自行导航,绕过这些地方。从2022年3月14日开始的3英里(5公里)的旅程结束后,毅力号将抵达杰泽罗陨石坑内一个古老河流的三角洲,那里数十亿年前曾有一个湖泊。

这个三角洲是火星探测器寻找过去微观生命迹象的最佳地点之一。毅力号使用机械臂末端的钻头和腹部的复杂样本采集系统,正在收集返回地球的岩芯,这是火星样本返回活动的第一部分。

“三角洲是如此重要,以至于我们实际上已经决定尽量减少科学活动,让火星车专注于行驶,以便更快地到达那里。”毅力号项目的科学家、加州理工学院的肯·法利说。“在那次旅途中,我们将拍摄大量三角洲的照片。我们越靠近,这些照片就越令人印象深刻。”

NASA的毅力号火星车将按照动画所示的路线前往杰泽罗陨石坑三角洲。这个三角洲是火星车在火星上寻找古代生命迹象时将访问的最重要的地点之一。
影像来源:NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS/University of Arizona

科学团队将在这些图像中搜索他们最终想要使用毅力号手臂上的仪器更详细地研究的岩石。他们还将寻找火星车攀登 130 英尺高(40 米高)三角洲的最佳路线。

但首先,毅力号需要到达那里。火星车将依靠其自动驾驶AutoNav系统来做到这一点,该系统已经创造了令人印象深刻的自动驾驶距离记录。虽然NASA的所有火星车都具有自动驾驶能力,但毅力号拥有迄今为止最先进的能力。

“在机遇号这样的火星车上,自动驾驶过程需要几分钟,而在毅力号上,自动驾驶过程只需不到一秒。”领导该任务的美NASA南加州喷气推进实验室的火星车高级规划师和飞行软件开发人员马克·迈蒙说。“因为现在的自动驾驶速度更快,所以我们可以比对每一次驾驶都需要人类编程时覆盖更多的区域。”

火星车计划的工作原理

在火星车启动之前,一个由移动规划专家组成的团队(毅力号有14名专家,他们轮流轮班)负责编写机器人探测器将执行的驾驶命令。指令通过NASA的深空网络到达火星,毅力号传回数据,以便规划者确认火星车的进展。完成一些计划需要几天的时间,比如最近的一次旅行,行程跨度约1673英尺(510米),包括数千个单独的火星车者指令。

有些驱动需要更多的人力输入。AutoNav适用于在平坦地形上行驶的火星车,这些地形具有简单的潜在危险(例如,较大的岩石和斜坡),火星车很容易检测到这些危险并解决这些问题。

边开车边思考

AutoNav反映了之前为NASA的勇气号、机遇号和好奇号火星车开发的自动驾驶工具的演变。AutoNav的不同之处在于“边开车边思考”——允许毅力号在移动中拍摄和处理图像。然后火星车根据这些图像进行导航。那块巨石离得太近了吗?火星车的腹部能清理掉那块石头吗?如果火星车的轮子打滑了怎么办?

升级的硬件允许“边开车边思考”。更快的摄像头意味着毅力号可以足够快地拍摄图像,实时处理路线。与之前的版本不同,毅力号还有一台专门用于图像处理的计算机。这台计算机依靠一种被称为现场可编程门阵列的单一用途、超高效的微芯片,这种芯片对计算机视觉处理非常有用。

“在过去的火星车上,自动驾驶意味着放慢速度,因为数据必须在一台计算机上处​​理。”迈蒙说。 “与我们过去相比,这台额外的计算机速度快得惊人,将其专用于驾驶意味着您不必与 100 多项其他任务共享计算资源。”

当然,在自动导航行驶过程中,人类并没有完全排除在外。他们仍然使用NASA火星探测轨道器等任务从太空拍摄图像来规划基本路线。然后,他们标记出障碍物,比如需要毅力号地避免的潜在沙坑,画出“保持在内”和“禁止入内”区域,帮助它导航。

另一个很大的区别是毅力号的空间感。

好奇号的自动导航程序将火星车保持在一个16英尺(5米)宽的安全气泡中。如果好奇号发现了两块相距15英尺(4.5米)的岩石——它可以轻松通过的间隙——它仍然会停下来或绕过它们,而不是冒险穿过。

但毅力号的气泡要小得多:火星车的六个轮子上都有一个虚拟的盒子。最新的火星车对地形有着更为敏感的理解,可以独自绕过巨石。

“当我们第一次将杰泽罗陨石坑视为着陆点时,我们担心我们看到的密集岩石区域分散在陨石坑底部。”迈蒙说。“现在我们可以绕过甚至跨过以前无法接近的岩石。”

虽然之前的火星车任务在探索路径时速度较慢,但AutoNav为科学团队提供了快速到达他们最优先考虑的位置的能力。这意味着该任务更专注于其主要目标:找到科学家最终想要返回地球的样本。

关于毅力号的更多信息

毅力号火星任务的一个关键目标是天体生物学,包括寻找古代微生物生命的迹象。火星车将描绘火星的地质和过去的气候,为人类对这颗红色星球的探索铺平道路,并成为第一个收集和储存火星岩石和风化层(破碎的岩石和灰尘)的任务。

随后,NASA与欧洲航天局(ESA)合作,将向火星发送航天器,从火星表面收集这些密封样本,并将其送回地球进行深入分析。

火星2020毅力号任务是NASA月球到火星探索方法的一部分,其中包括阿尔忒弥斯登月任务,这将有助于为人类探索这颗红色星球做准备。

喷气推进实验室由加利福尼亚州帕萨迪纳市的加州理工学院为NASA管理,负责建造和管理毅力号火星车的运行。

如欲了解有关机智号的更多信息,请访问:

https://mars.nasa.gov/technology/helicopter

如欲了解有关毅力号的更多信息,请访问:

mars.nasa.gov/mars2020/

参考来源:

https://www.nasa.gov/feature/jpl/nasa-s-perseverance-rover-hightails-it-to-martian-delta

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