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漫游者兄弟有多聪明?Comments>>

发表于 2009-01-21 13:00 | Tags 标签:, ,

2004年1月3日和25日,美国火星探测器勇气号(Spirit)和机遇号(Opportunity)在经过六个多月的星际旅行之后,成功着陆于火星表面,开始了它们作为“漫游者”的生活。NASA(美国国家航天航空局)赋予兄弟俩的任务是:在火星上正常工作90个火星日(相当于92个地球日),探测火星的物质成分,寻找水和生命可能存在的痕迹。

第一个90天过去了,第二个90天过去了,第十个90天也过去了,惊喜万分的科学家们一次又一次地将这次火星探测任务延长下去。在2007年10月做出的第五次延期决定中,科学家们期望兄弟俩能顺利度过2009年。如今,在牛年春节来临之际,这对双胞胎已经在火星上行进了将近2万米,并将正式踏入它们在火星上的第六个年头。

rover1

在这过去的五年的时间里,它们传回了大量火星地表的图片信息,对火星上的岩石和土壤进行了测量分析,也发现了曾经有过水存在的痕迹。那么,这不断带给人们惊喜的两兄弟算得上机器人中的高IQ吗?人工智能领域的专家也许并不这么认为。因为,它们还是属于远程控制机器人(Telerobot)。顾名思义,这类机器人是要靠人操作的,它们的头脑和身体是分家的。NASA控制室里的工作人员才是机器人的大脑,火星上的漫游者只是机器人的身体,对于环境的判断,推论,如何下一步行动都是由地面上的人来决定的。这似乎有些类似中国古代传奇小说中的剑侠,能够以气御剑,杀人于千里之外。

最早期的远程控制机器人源于上世纪四五十年代的核能研究。Raymond Goertz在美国阿贡国家实验室搭建了一个处理放射性材料的远程控制机器人。虽然这台机器人的“远程”只是隔着一道防护墙,而且机器人本身也没有任何智能化,只是一个完全听命于操作者的机械装置。但这个概念被迅速接受并应用到太空,水下作业,炸弹拆除等其他领域。

nuclear

如今,外科手术机器人逐渐成为远程控制机器人中的一颗新星。2001年9月7日,一台特殊的腹腔镜胆囊切除术在两个地点同时进行,参与这场手术的除了在纽约的外科医生,在法国的病人,还有一台叫做 “宙斯(ZEUS)”的机器人。如果你得知医生只能通过摄像头观察病人的情况,你是否为病床上的病人捏了一把冷汗? 毕竟,这一刀下去,医生手上可没感觉。还有,要是恐怖袭击早4天来临,拿“刀”的这位手一抖,那可怎么办? 幸好,“宙斯”比五十年前那台愚昧听话的机器人聪明不少,它能够综合接收到的医生指令和自身所带传感器的反馈信息来进行手术,所以我们不必太担心纽约这边的情况。

zeus

不过,对于远程控制机器人的研究者们来说,最理想的境界是能够让“空间障碍”彻底透明化。那就是说,任何机器人一端的传感器所接收到的反馈信息都能够传达到操作员这端来。如同新一代游戏手柄能够反馈给玩家触觉感受一样,远程控制机器人也在尽量将三维视觉,听觉,触觉等各种感觉传回给操作者。

对于漫游者兄弟来说,情况又不同了。因为地球和火星之间距离太远,信号传一个来回差不多要20分钟。这使得地面工作人员无法像控制“宙斯”一样实时交互地控制漫游者。再加上深空网络的带宽,太阳磁场的电子干扰,以及无法充分掌握火星地表信息,都迫使地面工作人员不得不放弃直接控制漫游者的想法。因此,勇气号和机遇号也有着比手术机器人更高的智能,或者说,它们有部分的脑子。兄弟俩能够用眼睛(摄像头)来判断行进道路中的障碍、坡度、危险性,能够自动绕开障碍物,还能判断是否有旋风或者烟雾。这样,对于地面上的操作者来说,给漫游者发送的通常就是一连串指令了,譬如说:前进20米到A点,拍照,再走到B点,停下来,挖土… 而具体如何达成这些一个个的小目标,则是由机器人自己来完成。

通常,在火星夜晚来临,漫游者入睡之前,它们会将周围环境的图片拍下来,传回地球。地面工作人员则会将这些图片放在模拟环境中,通过反复的模拟测试,仔细设计出第二天的任务,再将任务分解成一连串的指令传送给漫游者。接下来,当火星上新的一天开始的时候,兄弟俩就会尽力去完成接收到的任务了。当然,模拟环境并不总是万无一失的。2005年4月,机遇号在试图翻越一个波浪形沙丘时就被陷住了,NASA的地面人员在模拟环境中测试了许多种方式,花了一个多月,才把它搭救出来。

世界各地永不满足的科学家们还在不停地研究,如何让远程控制机器人更聪明一些。不过,真正聪明的无人驾驶车辆应该出现在地球上而不是火星上。作为当今最大的无人驾驶车辆大赛,大挑战(DARPA Grand Challenge)受到的关注自然不仅仅源于它提供的两百万奖金。2005年,以斯坦福大学的Stanley为首的五辆无人驾驶汽车顺利通过了212公里的越野竞赛。2007年以卡内基梅隆大学的的Boss为首的六辆无人驾驶汽车又顺利通过了96公里的市区竞赛。相信在这些汽车走向千家万户的时候,相关的技术也会被应用到今后的火星(或者其他星球)探测器上去。

作为太空俱乐部新成员的中国,也将于2009年10月发射第一颗火星探测器(轨道飞行器)“萤火一号”。在期待看到“萤火一号”发回火星照片的同时,我们也期待着中国的航天事业能够推动中国机器人技术在其它领域的进一步发展。

后记:这篇文章以美国火星探测器漫游者兄弟始,以中国的火星探测器萤火一号止,我更想说的是不同的远程控制机器人拥有的智能程度,以及为什么如此安排。希望这个简单的描述能够让大家对直接控制(direct control),共享控制(shared control)和监督控制(supervisory control)这三种层次的控制方法有一个比较直观的理解。

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36 Responses to “漫游者兄弟有多聪明?”

  1. Thyme说道:

    LZ我一直以为你是男的。。。

  2. anakin说道:

    我们的儿女能否可以和robot为伴了呢。。。

    P.S.你的生活矛盾么?

    • Robot说道:

      不远的将来应该就可以了,其实现在国外已经有很多做家庭娱乐机器人的了。不过,到底是好还是坏呢?

  3. Thyme说道:

    看了这个“理工科博士+文艺女青年”。。。
    汗~

  4. Netson说道:

    啊~我之前也不知道Robot是个MM~

  5. Robot说道:

    hmmmm,我的头像是Eva不是Wall-E。。。。
    四十五度侧面仰头流泪飘过~~

    • 丁大眼说道:

      这......,本眼觉得主要原因不在头像是“Eve”还是“wall-e”,而在于“Robot”。

      Whatever,晚点发现总比没发现好~

  6. Christopher说道:

    应该说JPL04年MARS ROVER的自主导航功能并没有得到太多的利用。主要可能还是因为上面用的R6000处理器只有20MHZ[1]。通过视觉进行三维地形重构,里程估计,地形通行性分析和路径选择的计算量太大,以至于计算时间甚至超过了来回一次通信的时间。到05年8月15日为止,勇气号和机遇号上自主导航行驶的里程数分别只占总里程数的27%和21%[2]。所以说,在外星球上实现完全自主的巡游探测机器人可能还是需要在材料和工艺上做进一步提高。比如,设计更好性能的恒温箱,以提供内部电子元件更合适的工作温度。这样才能在机器人内部采用更强的CPU,满足自主导航的计算要求。

    参考文献
    [1]VxWorks on the Mars Exploration Rovers
    [2]The Mars Exploration Rover Surface Mobility Flight Software:Driving Ambition

    • Robot说道:

      哈,终于有个讨论技术的来了//hand. 你说的不错,Mars Rover还是只能算在Telerobot里面,主要还是靠地面的模拟环境设计到底怎么走,怎么躲避障碍物,完全靠机器人自己用视觉判断还是不太可能的,虽然它有waypoint navigation的功能,如你所言,自主导航不到30%。至于更强的CPU,我觉得还有一个主要原因是能量问题。火星夜里太冷,机器人必须休眠,工作只能靠白天的太阳能。而且冬天的时候也差不多都是半休眠状态。有一段时间因为起沙尘的时候太阳能板上盖了沙,效率大大降低,大家都觉得可能不行了,结果过了一段时间有风慢慢把沙吹掉又活过来了。我看的资料上是说火星上的“风”好像比预料中的大,这也就是太阳能充电一直能充上,Rover寿命比预期久了这么多的一个很重要的原因。

      • lvbu说道:

        为啥不设计个除尘装置?

        • Robot说道:

          原因很多,具体可以看看这篇文章:http://www.sciencenet.cn/htmlnews/2008/11/213396.html
          主要还是想尽力减少装备,准备时间也太仓促。NASA的faster cheaper better

      • Christopher说道:

        09年的MSL貌似就会采用核动力

        • Robot说道:

          //nod,这个如果成功以后真的就会往核能的方向走了。

          • 赵洋说道:

            请问,在行星着陆器使用核电源方面,有没有对目标行星潜在环境污染的评估?

          • Robot说道:

            一直有反核人士对太空飞行器/着陆器的核能做出抗议,不过理由主要在于发射过程中出现爆炸或泄露是否对地球上的人有影响,对目标行星的环境污染关注的人倒比较少。NASA给出的结论是影响非常非常小,可以忽略不计。根据美国的法律,计划09年发射的核能Mars Rover有对公众开放公开听证会,两次。尴尬的场面是除了科学家,附近学校的大学生和少数记者,没什么其他人员出现。

          • Robot说道:

            另外,中国构建中的月球登陆器也设计是核动力的, 这个应该比上火星对我们的影响还大一些:
            http://www.engadget.com/2007/04/03/chinese-engineers-reveal-nuclear-powered-lunar-rover/

          • 赵洋说道:

            谢谢Robot解惑。如果是向月球这种死寂星球上发射探测器,自然不必考虑对目标星放射性污染,只是保证卫星一定要入轨才好,免得落回地球:)看来上海那个能否中选还不一定。

          • Christopher说道:

            月球探测器动力的主要麻烦是,月球的黑夜太长有快30天,而且还有很多环形坑太深里面都是黑乎乎的,黑天的时候还特别冷,零下100多度。这个时候如果没有其他能源的话似乎就只能休眠了。以前其实前苏联也有在卫星上用核能的先例,技术上应该没什么大问题。上海那个模仿MARS ROVER的痕迹也太重了,国内有些设计还是很有特点的,像哈工大,湖大的月球车。

        • lvbu说道:

          孤陋寡闻,惭愧,惭愧.没想到技术进步这么快,核动力装置已经可以做到这么小.希望能多一点这方面的介绍

      • Lewind说道:

        我觉得尺寸也是个问题吧?现实情况决定了这些探测器不可能太大,这导致地面的起伏和障碍对它们来说如同高山大川(只有沟没有水的“川”)。假如探测器是越野车这个级别的尺寸,走起来肯定难度要小得多,自主导航所需的计算量也会降低不少。

        • Robot说道:

          尺寸还要考虑到发射成本,之前NASA做的比越野车还大,结果预算下来n多个零,吓坏了,立马喊停。后来随着硬件技术的发展,能越做越小,才有了现在的Rover。

          • Lewind说道:

            是啊,这就是我说的“现实情况”,嘿嘿。
            做过设计开发的都知道,人要向现实低头啊……

  7. Shea说道:

    "You know, there's a big difference between Steve Squyres and me. Steve's always moving. I stay in one place. I'm kinda a couch guy, ya know? So our missions are like that, too."

                             —— Peter Smith

  8. Lewind说道:

    一个小建议:“后记”中才提出的三种控制方式是不是可以写到正文中,在相应的例子中加一句,并不会吓跑读者,反而会显得条理更清晰吧……

  9. lgc说道:

    美国有个电视节目,是机器人在舞台上角斗,很多机器人惨遭电锯肢解或被火烧坏。
    我想问一下,现在的人工智能能够控制机器人避险了吗?

    • Robot说道:

      如果你这个避险指的是角斗中的危险,目前来说还是比较困难。因为计算人要通过各种sensor了解周围的环境,再经过算法判断,再做出相应的反应,太慢了,躲不及。不过比较低层次的避险还是有的,最简单的就是自动驾驶中绕开障碍物或者危险地段。另外比较靠谱的应用就是自动驾驶战斗机,主要还是在研发阶段,要实时判断并预测对方的行动,很难。

  10. RODUDU说道:

    我想找一个在纪实频道播过的节目。是科学家们突破现有技术的局限,模拟了两个探测器(外形像蜻蜓)去探索一个由另一组科学家模拟设计的一颗有生命的星球。其中一个探测器叫“达尔文”。不知道姐姐你知不知道这个片子的名字是什么,在哪里能找到。谢谢,麻烦你了。

  11. RODUDU说道:

    多谢,有劳:)

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