地外巡視探測無人系統自主感知與操控技術發展綜述

邢 琰,魏春嶺,湯 亮,姜甜甜,胡 勇,黃 煌,胡海東,常亞菲,楊孟飛

1.北京控制工程研究所，北京 100094

2.空間智能控制技術國防科技重點實驗室，北京 100094

3.中國空間技術研究院，北京 100094

0 引 言

地外天體探測是人類對月球及以遠的天體或空間環境開展的探測活動，是人類航天活動的重要方向和空間科學與技術創新的重要途徑，是當前和未來航天領域的發展重點之一.地外探測從最近的月球逐步延伸到火星、小行星等天體，探測方式也從掠飛、環繞到著陸、巡視和采樣返回，其中巡視探測和采樣返回是拓展探測廣度和深度的有效途徑.

地外探測無人系統包括著陸器、巡視器、飛躍器、各類移動機器人，以及載人深空探測工程中處于無人值守或應急狀態的登、駐、用等探測器，其中巡視器(即傳統的月球車和火星車)、飛躍器(月面移動時)、各類移動機器人以及其他在地外天體表面執行移動和作業的無人狀態探測器，都可歸于地外巡視探測無人系統.地外巡視探測主要執行移動和作業等任務，未來月球、火星等地外探測任務對表面探測位置、范圍和效率的需求明顯提高，著陸精度由公里級提升到百米級，探測范圍從公里級擴展到百公里級以上，移動時速從百米級提高到公里級以上，并能實現對感興趣科學目標的精準采樣.新的任務需求要求探測系統具有更強的地外環境適應能力，并具有更強的智能水平，復雜環境的感知理解、多任務多約束下的規劃與決策以及地外移動與作業等精準操控，以滿足未來復雜地外環境下的大范圍遠距離高效科學探測任務需求.本文重點對地外巡視探測無人系統自主感知與操控技術的特點、發展現狀及趨勢進行綜述總結,為后續進一步深入的理論方法和應用技術研究提供參考.

1 地外探測無人系統特點

1.1 與衛星/飛船等空間探測器相比

地外巡視探測無人系統作為一類特別的航天器，與衛星、飛船等空間探測器相比，具有以下特點.

1)地外天體表面移動探測過程中，姿態和運行軌跡與地形密切相關.被動適應地形的搖臂懸架輪式移動機構傾斜姿態可測不可控，主動搖臂懸架或腿足式機器人的傾斜姿態可控范圍受限.

2)運行環境復雜多變，難以事先獲取準確的環境信息，需要進行自主感知和識別，且感知結果受光照、地形紋理等環境特征的影響較大.

3)運行軌跡不可全部預知或預定，需能夠自主完成障礙識別并進行路徑規劃，以安全平穩到達目標點.

4)移動與作業控制性能與土壤特性緊密關聯，目前難以建立準確的動力學模型，操控執行部件也與衛星有本質不同.

1.2 與地面無人系統相比

與無人自動駕駛、無人機等地面無人系統相比，地外巡視探測無人系統在環境、資源以及技術途徑上存在諸多挑戰和約束.

(1)地外環境嚴苛且先驗知識有限

地外天體表面均為自然野外環境，地形地貌原始多變，通過軌道遙感獲得的環境信息分辨率和精度較低，難以支持表面自主安全巡視探測.

月球表面覆蓋月塵，地表紋理特征不明顯.月表光照為平行光且反照率低,光照條件不均勻.火星表面崎嶇多變，且存在表面平坦卻易滑易陷的危險地形.因此僅通過相機等可見光成像敏感器難以對月球火星等地外環境進行充分識別.

地外天體表面溫度條件惡劣.月球表面無大氣，月晝溫度約為130℃～150℃，太陽不能照射的陰影區和夜晚期間的月表溫度約為-160℃～-180℃[1].火星表面大氣稀薄，難以通過大氣運動傳遞表面的熱量，所以表面溫度變化較大[2].“海盜號”2個著陸點夏季的平均溫度為60℃，晝夜的溫度變化約50℃，冬季平均溫度達-120℃，日溫度變化達100℃[2].

(2)質量功耗和算力等資源嚴格受限

受深空探測運載能力約束，地外探測器的質量和功耗嚴格受限.地面自動駕駛L4級別及以上的無人系統需要配備10臺超聲波雷達、2臺長距毫米波雷達、6臺短距毫米波雷達、1臺激光雷達和8～11臺相機，如此龐大的配置在地外探測無人系統中難以支持，僅能依靠輕質低耗的相機或近距離低耗主動結構光進行障礙探測，障礙識別困難.

受宇航級元器件選用限制，地外探測無人系統的計算機配置與地面無人系統差距顯著.美國“毅力號”火星車采用PowerPC 750架構的防輻射中央處理器，主頻為200 MHz，內存為2 GB；“好奇號”火星車主計算機主頻為200 MHz，內存為256 MB；中國“祝融號”火星車采用CPU和DSP的計算機配置，CPU主頻25 MHz，DSP主頻為200 MHz，內存僅為20 MB；“玉兔號&二號”月球車計算機主頻僅為80 MHz.地面無人系統一般配備GPU或Intel i7以上的計算機，算力遠遠超過地外探測無人系統，能夠支持大量數據快速處理.

(3)地面自動駕駛成熟技術難以適用

地外天體沒有建立衛星導航系統，地外探測無人系統需要全自主完成導航定位定姿.

地外天體表面一般為真空或弱大氣環境，地面無人自動駕駛常用的超聲波傳感器不可應用于地外探測無人系統.地外弱磁場低重力等環境使得磁導航和慣導自對準等技術也無法應用.

綜上，地外巡視探測無人系統如何在有限資源約束下，實現對復雜未知環境的準確感知，以及復雜環境下的精準移動和作業操控，成為深空探測GNC(guidance，navigation and control)領域的研究熱點和難點.

2 發展現狀

2.1 已有地外巡視探測自主能力

迄今為止，國內外已成功實施了對月球和火星表面的巡視探測.成功著陸的月球/火星表面巡視探測器(文中也稱月球車和火星車)共13臺，分別是前蘇聯由Luna17和Luna21號攜帶落月的2臺無人遙控月球車Lunokhod1和Lunokhod2，美國由Apollo15、Apollo16和Apollo17號分別攜帶的3臺載人月球車LRV(lunar rover vehicle)，美國的三代火星車——由Pathfinder號攜帶的小型火星車“索杰納”(Sojourner)、中型火星車“勇氣號”和“機遇號”(Spirit和Opportunity)因設計一致，統稱為Mars exploration rover、大型火星車“好奇號”(Curiosity)和“毅力號”(Perseverance)，以及中國“玉兔號”(YuTu/jade rabbit)、“玉兔二號”月球車(YuTu2/jade rabbit2)和“祝融號”(Zhurong)火星車，如圖1～4所示.

圖1 前蘇聯和美國月球車Fig.1 Soviet Union’s and USA’s lunar rovers

圖2 美國三代火星車(索杰納號、勇氣號和機遇號、好奇號和毅力號)Fig.2 USA’s three-generation Mars rovers(Sojourner,Spirit &Opportunity,Curiosity&Perseverance)

圖3 中國的月球車Fig.3 China’s lunar rovers

國內外雖然已經實施了多次巡視探測，但移動探測效率相對而言比較低，在地外天體表面的大部分時間，都處于非移動探測狀態.表1所示為已有月球/火星車的探測范圍、探測時間和移動速度(截止到2021-10-13).可以看出，美國載人月球車LRV的行駛速度最快，能達到10 km/h的行駛速度，但無人月球車和火星車的實際移動速度都比較低.前蘇聯的遙控月球車設計速度為1 km/h和2 km/h 2個檔位，但由于是地面遙控方式移動，實際移動速度僅為0.14 km/h.美國三代火星車的實際行駛速度都非常慢，“勇氣號”、“機遇號”的設計速度為200 m/h，而實際自主避障時的平均移動速度僅為40 m/h左右.“好奇號”火星車設計最大移動速度為180 m/h，但在平坦地面上的實際最大速度約為144 m/h，在自主避障移動時平均速度僅約54 m/h.中國“玉兔二號”月球車在完成第35個月晝探測周期后，累計行程僅約900 m，每個月晝的行駛距離大約只有15～30 m(除去月午休眠時段，每個月晝的實際可移動時間僅有14天左右).

表1 歷次地外巡視探測器實現的探測性能Tab.1 Performances achieved by previous extraterrestrial rovers

圖4 中國首臺火星車祝融號Fig.4 China’s first Mars rover-Zhurong

地外巡視探測無人系統之所以探測效率較低，是由地外探測任務固有特點和技術現狀導致的.具體原因分析如圖5所示.

圖5 地外巡視探測特點及局限性Fig.5 Characteristics and limitations of extrater restrial mobile exploration

首先，受發射成本和地外能源供應能力限制，地外巡視探測器的重量和功耗有嚴格限制，如中國玉兔系列月球車總質量140 kg，器載導航感知敏感器總質量不超過9 kg，長期功耗不超過20 W；同時地外存在強輻照、深低溫/高溫、大溫差(如月面晝夜溫差超過300℃)以及塵暴等惡劣生存因素，而航天任務要求高可靠性和零缺陷.因此探測器在測量、驅動及計算資源配置和器件選型上都有嚴格要求，地面成熟可用的設備和技術無法應用于地外探測.如最新的“毅力號”和“祝融號”火星車，計算資源配置低于一臺普通華為手機的配置.

其次，由于地外巡視探測器上資源配置的限制，能夠支持運行的自主能力，特別是自主感知、規劃與控制能力非常有限.而地外作業環境地形地貌、光照和力學特性等都復雜多變且未知，為保證探測安全性，除最早的前蘇聯遙控車和美國載人月球車之外，其他已實施的月球車和火星車均采用“地面遙操作+有限自主”的半自主探測方式，大部分時間由地面根據有限的遙測數據和圖像，對周圍地形進行分析判斷后，才容許巡視器沿指定路徑點自主執行移動探測.

再次，由于天地時間通信鏈路和帶寬限制，天地之間的信息交互存在非常大時延.如“好奇號”火星車可與地球直接通信或通過“奧德賽號”軌道器進行中繼通信.與地球的直接數據帶寬約為8 Kbit/s，與“奧德賽號”的傳輸帶寬為2 Mbit/s，但“奧德賽號”與地球的帶寬為256 Kbit/s.“奧德賽號”與“好奇號”火星車每個軌道周期僅能通信約8 min，最多能傳輸250 Mbit數據，而這250 Mbit數據需要超過20 min才能傳輸回地球.中國“玉兔號”和“玉兔二號”月球車一次移動總耗時約200 min，移動行程不超過10 m，月球車實際移動時間不超過3 min，絕大部分時間用于信息傳輸和地面處理上.因此這種“地面遙操作+有限自主”的探測方式難以實現地外高效巡視探測.

綜上原因，運行環境復雜不確知、天地通訊時延大和器上資源約束嚴苛的固有特點，以及航天高可靠性要求，同時受限于已有技術發展水平，導致地外巡視探測器的自主能力受限，難以實現高效移動探測.

2.2 自主感知與操控技術

目前已成功實施的地外巡視探測無人系統中，美國的“勇氣號”、“機遇號”、“好奇號”和“毅力號”火星車，中國的“玉兔號&二號”月球車，以及“祝融號”火星車均具有不同程度的自主能力，自主能力的高低主要體現在不同水平的自主感知與操控技術方面.

根據活菌生長繁殖速率的不同，可將生長曲線大致分為遲緩期、對數期、穩定期和衰亡期，所以活菌在不同時間之下進行培養都會對活菌的數量造成影響，其中，細菌在對數期生長迅速，活菌數以恒定的幾何級數增長，生長曲線圖上細菌數的對數呈直線上升，達到頂峰狀態，期間細菌的形態、染色性、生物活性等都較典型，對外界環境因素的作用敏感，所以常會選取對數期的活菌作為研究對象進行試驗。

2.2.1 自主感知技術

受限于器上資源的嚴格約束，已有地外巡視探測無人系統中均以輕質低耗的可見光相機作為主要的感知敏感器，采用雙目立體視覺技術進行三維地形測量.

“勇氣號”和“機遇號”火星車[3-4]是美國的第二代火星車，采用雙目立體視覺感知技術.火星車上配備了1對導航相機、2對避障相機(前后各1對)，通過雙目立體視覺技術實現火星表面地形測量.相機同時用于視覺里程定位.

“好奇號”火星車[5-6]是美國的第三代火星車，與第二代中型火星車相比，重量和外形尺寸均有明顯提升，但仍然采用雙目立體視覺感知技術.為保證安全性，配備了1對導航相機和4對避障相機(前后各兩對)用于火星表面地形測量.

“毅力號”火星車是美國第三代第2臺火星車,共配備23臺相機，其中7臺科學相機用于科學觀測，7臺降落相機用于進入、下降和著陸階段成像，9臺工程相機用于火星表面導航和避障.用于感知的工程相機可以實現高分辨率彩色成像，較“勇氣號”、“機遇號”和“好奇號”上只能黑白成像的工程相機功能和性能均有提升.此外“毅力號”火星車搭載了首個火星直升機“機智號”(Ingenuity)，擴大感知范圍，能夠自主實現對火星建模、感知與測量.因此，“毅力號”火星車的平均移動速度明顯提升(超過100 m/h).

中國的“玉兔號&二號”月球車采用雙目立體視覺為主，主動結構光為輔的感知技術，配備1對黑白導航相機、1對黑白避障相機和1臺16光路激光點陣器實現月球表面地形測量.1臺激光點陣器主要用于對月表陰影區、弱紋理區和移動過程中近距離障礙檢測.“玉兔號”月球車實現了基于主動結構光的激光感知避障技術在月面的首次應用驗證[7].“玉兔二號”實現了激光感知避障技術和雙目立體視覺感知避障技術在月背的首次應用驗證[8].上述感知技術結合天文慣導組合自主導航技術，支持中國月球車實現了自主月面巡視移動探測.

中國首臺火星車“祝融號”仍然采用雙目立體視覺感知技術，配備1對彩色導航地形相機和2對黑白避障相機(前后各1對)，對火星表面地形信息進行測量.同時導航地形相機也用于視覺里程定位，進一步提高了自主導航和感知能力.

本文將規劃和控制歸于操控范疇，包括本體移動操控和機械臂作業操控.

鑒于地外巡視探測無人系統的移動速度很慢，且難以準確獲得移動過程中準確的接觸力學參數，因此已有地外巡視探測無人系統采用以運動學為主的運動控制技術.

“勇氣號”和“機遇號”由地面進行任務規劃和全局路徑規劃，將決策結果以指令序列方式注入給火星車，火星車自主執行序列任務，任務過程中實施自主導航、自主感知和避障路徑規劃.移動控制采用以運動學控制為主的低速移動控制測量，對大滑移和滑轉沒有采取特殊的控制手段.2007年，兩臺火星車都通過上行注入升級了其運行軟件，升級后火星車具有了一定的自主決策能力，可以自主決定圖像發送回地球的時機和方式，以及自主決定是否可伸展機械臂進行探測.

“好奇號”采用核能源作為探測動力，且越障能力增強到0.75 m，對火星表面的復雜地形適應能力和通過能力有所提升，但感知與操控技術基本繼承“勇氣號”和“機遇號”，因此實際平均移動速度與“勇氣號”和“機遇號”相當.“好奇號”在發射時沒有采用智能感知和操控方法，但2016年5月，地面對其軟件進行了升級.升級后的AEGIS(autonomous exploration for gathering increased science)軟件采用了AI算法識別探測目標，使“好奇號”在自主選擇感興趣的巖石和土壤時，準確率由60%提升到93%，有效提高了探測效率.但軟件升級后AI功能僅是“好奇號”的一小部分科學探測功能，升級軟件占總軟件的5‰左右(380萬行中的2萬行)，且仍存在缺陷，如會將巖石陰影誤識別為目標等，因此“好奇號”的大部分操控任務仍由地面決策.

“毅力號”火星車在繼承“好奇號”的操控技術基礎上，在發射時已具有了一定程度的智能規劃和決策能力，如智能選擇探測目標并自主決策對目標的采樣方式、自主規劃探測任務并自主決定通訊時機等，在自主避障路徑規劃時也引入了人工智能方法.“毅力號”火星車在“好奇號”火星車基礎上進行了改造升級，其底盤和移動機構基本繼承“好奇號”.據公開可查文獻，未有其采用自主智能移動控制方法的資料.

美國的三代火星車均配備機械臂，其中“毅力號”和“好奇號”火星車采用長約2.1 m的5自由度機械臂.毅力號機械臂首次進行火星鉆取采樣時，雖然完成了完整的自主采樣序列動作，但由于采樣巖石材料特性的獨特性，未能獲得完整的巖石芯心或巖石芯心碎片，僅取得了一些粉末/小碎片,這一現象也進一步說明了地外探測操控技術的重要性.

中國的“玉兔號&二號”月球車采用地面遠距離靜態規劃和自主動態避障路徑規劃的方式，地面對由月球車傳回的導航相機和避障相機圖像進行處理，感知周圍較大范圍的地形信息，并進行任務規劃、目標點和路徑點選取，將路徑點序列和移動指令上傳給月球車，月球車按指令要求移動到指定目標位置，移動過程中進行自主導航、感知、避障路徑規劃和移動控制.為保證安全，月球車每次自主移動的距離不超過10 m.月球車移動控制采用以運動學控制為主的協調控制方法，沒有進行滑移測量.

“祝融號”火星車仍然采用地面遠距離靜態規劃和自主動態避障路徑規劃的方式，但自主操控能力比“玉兔號&二號”月球車有較大提升，一次自主移動最大范圍提高到40 m.火星車采用以運動學控制為主的低速移動控制策略，但增加了滑移的在線估計，用于自主定位誤差補償和運動協調性判斷.自主感知與操控能力的提升，使得“祝融號”火星車的自主感知與操控行駛里程達到總行駛里程的40%以上.

3 發展趨勢

地外天體表面巡視探測GNC技術已經成為美國等航天大國的關注方向之一.2013年美國JPL戰略任務與新概念辦公室首次發布了《未來行星探測任務-表面GNC技術發展評估報告》[9].報告中指出，盡管美國已經實施了4次火星自主巡視探測，但表面探測GNC技術仍然處于技術發展初期階段，并針對未來行星探測任務需求，提出了在建模與仿真、規劃與控制、感知與識別、運動系統和樣本采集等方面的發展規劃.

在有限資源約束下，地外天體探測僅靠傳統方法和技術優化改進難以從根本上提升在復雜地外環境的自主能力.隨著人工智能技術發展，通過積累經驗、持續學習并生成知識，提升探測器的自主智能水平，實現對探測環境的大范圍感知規劃、導航與控制，成為解決上述問題的可行途徑.目前各國已開展將人工智能引入地外探測無人系統的探索性研究.如基于深度學習的地形分類、車輪打滑預測和自主規劃等，美國“毅力號”火星車攜帶無人機與火星車進行空地協同地圖構建(如圖6所示).早期“好奇號”火星車也通過軟件上注升級的方式，實現了對探測目標的智能識別，開始具備初步的自主智能探測能力.

圖6 火星無人機與地面探測器空地協同地圖構建Fig.6 Mars unmanned helicopter and rover work together to build a map

未來30年人類對地外天體的探測重點將集中在月球、火星和小行星.相對于近地航天運動，地外天體探測任務面臨距離遙遠、飛行時間長、數據傳輸速率有限和地外環境復雜等挑戰，需要不斷進行創新和突破.近年來人工智能技術的快速發展為解決地外探測的難題提供了一條可行途徑，而地外巡視探測是深空探測領域最適合和最有必要應用人工智能技術改進和提高自主能力的應用場景.北京控制工程研究所針對地外天體表面高效巡視探測自主智能水平提升開展了相關研究工作，在地外智能探測無人系統方面積累了技術基礎.

如第1節所述，地外巡視探測無人系統具有環境嚴苛復雜未知和資源約束嚴格的固有特點，實現自主智能感知與操控，需要解決以下3個方面的關鍵問題.

1)先驗知識欠缺帶來的小樣本學習訓練問題.地外天體表面具有形貌原始自然、紋理相似度高(月面)、場景變化復雜的特點，同時不同區域光照差異性明顯，如月球表面平行光導致陽照區強光照、陰影區無光照的現象.因此地外感知與操控學習面臨先驗知識欠缺、開放非結構化和樣本數量少等問題.

2)地外環境物理化學特性不確知導致的操控風險問題.地外巡視探測無人系統在移動探測和采樣作業過程中，操控對象都存在形貌不規則不確定、顆粒度與成分等物理化學特性不確定導致力學特性不確知等問題，而受通信時延、傳輸帶寬等限制，在操控過程中難以對復雜不確定對象操作過程出現的風險做出及時有效的反應，容易發生探測目標受損，降低探測效率，甚至威脅無人系統自身安全.

3)低功耗、低主頻和低存儲約束下的智能計算問題.現有的人工智能技術是建立在大數據基礎上的，需要充足的算力作為支撐.地外探測無人系統發射成本高，作業環境惡劣，對計算芯片抗輻照能力要求高，計算資源受限問題更為突出，對輕量化計算的需求尤為迫切，以解決小算力與大數據、實時性、高可靠性之間的矛盾.

未來中國深空探測任務的全面實施，將進一步開拓深空探測的深度和廣度，提前開展后續任務對人工智能技術應用的需求分析，并系統結合任務規劃的實施時間，逐步建立中國深空探測人工智能技術發展體系，已成為中國深空探測GNC技術發展的重要方向和必要途徑.

4 結 論

地外天體表面探測經歷了從阿波羅15號“有人駕駛”，到具有小范圍特定目標自主識別和局部路徑規劃的無人駕駛月球車和火星車的發展歷程，未來的地外探測已初步展現出人工智能的廣闊應用前景：探測器可根據任務目標、自身狀態和未知環境特點，主動感知環境、理解環境，發現高價值目標，進行可靠推理和有效決策，并通過高精度導航和操控實現決策任務目標.面向中國未來月球、火星及小行星表面探測等重大任務，開展地外探測無人系統自主智能感知與操控等關鍵技術研究，為深空探測器“增智賦能”，對提升我國深空探測能力意義重大.