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文|江卿曻
編輯|江卿曻
前言
太空探索一直以來都是人類社會的夢想和追求，随着科技的發展，人類開始向更遠的星球探索進軍，行星表面巡視器的自主導航技術成為這一探索過程中至關重要的一環。
目前，國内外科學家和工程師們已經取得了一些重要的突破，在行星表面巡視器自主導航技術方面進行了廣泛的研究。
包括利用傳感器和視覺識别技術實作行星表面地形的三維模組化，利用智能算法和機器學習方法提高行星表面巡視器的路徑規劃和避障能力等。這些技術的發展，為行星探測任務的成功實施提供了強有力的支援。
國内外行星表面巡視器自主導航技術研究方法是怎樣的？有什麼原理？
國内外行星表面巡視器自主導航技術概述
行星表面巡視器是一種能夠在其他星球或衛星表面進行科學探測的機器人，它們被設計用來收集各種資料，包括地質構成、氣候條件、生态系統等。
自主導航技術是指行星表面巡視器通過内部算法和傳感器，獨立地進行路徑規劃、避障和導航，而無需地面指令或遙控操作。
自從20世紀60年代以來，國内外科學家和工程師們開始緻力于行星探測任務。這些任務旨在探索太陽系中的其他星球和衛星，以了解它們的構成、氣候、地質特征等。
最著名的行星探測任務包括美國的“火星探測器”和“月球車”項目，以及俄羅斯的“月球三号”和“火星火箭”項目。這些任務不僅為我們提供了寶貴的科學資料，還推動了行星表面巡視器自主導航技術的發展。
自主導航技術在行星表面巡視器中扮演着重要的角色，具有以下幾個方面的作用和意義：
提高效率和靈活性：自主導航技術使行星表面巡視器能夠獨立地進行路徑規劃和導航，無需地面指令。這樣，巡視器可以更加高效地移動，探測更多的目标點，為科學研究提供更多的資料。
增強安全性：自主導航技術能夠幫助巡視器實時感覺周圍環境，并避免潛在的危險情況，例如避免撞擊障礙物或跌入陷阱。這為巡視器的安全運作提供了保障。
擴大探測範圍：由于行星表面巡視器可以獨立進行導航，是以它們可以探測到遠離地面指揮中心的區域，進一步拓展了探測範圍和深度，提供了更加全面的資料。
避免通信延遲：行星探測任務面臨着通信延遲的挑戰，因為太空中的信号傳輸需要一定時間。自主導航技術的應用可以減少對地面指令和回報的依賴，大大減少了通信延遲帶來的影響。
推動科學研究進展：自主導航技術的發展為行星探測任務提供了更多的機會和可能性。它們能夠更好地适應複雜的太空環境，收集更多的資料，推動科學研究在行星表面的深入探索。
國内外行星表面巡視器自主導航技術研究方法與原理
行星表面巡視器的自主導航技術是一項複雜而關鍵的技術，它使巡視器能夠在陌生的行星表面獨立地進行路徑規劃、避障和導航。
傳感器技術在行星表面巡視器的自主導航中發揮着重要的作用。以下是幾種常用的傳感器技術：
圖像識别：行星表面巡視器通常配備攝像頭，可以擷取周圍環境的圖像。通過圖像處理和模式識别算法，可以識别出地形、障礙物、目标點等資訊，進而輔助導航和避障。
遙感技術：行星探測任務中常常使用遙感資料來擷取行星表面的地質和氣候資訊。行星表面巡視器可以搭載各種遙感儀器，如光譜儀、雷射雷達等，通過分析遙感資料來識别地表特征，輔助導航和路徑規劃。
深度測距技術：巡視器常常需要準确測量與周圍物體的距離，以判斷是否存在障礙物。雷射測距儀和超音波傳感器等深度測距技術能夠提供精确的距離資訊，幫助巡視器進行避障和路徑規劃。
在行星表面巡視器的自主導航中，準确的定位和導航是至關重要的。以下是幾種常用的定位與導航方法：
GPS：全球定位系統（GPS）是一種基于衛星定位的技術，可以提供精準的定位資訊。雖然在行星表面探測中可能無法直接使用GPS，但類似的衛星定位系統可以被設計用于行星探測任務。
慣性導航：行星表面巡視器通常配備慣性導航系統，通過測量巡視器的加速度和角速度來推斷其位置和方向。慣性導航可以提供相對較為準确的定位資訊，但随着時間推移會産生累積誤差。
星載導航：星載導航是利用天體的位置和運動來進行導航的方法。巡視器可以通過觀測天體（如行星、恒星）的位置來确定自身的位置和方向，進而進行導航和定位。
行星表面環境複雜多變，是以行星表面巡視器需要具備強大的環境感覺與響應能力。以下是幾種常見的環境感覺與響應技術：
障礙物檢測：通過使用傳感器技術擷取周圍環境的資訊，巡視器可以檢測到可能存在的障礙物。例如，利用圖像識别和深度測距技術，巡視器可以識别地形中的懸崖、岩石等障礙物。
路徑規劃：基于擷取的環境資訊，巡視器可以使用路徑規劃算法來選擇最佳的行駛路線。路徑規劃考慮了安全、效率和科學探測目标等因素，以確定巡視器能夠有效地完成任務。
國内外行星表面巡視器自主導航技術研究進展
在國外，諸如NASA（美國國家航空航天局）、歐洲空間局等機構的行星探測項目中，自主導航技術一直是重點研究領域，這些項目取得了令人矚目的研究成果。
以NASA為例，他們的行星探測器在自主導航方面取得了顯著進展。例如，Curiosity火星車通過多種傳感器技術實作了火星表面的自主導航。
它配備了先進的圖像識别系統，能夠識别地形特征和障礙物，并根據這些資訊進行路徑規劃和避障。此外，Curiosity還采用了慣性導航和星載導航等定位方法，以確定其在火星表面的準确定位和導航。
在國外行星探測項目中，自主導航技術展示了許多技術亮點和創新。其中一項突出的亮點是利用機器學習和人工智能技術改進導航能力。通過對大量圖像和傳感器資料進行分析和訓練，行星探測器可以實作更準确的環境感覺和路徑規劃。
這種基于機器學習的自主導航技術使得巡視器能夠快速适應不同行星表面的條件，提高導航的準确性和效率。
國外的行星探測項目還注重多傳感器融合技術的研究和應用，結合圖像識别、雷射雷達和慣性導航等多種傳感器資料，行星表面巡視器能夠更全面地感覺周圍環境，并生成更精确的地圖和定位資訊。
在國内，中國科學院、中國航天科技集團等機構也緻力于行星表面巡視器的自主導航技術研究。他們在這一領域取得了一系列研究成果。
中國科學院的某些行星探測項目開展了自主導航技術的研究工作。其中，一項重要成果是應用遙感資料和圖像識别技術實作了行星表面的精确定位和導航。
利用高分辨率的遙感圖像資料和先進的圖像處理算法，巡視器能夠準确地感覺地表特征并建立詳細的地圖，進而實作自主的路徑規劃和導航。
在國内的行星探測項目中，一些技術亮點和創新值得關注，中國的自主導航技術研究注重對環境感覺和響應能力的改進。
通過引入更多先進的傳感器技術，如雷射雷達、超音波傳感器等，行星表面巡視器能夠更精确地感覺周圍環境，并做出更及時的響應，以保證導航的安全性和穩定性。
其次，國内的行星探測項目還注重推動自主導航技術與其他科學研究領域的交叉應用。例如，将計算機視覺和機器學習技術與自主導航相結合，不僅可以提高巡視器的環境感覺能力，還可以為其他科學問題的解決提供新的方法和思路。
國内外行星表面巡視器自主導航技術面臨的挑戰與解決方案
導語：随着科技的進步，行星探測任務逐漸成為人類探索宇宙的焦點之一，行星表面巡視器作為重要的行星探測工具，其自主導航技術的發展對于成功執行任務至關重要。
行星表面的地形和氣候條件多種多樣，對于導航算法和系統性能提出了較高的要求。例如，山脈、火山口、沙漠等特殊地貌會給自主導航帶來困難，複雜的氣候條件如極端溫度、強風等也會影響導航精度。
多傳感器融合：利用多種傳感器（如圖像傳感器、雷射雷達、慣性測量單元等）進行資料采集，并将其融合起來，提高環境感覺能力，減小不确定性。
實時地圖更新：通過利用先進的地圖生成算法和高分辨率遙感資料，及時更新巡視器所在地區的地圖，以便更好地适應地形和氣候變化。
強化學習算法：利用強化學習方法，通過多次試錯并根據回報進行調整，使巡視器能夠自主學習并适應不同環境的導航需求。
行星表面探測任務對導航系統的實時性和穩定性要求很高。導航算法需要能夠在複雜環境下及時做出決策，并保持良好的穩定性，以確定巡視器能夠安全、高效地進行自主導航。
快速決策算法：開發快速、高效的導航算法，能夠在短時間内處理大量傳感器資料，迅速做出導航決策。
可靠的傳感器和控制系統：采用可靠的傳感器和控制系統，提高系統的性能和穩定性，減少對異常情況的敏感度。
仿真與測試：在實際任務之前進行充分的仿真與測試，模拟各種場景和環境，及時發現問題并進行改進。
行星表面巡視器資源有限，包括能源、計算資源和存儲空間等。如何有效管理和利用這些資源，以保證自主導航系統的正常運作，是一個關鍵問題。
能源優化：采用低功耗的傳感器和處理器，并開發高效的能源管理算法，最大程度地延長行星表面巡視器的工作時間。
資料壓縮與存儲：通過資料壓縮和存儲技術，減小資料量并提高存儲效率，節約存儲空間。
系統內建與優化：将多個功能子產品進行內建和優化，避免備援計算，提高系統整體性能。
尾聲
随着行星探測技術的不斷進步，行星表面巡視器将會在未來的任務中扮演更為重要的角色。在自主導航技術方面，我們可以預見到以下幾個發展趨勢：
未來的巡視器将會采用更加高效的能源管理算法、更加先進的資料壓縮和存儲技術等。
同時，為了最大限度地利用有限的資源，未來的巡視器還将會采用更加智能化的系統內建和優化，避免使用備援計算和資源，提升整體性能和效果。
行星表面巡視器自主導航技術将會在未來的發展中獲得更大的突破，我們期待在不久的将來，看到越來越多的行星探測任務通過自主導航技術順利完成，并向人類探索宇宙的新紀元邁進。
參考文獻：
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小行星表面探測器品質分布對其運動影響的參數化仿真研究 張永隆; 闫翛然; 李俊峰; 曾祥遠 第十二屆多體動力學與控制暨第七屆航天動力學與控制和第十五屆全國分析力學聯合學術會議會議論文摘要集 2021
行星表面障礙檢測與地形相關導航方法研究 李國慶 哈爾濱工業大學 2018