新一代太空機器人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

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

據(jù)《新科學(xué)家》雜志報道，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)新一代機器人探測器----月球車和火星車，也就是所謂的“太空機器人2.0”，新一代太空機器人的自主決策能力更強，可以更為獨立地完成復(fù)雜的任務(wù)。

利用漫游車探索遙遠世界    有東西在動！塵土中一動不動的兩個機器人發(fā)現(xiàn)了異常情況，其中一臺六輪機器人將信號發(fā)給另一臺停在巖石斜坡上的機器人。它們會拍照然后將信息發(fā)回任務(wù)控制中心呢？時間有限，它們還有一大堆工作需要完成，而且能量儲備也在一點點耗盡，兩個機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)控制中心距離兩個機器人只有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實驗室的一個車庫里。工程師可以隨時走進來，糾正機器人的錯誤。如果此次實驗取得成功，兩個機器人發(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)家距離實現(xiàn)美國宇航局未來目標又前進了一步，即利用智能太空探測器探索遙遠世界，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構(gòu)一道，對這種自主任務(wù)進行了嘗試。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，進一步提升其自我決策能力，令它可以獨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器人擺脫科學(xué)家對其控制。不過相比以前，將機器人送入太空第一次變得如此容易，而且費用大大降低，所以，何不讓它們變得更有效率呢？此外，機器人距地球基地越來越遠，使得通過地面人員對機器人進行遙控變得越來越不切實際，因為指令從地球到達火星可能需要20分鐘，而到達木星的幾顆衛(wèi)星更是長達一個小時。在這種情況下，我們應(yīng)該開發(fā)什么樣的機器人呢？    首先，應(yīng)該建造可以獨立導(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)工作的機器人。其次，訓(xùn)練行星機器人去發(fā)現(xiàn)巖石中的骨骼化石，而像將活細胞同土塊區(qū)別開來這樣的任務(wù)更是小菜一碟。美宇航局“機遇”號和“勇氣”號是最接近具有大腦的太空機器人目標的兩部火星車，盡管如此，它們的能力仍相當有限。自2004年1月著陸火星以來，它們不得不處理六項重大技術(shù)故障，比如存儲模塊發(fā)生故障，車輪陷進沙土等�！皺C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行維修。

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

依賴控制人員幫助

美宇航局噴氣推進實驗室人工智能部門主任史蒂夫·陳(Steve Chien)表示，事實上，“機遇”號和“勇氣”號只能獨立從事一些簡單的工作，比如，從A點移動到B點，停下來拍個照。此外，它們可以獨立發(fā)現(xiàn)云團和稱為塵卷風的小塵暴，還能保護自己免遭意外損壞的傷害——遠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。    這便是太空機器人的重大缺陷。美宇航局第一個火星漫游車“旅居者”號(Sojourner)在1997年的任務(wù)期間僅僅移動了100米，而“機遇”號和“勇氣”號迄今行程已達24公里。在火星表面行進過程中，它們拍攝了很多地形地貌照片，但仍不能對這個紅色星球做出全面的探索。資深電腦專家、美宇航局噴氣推進實驗室自動科學(xué)開發(fā)小組成員塔拉·埃斯特琳(Tara Estlin)說：“每發(fā)射一個探測任務(wù)，我們在火星表面都會走得更遠�？捎姓l知道我們錯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工作的足夠能量、帶寬和時間。噴氣推進實驗室的科學(xué)家花費十年心血開發(fā)出一套新軟件，令火星漫游車可以分析它們拍下的圖像，獨立決定哪些地質(zhì)特征值得深入探究。實現(xiàn)這一目標的關(guān)鍵是一套名為OASIS的軟件包，即機載自動科學(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目標進行探測。這個目標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算公式對視野里的所有巖石進行甄別，挑選出指令名單中的那些目標。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)實問題考驗 但是，科學(xué)家還需要考慮一些實際問題。當漫游車在崎嶇的表面探索的時候，它們必須時刻清楚是否有足夠的時間、能量和存儲空間繼續(xù)前進。于是，美宇航局噴氣推進實驗室的研究團隊開發(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現(xiàn)既定目標，沿途做出必要的日程更改。例如，在經(jīng)過次優(yōu)目標時，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，因為完成后一個任務(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立識別最高優(yōu)先目標，噴氣推進實驗室的研究團隊決定開始下一步：讓漫游車駛向令其感興趣的目標，利用其攜帶的傳感器近距離展開探測。為了做到這一點，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)建一個名為“搜集優(yōu)先科學(xué)目標自主探索”(Autonomous Exploration for Gathering Increased Science，簡稱AEGIS)的新控制系統(tǒng)。這套系統(tǒng)在噴氣推進實驗室的測試中取得了成功，計劃在9月下旬傳輸?shù)健皺C遇”號探測器。一旦AEGIS系統(tǒng)載入，“機遇”號就能獨立用其高清晰相機拍照，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世界表面的裝置進行控制。埃斯特琳說，這僅僅是個開始，例如，噴氣推進實驗室和衛(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)，可以讓漫游車獨立實施基礎(chǔ)科學(xué)實驗。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“支持向量機”(SVM)控制的自動化分光計(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。新型支持向量機利用分光計進行測量，然后將測量結(jié)果同含有數(shù)千種礦物質(zhì)光譜的機載數(shù)據(jù)庫進行比較。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)。 研究項目無果而終 雖然這些自動系統(tǒng)越來越先進，但若想成為像科幻作品描述的那種有意識的機器人，還有很長的路要走。在科幻作品中，機器人可以講話，有各種感覺，還能識別新生命形式。史蒂夫承認，眼下，我們確實不能讓機器人具有“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，輕松完成整個任務(wù)。事實上，確認細胞是一項頗具挑戰(zhàn)性的技術(shù)，因為細胞的特征或許難以捉摸。1999年，美宇航局資助了一個雄心勃勃的研究計劃，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。按照這一研究計劃，科學(xué)家希望創(chuàng)建一個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)家都認為，單個機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，噴氣推進實驗室的科學(xué)家提出讓各個機器人小組攜手合作，繞外星世界旋轉(zhuǎn)，在表面尋找令其感興趣的目標，然后相互通知幫助確定哪些特征值得近距離觀測。這一模式仍在進行試驗。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，并對目標區(qū)域進行篩選，如果晴空萬里，它會錄下圖像并進行處理，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，相互溝通實時分析數(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點。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，比如地熱口；在頭頂漂浮的飛艇，幫助確定研究的最佳地點；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，因為這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)的模擬實驗似乎也證明了這一點：機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，因為在距離地球如此遙遠的星球，自主能力會成為任務(wù)成敗的關(guān)鍵。 對目標進行“定點”探測 在噴氣推進實驗室，當天的機器人自動化實驗即將結(jié)束。兩個機器人正在依靠新軟件改善相互之間的協(xié)調(diào)能力。實驗的目標之一是分析兩個機器人能否捕捉移動目標(這次實驗是一個綽號“小個子”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)。在未來實施的深空任務(wù)中，機器人會在更長距離行進中需要獨立決策能力，因為地面發(fā)送的指令需要一個小時左右才能傳給它們。由于行星不停旋轉(zhuǎn)，會有一段時間沒有任何通訊。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——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節(jié)點。信息以這種方式到達目的地可能會耗費更長的時間，但是，最終結(jié)局是好的，畢竟信息會抵達目的地。這種辦法看上去奏效了：兩個機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：“當我們大熱天站在那里的時候，一只蠑螈快速地從巖石爬過。我禁不住想知道兩個機器人是否能捕捉到這個鏡頭。此時，我想火星漫游車必須在塵卷風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)換就是當控制不靈光的時候，那東西知道自己應(yīng)當作什么，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

		自動登錄	找回密碼
密碼			注冊會員