淺述人工智能在登陸火星的“毅力號(hào)”火星探測(cè)器中的應(yīng)用

成功登陸火星之后，美國宇航局(NASA)發(fā)射的“毅力號(hào)”火星探測(cè)器已經(jīng)從多種機(jī)載人工智能系統(tǒng)中獲得了至關(guān)重要的幫助，這些人工智能系統(tǒng)旨在指導(dǎo)該探測(cè)器在火星上開展為期兩年的探索性任務(wù)。

“毅力號(hào)”火星探測(cè)器成功完成了從地球到火星的2.93億英里的星際航行，并于美國東部標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間2月18日15：55安全降落在火星表面。這次成功登陸是在火星探測(cè)器快速降落之后完成的，當(dāng)時(shí)運(yùn)載它到火星的航天器在進(jìn)入火星大氣層時(shí)的速度從每小時(shí)12100英里降到了零，而“毅力號(hào)”火星探測(cè)器在進(jìn)入大氣層約7分鐘之后安全地降落在火星表面。

美國宇航局工程師和探索任務(wù)控制人員隨后檢查了“毅力號(hào)”火星探測(cè)器的各種系統(tǒng)，以確保在長途航行后一切都處于良好狀態(tài)，然后實(shí)施計(jì)劃中的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，旨在尋找數(shù)十億年前的火星微觀生命的痕跡。

美國宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室科學(xué)操作工程師Raymond Francis表示，為了完成這些實(shí)驗(yàn)和任務(wù)，“毅力號(hào)”火星探測(cè)器采用的人工智能的功能與前4個(gè)火星探測(cè)器相比還要多，其中包括2012年8月6日抵達(dá)火星并仍在運(yùn)行的“好奇號(hào)”火星探測(cè)器。

Francis說：“與實(shí)施火星科學(xué)實(shí)驗(yàn)室(MSL)任務(wù)的‘好奇號(hào)’相比，“毅力號(hào)”火星的人工智能系統(tǒng)得到了升級(jí)。其中一些功能來自我們對(duì)‘好奇號(hào)’進(jìn)行的改進(jìn)和升級(jí)?！?/p>

人工智能在登陸火星中發(fā)揮的作用

Francis表示，“毅力號(hào)”火星探測(cè)器上搭載的主要人工智能系統(tǒng)對(duì)登陸措施進(jìn)行了加強(qiáng)，使其成功降落在28英里寬的Jezero 隕石坑附近。由于在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中具有河流三角洲、懸崖、沙丘、巨石和較小的隕石坑，因此其登陸過程十分危險(xiǎn)。

他表示，這就是采用人工智能技術(shù)的地形相對(duì)導(dǎo)航(TRN)系統(tǒng)發(fā)揮重要作用的地方。他說：“‘毅力號(hào)’火星探測(cè)器上有一個(gè)攝像頭，可以使它在降落到著陸地點(diǎn)時(shí)拍攝一張或多張圖像。而探測(cè)器中存有一張地形圖，可以與拍攝的這些圖像進(jìn)行匹配，并識(shí)別出其著陸位置。然后會(huì)計(jì)算剛被拍攝到圖像所在的位置以及將在哪里著陸的位置?！?/p>

Francis表示，這些自主功能對(duì)于探測(cè)器著陸至關(guān)重要，因?yàn)橛捎诘厍蚺c火星之間的距離遙遠(yuǎn)，航天器在5到40分鐘之后(視情況而定)才能獲得任務(wù)工程師傳達(dá)的命令。這意味著將“毅力號(hào)”火星探測(cè)器安全降落在充滿危險(xiǎn)的著陸區(qū)需要采用地形相對(duì)導(dǎo)航(TRN)系統(tǒng)，因?yàn)橐揽咳蝿?wù)工程師執(zhí)行滯后的人工控制命令是不可能實(shí)現(xiàn)的。

他說：“如果它意識(shí)到可能降落在不安全的地方，將會(huì)在超音速下降到零的過程中自動(dòng)轉(zhuǎn)向降落到安全的著陸點(diǎn)。”

這就是美國宇航局宇航員尼爾·阿姆斯特朗于1969年7月20日在阿波羅11號(hào)登陸月球的過程中所要完成的任務(wù)。在那次任務(wù)中，阿姆斯特朗通過人工控制，將全球第一艘載人登月艙“老鷹”號(hào)降落在月球表面，因?yàn)榈窃屡撟詣?dòng)化系統(tǒng)當(dāng)時(shí)正在將登月艙引導(dǎo)到一個(gè)危險(xiǎn)著陸點(diǎn)。

Francis.說：“由于無人控制，人工智能系統(tǒng)可以使‘毅力號(hào)’火星探測(cè)器在杰澤羅隕石坑附近降落，這對(duì)‘好奇號(hào)’來說并不安全，而‘毅力號(hào)’的著陸系統(tǒng)采用人工智能技術(shù)，因此安全著陸?！?/p>

人工智能在瞄準(zhǔn)儀器中的應(yīng)用

人工智能還通過自主探索收集增強(qiáng)型科學(xué)系統(tǒng)(AEGIS)應(yīng)用在“毅力號(hào)”火星探測(cè)器的火星探索，AEGIS是一種智能瞄準(zhǔn)軟件，它允許任務(wù)工程師遠(yuǎn)程瞄準(zhǔn)和控制探測(cè)器的SuperCam攝像頭。而“好奇號(hào)”火星探測(cè)器采用的是ChemCam攝像頭，并使用了較早版本的AEGIS系統(tǒng)，但是這個(gè)更新的版本經(jīng)過了增強(qiáng)，可以與最新更新的SuperCam攝像頭配合使用。

Francis說：“‘毅力號(hào)’火星探測(cè)器將在著陸后不久開始使用它?！盕rancis是開發(fā)AEGIS的首席系統(tǒng)工程師。

他解釋說：“‘好奇號(hào)’的ChemCam攝像頭和‘毅力號(hào)’的SuperCam攝像頭也是一種激光光譜儀，可以發(fā)射具有強(qiáng)大能量的激光，通常是照射在探測(cè)器7米范圍內(nèi)的某塊巖石上，蒸發(fā)巖石表面的一部分。然后經(jīng)過觀察生成的巖石等離子體，以確定巖石的元素。”

這些實(shí)驗(yàn)旨在幫助科學(xué)家了解火山巖石的成分，并使用其他測(cè)量方法來確定巖石的形成、來源以及其他細(xì)節(jié)。

Francis說：“通常情況下，我們讓地球上的科學(xué)家選擇某塊巖石進(jìn)行研究。他們通過從火星探測(cè)器上拍攝的照片選擇感興趣的巖石。但是由于探測(cè)器正在移動(dòng)，并且圖像傳回地球的時(shí)間較長而錯(cuò)過最佳的巖石。我們可以利用機(jī)載人工智能系統(tǒng)讓探測(cè)器在周圍選出最適合的巖石，由于在火星上的探索時(shí)間十分寶貴，因此我們通常讓人工智能系統(tǒng)進(jìn)行選擇?！?/p>

利用人工智能改進(jìn)自主導(dǎo)航

Francis表示，美國宇航局的“好奇號(hào)”探測(cè)器已經(jīng)采用了人工智能自主導(dǎo)航系統(tǒng)，而“毅力號(hào)”探測(cè)器的導(dǎo)航系統(tǒng)為此得到了極大的改進(jìn)。

他說：“我們需要在火星上能夠更快、更遠(yuǎn)地行駛，并采用了性能更高的計(jì)算機(jī)，能夠更快地進(jìn)行運(yùn)算。在‘好奇號(hào)’探測(cè)器上，我們必須使用自動(dòng)導(dǎo)航確定更短的距離，拍攝和計(jì)算立體圖像，以確定哪些是障礙物，哪些是安全路徑，然后沿著安全路徑行駛。但實(shí)際上的行程很短，只有一兩米?！?/p>

他補(bǔ)充說，現(xiàn)在這些過程已經(jīng)顯著加快。

他說：“我們簡化了 ‘毅力號(hào)’探測(cè)器的算法，提高了整體功能，因此實(shí)際上可以連續(xù)行駛。我們可以在行進(jìn)時(shí)拍攝照片并處理數(shù)據(jù)，這樣我們可以更快更遠(yuǎn)地自動(dòng)導(dǎo)航?！?/p>

Francis表示，所有這些增強(qiáng)的人工智能功能以及即將推出的新功能，都將使未來的探測(cè)器更容易到達(dá)火星和更遠(yuǎn)的太空。

他說：“很多人已經(jīng)看到在國際空間站上利用自主性和智能技術(shù)來完成調(diào)度等各種事項(xiàng)，這些技術(shù)已不足為奇。但是，像國際空間站這樣的航天器技術(shù)極其復(fù)雜，其中有大量系統(tǒng)和功能，具有很多不同的依賴關(guān)系，并且必須在某些時(shí)候是同步完成。完成這些事項(xiàng)非常復(fù)雜，尤其是當(dāng)某些事情發(fā)生變化時(shí)?！?/p>

他說，“這就是人工智能幫助國際空間站完成任務(wù)發(fā)揮重要作用的地方。我們已經(jīng)在機(jī)器人任務(wù)中完成類似的開發(fā)，我認(rèn)為這在未來的任務(wù)中會(huì)更加重要，特別是在任務(wù)越來越復(fù)雜的時(shí)候?！?/p>

這些要求也將發(fā)揮作用，因?yàn)楹教炱鲗⒗^續(xù)遠(yuǎn)航，不必等待科學(xué)家的指令，這樣將會(huì)變得更好，更富有成效。

Francis說：“從地球向火星上的探測(cè)器發(fā)布指令的效率十分低下，但是可以在沒有這種自主權(quán)的情況下實(shí)施。但是探測(cè)器進(jìn)入太陽系的距離越遠(yuǎn)，通信時(shí)間的限制就意味著或者必須事先準(zhǔn)備好一切，或者必須讓航天器擁有自主的機(jī)構(gòu)。如果讓航天器能夠?qū)σ馔馐录焖僮龀龇磻?yīng)，必須具有自主決策權(quán)。我認(rèn)為這將變得越來越重要?！?/p>

他指出，探索太陽系之外的行星或在惡劣環(huán)境完成太空任務(wù)將越來越依賴于人工智能的自主性技術(shù)。

他說：“挑戰(zhàn)的一部分是使人們更加信任自主系統(tǒng)，以便對(duì)航天器做出正確的決策或選擇正確的科學(xué)數(shù)據(jù)。AEGIS就是一個(gè)示例，說明科學(xué)家團(tuán)隊(duì)對(duì)此感到非常滿意，并經(jīng)常使用，因?yàn)闉樗麄兲峁┝肆己玫目茖W(xué)數(shù)據(jù)。因此，我們必須證明自主系統(tǒng)或者能夠促進(jìn)科學(xué)發(fā)展，或者對(duì)航天器安全有效?！?/p>

2月20日在太空領(lǐng)域發(fā)生的另一件事是，HPE和Microsoft Azure公司將向國際空間站提供功能強(qiáng)大的人工智能、邊緣計(jì)算和云計(jì)算工具。新的人工智能和其他工具是正在進(jìn)行技術(shù)實(shí)驗(yàn)的一部分，旨在為美國宇航局未來發(fā)射載人火星探測(cè)任務(wù)做好準(zhǔn)備。

這些新設(shè)備和軟件其中包括HPE的第二代星載計(jì)算機(jī)2(SBC-2)，這個(gè)標(biāo)志著首次向國際空間站提供廣泛的人工智能和邊緣計(jì)算功能。

新的硬件、軟件和服務(wù)在2月20日中午12：36通過諾斯羅普格魯曼公司的NG-15飛船發(fā)送到國際空間站。而NG-15飛船從美國弗吉尼亞州沃洛普斯島沃洛普斯發(fā)射中心設(shè)施發(fā)射，為國際空間站運(yùn)送所需的物資。

編輯：jq