为太空机器人配手机

2014-11-29云英

太空探索 2014年8期

□ 云英

宇宙之大，无奇不有。在地球上的人们普遍使用手机的同时，太空机器人也来赶“时髦”，拥有了为它们定制的智能手机。日前，据国外媒体报道，美国航宇局（NASA）已经与谷歌达成合作协议，打算将谷歌的Project Tango智能手机整合到国际空间站的试验性机器人SPHERES卫星中。有了这部智能手机，SPHERES将能直接在工程试验台上向国际空间站的其他航天员发送数据。Tango系统的3D跟踪和地图功能将使距离地球表面370千米之上的浮动机器人自己导航，大大增强了机器人的功能，以便为国际空间站下一步计划做准备。

SPHERES卫星

在国际空间站上，有三个色彩艳丽、外形酷似排球的机器人，它漂浮在国际空间站内，进行着各种实验。这三个机器人的正式名字为“SPHERES卫星”，它是“同步位置保持、连通与再定向试验卫星”的缩写，因为它的长相像个球，又有人称它为“球面”零重力机器人卫星（简称“球面机器人”）。

要说起“球面机器人”的研制，学生们在其中的贡献不少，可以说是学生们的杰作。虽然研制这颗卫星的SPHERES项目是由美国国防高级研究计划局投资的，美国航宇局的戈达德航天飞行中心、艾姆斯研究中心和喷气推进实验室给予不少的协助，但“球面机器人”的样机是麻省理工学院本科生研制的，空间站上的三颗球面机器人是由麻省理工学院的研究生和位于麻省剑桥的有效载荷系统公司研制的。欧洲几所学校的学生与麻省理工学院的学生和教授共同参与了这一高科技项目的研发，欧洲学生在欧空局的赞助下前往麻省理工学院接受培训，通过专家们的指导，逐步理清设计思路、掌握设计技能，并探寻解决关键工程问题的最佳方法。

这种只有保龄球大小的球形机器人实际上是一种定位交会对接试验卫星，它拥有自己的供能、推进、计算、导航系统及扩展接口，可以通过喷气式推动器在国际空间站内移动。这些飞行的机器人在轨道内可以编队自主飞行，并通过无线电链路保持相对位置持续不变。美国航宇局将他们安置在国际空间站上，主要任务是进行微重力研究、工程与机器测试及探索自由飞行机器人在太空的应用。目前的任务是作为航天器完成自主交会对接指令系统的测试装置，用于测试让航天器执行自主交会和对接的完整指令集。空间站工作人员、地面工程师和外聘科研人员也将利用它来研究卫星维修、飞行器装配和编队飞行航天器的配置等。

美国航宇局对“球面机器人”寄予了厚望，虽然现在它们还只能呆在空间站内，不能远离空间站，但是未来很可能会承担更重要的任务。在SPHERES项目的任务中，还包括将一些这种大小的卫星发射到太空，让它们漂浮在太空，同时保持精确位置，组成一个庞大的空间望远镜，寻找其它恒星附近的行星。在美国航宇局的设想中，有朝一日类似的机器人还能够在太空中飞行，执行建造空间站、检查其他航天器的外部、承担修理航天器的损伤、为其他卫星填注燃料，或构成功能系统等任务。它们在空间还可组成一相互协作的小卫星星座，实现单个大卫星的功能。

2006年 4月24日，俄罗斯“进步”号货运飞船携带麻省理工学院研制的第1颗“球面机器人”卫星前往国际空间站，5月18日在空间站内进行首次了鉴定试验。之后，又将第二颗和第三颗球面机器人送往空间站。截止到目前为止，已经在国际空间站上进行了77次太空实验。

为球面机器人装上Nexus S手机

航天员在进行球面机器人测试试验

第一部手机

球面机器人虽然是一颗智能卫星，有自己的动力、推进、计算和导航软件，可以通过喷气式推动器在国际空间站内移动，但它的“智商”并不高，不能自由飞翔，需要在航天员的帮助下才能在空间站中漂浮，执行的功能也有限，很多工作需要航天员来配合完成。如何使它变得“聪明”一些，更“主动”一些，可以自主地执行更多的功能呢？航天工程师们想出了一个办法，为它配智能手机。像地球上人一样，“球面机器人”的手机也在不断更新换代，随着智能化手机的升级，“球面机器人”的功能也越来越完善。

提起“球面机器人”的第一部智能手机，还要追溯到2011年。2011年，在国际空间站第29宇航组执行任务期间，搭载Android系统的Nexus S上天了。这种小装置是三星公司开发的Nexus S手机。为了防止手机信号干扰国际空间站设备和适用于“球面机器人”，技术人员对手机进行了小改造，比如，拿掉了手机的GSM芯片，同时将锂电池变成传统五号电池；用一根电缆与“球面机器人”连接等。

有了这部智能手机，等于给“球面机器人”配备了一台紧凑、低电力、低成本的嵌入式计算机及内置的摄像机和传感器，这好像为机器人装上了眼睛和耳朵，成为智能的“球面机器人”了。它再也不需要航天员用手将它“放飞”了。当航天员发出指令后，这个微型机器人就可在空间站内飞行。实验的数据可以通过空间站内的无线网络传输给地面。

在太空进行球面机器人试验时，地面的研究人员只能通过固定位置的视频来观测其飞行结果。为了更好地进行球面机器人试验，在2013年美国航宇局将MATLAB和SIMULINK成功地部署到国际空间站的SPHERES项目中。MATLAB 是“科学计算的语言”，它用于算法开发、数据分析、可视化和数值计算的程序设计环境。Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包，它支持连续、离散及两者混合的线性和非线性系统，也支持具有多种采样频率的系统。通过 MATLAB 和 Simulink，研究人员可以测试：相对高度控制和卫星间定位算法、重新定位目标和图像平面填充策略、防碰撞相关的算法以及燃料平衡算法。此外，MATLAB 还将帮助实现在实验过程中实时绘制卫星的三维动画，使地面研究人员能够更好地从任意角度观测正在进行的实验，通过MATLAB 与 Simulink可以开发更为复杂的算法和工具，加快了SPHERES团队项目的研究进度。

为Spheres 项目定制的Tango设备

在地面测试Tango智能手机的3D建模功能

球面机器人的端口

第二部智能手机

目前，国际空间站上的“球面机器人”利用超声波和红外线检测技术在国际空间站的一定区域里执行基本的导航任务。因为通常情况下，它是以Nexus S为头脑，依赖立方体四围的声波信号装置对环境进行三角测量，卫星表面的麦克会获取声音信号对其准确定位。因此，它的活动范围有限，需要在四围有立方墙装置的环境里才能自主导航，既只能在1.83米 x 1.83米 x 1.83米的空间中飞行。为了使智能手机具备更强大和准确的检测功能，扩大球面机器人在国际空间站的活动范围，并且完全依靠自身来进行导航，美国航宇局将为球面机器人配备功能更强的智能手机-Tango智能手机。

Tango手机是谷歌先进技术与项目部门为球面机器人研发的专用智能手机。Tango智能手机是一款配置多种摄像头和视觉传感器的智能手机，它可以捕捉应用开发者从未接触过的数据，包括跟踪拍摄和深度传感，以及实时3D制图。为了让Tango智能手机具备同等级别计算机视觉和跟踪功能，研发人员在手机中内置必要的摄像头和传感器。手机里的图像传感器可以让智能手机具备类似人类一般的视角，足以感知空间和景深。传感器可以向低功耗计算机视觉处理器传递数据，经处理器处理后，数据再通过一组接口导入应用。借助图像传感器、运动传感器和陀螺仪，Tango可以绘制运动轨迹的精度达到1%，然后创建一个交互式的3D地图。

以前，只有大型设备才能实现这些功能。现在，可以握在手心的小小Tango手机可以与探测火星的勇气号探测器媲美了，勇气号是一个重达181.6千克的庞然大物，它可绘制火星地表地图，小小Tango手机也同样可以绘制周围的3D景色。

这部智能手机投放到空间站之后，将为球面机器人增添更多的新技能，如摄像头、WiFi连接以及定制的3D传感器。如果可以3D成像的Project Tango手机成了球面机器人的眼和脑，那时球面机器人就成为真正的智能机器人了。它无须任何信号装置的指引，通过红外线对周围环境进行3D成像，就可以知道周围的环境，自己实现自主导航的功能；它可以“飞”到空间站的任何地方，执行空间站内检修任务和帮助航天员处理一些日常工作；它还可以“飞”出空间站，到太空执行更重要的任务。

现在，谷歌的研究人员已经对Tango手机进行了修改，可专门用于球面机器人。将Tango手机分成两半，使其接口和照相系统在同一侧，用户可进行连接。

谷歌和NASA对Tango智能手机也已经进行了多次试验，在地面利用失重飞机检验球面机器人和Tango智能手机结合后在失重环境下能否正常工作，计划在今年晚些时候将Tango智能手机送入际空间站。届时这款智能机器人将借助Tango智能机在空间站中自主导航并独立工作，同时经过进一步研发后，球面机器人有望能到外层空间承担更重要的任务。在NASA的设想中，有朝一日类似的机器人将能够在太空中飞行，去检查空间站或其他航天飞行器的外部。

美国航宇局对此寄以厚望，美国宇航局艾姆斯研究中心的主任Terry Fong称引入Tango技术之后：“这不仅仅只是普通的升级，而将会为人类进行太空探索翻开新的篇章。机器人如何帮助人类在太空中生活和工作？当探索其他星球的时候机器人会扮演什么样的角色?Tango都给我们带来了新的研究方向。”