此前 NASA 宣布，4 月 11 日，火星直升機 “機智號”（Ingenuity）將首次在火星自主飛行，但由于數(shù)據(jù)出錯，首飛時間改為不早于 4 月 14 日。此次飛行中，機智號將根據(jù)航點進行自主爬升、懸停、平移、降落飛行，如若成功，將證明直升機用作探索火星工具是可行的。
“機智號”是一臺小型雙螺旋槳直升機，僅重 1.8 千克，大小猶如紙巾盒一般，配備高通驍龍 801 處理器、VGA 攝像機、激光高度計、斜率計等傳感器導(dǎo)航，由兩個 1.2 米碳纖維轉(zhuǎn)子推進。2021 年 2 月，機智號搭乘 NASA“毅力號”抵達火星，4 月 4 日成功登陸火星表面。
當(dāng)機智號在太空完全自主運行前，NASA 噴氣推進實驗室進行了大量模擬練習(xí)和飛行檢查，通過模擬火星大氣條件、火星重力、直升機飛入火星時的物理和視覺環(huán)境等，來將機智號調(diào)試到最佳狀態(tài)。機智號的首席飛行員霍華德 · 格里普（Howard Gripp）對該系統(tǒng)進行了介紹。
一、構(gòu)建仿真模擬系統(tǒng)，“還原”火星環(huán)境
為了讓機智號能在火星上飛起來，格里普團隊起初使用模擬工具設(shè)計直升機原型，并在真空室中設(shè)計了一整套測試系統(tǒng)來復(fù)制火星的大氣條件。
當(dāng)遇到火星引力等很多無法復(fù)制的事情時，團隊只能依靠模擬系統(tǒng)盡可能地還原，因此研發(fā)了一種火星直升機仿真模擬系統(tǒng)——DARTS SHELL（飛鏢殼；Dshell）。該系統(tǒng)是一個多任務(wù)航天器模擬系統(tǒng)，用于測試和驗證飛行和硬件，可為大型硬件模型提供支持。
該模擬系統(tǒng)基于噴氣推進實驗室運行 30 余年的多體模擬框架，格里普團隊在其中加入旋翼模型和空氣動力學(xué)模型，來進行火星引力、火星空氣動力學(xué)環(huán)境和直升機飛入時的物理、視覺環(huán)境的模擬。
▲ 模擬系統(tǒng)中的 “機智號”
由于火星大氣稀薄，密度只有地球大氣的 1%，飛行器必須足夠輕盈才能夠飛得動。因此，在還原火星引力時，模擬器可通過讓直升機重量參數(shù)變小，或增加外部繩索牽引以達到減輕直升機重力的效果。
在大氣和視覺環(huán)境的還原上，模擬系統(tǒng)能夠進行直升機從預(yù)設(shè) A 點到 B 點的完整飛行測試，包括直升機起飛時內(nèi)部飛行軟件的運行、攝像頭飛行時的拍攝圖像等。
格里普表示，模擬系統(tǒng)在一定程度上彌補了在地球上做不到的物理測試，團隊可以根據(jù)在地球上的測試參數(shù)來驗證模擬，并且能夠在任意場景進行大量測試。例如團隊使用蒙特卡羅法，連續(xù)飛行一千次，從中找出穩(wěn)定參數(shù)。蒙特卡羅法也稱統(tǒng)計試驗法，用以描述一個系統(tǒng)運行過程中的隨機現(xiàn)象。
二、模擬系統(tǒng)存干擾，能力范圍內(nèi)求精準
在地球測試火星直升機必定與火星條件下運行存在偏差，因此多次調(diào)試非常重要。
目前火星直升機通過了許多測試，例如：團隊可以在崎嶇不平的模擬地形下運行直升機，讓直升機按照既定目的行駛。
▲ “機智號”飛行區(qū)衛(wèi)星影像
但是，地球上能做的物理測試是有限的，很多方面還存在不確定性。在不確定性很高的方面，團隊在力所能及的范圍內(nèi)構(gòu)建模擬，將直升機模擬器置身于沙塵暴、氣旋等極端情況下，測試超出真實參數(shù)的范圍，以探討在極端情況下的應(yīng)對策略。
模擬系統(tǒng)也不完美。團隊使用的模擬傳感器具有現(xiàn)實的模擬噪聲和偏差水平，攝像頭圖像的呈現(xiàn)存在現(xiàn)實干擾。如果不在意這些事情，就會略過很重要的細節(jié)。因此，團隊盡量做到準確，并通過在高度不確定的區(qū)域進行超邊界捕捉。
模擬調(diào)試完畢后，在機智號起飛之前，團隊還需進行各種飛行檢查，例如驗證控制系統(tǒng)的響應(yīng)性。
驗證內(nèi)容包括：
1、機智號在不起飛的情況下將葉片旋轉(zhuǎn)到每分鐘 2537 轉(zhuǎn)的全速；
2、第一次飛行時速從每秒 1 米爬升到 3 米；
3、爬升至 3 米處懸停 30 秒并原地旋轉(zhuǎn)；
4、下降著陸。
三、模擬系統(tǒng)設(shè)計周期長，更強 CPU 可加速迭代
在直升機建模過程中，格里普團隊發(fā)現(xiàn)：火星直升機的轉(zhuǎn)子動力學(xué)與地球直升機大不相同，轉(zhuǎn)子相應(yīng)葉片彎曲時產(chǎn)生的振動要比在地球上小。如果不考慮這一點，直升機在真實火星環(huán)境下的反應(yīng)系統(tǒng)將非常緩慢。
因此，格里普團隊改變車輛設(shè)計，制造來一個極其輕便和堅硬的轉(zhuǎn)子，使其能夠在火星大氣層中更快的旋轉(zhuǎn)。
▲ 模擬系統(tǒng)中的 “機智號”起飛
火星直升機的設(shè)計周期很長，需要構(gòu)建和開發(fā)測試程序并多次使用真空室來測試它，而不是把它建出來之后再一點點調(diào)試。
對于模擬系統(tǒng)還有多少改進空間，格里普表示，模擬系統(tǒng)在運行時需要很多 CPU 計算資源同時運作，如果未來有更強的計算能力運用其中，模擬空間也有更高的保真度。
未來的火星直升機可以通過高保真空氣動力學(xué)模型和更大的多體模型緊密結(jié)合起來，快速迭代。
結(jié)語：“機智號”首飛推遲顯現(xiàn)技術(shù)難題
“機智號”首飛推遲，再次表明了火星上直升機運行的難度系數(shù)之高，仿真模擬系統(tǒng)無法預(yù)測所有存在的不確定性。希望經(jīng)過修正調(diào)試后，4 月 14 日 “機智號”能如期飛行。
直升機與現(xiàn)有火星探索手段相比具有很多優(yōu)勢。一方面，它可以提供從地面幾米到幾十米高度的或型地面詳細圖像，彌補軌道飛行器圖像分辨率有限的不足。另一方面，它能夠不受地形限制充當(dāng)偵察平臺，與軌道飛行器配合，繪制地形圖為其路徑規(guī)劃提供參考。
“機智號”若成功飛行，可為火星探索提供了一種全新途徑，將加快火星生命探索、地質(zhì)勘探、氣候環(huán)境測量等研究進度，甚至為將來人類登陸火星進行探索做準備。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。