火星移動智能體技術探討

王瓊 賈陽 陶灼 吉龍 王昊予 趙蕾

(1 探月與航天工程中心, 北京 100037) (2 北京空間飛行器總體設計部, 北京 100094)

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火星移動智能體技術探討

王瓊1,2賈陽2陶灼2吉龍2王昊予2趙蕾2

(1 探月與航天工程中心, 北京 100037) (2 北京空間飛行器總體設計部, 北京 100094)

在火星表面巡視探測任務中，環境的復雜性、火地之間遙遠的距離和探測器的安全性要求，決定了火星車必須具有較強的自主能力，自主實現環境感知、路徑規劃、科學探測、故障診斷等功能。移動智能體技術的發展和應用，為上述功能的更好實現提供了可能。文章通過對火星車自主能力的發展歷程進行調研，結合當前我國巡視器技術的發展狀況，從任務規劃、能源管理、熱控管理、通信管理等方面對火星移動智能體技術的應用需求進行了分析，提出了一種采用三層遞階式體系結構的解決方案框架，可為火星乃至其他地外天體移動智能體的技術實現提供參考。

人工智能；移動智能體；火星車；火星環境；自主

1 引言

火星是太陽系內與地球最為相似的星球，曾經存在過乃至仍然可能存在液態水[1]，并且可能存在過生命。這些重大的科學發現和科學問題，使得火星成為相當長時間內人類深空探測的持續熱點區域。世界主要航天國家和組織紛紛制定了規模宏偉、形式多樣的火星探測計劃。利用火星車(巡視器)進行火星表面巡視探測，能夠克服著陸誤差的影響，接近所關注目標進行近距離探測，拓展了探測范圍，提高了探測精度，豐富了探測手段，已經成為繼環繞遙感、著陸探測之后火星探測的主要手段。

火星表面的塵暴、低氣壓和低溫環境，是火星車必須克服的問題[2]。地火之間距離遙遠，通信時延長達幾十分鐘，加上星體遮擋的影響，使得通信窗口受限，火星車遙操作效率很低。一旦火星車遇到危險狀況，地面操作人員無法及時獲悉，而當火星車收到地面發出的處置命令時可能已經失控。這種依靠地面進行天地大回路控制決策的工作方式效率十分低下，難以滿足火星巡視探測任務需求。因此，火星車必須變得更加智能，自主感知危險、迅速決策并執行恰當的應對措施，及時化解風險。

從1955年正式提出人工智能概念[3]算起，近60年來，人工智能技術取得了長足的進步，已經發展成為一門應用廣泛的交叉和前沿學科?，F在的人工智能系統也已經變得十分“聰明”，例如，2011年2月，IBM公司的超級計算機“沃森”在電視智力競賽節目中戰勝兩名最優秀的人類冠軍對手；谷歌公司研制的自動駕駛汽車已經上路行駛逾百萬千米，尚未發生任何事故。1986年，Marvin Minsky教授在《Society of Mind》一書中提出了“智能體”[4]的概念。所謂智能體，是指通過感知手段獲得所處環境的信息并通過執行器完成行為或行為序列，進而對環境產生作用，實現任務級目標的計算實體，包括移動智能體、非移動智能體、軟件智能體等[5]。其中移動智能體技術是在自動導引車、地面機器人、無人作戰平臺、地外天體巡視器的自主導航控制技術發展過程中逐漸形成的。

將人工智能領域中的移動智能體技術應用到火星車上，能夠提高火星車的自主能力，保證火星車安全高效地運轉，降低地面團隊工作強度，擴大科學數據產出量，具有重大意義。

本文對火星車的自主能力需求進行分析，包括自主任務規劃、自主能源管理、自主熱控管理、自主通信管理等方面，提出了采用移動智能體技術滿足火星車任務需求的技術方案框架。

2 火星車自主能力的發展歷程

迄今為止，成功抵達火星表面并開展巡視探測的火星車共有4輛，均為美國研制。

1)索杰納號

火星探路者(Pathfinder)任務使用的索杰納號(Sojourner)火星車，于1996年12月發射，控制模式采用遙控方式[6]。地球和火星之間的時延使得地面人員不能實時控制索杰納號?；鹦擒囃ㄟ^著陸器與地面進行周期性的通信, 火星車僅執行簡單的命令序列。著陸器與地球之間的通信每天進行兩次，每次2 h，火星車遙測分析是由地面火星車控制工作站完成的，當火星車每天工作結束時，地面科學家小組利用火星車和著陸器拍攝的圖像，指定火星車下一步運動的目標位置及移動路徑。索杰納號有限的自主能力主要體現在自主地形穿越、突發事件處理和資源管理三個方面。

2)勇氣號和機遇號

火星探測巡視器(Mars Exploration Rover, MER)任務中使用的火星車勇氣號(Spirit，2003年6月發射)和機遇號(Opportunity，2003年7月發射)，主要工作模式是自主導航加遙操作[7]。具體來說，MER的任務執行模式是以每個火星日為周期來開展的，早晨發送的命令序列基于前一天傳回的圖像和數據，由地面遙操作科學家小組處理，專門用于當天火星日的活動。活動結束后，火星車將獲得的圖像和數據傳回地面。每個火星日的活動時間大約為4 h，一般集中在中午時分。MER的自主性解決了數小時的無人監測、復雜地形的運動控制等難題。

3)好奇心號

火星科學實驗室(Mars Science Laboratory, MSL)任務中使用的火星車好奇心號(Curiosity，2011年11月發射)，主要工作模式是長距離自主導航加遙操作[8]，且器上有強大的在軌軟件維護能力，可以實現使其工作模式由飛行狀態轉換到火星工作狀態。好奇心號在火星行走時所進行的高效路徑規劃決策，以及在采樣過程中對機構的精準控制，均由器上自主完成。

從三代火星車的技術發展歷程看，隨著運載能力的提高和進入、下降與著陸(Entry, Descent and Landing, EDL)技術的創新，火星車已經從小型(10 kg級)發展到中型(100 kg級)，并進一步向大型(1000 kg級)火星車發展。隨著敏感器、車載計算機和導航控制算法的發展，火星車的自主能力越來越強，從只能完成簡單的任務，發展到可以完成比較復雜的科學探測任務，所需人工干預越來越少，效率則越來越高，已經從遙控型，逐漸發展到遙操作型、智能體型火星車。圖1表示已成功發射的月球車、火星車的自主技術發展歷程。可以預見，未來的火星車將具有更強的探測能力、更快的移動速度、更好的地形適應能力以及更強的自主能力。

圖1 巡視器的自主能力發展Fig.1 Development of rover autonomous capability

3 火星移動智能體技術需求分析

火星移動智能體(即智能火星車，以下部分場合簡稱“火星車”)既是一種具有高度智能化的巡視器，也是一種運行在火星表面特殊環境中的移動機器人，還是一種結合了軟件和硬件的移動智能體。如圖2所示，火星移動智能體是巡視器技術、機器人技術、智能體技術集成發展的結果。結合這三者的特點，火星移動智能體應當具有移動性、適應性、自主性、主動性、社會性、進化性等6個基本特性[9-10]。

圖2 火星移動智能體與巡視器、智能體、機器人的關系Fig.2 Relationship among Mars intelligent mobile agent, rover, agent and robot

基于對火星表面巡視探測任務的認識和當前我國巡視器技術的發展狀況，梳理出火星移動智能體技術需求如下。

3.1 任務規劃

火星移動智能體的任務規劃，需在滿足火星表面地形和環境、星歷、火星車工作能力和分系統自主控制需求等一系列約束的前提下，合理高效地規劃出火星車從初始狀態轉換到目標狀態的行駛路徑點和行為序列，保證其安全有效地完成各種工程任務和科學探測活動[11]?；鹦擒嚑顟B可包括位置、能源狀況、溫度水平、通信條件及其他資源占用情況，狀態間的轉換是通過行為來實現的，包括感知、行駛、充電、科學探測、數據傳輸、休眠等。任務規劃既需要規劃路徑，又需要調度安排行為。行為與路徑是高度耦合的。路徑的選擇直接影響了沿路徑安排的行為內容和時序，而行為的安排也會影響路徑的選擇[10]。

行為規劃應允許并行行為，比如火星車在行駛的同時，太陽翼對日定向進行充電，定向天線對軌道器定向進行數據傳輸。路徑規劃通常需深入分析火星地形的可通過性和適宜度，并且融合獲得全局通過性。

3.2 自主能源管理

火星移動智能體的自主能源管理功能主要包括：

1)能量平衡估計

火星移動智能體根據任務計劃和系統當前狀態(蓄電池組放電深度等)，結合星歷預估一段時間內(通常為24 h)火星車的電能收支平衡情況。在這個過程中，如果能源一直處于安全狀態，則無需采取措施；否則需要縮短大功率設備的工作時間來降低電能消耗，或者將大功率設備調整到電能充裕時工作來實現收支匹配，或者調整太陽翼指向以擴大電能輸入。

2)太陽翼指向的一維調節

在不調整火星車航向的情況下，一維調節太陽翼指向，以獲得盡可能大的發電功率。這種調節的效果與航向相關，當航向為正東或正西時，正午時獲得的峰值電能最大，但從一個火星日的綜合效果來看，調節所帶來的收獲較??；當航向為正南或正北時，整個火星日內的綜合收獲較大。

根據星歷、火星車所在位置經緯度、車體姿態等參數，計算出太陽翼最佳指向，并進行調節。若制導、導航與控制(GNC)分系統提供的姿態參數不可信，還可以采用太陽掃描法，在允許的范圍內轉動太陽翼，尋找太陽翼發電電流最大的最佳指向。

隨著太陽的運動，太陽翼最佳指向將發生變化，需要及時更新最佳指向數據。這些計算可以在火星車上完成，也可以由地面或軌道器計算完成，并將轉動角度隨時間的變化關系序列傳送給火星車。也可以利用太陽翼發電電流進行反饋環路控制，保持太陽跟蹤狀態。

3)太陽翼指向的二維調節

在太陽翼輸出功率由于火星塵沉積等原因出現大幅度下降的情況下，為了最大程度地獲得電能，需要實現太陽翼指向的二維調節。但是在火星車上配置太陽翼二維轉動系統，代價太大，因此一般是通過調整車體航向加上太陽翼一維轉動的方式來實現二維調節。但這樣會對車體航向產生限制，導致工作效率降低。特殊情況下，可以通過分別在兩個正交的航向上轉動太陽翼進行太陽翼發電電流掃描，實現航向角的粗略確定。

4)系統低功耗模式

為了確保能源安全，當蓄電池放電深度大于某閾值(如60%)時，系統進入最小工作模式，只有中心計算機、測控應答機等少量設備工作，保持可以接收地面指令的狀態，其它設備均關機。

5)系統休眠

在長時間塵暴等極特殊情況下，火星車的能源狀況進一步惡化(如蓄電池放電深度大于80%)，且預期在短時間內無法得到改善，則全系統斷電，進入休眠模式。直到光照條件得到改善，太陽翼發電功率超過某閾值，系統自主喚醒，進入充電模式。

6)電源系統數學模型自學習

太陽翼輸出功率將隨著火星塵沉積而變化，火星移動智能體可以建立能源預估模型，并根據實際運行過程中太陽翼輸出功率的衰減情況進行自學習，提高能源平衡估計的準確性。

3.3 自主熱控管理

加熱回路控制是航天器普遍具備的功能。通常設置高溫和低溫2個溫度閾值，如果傳感器溫度測量結果低于低溫閾值，則啟動加熱回路；如果高于高溫閾值，則斷開加熱回路；處于兩者之間時，維持當前狀態不變。從可靠性角度考慮，加熱回路通常設計有備份，可以在確認主份故障的情況下再使用備份，也可以通過設置合適的溫度閾值的辦法，在主份無法達到控制效果的時候，備份自主參與工作。

除此之外，火星移動智能體需實現的熱控管理功能包括：

1)服務熱控的航向調整

盡管中午時火星土壤溫度最高只有30 ℃，但如果火星車上大功率設備長時間工作，會產生設備溫度過高的問題。這種情況的應對策略是，將車頭方向調整成東西方向，自主控制豎起陽面的太陽翼，形成遮陽傘，減少對車體的熱量輸入，創造有利于設備散熱的條件。

2)服務熱控的側傾角調整

若火星車配置了主動懸架，當常規熱控手段無法滿足要求時，可以通過車體側傾角的調整，提高熱控制能力。在保持航向與陽光方向近似垂直的情況下，如果需要提高車體溫度，則調整側傾角使得車體向朝陽方向側傾，反之，向背陽方向側傾，有利于降溫。側傾角調整范圍在±10°之間。

在更極端的情況下，還可以通過車輪刨土的方式，建立局部地形，實現俯仰角、側傾角的調整，改善熱控條件[12]。通過這種方式的姿態角調整范圍通常在±3°之間。

3)服務熱控的工作模式調整

系統還可以通過任務規劃，調整后續的工作模式、行為序列，實現整器溫度水平的預先控制。當車體溫度較低時，規劃后續工作模式為通信、感知、探測等大功率模式，提高溫度水平；反之，則規劃后續進入小功率工作模式，并推遲大功率工作模式，降低溫度水平。這種調整方式層次更高、帶有預判性，能夠將整器溫度水平控制得更加平穩，因此也更加智能。

3.4 自主通信管理

火星移動智能體上通常設計了UHF頻段、X頻段的數傳鏈路。UHF頻段鏈路作為主用數傳鏈路，實現對軌道器的數據傳輸，數據率適中，但傳輸距離有限，只有當軌道器處于近火星弧段時才能通信。出于簡單方便考慮，UHF天線通常設計為固定天線，沒有自主指向控制需求。X頻段鏈路采用可轉動式定向天線，可以實現直接對地傳輸，但數據率太低，難以滿足常規數據傳輸需求，通常用于應急狀態；也可以實現對軌道器的數傳，數據率相對較高，但天線存在指向控制需求，當軌道器位于近火星弧段時，由于其方位角和高度角快速變化，對火星車定向天線提出了更高的指向控制要求。

1)碼速率自適應

使用UHF頻段數傳時，由于通信距離的較大范圍變化，相應地可以選用的碼速率擋位差別也很大。為了在有限的時間內，盡可能傳輸更多的數據，需要根據鏈路裕度情況，實現碼速率的自適應調整。

2)定向天線對地指向控制

對地指向的難點在于火星車定位精度較差的情況下，如何實現對地指向跟蹤。實現方案是在地球附近的天區范圍內進行螺旋掃描，掃描策略應考慮到地球運動軌跡，保證搜索范圍能夠覆蓋。

3)定向天線對軌道器的指向控制

軌道器處于遠火星弧段時，視運動角速度比較小，火星車定向天線對軌道器的指向控制策略可與對地指向控制策略相同。軌道器處于近火星弧段時，視運動角速度較大，火星車定向天線可以采用正交搜索策略，自主實現對軌道器軌跡的鋸齒狀跟蹤。

4 實現方案框架

圖3給出了火星移動智能體的實現方案框架。整個框架采用分層遞階式體系結構，自上而下分為智能規劃層、導航控制層、驅動層三個層次。

(1)智能規劃層主要是綜合能源、熱控、數據管理、通信、科學探測等方面的控制需求，通過任務規劃頂層規劃出火星移動智能體的目標點序列、行為序列和工作模式。其中，任務規劃包括智能體能力描述模型、約束條件描述模型、搜索算法等模塊，自主能源管理包括電量計、太陽翼輸出功率分析自學習模型等模塊，自主熱控包括加熱器控制等模塊，自主科學探測包括科學儀器標定、智能探測等模塊，自主數據管理包括星歷計算、智能遙測、數傳數據組織、智能壓縮算法、碼速率自適應算法、安全監測、故障診斷等模塊。

(2)導航控制層根據任務規劃結果，進行環境感知、建模，姿態、位置確定以及更精細的路徑規劃，給出各執行機構的控制策略。其中，導航控制層包括姿態計算、位置確定、移動里程估計、滑移率估計、圖像三維恢復、可通過性分析、適宜度分析、全局通過性融合等模塊，環境感知包括太陽敏感器、慣性測量單元、導航相機、避障相機等敏感器，機構智能控制包括太陽翼指向一維掃描、一維跟蹤和二維控制，桅桿轉動序列控制，定向天線掃描、跟蹤，機械臂控制，機構運動安全鎖等模塊。

驅動層根據導航控制層給出的控制策略，通過控制器和驅動器，轉化為相應指令，控制執行機構完成各項動作。其中，執行機構主要包括驅動輪、轉向輪、主動懸架、太陽翼機構、桅桿機構、定向天線機構和機械臂等。

圖3 火星移動智能體方案框架Fig.3 Framework of Mars mobile agent scheme

三個層次自上而下逐步分解任務，上一層的計算結果作為下一層規劃的目標，通過分層求解的方法分解復雜的火星移動智能體規劃和控制問題，完成從科學目標到指令單元之間的映射。三個層次自下而上逐步反饋信息，執行動作后的結果信息由下一層反饋到上一層，作為上一層的輸入或者約束。比如，驅動層執行的動作將導致控制對象——火星移動智能體的狀態變化，并通過敏感器的感知反饋到導航控制層；而導航控制層計算出的姿態和位置數據又將反饋到智能規劃層，作為任務規劃、能源管理、熱控管理、數據管理、通信管理、科學探測管理等模塊的輸入條件或者約束條件。

5 結束語

在火星車上采用移動智能體技術，自主實現環境感知、路徑規劃、科學探測、故障診斷等功能，能夠提高火星車工作效率和安全性，擴大科學數據產出量。從索杰納號、勇氣號和機遇號、好奇心號三代火星車的發展歷程看，火星車已經從遙控型、遙操作型，逐漸發展到智能體型?；趯鹦潜砻嫜惨曁綔y任務的認識和當前我國巡視器技術的發展狀況，本文對火星移動智能體在任務規劃、能源、熱控、通信等方面的自主管理需求進行了梳理，提出了采用三層遞階式體系結構的火星移動智能體實現方案框架。三個層次分別為智能規劃層、導航控制層、驅動層，自上而下逐步分解任務，自下而上逐步反饋信息。但具體的技術實現途徑仍需開展進一步深入研究。未來小行星、彗星探測等更加遙遠的任務中，在一些關鍵環節探測器必須自主做出實時任務決策，智能體技術具有廣泛的應用前景。

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(編輯：張小琳)

Discuss on Mars Mobile Agent Technologies

WANG Qiong1,2JIA Yang2TAO Zhuo2JI Long2WANG Haoyu2ZHAO Lei2

(1 Lunar Exploration and Space Engineering Center, Beijing 100037, China) (2 Beijing Institute of Spacecraft System Engineering, Beijing 100094, China)

In Martian surface roving exploration missions, because of environmental complexity, long distance between Mars and earth and safety requirement of the probe, Mars rover is required high autonomous capabilities including environment sensing, path planning, scientific exploration, fault diagnosis etc. The development and application of mobile agent technology provide a better implementation approach of these functions. In this paper, development process of autonomous capabilities of Mars rovers is firstly overviewed. By combining with the state of the art of rover technology in China, the application requirements of Mars mobile agent technologies in terms of path planning, energy management, thermal control and communication management are analyzed. A solution frame adopting three-layer hierarchical structure is proposed to serve as a reference for technological realization of the mobile agents on Mars and even other extraterrestrial celestial bodies.

artificial intelligence； mobile agent； Mars rover； Mars environment； autonomy

2015-06-17；

2015-07-05

國家重大科技專項工程

王瓊，男，碩士，高級工程師，從事月球與深空探測總體設計、星球巡視器任務規劃、深空測控通信技術等研究。Email:wangq2006@163.com。

V448.2

A

10.3969/j.issn.1673-8748.2015.04.005