NASA“机智号”火星首飞推迟,初创团队复盘模拟系统技术难点

2021/4/13 11:58:33 来源:智东西 作者:熊大宝 责编:姜戈

此前 NASA 宣布,4 月 11 日,火星直升机 “机智号”(Ingenuity)将首次在火星自主飞行,但由于数据出错,首飞时间改为不早于 4 月 14 日。此次飞行中,机智号将根据航点进行自主爬升、悬停、平移、降落飞行,如若成功,将证明直升机用作探索火星工具是可行的。

“机智号”是一台小型双螺旋桨直升机,仅重 1.8 千克,大小犹如纸巾盒一般,配备高通骁龙 801 处理器、VGA 摄像机、激光高度计、斜率计等传感器导航,由两个 1.2 米碳纤维转子推进。2021 年 2 月,机智号搭乘 NASA“毅力号”抵达火星,4 月 4 日成功登陆火星表面。

当机智号在太空完全自主运行前,NASA 喷气推进实验室进行了大量模拟练习和飞行检查,通过模拟火星大气条件、火星重力、直升机飞入火星时的物理和视觉环境等,来将机智号调试到最佳状态。机智号的首席飞行员霍华德 · 格里普(Howard Gripp)对该系统进行了介绍。

一、构建仿真模拟系统,“还原”火星环境

为了让机智号能在火星上飞起来,格里普团队起初使用模拟工具设计直升机原型,并在真空室中设计了一整套测试系统来复制火星的大气条件

当遇到火星引力等很多无法复制的事情时,团队只能依靠模拟系统尽可能地还原,因此研发了一种火星直升机仿真模拟系统——DARTS SHELL(飞镖壳;Dshell)。该系统是一个多任务航天器模拟系统,用于测试和验证飞行和硬件,可为大型硬件模型提供支持。

该模拟系统基于喷气推进实验室运行 30 余年的多体模拟框架,格里普团队在其中加入旋翼模型和空气动力学模型,来进行火星引力、火星空气动力学环境和直升机飞入时的物理、视觉环境的模拟。

▲ 模拟系统中的 “机智号”

由于火星大气稀薄,密度只有地球大气的 1%,飞行器必须足够轻盈才能够飞得动。因此,在还原火星引力时,模拟器可通过让直升机重量参数变小,或增加外部绳索牵引以达到减轻直升机重力的效果。

在大气和视觉环境的还原上,模拟系统能够进行直升机从预设 A 点到 B 点的完整飞行测试,包括直升机起飞时内部飞行软件的运行、摄像头飞行时的拍摄图像等。

格里普表示,模拟系统在一定程度上弥补了在地球上做不到的物理测试,团队可以根据在地球上的测试参数来验证模拟,并且能够在任意场景进行大量测试。例如团队使用蒙特卡罗法,连续飞行一千次,从中找出稳定参数。蒙特卡罗法也称统计试验法,用以描述一个系统运行过程中的随机现象。

二、模拟系统存干扰,能力范围内求精准

在地球测试火星直升机必定与火星条件下运行存在偏差,因此多次调试非常重要。

目前火星直升机通过了许多测试,例如:团队可以在崎岖不平的模拟地形下运行直升机,让直升机按照既定目的行驶。

▲ “机智号”飞行区卫星影像

但是,地球上能做的物理测试是有限的,很多方面还存在不确定性。在不确定性很高的方面,团队在力所能及的范围内构建模拟,将直升机模拟器置身于沙尘暴、气旋等极端情况下,测试超出真实参数的范围,以探讨在极端情况下的应对策略

模拟系统也不完美。团队使用的模拟传感器具有现实的模拟噪声和偏差水平,摄像头图像的呈现存在现实干扰。如果不在意这些事情,就会略过很重要的细节。因此,团队尽量做到准确,并通过在高度不确定的区域进行超边界捕捉。

模拟调试完毕后,在机智号起飞之前,团队还需进行各种飞行检查,例如验证控制系统的响应性

验证内容包括:

  • 1、机智号在不起飞的情况下将叶片旋转到每分钟 2537 转的全速;

  • 2、第一次飞行时速从每秒 1 米爬升到 3 米;

  • 3、爬升至 3 米处悬停 30 秒并原地旋转;

  • 4、下降着陆。

三、模拟系统设计周期长,更强 CPU 可加速迭代

在直升机建模过程中,格里普团队发现:火星直升机的转子动力学与地球直升机大不相同,转子相应叶片弯曲时产生的振动要比在地球上小。如果不考虑这一点,直升机在真实火星环境下的反应系统将非常缓慢。

因此,格里普团队改变车辆设计,制造来一个极其轻便和坚硬的转子,使其能够在火星大气层中更快的旋转。

▲ 模拟系统中的 “机智号”起飞

火星直升机的设计周期很长,需要构建和开发测试程序并多次使用真空室来测试它,而不是把它建出来之后再一点点调试。

对于模拟系统还有多少改进空间,格里普表示,模拟系统在运行时需要很多 CPU 计算资源同时运作,如果未来有更强的计算能力运用其中,模拟空间也有更高的保真度

未来的火星直升机可以通过高保真空气动力学模型和更大的多体模型紧密结合起来,快速迭代。

结语:“机智号”首飞推迟显现技术难题

“机智号”首飞推迟,再次表明了火星上直升机运行的难度系数之高,仿真模拟系统无法预测所有存在的不确定性。希望经过修正调试后,4 月 14 日 “机智号”能如期飞行。

直升机与现有火星探索手段相比具有很多优势。一方面,它可以提供从地面几米到几十米高度的或型地面详细图像,弥补轨道飞行器图像分辨率有限的不足。另一方面,它能够不受地形限制充当侦察平台,与轨道飞行器配合,绘制地形图为其路径规划提供参考。

“机智号”若成功飞行,可为火星探索提供了一种全新途径,将加快火星生命探索、地质勘探、气候环境测量等研究进度,甚至为将来人类登陆火星进行探索做准备。

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