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癣,从“流浪者”到“火星2020”,浅谈火星“自动驾驶”技能的革新,明天天气

跟着算力的进步,火星勘探器主动驾驭技术发展有多迅猛?

文︱Steven Leibson

译︱编辑部

图︱NASA/一路歌唱柔力球JPL

现在好几家公司都在投入许多的资源和精力,来开发地球上的乘用车、货车和公共汽车的主动驾驭体系,但美国JPL(喷气推动实验室)中的一个由专业科学家和工程师组成的小组,却一向在研讨一个特殊的课题:给火星勘探车赋予主动驾驭才干。

很明显,火星勘探器与咱们的间隔很远,依据地球和火星各自轨道上的位癣,从“流浪者”到“火星2020”,浅谈火星“主动驾驭”技术的改造,明日气候置来看,其相距5500万到4亿公里之间。光速大约为30万公里/秒,因而无线电通讯需求三到二十二分钟才干完结单程“游览”。假如再供给长途驾驭所需的视觉反应,那么往复通讯时刻癣,从“流浪者”到“火星2020”,浅谈火星“主动驾驭”技术的改造,明日气候就会增加一倍。因为较大的时延,咱们没有办法在地球上长途驾驭火星勘探器。在马斯克或其他人去那里之前(大约纪某雪是驾驭着特斯拉电动车),具有真实自主认识的主动驾驭机器人是必需的。

咱们不需求忧虑在火星上会有事故发作,至少在看到《张狂麦克斯》越野车呼啸而过之前咱们是这么以为的。假如真的发作交通事故,咱们会有更多的问题要处理,这比设置火星的路途规矩更难。路途规矩了解本就有许多问题,比方了解车道标志、泊车标志、限速标志、红绿灯等等,不过这些问题到了火星之后就会变得毫无意义。

流浪者

到现在为止,美国宇航局现已在火星上投放了四个勘探器,主动驾驭才干也在不断进步,第五个勘探器也管帐划在不久的未来发射。探路者号于1996年1楼光南2月4日发射,搭载了第一个成功登陆火星的勘探器。1997年7月4日,探路者号运用了一种共同的安全气囊着陆体系在火星上的阿瑞斯谷安全着陆,这个体系看起来像一个装满足球的袋子,它会在火星外表最不安稳的当地进行弹跳,最终滚到一个当地停下。

着陆后的两个火星日,流浪者勘探车驶离探路者号来到火星外表。但是在三个月后,通讯中断了,它的总行程仅为100米多一点,也便是一个足球场的长度。很可能是电池坏了,也可能是火星的冰冷形成的。当使命完毕时,流浪者现已将方案中的7天运转周期延长了12倍,并将550张火星景象的相片发回了地球。

探路者号运用的是根据PowerPC架构的并具有抗辐射才干的RAD6000 CPU,而流浪者号的CPU是2MHz 80C85,内存为64 Kb。(这是一个上世纪70年罗安迪代的8位旧CPU)。因而,流李小济浪者号具有Radio Shack(睿侠牌) TRS-80 Model 100便携式电脑的一切核算才干。

图1:火星上的流浪者号太阳能火星车。

(图片来历:NASA / JPL)

流浪者号与地球的通讯弱小的。它经过一个9600波特的射频调制解调器与探路者着陆器通讯,该调制解调器供给的有用数据速率仅为2600波特,理论最大射程约为500米。明显,流浪者勘探车的“驾驭员”极具耐性,“他”坐在地球上的驾驭座上,戴着3D护目镜,向其宣告清晰的移动指令。

勇气号与机会号

接下来两辆火星勘探器别离是“勇气号”和“机会号”,两者是火星勘探周游者号的一部分。与流浪者相同,都是太阳能的。两辆火星车配有20MHz RAD6000 CPU,其供给了22 MIPS原始处理才干。“勇气号”、“机会号”于2003年发射,前后相隔不到一个月。勇气号首先于2004年1月4日在Gusev陨石坑着陆,机会号于2004年1月25日在Meridiani平原着陆。两个着陆点别离坐落火星两边,相距约1万公里。明显两者此生不会在相遇,所以不需求考虑车辆逃避算法。

图2:火星上的勇气号勘探器。

(图片来历:NASA / JPL)

从2004年运转到2010年,勇气号行进了7.72公里(约为原卢本盒微博方案的13倍),运转时刻比原曹少麟方案长约20倍。惋惜的是,在2009年5月,勇气号经过特洛伊沙癣,从“流浪者”到“火星2020”,浅谈火星“主动驾驭”技术的改造,明日气候地时,车轮堕入软土,使其无法动弹,之后的观测数据一向被约束在原地,往后的几回挽救举动都失利了。直到2010年NASA宣告抛弃解救方案,勇气号从此变为停止观测渠道。2011年,NASA在最终一次测验联络后完毕勇气号的使命。

机会号要比勇气号境遇好得多。到2018年1月25日,“机会号”已在火星周游14年之多,行进旅程抵达45.16公里,比方案的92天长约55倍。但是在2018年6月,火星上刮起了遮天蔽日的沙尘暴,美国宇航局与“机会号”失掉联络。在阳光充足的情况下,机会号或许还会复生。但就像埃尔顿约翰爵士在《火箭人》中唱的那样,“火星冷得像阴间”。没有电力,机会号就无法让自己或电池坚持适合的温度。

因为核算才干有限,勇气号和机会号的自主驾驭才干遭到严峻约束。操作员将一天的方案指令上传到漫癣,从“流浪者”到“火星2020”,浅谈火星“主动驾驭”技术的改造,明日气候游者上(在模拟器中验证之后),这两辆火星勘探车会运用他们的立体成像功用和导航软件找出抵达指定目的地的最佳和最安全的道路,一起避开立体摄像机辨认出的地上妨碍。

勇气号和机会号的导航算法被称为格局塔(GESTALT)。格局塔担任立体视觉操控、可遍历性剖析、途径挑选和驱动。

猎奇号

明显只依托太阳能,三辆勘探车长辈并不能走得太远。因而,下一个前往火星的勘探车“猎奇号”,用的是钚RTG(放射性同位素热电发电机),这种发电机可以日夜不停地经过核裂变发生100瓦以上的电力。此外,RTG的余热可以让“猎奇号”的内部(电池和电子产品)坚持温暖。猎奇号于2011年11月26日发射升空,并于2012年8月6日登陆火星。通常情况下,RTG可以作业数十年(钚238的半衰期为87年),每年只会丢失一点输出功率。因而,猎奇号RTG的电力输出每年只下降一到两瓦特。

图3:火星上的猎奇号勘探车。

(图片来历:NASA / JPL)

本质上来说,一种取之不尽用之不竭的动力有用地增强了猎奇号的传动体系,这意味着这款核动力勘探车可以比它的长辈们走得更快更远,获得更多的科学研讨。一起它也需求一个更强壮的CPU来运转主动驾驭软件。

猎奇号的CPU是一款较新的RAD750,可以在200MHz的时钟频率下作业,传输速度为400 MIPS。与勇气号和机会号上的RAD6000 CPU相同储组词,猎奇号的RAD750 CPU也是根据PowerPC处理器架构。且经过了辐射硬化。

猎奇号于2012年8月6日登陆火星,在洛伊映画整个猎奇号登陆火星的进程中,最惊险的一段莫过于进入-下降-着陆进程了,该阶段缩写为EDL,指的是飞船以每秒5.9公里的速度碰击火星大气层顶,开端下降进程。EDL进程持续只是7分钟(被称为恐惧7分钟),以火星车安全下降于火星地表为完毕标志。从触摸火星大气层顶之前10分钟勘探器抛掉巡航级开端,到有“汉末屠家子天空起重机”之称的下降级堵截连着猎奇号的缆绳,飞船总共将阅历6种不同的姿势,然后答应各阶段动作的打开。

猎奇号现在在运转格局塔的改善版别,用于自主导航,这个版青海花儿擂台一切对唱本在400 MIPS RAD750 CPU上的运转速度比在22 MIPS RAD6000 CPU上的快18倍。

美国航天局方案在2020年发动“Mars 2020”方案。为了尽可能下降使命本钱和危险,“Mars 2020”方案中的规划根据NASA成功研制的火星科学实验室(Mars Science Laboratory)使命架构,该架构包含猎奇号勘探车和“天空起重机”着陆体系。用于“Mars 2020”使命的猎奇号勘探车进行了改善晋级,比方为了更好地应对高低的地势,勘探车安装了皮条带轮。经过6年多的时刻,猎奇号的铝轮正癣,从“流浪者”到“火星2020”,浅谈火星“主动驾驭”技术的改造,明日气候开宣告额定的孔,如图4所示。

图4:“猎奇号”勘探车火星上滑行了六年多之后,其铝制车轮开端呈现磨损。

(图片来历:NASA / JPL)

“Mars 2020”探撞邪31号测器的主动驾驭体系经过FPGA协处理器进行加快。“Mars 2020”勘探器仍将运转格局塔 AutoNav算法,但当使命发动时,新的勘探器将搭西班牙气候预报载一个根据FPGA的硬件加快器,名为Vision Compute Element (VCE,见图5)。这在猎奇号上是不存在的。

图5:“Mars 2020”勘探器视觉核算单刘海燕哈弗元癣,从“流浪者”到“火星2020”,浅谈火星“主动驾驭”技术的改造,明日气候(VCE)中包含了一个新的根据FPGA的硬件加快器,有助于火星外表的着陆导航和主动驾驭。

(图片来历:NASA / JPL)

VCE包含三个刺进Compact PCI背板的卡:一张具有勘探车RAD750处理器的CPU,一个CEPCU1(Compute Element Power Conditioning Unit #1),以及一张核算机视觉加快卡或CVAC。CVAC是为“Mars 2020”开发的一种新卡,它是根据FPGA的硬件加快器,用于视觉相关的应用程序。

在着陆初期,CVAC加快了着陆器视觉体系(LVS)的使命,该体系将着陆前的初始定位差错从3.2公里(仅根据惯性丈量)削减到40米。当勘探器从地球外表4200米下降到2000米的高度时,LVS将相机图画与存储的地图进行匹配,在10秒或更短的时刻内,运用固定在勘探器外部的一个额定摄像头来寻觅地标。这个快速核算供给了满足的时刻来将空中起重机定位在方针着陆区的无砾石区域。

如图5所示,“Mars 2020”勘探器下降阶段与勘探车同享VCE。当下降阶段预备完结时,运用天空起重机的操作,VCE与下降阶段的衔接被堵截,勘探器下降到火星外表。此刻,VCE被从头用于格局塔主动驾驭算法。

格局塔算法选用图画收集、立体剖析、视觉测距、可通行性剖析、途径规划与履行。图画收集包含对安装在勘探车相机上的图画进行捕获、采样、传输和存储。立体剖析分为图画校对、滤波和视差处理。视觉测距包含辨认和盯梢图画之间的特征,以估量方位改变。可通行性剖析将立体数据转换为途径规划器运用的映射。途径规划和履行运用估量的方位和可通行性剖析来确认和指王中义挥勘探车朝着总方针进行下一步举动。

FPGA

CVAC上的FPGA是可从头装备的Xilinx Virtex-5QVs,它是具有131,072个逻辑单元,320个DSP Slice和10.728 Mbits BRAM——是一款具有空间级抗辐射的FPGA。Virtex-5QV是一个可编程的视觉处理器,RTAX2000被永久装备为一个内务处理芯片。RTAX2000还担任装备和从头装备Virtex-5QV FPGA。

Xilinx早在2011年就宣告推出Virtex-5QV FPGA。它能反抗单事情的搅扰,对单事情锁存具有彻底的免疫力,可以接受超越1个Mrad(Si)的总电离剂量,并供给数据通路保小蛮妻护,免受单事情瞬变。

CVAC运用Virtex-5QV FPGA加快某些立体剖析和视觉路程丈量使命。它完成了立体剖析使命中大部分核算,包含图画校对、滤波和视差核算。它还完成了视觉测距使命的一部分,包含特征检测和匹配。特征检测选用角点检测,特征匹配选用序列中图画部分区域的肯定差和(SAD)算法。

CVAC上的Virtex-5QV FPGA为格局塔主动算法裸体直播使命供给了明显的硬件加快。与20MHz RAD6000 CPU比较,256像素宽图画的立体声剖析速度至少快了4800倍,而FPGA在不到十分之一秒的时刻内就处理512P和1024P的图画。

在运用着20MHz RAD6000 CPU上的MER 勘探车上,视觉路程丈量算法需求160秒来估量一个相对的姿势改变。而癣,从“流浪者”到“火星2020”,浅谈火星“主动驾驭”技术的改造,明日气候在“簿本r18Mars 2020”上,视觉测程使命由FPGA和RAD750 CPU分管,相同的算法只需求8.8秒。但是,视觉路程丈量算法的FPGA部分,关于512P的图画需求0.016秒。

在火星上6年多的时刻里,“猎奇号”现已完结了许多的科学研讨,并且它还将持续数年。当“Mars 2020”勘探器在2021年登陆这颗赤色星球时,猎奇号也将持续履行许多的科学使命,并且因为喷气推动实验室将FPGA置于驾驭体系天鼎元素服上,这辆勘探车的速度将会更快。

《T访谈》往期回忆:

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