惊艳世人的NASA火星无人机，究竟是怎么设计出来的？

如果一切顺利，Wit将是第一架飞越火星的飞机。

名为“机智”的无人直升机被吊在火星车“毅力”的腹部下，一路被送往红色星球。Wit的重量只有1.8公斤，只有一盒纸巾那么大，但是四个机械腿上安装了两个1.2米长的碳纤维转子。除了拍照，它不执行科学任务，主要是验证火星自主飞行的能力。

为了完成这项艰巨的任务，Wit要经受一系列的考验，——，严苛的温度和严苛的功率限制，在距离地球10光年的火星上完成90秒的飞行。由于距离远，实时通信或控制显然是不可能的，所以它必须自主飞行。

那么NASA喷气推进实验室(JPL)是如何设计这款直升机的呢？我们采访了美国宇航局JPL火星无人机行动的负责人蒂姆坎汉姆。

在整个设计过程中最重要的策略就是平衡设计与火星无人机的任务背景，这也是本次技术演示的最大意义。机智不需要像毅力号火星车那样完成科学考察。相反，它只需要尽自己的一份力量，飞一定的距离。运气好的话，Wit还能拍到几张航拍照片，仅此而已。这项任务的价值在于证明低空飞行机器可以在火星表面飞行，并收集更多数据来指导下一代火星旋翼机的设计和制造。一切都只是开始，更精彩的前景还在后面。

Wit不需要刻意完成任何复杂的任务，因为光是火星无人机的概念就足够复杂了。在火星上驾驶无人机极具挑战性。除了动力和通讯的限制，还有另一个核心挑战：——火星的大气密度只有地球的1%。

针对上述情况，蒂姆坎汉姆告诉我们，只要Wit能够在火星表面成功起飞着陆一次，对于NASA来说就已经是辉煌的胜利了。坎汉姆协助开发了指导Wit操作的软件架构。作为Wit运营团队的负责人，Canham目前主要处理无人机计划和毅力号火星车团队之间的协调工作。通过交流，我们希望对Wit无人机如何在火星表面自主起降有深刻的了解。

问：您能聊聊「机智号」无人机的硬件配备吗？

Tim Canham:“机智”无人机是技术示范项目，所以JPL愿意承担更高的失败风险。这与火星车甚至深空探测器都不一样。——后者是B类任务，很多NASA员工在这部分软硬件开发上投入了很多年。

对于纯技术演示，JPL倾向于尝试更多新的实现方法。因此，我们决定尽可能摆脱手动部件的束缚，使用大量现成的消费硬件。目前市场上有很多坚固耐用、抗辐射的航空电子元器件，大部分技术属于普通商用产品。

以处理器为例，我们使用的是高通提供的骁龙801芯片。其实是手机处理器，体积很小。说实话，骁龙801其实是这次任务中最先进的处理器，性能比火星车毅力号强很多。实际上，这款无人机所使用的芯片，计算能力比火星高几个数量级，负责在制导期间通过500 Hz主频循环，保持无人机在火星大气中平衡飞行。更重要的是，我们还需要捕捉图像并分析特征，以30 Hz频率逐帧跟踪图片内容。总之，这些任务对处理器性能提出了极高的要求，目前NASA使用的所有航电部件都无法满足要求。事实上，我们已经开始从SparkFun订购零件。我们的理念很简单：虽然这些只是商用硬件，但我们会进行全面测试；只要效果好，就应该直接使用。

问：能否介绍一下「机智号」使用的导航传感器？

我们在Tim Canham:使用移动惯性测量单元、激光高度计(来自SparkFun)和向下VGA摄像机进行单目特征跟踪。导航时，无人机逐帧比对数十个特征，跟踪相对位置，找出方向和速度。所有这些功能都可以通过位置估计来完成，而无需记住特征或创建地图。

图片：NASA智能无人机的底视图显示了安装在上面的激光高度计和导航摄像头。

我们还有一个测斜仪来确定起飞时地面的倾斜度。此外，无人机配备了1300万像素手机彩色摄像头3354，与导航无关。我们只想在飞行中拍摄。

问：这架无人机是怎么自主飞行的？

Tim Canham:其实你可以把这架无人机理解成某种传统的JPL航天器，其中安装一套排序引擎，我们为其编写了多条序列、相关命令，再将文件上传其中以供执行。

在模拟过程中，我们将低空飞行的制导部分划分成多个途经点，每个途经点都对应着我们在制导软件中设定的一条命令序列。在需要飞行时，我们会向无人机发出指令，之后即由制导软件接管并完成起飞、穿越各途经点、以及最后的着陆动作。

但这种方式中的每个途经点都经过特别设计，不能算是真正的自主飞行——我们并没有设定任何目标与规则，也没有做出任何高级推理，所以这只能算是半自主方案。更简单直接的方法就是，指定专人通过操纵杆远程指挥其飞行，但地球距离火星太远，即时遥控根本实现不了。面对紧张的项目时间表，我们只能提前制定出大体飞行计划，帮助无人机理解需要完成的预定飞行轨迹。在实际飞行中，无人机本身会根据风力、风向及其他实际环境因素调整飞行方式，保证始终沿既定航线前行。这同样是种半自主方案，用以顺利完成发射前制定的飞行路线。

就个人看来，我觉得这不能算是高级自主技术，而更多只是一种脚本式的飞行导引。只有直接要求无人机“给那块岩石拍张照片”、它就能照做，才算真正的自主飞行。但作为初始任务，我们这次只需要证明飞行器能在火星地表成功飞行。至于全自主飞行方案，我们会在后续任务中逐步尝试，这可能需要制作一架体量更大的无人机、搭载能够实现更强自主功能的先进硬件。

说起这个，我们不妨回顾火星上的第一位访客——探路者号。它的任务更简单：绕基地先进一圈，最好拍下岩石及其他样本的照片。因此作为初步技术演示，我们对火星上的第一架无人机也没必要苛求过多。

问：在某些极端情况下，无人机有没有可能偏离预定飞行路线？

Tim Canham:制导软件会持续检测各传感器的运行状况，保证生成高质量数据。如果传感器发生故障，无人机确实会做出相应反应，即保持最后一条飞行指引信息、尝试着陆，而后向我们发送情况报告并等待处理意见。总之，在检测到传感器故障后，无人机将停止飞行。我们一共在机智号上安装了三个传感器，都与飞行过程紧密相关，三者的数据将融合起来共同为机智号提供导航指引。

图：一位艺术家为此次火星飞行任务绘制的想象图。（图片来源/NASA/JPL-Caltech）

问：初始飞行计划是怎么制定出来的？

Tim Canham:我们经历了全面的选址过程，一切以「毅力号」火星车预计降落地点周边的环境为起点。根据实际情况，我们整理出轨道图像，并从中粗略识别出火星车将先后抵达的多个点位。结合周边岩石的坡度、高度乃至特定区域内的地表纹理，我们精心选取了适合无人机飞行的区域。

这里同样有不少权衡因素——最安全的地表应该没有任何纹理，代表这一块区域没有岩石；但这种缺少纹理的地面，也可能令无人机无法准确捕捉其特征、进而失去制导能力。为此，我们最好选择一片易于跟踪特征的碎石滩，同时保证这里没有任何可能威胁着陆过程的大石块。

问：这架无人机计划完成哪些飞行任务？

Tim Canham:因为只是第一次尝试，所以我们只规划了三项主要任务，而且起降点全部选在同一位置。只有这样，才能保证无人机始终处于经过调查的安全飞行区域内。我们的时间窗口也非常有限，只有30天。如果时间再宽裕些，我们可能会尝试让其降落在其他看起来比较安全的新区域。但至少三项既定任务都是起飞、飞行、而后返航并降落在同一地点。

问：JPL拥有丰富的机器人制造经验，开发的机器人往往能够在主要任务完成后长时间保持正常运作。但这次只设定30天的任务执行周期，是否意味着除非发生意外事故，否则这架功能仍然完好的无人机将被直接遗弃在火星表面？

Tim Canham:是的，计划就是这样，火星车会前往别处继续执行主要任务。毅力号团队已经为我们划拨了不少资源，留下了30天的时间窗口，我们对此深表感谢。在此之后，无论无人机状况是否良好，火星车本体都会继续前进。所以我们可以随意安排飞行任务，但绝对不能超过30天时限。

目前我们还没有规划好最后两轮飞行，但根据前三轮飞行任务的执行速度，我们可能会有一周左右时间做点新鲜的尝试。不过当下，我们还是要先认真把前三轮任务做好。

只要能成功完成一次飞行，我们的目标就算是基本实现。接下来我们会略微扩大飞行范围，如果仍然成功，那么最后两轮飞行就可以稍微冒点险了。比如我们可能会飞上一百米，或者做个大回环之类的动作。但最重要的是，理解无人机在火星表面的飞行方式，所以第一轮任务最重要，我们得认真观察无人机的飞行能力。

问：假如前四轮飞行一切顺利，那么在最后一轮尝试中，您打算设计怎样的飞行任务？是做点风险比较大、但成功后意义重大的尝试，还是风险较小、但重要性同样偏低的尝试？

Tim Canham:这是个好问题，我们也在认真思考。如果只剩一轮飞行机会，再考虑到反正这架无人机终究要被遗弃，我们可能会做点大胆的探索。但现在我们还没到这一步，目前值得关注的只有前三轮飞行，之后的红利部分稍后再研究。

问：JPL的工程师们在探索中还有哪些特别的发现，能给我们讲讲吗？

Tim Canham:这是我们第一次在火星环境下使用Linux。没错，我们的无人机用的是Linux系统，软件框架则是JPL内部开发的立方体卫星与仪器专用框架。

几年前，我们已经把项目开源，现在大家可以直接通过GitHub下载火星无人机上的飞行软件，把它用在自己的项目当中。这是开源领域的一场辉煌胜利，我们把开源系统与开源飞行软件框架，同商用零部件整合了起来。

如果你想亲自尝试，也完全没有问题。对JPL来说，这种结合还是新鲜事物，以往我们大多使用特别安全、特别可靠的部件。但这一次灵感碰撞让人们感到兴奋无比，我们也期待这种新思路能在未来迸发出更大的能量。