新一代太空機(jī)器人2.0更牛：智能型火星車可自主決策

草原蒙狼 · 發(fā)表于 2009-9-22 10:15:22

美國宇航局的下一代火星車-好奇號

新一代太空機(jī)器人的自主決策能力更強(qiáng)，可以更為獨(dú)立地完成復(fù)雜的任務(wù)

據(jù)《新科學(xué)家》雜志報(bào)道，目前，各國探索太空的熱情日趨高漲，美國宇航局也在加緊開發(fā)新一代機(jī)器人探測器----月球車和火星車，也就是所謂的“太空機(jī)器人2.0”，新一代太空機(jī)器人的自主決策能力更強(qiáng)，可以更為獨(dú)立地完成復(fù)雜的任務(wù)。

利用漫游車探索遙遠(yuǎn)世界    有東西在動！塵土中一動不動的兩個(gè)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)了異常情況，其中一臺六輪機(jī)器人將信號發(fā)給另一臺停在巖石斜坡上的機(jī)器人。它們會拍照然后將信息發(fā)回任務(wù)控制中心呢？時(shí)間有限，它們還有一大堆工作需要完成，而且能量儲備也在一點(diǎn)點(diǎn)耗盡，兩個(gè)機(jī)器人必須在幾秒鐘內(nèi)做出決定。它們該怎么辦？    今天，任務(wù)控制中心距離兩個(gè)機(jī)器人只有10米----它們都在位于加利福尼亞州帕薩迪納的美宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的一個(gè)車庫里。工程師可以隨時(shí)走進(jìn)來，糾正機(jī)器人的錯(cuò)誤。如果此次實(shí)驗(yàn)取得成功，兩個(gè)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)異常情況后，能夠自行決定將圖像傳回基地，那么科學(xué)家距離實(shí)現(xiàn)美國宇航局未來目標(biāo)又前進(jìn)了一步，即利用智能太空探測器探索遙遠(yuǎn)世界，在很少或根本沒有控制人員幫助的情況下，尋找水或生命跡象。    美宇航局多年前便同其他太空研究機(jī)構(gòu)一道，對這種自主任務(wù)進(jìn)行了嘗試。例如，1999年，美宇航局“深空1號”探測器利用智能導(dǎo)航系統(tǒng)尋找一條通往一顆小行星的道路——這一行程長達(dá)6億公里。    從2003年至今，美宇航局“地球觀測1號”(EO-1)衛(wèi)星上的一套自動控制系統(tǒng)便開始繞地球旋轉(zhuǎn)。它協(xié)助“地球觀測1號”衛(wèi)星發(fā)現(xiàn)火山噴發(fā)和災(zāi)難性洪水，以便讓這顆衛(wèi)星可以拍攝到這些事件，將照片傳回地面控制中心供科學(xué)家研究。今年10月左右，一套經(jīng)過升級的最新智能軟件將上傳至美宇航局的一部火星車上，進(jìn)一步提升其自我決策能力，令它可以獨(dú)立尋找不同尋常的巖石結(jié)構(gòu)。    這一構(gòu)想不是為了徹底讓機(jī)器人擺脫科學(xué)家對其控制。不過相比以前，將機(jī)器人送入太空第一次變得如此容易，而且費(fèi)用大大降低，所以，何不讓它們變得更有效率呢？此外，機(jī)器人距地球基地越來越遠(yuǎn)，使得通過地面人員對機(jī)器人進(jìn)行遙控變得越來越不切實(shí)際，因?yàn)橹噶顝牡厍虻竭_(dá)火星可能需要20分鐘，而到達(dá)木星的幾顆衛(wèi)星更是長達(dá)一個(gè)小時(shí)。在這種情況下，我們應(yīng)該開發(fā)什么樣的機(jī)器人呢？    首先，應(yīng)該建造可以獨(dú)立導(dǎo)航，對意外事件迅速做出反應(yīng)、甚至在關(guān)鍵零部件失靈仍能繼續(xù)工作的機(jī)器人。其次，訓(xùn)練行星機(jī)器人去發(fā)現(xiàn)巖石中的骨骼化石，而像將活細(xì)胞同土塊區(qū)別開來這樣的任務(wù)更是小菜一碟。美宇航局“機(jī)遇”號和“勇氣”號是最接近具有大腦的太空機(jī)器人目標(biāo)的兩部火星車，盡管如此，它們的能力仍相當(dāng)有限。自2004年1月著陸火星以來，它們不得不處理六項(xiàng)重大技術(shù)故障，比如存儲模塊發(fā)生故障，車輪陷進(jìn)沙土等�！皺C(jī)遇”號和“勇氣”號目前仍在火星上工作，將重要的地質(zhì)數(shù)據(jù)傳給地面任務(wù)控制中心的工程師，后者可以遙控對它們進(jìn)行維修。

    雖然這些自動系統(tǒng)越來越先進(jìn)，但若想成為像科幻作品描述的那種有意識的機(jī)器人，還有很長的路要走.

依賴控制人員幫助

美宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室人工智能部門主任史蒂夫·陳(Steve Chien)表示，事實(shí)上，“機(jī)遇”號和“勇氣”號只能獨(dú)立從事一些簡單的工作，比如，從A點(diǎn)移動到B點(diǎn)，停下來拍個(gè)照。此外，它們可以獨(dú)立發(fā)現(xiàn)云團(tuán)和稱為塵卷風(fēng)的小塵暴，還能保護(hù)自己免遭意外損壞的傷害——遠(yuǎn)離陡峭的山坡或大塊巖石。至于更為復(fù)雜的工作，它們只能依賴于地面控制人員的幫助。    這便是太空機(jī)器人的重大缺陷。美宇航局第一個(gè)火星漫游車“旅居者”號(Sojourner)在1997年的任務(wù)期間僅僅移動了100米，而“機(jī)遇”號和“勇氣”號迄今行程已達(dá)24公里。在火星表面行進(jìn)過程中，它們拍攝了很多地形地貌照片，但仍不能對這個(gè)紅色星球做出全面的探索。資深電腦專家、美宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室自動科學(xué)開發(fā)小組成員塔拉·埃斯特琳(Tara Estlin)說：“每發(fā)射一個(gè)探測任務(wù)，我們在火星表面都會走得更遠(yuǎn)�？捎姓l知道我們錯(cuò)過了哪些有趣的東西呢？”    美宇航局并不期望由火星漫游車去記錄下它們看到的一切事物，然后將其全部發(fā)回地面。它們畢竟沒有從事這項(xiàng)工作的足夠能量、帶寬和時(shí)間。噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家花費(fèi)十年心血開發(fā)出一套新軟件，令火星漫游車可以分析它們拍下的圖像，獨(dú)立決定哪些地質(zhì)特征值得深入探究。實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵是一套名為OASIS的軟件包，即機(jī)載自動科學(xué)調(diào)查系統(tǒng)。    按照科學(xué)家的構(gòu)想，在漫游車每天動身以前，地面控制人員會給OASIS軟件包上傳指令，使漫游車按指示對重點(diǎn)目標(biāo)進(jìn)行探測。這個(gè)目標(biāo)可能是漫游車視野中最大塊或最蒼白的巖石，或是由火山噴發(fā)留下的有尖角的巖石。接下來，只要漫游車一拍照，OASIS軟件包即通過特殊的運(yùn)算公式對視野里的所有巖石進(jìn)行甄別，挑選出指令名單中的那些目標(biāo)。OASIS軟件包不僅可以告訴漫游車哪些特征會令科學(xué)家感興趣，還知道它們的相關(guān)價(jià)值：相比于表面粗糙的巖石，更應(yīng)該對可能遭到水腐蝕的表面光滑的巖石展開研究，這有助于漫游車決定下一步該做什么。

草原蒙狼 · 發(fā)表于 2009-9-22 10:17:02

面臨現(xiàn)實(shí)問題考驗(yàn) 但是，科學(xué)家還需要考慮一些實(shí)際問題。當(dāng)漫游車在崎嶇的表面探索的時(shí)候，它們必須時(shí)刻清楚是否有足夠的時(shí)間、能量和存儲空間繼續(xù)前進(jìn)。于是，美宇航局噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)開發(fā)了另一套可以規(guī)劃和制定活動日程的新軟件。據(jù)悉，這套軟件可以幫助漫游車安排活動順序，以便它們可以安全地實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)，沿途做出必要的日程更改。例如，在經(jīng)過次優(yōu)目標(biāo)時(shí)，漫游車會決定是對其拍攝6張照片，還是拍攝幾米外的更有趣的目標(biāo)，因?yàn)橥瓿珊笠粋€(gè)任務(wù)會消耗更多能量。為何要在那里停下來呢？OASIS軟件包可以令漫游車獨(dú)立識別最高優(yōu)先目標(biāo)，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的研究團(tuán)隊(duì)決定開始下一步：讓漫游車駛向令其感興趣的目標(biāo)，利用其攜帶的傳感器近距離展開探測。為了做到這一點(diǎn)，埃斯特琳及其同事不使用OASIS軟件包，相反，他們利用該軟件包的數(shù)據(jù)，創(chuàng)建一個(gè)名為“搜集優(yōu)先科學(xué)目標(biāo)自主探索”(Autonomous Exploration for Gathering Increased Science，簡稱AEGIS)的新控制系統(tǒng)。這套系統(tǒng)在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的測試中取得了成功，計(jì)劃在9月下旬傳輸?shù)健皺C(jī)遇”號探測器。一旦AEGIS系統(tǒng)載入，“機(jī)遇”號就能獨(dú)立用其高清晰相機(jī)拍照，將數(shù)據(jù)傳回地面，供地面人員分析——這將是電腦軟件首次可以對在另一個(gè)世界表面的裝置進(jìn)行控制。埃斯特琳說，這僅僅是個(gè)開始，例如，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室和衛(wèi)斯理大學(xué)的研究人員已聯(lián)手開發(fā)出一套智能探測系統(tǒng)，可以讓漫游車獨(dú)立實(shí)施基礎(chǔ)科學(xué)實(shí)驗(yàn)。在這種情況下，它的任務(wù)就是識別外星球巖石中的特定礦物質(zhì)。這套探測系統(tǒng)由兩個(gè)“支持向量機(jī)”(SVM)控制的自動化分光計(jì)(類似人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的裝置)組成，已經(jīng)應(yīng)用于“地球觀測1號”衛(wèi)星上。新型支持向量機(jī)利用分光計(jì)進(jìn)行測量，然后將測量結(jié)果同含有數(shù)千種礦物質(zhì)光譜的機(jī)載數(shù)據(jù)庫進(jìn)行比較。去年，研究人員在《國際太陽系研究》(ICARUS)雜志上發(fā)表了他們的研究成果。該研究結(jié)果表明，即便在復(fù)雜的巖石混合物中，他們的支持向量機(jī)幾乎每次都能自動識別黃鉀鐵礬的存在。黃鉀鐵礬是一種同熱水泉有關(guān)的硫酸鹽礦物質(zhì)。 研究項(xiàng)目無果而終 雖然這些自動系統(tǒng)越來越先進(jìn)，但若想成為像科幻作品描述的那種有意識的機(jī)器人，還有很長的路要走。在科幻作品中，機(jī)器人可以講話，有各種感覺，還能識別新生命形式。史蒂夫承認(rèn)，眼下，我們確實(shí)不能讓機(jī)器人具有“新奇探測能力”，即在一堆巖石中挑選出具有特別形狀的骨骼，更別提讓它們發(fā)覺活的生物了。從理論上講，像冰晶和活細(xì)胞這樣結(jié)構(gòu)復(fù)雜的自然物體的外形能以電腦編碼的形式被描述出來，并嵌入軟件庫。接下來，機(jī)器人只需要用某些傳感器對其拍照，比如具有足夠放大倍率的顯微鏡，輕松完成整個(gè)任務(wù)。事實(shí)上，確認(rèn)細(xì)胞是一項(xiàng)頗具挑戰(zhàn)性的技術(shù)，因?yàn)榧?xì)胞的特征或許難以捉摸。1999年，美宇航局資助了一個(gè)雄心勃勃的研究計(jì)劃，試圖發(fā)現(xiàn)外形、對稱性或一系列組合特征這樣的具體簽名，是否是識別和歸類結(jié)構(gòu)簡單的生物的關(guān)鍵。按照這一研究計(jì)劃，科學(xué)家希望創(chuàng)建一個(gè)包括地球例證的大型圖片庫，指導(dǎo)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)去尋找哪些特征。不幸的是，該項(xiàng)目還未發(fā)現(xiàn)任何有用信息便匆匆結(jié)束。正如簡單的測算不可能提供有關(guān)外星生命的確鑿證據(jù)一樣，大多數(shù)行星科學(xué)家都認(rèn)為，單個(gè)機(jī)器人探測器的人工智能無論多高，也無法解開所有謎底。于是，噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家提出讓各個(gè)機(jī)器人小組攜手合作，繞外星世界旋轉(zhuǎn)，在表面尋找令其感興趣的目標(biāo)，然后相互通知幫助確定哪些特征值得近距離觀測。這一模式仍在進(jìn)行試驗(yàn)。2004年以來，從南極洲的艾瑞貝斯峰，到夏威夷的莫納羅亞火山和基拉韋厄山，布設(shè)在火山周圍的傳感器一直在密切注視著可能預(yù)示火山噴發(fā)的突然變化。一旦發(fā)現(xiàn)異常信號，它們可以召喚“地球觀測1號”衛(wèi)星，這顆衛(wèi)星利用電腦軟件去規(guī)劃飛越路線，并對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行篩選，如果晴空萬里，它會錄下圖像并進(jìn)行處理，然后將其發(fā)送給地面控制人員。

探索任務(wù)成敗的關(guān)鍵
今年7月，15套探測器被安設(shè)在圣海倫斯山，這是位于美國華盛頓州的一座火山。這些探測器攜帶的傳感器可以監(jiān)控圣海倫斯山內(nèi)部狀況，相互溝通實(shí)時(shí)分析數(shù)據(jù)，召喚“地球觀測1號”衛(wèi)星拍照。如果發(fā)現(xiàn)地球軌道有異常活動，衛(wèi)星甚至可以命令這十多套探測器聚焦于某個(gè)點(diǎn)。自動探測器網(wǎng)絡(luò)可以為太空探索提供大量優(yōu)勢，比如幫助探測任務(wù)覆蓋更大的區(qū)域，即便其中一兩臺探測器受損或遭到破壞，也能保證任務(wù)不會間斷。這種方法還提高了數(shù)據(jù)處理能力，不同探測器攜帶的電腦可以協(xié)同作戰(zhàn)，更為快速地處理數(shù)據(jù)。研究人員逐漸認(rèn)為，一組組探測器的人工智能最終足以從事幾乎科學(xué)家的所有工作，即便是在最遙遠(yuǎn)的太空。去年，在發(fā)表于《行星與空間科學(xué)》雜志的一篇論文上，一個(gè)由美國、意大利、日本三國科學(xué)家組成的研究小組提出了利用模糊邏輯(fuzzy logic)控制的自動探測器搜尋外星生命的新戰(zhàn)略。所謂模糊邏輯是在20世紀(jì)60年代開發(fā)出來的一套算術(shù)工具，賦予電腦處理不確定事物的能力。他們的計(jì)劃涉及三種探測器的使用：具有傳感器的地面漫游車，用以發(fā)現(xiàn)水和潛在熱源的跡象，比如地?zé)峥冢辉陬^頂漂浮的飛艇，幫助確定研究的最佳地點(diǎn)；拍攝火星表面圖像的軌道器，與任務(wù)控制中心配合，將數(shù)據(jù)傳回地球。研究小組認(rèn)為，模糊邏輯是比神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和其他人工智能技術(shù)更好的選擇，因?yàn)檫@種方法善于處理不完整的數(shù)據(jù)或模棱兩可的指令。他們還表示，只要聯(lián)合起來，上述三種探測手段的調(diào)查和推斷能力同行星科學(xué)家不相上下。對火星任務(wù)的模擬實(shí)驗(yàn)似乎也證明了這一點(diǎn)：機(jī)器人在兩次測試中均得出了與地球?qū)W家相同的結(jié)論。研究表明，這套系統(tǒng)從事對土衛(wèi)六和土衛(wèi)二的探測任務(wù)尤其有用，因?yàn)樵诰嚯x地球如此遙遠(yuǎn)的星球，自主能力會成為任務(wù)成敗的關(guān)鍵。 對目標(biāo)進(jìn)行“定點(diǎn)”探測 在噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室，當(dāng)天的機(jī)器人自動化實(shí)驗(yàn)即將結(jié)束。兩個(gè)機(jī)器人正在依靠新軟件改善相互之間的協(xié)調(diào)能力。實(shí)驗(yàn)的目標(biāo)之一是分析兩個(gè)機(jī)器人能否捕捉移動目標(biāo)(這次實(shí)驗(yàn)是一個(gè)綽號“小個(gè)子”的遙控小卡車)的照片，通過延遲容忍網(wǎng)絡(luò)(Delay-tolerant networking)將其傳回“任務(wù)控制中心”。延遲容忍網(wǎng)絡(luò)是用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)男孪到y(tǒng)。在未來實(shí)施的深空任務(wù)中，機(jī)器人會在更長距離行進(jìn)中需要獨(dú)立決策能力，因?yàn)榈孛姘l(fā)送的指令需要一個(gè)小時(shí)左右才能傳給它們。由于行星不停旋轉(zhuǎn)，會有一段時(shí)間沒有任何通訊。延遲容忍網(wǎng)絡(luò)依賴于一種“儲存和轉(zhuǎn)送”方法，這種方法有望為行星探測器和任務(wù)控制中心之間的聯(lián)系提供更為可靠的手段。網(wǎng)絡(luò)中每一節(jié)點(diǎn)——無論是漫游車，還是軌道器——會不斷傳輸信號，直至將信號安全地傳輸給下一個(gè)節(jié)點(diǎn)。信息以這種方式到達(dá)目的地可能會耗費(fèi)更長的時(shí)間，但是，最終結(jié)局是好的，畢竟信息會抵達(dá)目的地。這種辦法看上去奏效了：兩個(gè)機(jī)器人拍攝的照片均傳送到“任務(wù)控制中心”，其中包括對“小個(gè)子”的廣角鏡頭和高清晰近照。埃斯特琳對此欣喜萬分。她說：“當(dāng)我們大熱天站在那里的時(shí)候，一只蠑螈快速地從巖石爬過。我禁不住想知道兩個(gè)機(jī)器人是否能捕捉到這個(gè)鏡頭。此時(shí)，我想火星漫游車必須在塵卷風(fēng)和逃之夭夭的兩棲動物之間做出選擇？史蒂夫向我保證，軟件會指示漫游車根據(jù)兩者的相對價(jià)值做出優(yōu)先選擇。我希望它選擇蠑螈。哪怕外星生命有蠑螈一半害羞，我也希望漫游車可以快速行動起來，把外星生命的照片拍下來�！�

草原蒙狼 · 發(fā)表于 2009-9-22 10:19:04

只期盼我國的太空車能早日漫步火星。。

過街蛤蟆 · 發(fā)表于 2009-9-22 10:42:55

這是米國的僅有幾個(gè)不被外國取笑的東西，其他東西大家看作笑話，
米國登月以后，全世界認(rèn)為是騙局，是好萊塢特技，
上一代的火星車還在跑，堪稱奇跡，歷經(jīng)幾次失效和自我休眠，都‘緩過神來了’，反觀歐洲航天局的火星車，他們自己稱，被上帝‘收去了’，一點(diǎn)聲息都沒有。

我最好奇的是那套系統(tǒng)，它的‘休眠轉(zhuǎn)換’是怎么玩的，

草原蒙狼 · 發(fā)表于 2009-9-23 14:27:17

休眠轉(zhuǎn)換

不知道怎么回事，等待高手來說說吧。。。

過街蛤蟆 · 發(fā)表于 2009-9-23 14:50:36

休眠轉(zhuǎn)換就是當(dāng)控制不靈光的時(shí)候，那東西知道自己應(yīng)當(dāng)作什么，比如爬到高些的位置易于充電，比如自己思考一下是不是自身什么部件有問題了，是不是要自己啟動備份系統(tǒng)，另外，是不是要要連續(xù)啟動，這樣可能耗光能量，那家伙幾次發(fā)生問題，都是自己休息幾天以后，才自己‘緩過神來’的，有時(shí)是幾班的控制人員都無可奈何了，那家伙又發(fā)來信號，表示又可以了。

草原蒙狼 · 發(fā)表于 2009-9-23 16:17:45

6# 過街蛤蟆

這系統(tǒng)厲害啊不死之身哦

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