地外巡视探测无人系统自主感知与操控技术发展综述

邢 琰,魏春岭,汤 亮,姜甜甜,胡 勇,黄 煌,胡海东,常亚菲,杨孟飞

1.北京控制工程研究所，北京 100094

2.空间智能控制技术国防科技重点实验室，北京 100094

3.中国空间技术研究院，北京 100094

0 引 言

地外天体探测是人类对月球及以远的天体或空间环境开展的探测活动，是人类航天活动的重要方向和空间科学与技术创新的重要途径，是当前和未来航天领域的发展重点之一.地外探测从最近的月球逐步延伸到火星、小行星等天体，探测方式也从掠飞、环绕到着陆、巡视和采样返回，其中巡视探测和采样返回是拓展探测广度和深度的有效途径.

地外探测无人系统包括着陆器、巡视器、飞跃器、各类移动机器人，以及载人深空探测工程中处于无人值守或应急状态的登、驻、用等探测器，其中巡视器(即传统的月球车和火星车)、飞跃器(月面移动时)、各类移动机器人以及其他在地外天体表面执行移动和作业的无人状态探测器，都可归于地外巡视探测无人系统.地外巡视探测主要执行移动和作业等任务，未来月球、火星等地外探测任务对表面探测位置、范围和效率的需求明显提高，着陆精度由公里级提升到百米级，探测范围从公里级扩展到百公里级以上，移动时速从百米级提高到公里级以上，并能实现对感兴趣科学目标的精准采样.新的任务需求要求探测系统具有更强的地外环境适应能力，并具有更强的智能水平，复杂环境的感知理解、多任务多约束下的规划与决策以及地外移动与作业等精准操控，以满足未来复杂地外环境下的大范围远距离高效科学探测任务需求.本文重点对地外巡视探测无人系统自主感知与操控技术的特点、发展现状及趋势进行综述总结,为后续进一步深入的理论方法和应用技术研究提供参考.

1 地外探测无人系统特点

1.1 与卫星/飞船等空间探测器相比

地外巡视探测无人系统作为一类特别的航天器，与卫星、飞船等空间探测器相比，具有以下特点.

1)地外天体表面移动探测过程中，姿态和运行轨迹与地形密切相关.被动适应地形的摇臂悬架轮式移动机构倾斜姿态可测不可控，主动摇臂悬架或腿足式机器人的倾斜姿态可控范围受限.

2)运行环境复杂多变，难以事先获取准确的环境信息，需要进行自主感知和识别，且感知结果受光照、地形纹理等环境特征的影响较大.

3)运行轨迹不可全部预知或预定，需能够自主完成障碍识别并进行路径规划，以安全平稳到达目标点.

4)移动与作业控制性能与土壤特性紧密关联，目前难以建立准确的动力学模型，操控执行部件也与卫星有本质不同.

1.2 与地面无人系统相比

与无人自动驾驶、无人机等地面无人系统相比，地外巡视探测无人系统在环境、资源以及技术途径上存在诸多挑战和约束.

(1)地外环境严苛且先验知识有限

地外天体表面均为自然野外环境，地形地貌原始多变，通过轨道遥感获得的环境信息分辨率和精度较低，难以支持表面自主安全巡视探测.

月球表面覆盖月尘，地表纹理特征不明显.月表光照为平行光且反照率低,光照条件不均匀.火星表面崎岖多变，且存在表面平坦却易滑易陷的危险地形.因此仅通过相机等可见光成像敏感器难以对月球火星等地外环境进行充分识别.

地外天体表面温度条件恶劣.月球表面无大气，月昼温度约为130℃～150℃，太阳不能照射的阴影区和夜晚期间的月表温度约为-160℃～-180℃[1].火星表面大气稀薄，难以通过大气运动传递表面的热量，所以表面温度变化较大[2].“海盗号”2个着陆点夏季的平均温度为60℃，昼夜的温度变化约50℃，冬季平均温度达-120℃，日温度变化达100℃[2].

(2)质量功耗和算力等资源严格受限

受深空探测运载能力约束，地外探测器的质量和功耗严格受限.地面自动驾驶L4级别及以上的无人系统需要配备10台超声波雷达、2台长距毫米波雷达、6台短距毫米波雷达、1台激光雷达和8～11台相机，如此庞大的配置在地外探测无人系统中难以支持，仅能依靠轻质低耗的相机或近距离低耗主动结构光进行障碍探测，障碍识别困难.

受宇航级元器件选用限制，地外探测无人系统的计算机配置与地面无人系统差距显著.美国“毅力号”火星车采用PowerPC 750架构的防辐射中央处理器，主频为200 MHz，内存为2 GB；“好奇号”火星车主计算机主频为200 MHz，内存为256 MB；中国“祝融号”火星车采用CPU和DSP的计算机配置，CPU主频25 MHz，DSP主频为200 MHz，内存仅为20 MB；“玉兔号&二号”月球车计算机主频仅为80 MHz.地面无人系统一般配备GPU或Intel i7以上的计算机，算力远远超过地外探测无人系统，能够支持大量数据快速处理.

(3)地面自动驾驶成熟技术难以适用

地外天体没有建立卫星导航系统，地外探测无人系统需要全自主完成导航定位定姿.

地外天体表面一般为真空或弱大气环境，地面无人自动驾驶常用的超声波传感器不可应用于地外探测无人系统.地外弱磁场低重力等环境使得磁导航和惯导自对准等技术也无法应用.

综上，地外巡视探测无人系统如何在有限资源约束下，实现对复杂未知环境的准确感知，以及复杂环境下的精准移动和作业操控，成为深空探测GNC(guidance，navigation and control)领域的研究热点和难点.

2 发展现状

2.1 已有地外巡视探测自主能力

迄今为止，国内外已成功实施了对月球和火星表面的巡视探测.成功着陆的月球/火星表面巡视探测器(文中也称月球车和火星车)共13台，分别是前苏联由Luna17和Luna21号携带落月的2台无人遥控月球车Lunokhod1和Lunokhod2，美国由Apollo15、Apollo16和Apollo17号分别携带的3台载人月球车LRV(lunar rover vehicle)，美国的三代火星车——由Pathfinder号携带的小型火星车“索杰纳”(Sojourner)、中型火星车“勇气号”和“机遇号”(Spirit和Opportunity)因设计一致，统称为Mars exploration rover、大型火星车“好奇号”(Curiosity)和“毅力号”(Perseverance)，以及中国“玉兔号”(YuTu/jade rabbit)、“玉兔二号”月球车(YuTu2/jade rabbit2)和“祝融号”(Zhurong)火星车，如图1～4所示.

图1 前苏联和美国月球车Fig.1 Soviet Union’s and USA’s lunar rovers

图2 美国三代火星车(索杰纳号、勇气号和机遇号、好奇号和毅力号)Fig.2 USA’s three-generation Mars rovers(Sojourner,Spirit &Opportunity,Curiosity&Perseverance)

图3 中国的月球车Fig.3 China’s lunar rovers

国内外虽然已经实施了多次巡视探测，但移动探测效率相对而言比较低，在地外天体表面的大部分时间，都处于非移动探测状态.表1所示为已有月球/火星车的探测范围、探测时间和移动速度(截止到2021-10-13).可以看出，美国载人月球车LRV的行驶速度最快，能达到10 km/h的行驶速度，但无人月球车和火星车的实际移动速度都比较低.前苏联的遥控月球车设计速度为1 km/h和2 km/h 2个档位，但由于是地面遥控方式移动，实际移动速度仅为0.14 km/h.美国三代火星车的实际行驶速度都非常慢，“勇气号”、“机遇号”的设计速度为200 m/h，而实际自主避障时的平均移动速度仅为40 m/h左右.“好奇号”火星车设计最大移动速度为180 m/h，但在平坦地面上的实际最大速度约为144 m/h，在自主避障移动时平均速度仅约54 m/h.中国“玉兔二号”月球车在完成第35个月昼探测周期后，累计行程仅约900 m，每个月昼的行驶距离大约只有15～30 m(除去月午休眠时段，每个月昼的实际可移动时间仅有14天左右).

表1 历次地外巡视探测器实现的探测性能Tab.1 Performances achieved by previous extraterrestrial rovers

图4 中国首台火星车祝融号Fig.4 China’s first Mars rover-Zhurong

地外巡视探测无人系统之所以探测效率较低，是由地外探测任务固有特点和技术现状导致的.具体原因分析如图5所示.

图5 地外巡视探测特点及局限性Fig.5 Characteristics and limitations of extrater restrial mobile exploration

首先，受发射成本和地外能源供应能力限制，地外巡视探测器的重量和功耗有严格限制，如中国玉兔系列月球车总质量140 kg，器载导航感知敏感器总质量不超过9 kg，长期功耗不超过20 W；同时地外存在强辐照、深低温/高温、大温差(如月面昼夜温差超过300℃)以及尘暴等恶劣生存因素，而航天任务要求高可靠性和零缺陷.因此探测器在测量、驱动及计算资源配置和器件选型上都有严格要求，地面成熟可用的设备和技术无法应用于地外探测.如最新的“毅力号”和“祝融号”火星车，计算资源配置低于一台普通华为手机的配置.

其次，由于地外巡视探测器上资源配置的限制，能够支持运行的自主能力，特别是自主感知、规划与控制能力非常有限.而地外作业环境地形地貌、光照和力学特性等都复杂多变且未知，为保证探测安全性，除最早的前苏联遥控车和美国载人月球车之外，其他已实施的月球车和火星车均采用“地面遥操作+有限自主”的半自主探测方式，大部分时间由地面根据有限的遥测数据和图像，对周围地形进行分析判断后，才容许巡视器沿指定路径点自主执行移动探测.

再次，由于天地时间通信链路和带宽限制，天地之间的信息交互存在非常大时延.如“好奇号”火星车可与地球直接通信或通过“奥德赛号”轨道器进行中继通信.与地球的直接数据带宽约为8 Kbit/s，与“奥德赛号”的传输带宽为2 Mbit/s，但“奥德赛号”与地球的带宽为256 Kbit/s.“奥德赛号”与“好奇号”火星车每个轨道周期仅能通信约8 min，最多能传输250 Mbit数据，而这250 Mbit数据需要超过20 min才能传输回地球.中国“玉兔号”和“玉兔二号”月球车一次移动总耗时约200 min，移动行程不超过10 m，月球车实际移动时间不超过3 min，绝大部分时间用于信息传输和地面处理上.因此这种“地面遥操作+有限自主”的探测方式难以实现地外高效巡视探测.

综上原因，运行环境复杂不确知、天地通讯时延大和器上资源约束严苛的固有特点，以及航天高可靠性要求，同时受限于已有技术发展水平，导致地外巡视探测器的自主能力受限，难以实现高效移动探测.

2.2 自主感知与操控技术

目前已成功实施的地外巡视探测无人系统中，美国的“勇气号”、“机遇号”、“好奇号”和“毅力号”火星车，中国的“玉兔号&二号”月球车，以及“祝融号”火星车均具有不同程度的自主能力，自主能力的高低主要体现在不同水平的自主感知与操控技术方面.

根据活菌生长繁殖速率的不同，可将生长曲线大致分为迟缓期、对数期、稳定期和衰亡期，所以活菌在不同时间之下进行培养都会对活菌的数量造成影响，其中，细菌在对数期生长迅速，活菌数以恒定的几何级数增长，生长曲线图上细菌数的对数呈直线上升，达到顶峰状态，期间细菌的形态、染色性、生物活性等都较典型，对外界环境因素的作用敏感，所以常会选取对数期的活菌作为研究对象进行试验。

2.2.1 自主感知技术

受限于器上资源的严格约束，已有地外巡视探测无人系统中均以轻质低耗的可见光相机作为主要的感知敏感器，采用双目立体视觉技术进行三维地形测量.

“勇气号”和“机遇号”火星车[3-4]是美国的第二代火星车，采用双目立体视觉感知技术.火星车上配备了1对导航相机、2对避障相机(前后各1对)，通过双目立体视觉技术实现火星表面地形测量.相机同时用于视觉里程定位.

“好奇号”火星车[5-6]是美国的第三代火星车，与第二代中型火星车相比，重量和外形尺寸均有明显提升，但仍然采用双目立体视觉感知技术.为保证安全性，配备了1对导航相机和4对避障相机(前后各两对)用于火星表面地形测量.

“毅力号”火星车是美国第三代第2台火星车,共配备23台相机，其中7台科学相机用于科学观测，7台降落相机用于进入、下降和着陆阶段成像，9台工程相机用于火星表面导航和避障.用于感知的工程相机可以实现高分辨率彩色成像，较“勇气号”、“机遇号”和“好奇号”上只能黑白成像的工程相机功能和性能均有提升.此外“毅力号”火星车搭载了首个火星直升机“机智号”(Ingenuity)，扩大感知范围，能够自主实现对火星建模、感知与测量.因此，“毅力号”火星车的平均移动速度明显提升(超过100 m/h).

中国的“玉兔号&二号”月球车采用双目立体视觉为主，主动结构光为辅的感知技术，配备1对黑白导航相机、1对黑白避障相机和1台16光路激光点阵器实现月球表面地形测量.1台激光点阵器主要用于对月表阴影区、弱纹理区和移动过程中近距离障碍检测.“玉兔号”月球车实现了基于主动结构光的激光感知避障技术在月面的首次应用验证[7].“玉兔二号”实现了激光感知避障技术和双目立体视觉感知避障技术在月背的首次应用验证[8].上述感知技术结合天文惯导组合自主导航技术，支持中国月球车实现了自主月面巡视移动探测.

中国首台火星车“祝融号”仍然采用双目立体视觉感知技术，配备1对彩色导航地形相机和2对黑白避障相机(前后各1对)，对火星表面地形信息进行测量.同时导航地形相机也用于视觉里程定位，进一步提高了自主导航和感知能力.

本文将规划和控制归于操控范畴，包括本体移动操控和机械臂作业操控.

鉴于地外巡视探测无人系统的移动速度很慢，且难以准确获得移动过程中准确的接触力学参数，因此已有地外巡视探测无人系统采用以运动学为主的运动控制技术.

“勇气号”和“机遇号”由地面进行任务规划和全局路径规划，将决策结果以指令序列方式注入给火星车，火星车自主执行序列任务，任务过程中实施自主导航、自主感知和避障路径规划.移动控制采用以运动学控制为主的低速移动控制测量，对大滑移和滑转没有采取特殊的控制手段.2007年，两台火星车都通过上行注入升级了其运行软件，升级后火星车具有了一定的自主决策能力，可以自主决定图像发送回地球的时机和方式，以及自主决定是否可伸展机械臂进行探测.

“好奇号”采用核能源作为探测动力，且越障能力增强到0.75 m，对火星表面的复杂地形适应能力和通过能力有所提升，但感知与操控技术基本继承“勇气号”和“机遇号”，因此实际平均移动速度与“勇气号”和“机遇号”相当.“好奇号”在发射时没有采用智能感知和操控方法，但2016年5月，地面对其软件进行了升级.升级后的AEGIS(autonomous exploration for gathering increased science)软件采用了AI算法识别探测目标，使“好奇号”在自主选择感兴趣的岩石和土壤时，准确率由60%提升到93%，有效提高了探测效率.但软件升级后AI功能仅是“好奇号”的一小部分科学探测功能，升级软件占总软件的5‰左右(380万行中的2万行)，且仍存在缺陷，如会将岩石阴影误识别为目标等，因此“好奇号”的大部分操控任务仍由地面决策.

“毅力号”火星车在继承“好奇号”的操控技术基础上，在发射时已具有了一定程度的智能规划和决策能力，如智能选择探测目标并自主决策对目标的采样方式、自主规划探测任务并自主决定通讯时机等，在自主避障路径规划时也引入了人工智能方法.“毅力号”火星车在“好奇号”火星车基础上进行了改造升级，其底盘和移动机构基本继承“好奇号”.据公开可查文献，未有其采用自主智能移动控制方法的资料.

美国的三代火星车均配备机械臂，其中“毅力号”和“好奇号”火星车采用长约2.1 m的5自由度机械臂.毅力号机械臂首次进行火星钻取采样时，虽然完成了完整的自主采样序列动作，但由于采样岩石材料特性的独特性，未能获得完整的岩石芯心或岩石芯心碎片，仅取得了一些粉末/小碎片,这一现象也进一步说明了地外探测操控技术的重要性.

中国的“玉兔号&二号”月球车采用地面远距离静态规划和自主动态避障路径规划的方式，地面对由月球车传回的导航相机和避障相机图像进行处理，感知周围较大范围的地形信息，并进行任务规划、目标点和路径点选取，将路径点序列和移动指令上传给月球车，月球车按指令要求移动到指定目标位置，移动过程中进行自主导航、感知、避障路径规划和移动控制.为保证安全，月球车每次自主移动的距离不超过10 m.月球车移动控制采用以运动学控制为主的协调控制方法，没有进行滑移测量.

“祝融号”火星车仍然采用地面远距离静态规划和自主动态避障路径规划的方式，但自主操控能力比“玉兔号&二号”月球车有较大提升，一次自主移动最大范围提高到40 m.火星车采用以运动学控制为主的低速移动控制策略，但增加了滑移的在线估计，用于自主定位误差补偿和运动协调性判断.自主感知与操控能力的提升，使得“祝融号”火星车的自主感知与操控行驶里程达到总行驶里程的40%以上.

3 发展趋势

地外天体表面巡视探测GNC技术已经成为美国等航天大国的关注方向之一.2013年美国JPL战略任务与新概念办公室首次发布了《未来行星探测任务-表面GNC技术发展评估报告》[9].报告中指出，尽管美国已经实施了4次火星自主巡视探测，但表面探测GNC技术仍然处于技术发展初期阶段，并针对未来行星探测任务需求，提出了在建模与仿真、规划与控制、感知与识别、运动系统和样本采集等方面的发展规划.

在有限资源约束下，地外天体探测仅靠传统方法和技术优化改进难以从根本上提升在复杂地外环境的自主能力.随着人工智能技术发展，通过积累经验、持续学习并生成知识，提升探测器的自主智能水平，实现对探测环境的大范围感知规划、导航与控制，成为解决上述问题的可行途径.目前各国已开展将人工智能引入地外探测无人系统的探索性研究.如基于深度学习的地形分类、车轮打滑预测和自主规划等，美国“毅力号”火星车携带无人机与火星车进行空地协同地图构建(如图6所示).早期“好奇号”火星车也通过软件上注升级的方式，实现了对探测目标的智能识别，开始具备初步的自主智能探测能力.

图6 火星无人机与地面探测器空地协同地图构建Fig.6 Mars unmanned helicopter and rover work together to build a map

未来30年人类对地外天体的探测重点将集中在月球、火星和小行星.相对于近地航天运动，地外天体探测任务面临距离遥远、飞行时间长、数据传输速率有限和地外环境复杂等挑战，需要不断进行创新和突破.近年来人工智能技术的快速发展为解决地外探测的难题提供了一条可行途径，而地外巡视探测是深空探测领域最适合和最有必要应用人工智能技术改进和提高自主能力的应用场景.北京控制工程研究所针对地外天体表面高效巡视探测自主智能水平提升开展了相关研究工作，在地外智能探测无人系统方面积累了技术基础.

如第1节所述，地外巡视探测无人系统具有环境严苛复杂未知和资源约束严格的固有特点，实现自主智能感知与操控，需要解决以下3个方面的关键问题.

1)先验知识欠缺带来的小样本学习训练问题.地外天体表面具有形貌原始自然、纹理相似度高(月面)、场景变化复杂的特点，同时不同区域光照差异性明显，如月球表面平行光导致阳照区强光照、阴影区无光照的现象.因此地外感知与操控学习面临先验知识欠缺、开放非结构化和样本数量少等问题.

2)地外环境物理化学特性不确知导致的操控风险问题.地外巡视探测无人系统在移动探测和采样作业过程中，操控对象都存在形貌不规则不确定、颗粒度与成分等物理化学特性不确定导致力学特性不确知等问题，而受通信时延、传输带宽等限制，在操控过程中难以对复杂不确定对象操作过程出现的风险做出及时有效的反应，容易发生探测目标受损，降低探测效率，甚至威胁无人系统自身安全.

3)低功耗、低主频和低存储约束下的智能计算问题.现有的人工智能技术是建立在大数据基础上的，需要充足的算力作为支撑.地外探测无人系统发射成本高，作业环境恶劣，对计算芯片抗辐照能力要求高，计算资源受限问题更为突出，对轻量化计算的需求尤为迫切，以解决小算力与大数据、实时性、高可靠性之间的矛盾.

未来中国深空探测任务的全面实施，将进一步开拓深空探测的深度和广度，提前开展后续任务对人工智能技术应用的需求分析，并系统结合任务规划的实施时间，逐步建立中国深空探测人工智能技术发展体系，已成为中国深空探测GNC技术发展的重要方向和必要途径.

4 结 论

地外天体表面探测经历了从阿波罗15号“有人驾驶”，到具有小范围特定目标自主识别和局部路径规划的无人驾驶月球车和火星车的发展历程，未来的地外探测已初步展现出人工智能的广阔应用前景：探测器可根据任务目标、自身状态和未知环境特点，主动感知环境、理解环境，发现高价值目标，进行可靠推理和有效决策，并通过高精度导航和操控实现决策任务目标.面向中国未来月球、火星及小行星表面探测等重大任务，开展地外探测无人系统自主智能感知与操控等关键技术研究，为深空探测器“增智赋能”，对提升我国深空探测能力意义重大.