隨著算力的提高，火星探測(cè)器自動(dòng)駕駛技術(shù)發(fā)展有多迅猛？

現(xiàn)在好幾家公司都在投入大量的資源和精力，來開發(fā)地球上的乘用車、卡車和公共汽車的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)，但美國JPL（噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室）中的一個(gè)由專業(yè)科學(xué)家和工程師組成的小組，卻一直在研究一個(gè)另類的課題：給火星探測(cè)車賦予自動(dòng)駕駛能力。

很顯然，火星探測(cè)器與我們的距離很遠(yuǎn)，根據(jù)地球和火星各自軌道上的位置來看，其相距5500萬到4億公里之間。光速大約為30萬公里/秒，因此無線電通訊需要三到二十二分鐘才能完成單程“旅行”。如果再提供遠(yuǎn)程駕駛所需的視覺反饋，那么往返通訊時(shí)間就會(huì)增加一倍。由于較大的時(shí)延，我們沒有辦法在地球上遠(yuǎn)程駕駛火星探測(cè)器。在馬斯克或其他人去那里之前（大概是駕駛著特斯拉電動(dòng)車），擁有真正自主意識(shí)的自動(dòng)駕駛機(jī)器人是必需的。

我們不需要擔(dān)心在火星上會(huì)有車禍發(fā)生，至少在看到《瘋狂麥克斯》越野車呼嘯而過之前我們是這么認(rèn)為的。如果真的發(fā)生交通事故，我們會(huì)有更多的問題要處理，這比設(shè)置火星的道路規(guī)則更難。道路規(guī)則理解本就有很多問題，比如理解車道標(biāo)志、停車標(biāo)志、限速標(biāo)志、紅綠燈等等，不過這些問題到了火星之后就會(huì)變得毫無意義。

流浪者

到目前為止，美國宇航局已經(jīng)在火星上投放了四個(gè)探測(cè)器，自動(dòng)駕駛能力也在不斷提高，第五個(gè)探測(cè)器也會(huì)計(jì)劃在不久的未來發(fā)射。探路者號(hào)于1996年12月4日發(fā)射，搭載了第一個(gè)成功登陸火星的探測(cè)器。1997年7月4日，探路者號(hào)使用了一種獨(dú)特的安全氣囊著陸系統(tǒng)在火星上的阿瑞斯谷安全著陸，這個(gè)系統(tǒng)看起來像一個(gè)裝滿足球的袋子，它會(huì)在火星表面最不穩(wěn)定的地方進(jìn)行彈跳，最后滾到一個(gè)地方停下。

著陸后的兩個(gè)火星日，流浪者探測(cè)車駛離探路者號(hào)來到火星表面。然而在三個(gè)月后，通訊中斷了，它的總行程僅為100米多一點(diǎn)，也就是一個(gè)足球場(chǎng)的長度。很可能是電池壞了，也可能是火星的寒冷造成的。當(dāng)任務(wù)結(jié)束時(shí)，流浪者已經(jīng)將計(jì)劃中的7天運(yùn)行周期延長了12倍，并將550張火星景觀的照片發(fā)回了地球。

探路者號(hào)使用的是基于PowerPC架構(gòu)的并具有抗輻射能力的RAD6000 CPU，而流浪者號(hào)的CPU是2MHz 80C85，內(nèi)存為64 Kb。（這是一個(gè)上世紀(jì)70年代的8位舊CPU）。因此，流浪者號(hào)擁有Radio Shack（睿俠牌） TRS-80 Model 100便攜式電腦的所有計(jì)算能力。

圖1：火星上的流浪者號(hào)太陽能火星車。

（圖片來源：NASA / JPL）

流浪者號(hào)與地球的通信微弱的。它通過一個(gè)9600波特的射頻調(diào)制解調(diào)器與探路者著陸器通信，該調(diào)制解調(diào)器提供的有效數(shù)據(jù)速率僅為2600波特，理論最大射程約為500米。顯然，流浪者探測(cè)車的“駕駛員”極具耐心，“他”坐在地球上的駕駛座上，戴著3D護(hù)目鏡，向其發(fā)出明確的移動(dòng)指令。

勇氣號(hào)與機(jī)遇號(hào)

接下來兩輛火星探測(cè)器分別是“勇氣號(hào)”和“機(jī)遇號(hào)”，兩者是火星探測(cè)漫游者號(hào)的一部分。與流浪者一樣，都是太陽能的。兩輛火星車配有20MHz RAD6000 CPU，其提供了22 MIPS原始處理能力?！坝職馓?hào)”、“機(jī)遇號(hào)”于2003年發(fā)射，前后相隔不到一個(gè)月。勇氣號(hào)首先于2004年1月4日在Gusev隕石坑著陸，機(jī)遇號(hào)于2004年1月25日在Meridiani平原著陸。兩個(gè)著陸點(diǎn)分別位于火星兩側(cè)，相距約1萬公里。顯然兩者此生不會(huì)在相遇，所以不需要考慮車輛躲避算法。

圖2：火星上的勇氣號(hào)探測(cè)器。

（圖片來源：NASA / JPL）

從2004年運(yùn)行到2010年，勇氣號(hào)行駛了7.72公里（約為原計(jì)劃的13倍），運(yùn)行時(shí)間比原計(jì)劃長約20倍?？上У氖?，在2009年5月，勇氣號(hào)通過特洛伊沙地時(shí)，車輪陷入軟土，使其無法動(dòng)彈，之后的觀測(cè)數(shù)據(jù)一直被限制在原地，往后的幾次解救行動(dòng)都失敗了。直到2010年NASA宣布放棄拯救計(jì)劃，勇氣號(hào)從此變?yōu)殪o止觀測(cè)平臺(tái)。2011年，NASA在最后一次嘗試聯(lián)絡(luò)后結(jié)束勇氣號(hào)的任務(wù)。

機(jī)遇號(hào)要比勇氣號(hào)境遇好得多。截至2018年1月25日，“機(jī)遇號(hào)”已在火星漫游14年之多，行駛路程達(dá)到45.16公里，比計(jì)劃的92天長約55倍。然而在2018年6月，火星上刮起了遮天蔽日的沙塵暴，美國宇航局與“機(jī)遇號(hào)”失去聯(lián)系。在陽光充足的情況下，機(jī)遇號(hào)也許還會(huì)復(fù)活。但就像埃爾頓·約翰爵士在《***》中唱的那樣，“火星冷得像地獄”。沒有電力，機(jī)遇號(hào)就無法讓自己或電池保持適宜的溫度。

由于計(jì)算能力有限，勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)的自主駕駛能力受到嚴(yán)重限制。操作員將一天的計(jì)劃指令上傳到漫游者上（在模擬器中驗(yàn)證之后），這兩輛火星探測(cè)車會(huì)使用他們的立體成像功能和導(dǎo)航軟件找出到達(dá)指定目的地的最佳和最安全的路線，同時(shí)避開立體攝像機(jī)識(shí)別出的地面障礙。

勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)的導(dǎo)航算法被稱為格式塔(GESTALT)。格式塔負(fù)責(zé)立體視覺控制、可遍歷性分析、路徑選擇和驅(qū)動(dòng)。

好奇號(hào)

顯然只依靠太陽能，三輛探測(cè)車前輩并不能走得太遠(yuǎn)。因此，下一個(gè)前往火星的探測(cè)車“好奇號(hào)”，用的是钚RTG（放射性同位素?zé)犭姲l(fā)電機(jī)），這種發(fā)電機(jī)可以日夜不停地通過核裂變產(chǎn)生100瓦以上的電力。此外，RTG的余熱可以讓“好奇號(hào)”的內(nèi)部（電池和電子產(chǎn)品）保持溫暖。好奇號(hào)于2011年11月26日發(fā)射升空，并于2012年8月6日登陸火星。通常情況下，RTG可以工作數(shù)十年（钚238的半衰期為87年），每年只會(huì)損失一點(diǎn)輸出功率。因此，好奇號(hào)RTG的電力輸出每年只下降一到兩瓦特。

圖3：火星上的好奇號(hào)探測(cè)車。

（圖片來源：NASA / JPL）

本質(zhì)上來說，一種取之不盡用之不竭的能源有效地增強(qiáng)了好奇號(hào)的傳動(dòng)系統(tǒng)，這意味著這款核動(dòng)力探測(cè)車可以比它的前輩們走得更快更遠(yuǎn)，取得更多的科學(xué)研究。同時(shí)它也需要一個(gè)更強(qiáng)大的CPU來運(yùn)行自動(dòng)駕駛軟件。

好奇號(hào)的CPU是一款較新的RAD750，可以在200MHz的時(shí)鐘頻率下工作，傳輸速度為400 MIPS。與勇氣號(hào)和機(jī)遇號(hào)上的RAD6000 CPU一樣，好奇號(hào)的RAD750 CPU也是基于PowerPC處理器架構(gòu)。且經(jīng)過了輻射硬化。

好奇號(hào)于2012年8月6日登陸火星，在整個(gè)好奇號(hào)登陸火星的過程中，最驚險(xiǎn)的一段莫過于進(jìn)入-下降-著陸過程了，該階段縮寫為EDL，指的是飛船以每秒5.9公里的速度撞擊火星大氣層頂，開始降落過程。EDL過程持續(xù)僅僅7分鐘（被稱為恐怖7分鐘），以火星車平安降落于火星地表為結(jié)束標(biāo)志。從接觸火星大氣層頂之前10分鐘探測(cè)器拋掉巡航級(jí)開始，到有“天空起重機(jī)”之稱的下降級(jí)切斷連著好奇號(hào)的纜繩，飛船一共將經(jīng)歷6種不同的姿態(tài)，從而允許各階段動(dòng)作的展開。

好奇號(hào)目前在運(yùn)行格式塔的改進(jìn)版本，用于自主導(dǎo)航，這個(gè)版本在400 MIPS RAD750 CPU上的運(yùn)行速度比在22 MIPS RAD6000 CPU上的快18倍。

美國航天局計(jì)劃在2020年啟動(dòng)“Mars 2020”計(jì)劃。為了盡可能降低任務(wù)成本和風(fēng)險(xiǎn)，“Mars 2020”計(jì)劃中的設(shè)計(jì)基于NASA成功研發(fā)的火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(Mars Science Laboratory)任務(wù)架構(gòu)，該架構(gòu)包括好奇號(hào)探測(cè)車和“天空起重機(jī)”著陸系統(tǒng)。用于“Mars 2020”任務(wù)的好奇號(hào)探測(cè)車進(jìn)行了改進(jìn)升級(jí)，比如為了更好地應(yīng)對(duì)崎嶇的地形，探測(cè)車安裝了皮條帶輪。經(jīng)過6年多的時(shí)間，好奇號(hào)的鋁輪正開發(fā)出額外的孔，如圖4所示。

圖4:“好奇號(hào)”探測(cè)車火星上滑行了六年多之后，其鋁制車輪開始出現(xiàn)磨損。

(圖片來源：NASA / JPL)

“Mars 2020”探測(cè)器的自動(dòng)駕駛系統(tǒng)通過FPGA協(xié)處理器進(jìn)行加速?！癕ars 2020”探測(cè)器仍將運(yùn)行格式塔 AutoNav算法，但當(dāng)任務(wù)啟動(dòng)時(shí)，新的探測(cè)器將搭載一個(gè)基于FPGA的硬件加速器，名為Vision Compute Element (VCE，見圖5)。這在好奇號(hào)上是不存在的。

圖5：“Mars 2020”探測(cè)器視覺計(jì)算單元(VCE)中包含了一個(gè)新的基于FPGA的硬件加速器，有助于火星表面的著陸導(dǎo)航和自動(dòng)駕駛。

（圖片來源：NASA / JPL）

VCE包含三個(gè)插入Compact PCI背板的卡：一張擁有探測(cè)車RAD750處理器的CPU，一個(gè)CEPCU1（Compute Element Power Conditioning Unit #1），以及一張計(jì)算機(jī)視覺加速卡或CVAC。CVAC是為“Mars 2020”開發(fā)的一種新卡，它是基于FPGA的硬件加速器，用于視覺相關(guān)的應(yīng)用程序。

在著陸初期，CVAC加速了著陸器視覺系統(tǒng)(LVS)的任務(wù)，該系統(tǒng)將著陸前的初始定位誤差從3.2公里(僅基于慣性測(cè)量)減少到40米。當(dāng)探測(cè)器從地球表面4200米下降到2000米的高度時(shí)，LVS將相機(jī)圖像與存儲(chǔ)的地圖進(jìn)行匹配，在10秒或更短的時(shí)間內(nèi)，利用固定在探測(cè)器外部的一個(gè)額外攝像頭來尋找地標(biāo)。這個(gè)快速計(jì)算提供了足夠的時(shí)間來將空中起重機(jī)定位在目標(biāo)著陸區(qū)的無礫石區(qū)域。

如圖5所示，“Mars 2020”探測(cè)器下降階段與探測(cè)車共享VCE。當(dāng)下降階段準(zhǔn)備完成時(shí)，利用天空起重機(jī)的操縱，VCE與下降階段的連接被切斷，探測(cè)器下降到火星表面。此時(shí)，VCE被重新用于格式塔自動(dòng)駕駛算法。

格式塔算法采用圖像采集、立體分析、視覺測(cè)距、可通行性分析、路徑規(guī)劃與執(zhí)行。圖像采集包括對(duì)安裝在探測(cè)車相機(jī)上的圖像進(jìn)行捕獲、采樣、傳輸和存儲(chǔ)。立體分析分為圖像校正、濾波和視差處理。視覺測(cè)距包括識(shí)別和跟蹤圖像之間的特征，以估計(jì)位置變化?？赏ㄐ行苑治鰧⒘Ⅲw數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為路徑規(guī)劃器使用的映射。路徑規(guī)劃和執(zhí)行利用估計(jì)的位置和可通行性分析來確定和指揮探測(cè)車朝著總目標(biāo)進(jìn)行下一步行動(dòng)。

FPGA

CVAC上的FPGA是可重新配置的Xilinx Virtex-5QVs，它是具有131,072個(gè)邏輯單元，320個(gè)DSP Slice和10.728 Mbits BRAM——是一款具有空間級(jí)抗輻射的FPGA。Virtex-5QV是一個(gè)可編程的視覺處理器，RTAX2000被永久配置為一個(gè)內(nèi)務(wù)處理芯片。RTAX2000還負(fù)責(zé)配置和重新配置Virtex-5QV FPGA。

Xilinx早在2011年就宣布推出Virtex-5QV FPGA。它能抵抗單事件的干擾，對(duì)單事件鎖存具有完全的免疫力，能夠承受超過1個(gè)Mrad(Si)的總電離劑量，并提供數(shù)據(jù)通路保護(hù)，免受單事件瞬變。

CVAC使用Virtex-5QV FPGA加速某些立體分析和視覺里程測(cè)量任務(wù)。它實(shí)現(xiàn)了立體分析任務(wù)中大部分計(jì)算，包括圖像校正、濾波和視差計(jì)算。它還實(shí)現(xiàn)了視覺測(cè)距任務(wù)的一部分，包括特征檢測(cè)和匹配。特征檢測(cè)采用角點(diǎn)檢測(cè)，特征匹配采用序列中圖像局部區(qū)域的絕對(duì)差和(SAD)算法。

CVAC上的Virtex-5QV FPGA為格式塔自動(dòng)算法任務(wù)提供了顯著的硬件加速。與20MHz RAD6000 CPU相比，256像素寬圖像的立體聲分析速度至少快了4800倍，而FPGA在不到十分之一秒的時(shí)間內(nèi)就處理512P和1024P的圖像。

在使用著20MHz RAD6000 CPU上的MER 探測(cè)車上，視覺里程測(cè)量算法需要160秒來估計(jì)一個(gè)相對(duì)的姿態(tài)變化。而在“Mars 2020”上，視覺測(cè)程任務(wù)由FPGA和RAD750 CPU分擔(dān)，同樣的算法只需要8.8秒。然而，視覺里程測(cè)量算法的FPGA部分，對(duì)于512P的圖像需要0.016秒。

在火星上6年多的時(shí)間里，“好奇號(hào)”已經(jīng)完成了大量的科學(xué)研究，而且它還將持續(xù)數(shù)年。當(dāng)“Mars 2020”探測(cè)器在2021年登陸這顆紅色星球時(shí)，好奇號(hào)也將繼續(xù)執(zhí)行大量的科學(xué)任務(wù)，而且由于噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室將FPGA置于駕駛系統(tǒng)上，這輛探測(cè)車的速度將會(huì)更快。