本月晚些时候，美国国家航空航天局有望发射其最新的火星探测器“毅力号”，这是对红色星球的首次实物考察。它的工作是收集和存储地质样品，以便最终将其返回地球。毅力号将花费大量时间钻探古老的火星河三角洲杰泽罗陨石坑，并收集该地样本，这些样本可能包含外星生命的最初证据。
- 图注：就像地球上的自动驾驶汽车一样，毅力号火星探测器将使用一系列将数据提供给机器视觉的传感器进行导航
毅力号比美国国家航空航天局（NASA）的前四辆火星漫游车都具有更大的自主性，其设计就是NASA喷气推进实验室的机器人系统工程师菲利普·特武（Philip Twu）所称的“火星上自动驾驶汽车”。像地球上的人一样，毅力号将使用一系列将数据馈送到机器视觉算法的传感器进行导航。我们知道，我们地球上的自动驾驶汽车配备了昂贵的高端的计算机来实现自动驾驶，但毅力号除了一台的主计算机速度外，NASA为其提供了另外一台计算机，该计算机的作用类似于机器人驾驶。
在以前的火星漫游车上，导航软件必须与所有其他系统共享有限的计算资源。因此，为了从一个点到达另一个点，流动站将拍摄一张照片，以了解其周围环境，稍作驾驶，然后停下来几分钟以找出下一步。但是，由于“毅力号”可以将其许多视觉导航流程转移到专用计算机上，因此无需采取这种“走走停停”的方式进行火星探测。取而代之的是，它的主计算机可以弄清楚如何不停顿地到达目标位置，而机器视觉计算机可以确保它在途中不会遇到任何困难。特武说：“我们火星漫游车越来越接近不间断地驾驶和拥有自主思考能力。”
自主对于不间断的使命至关重要。地球与火星之间的距离是如此之大，以至于可以使无线电信号以光速传播长达22分钟以进行单程旅行。长时间的延迟使它无法实时控制漫游车，而且等待近一个小时的命令在火星与地球之间进行往返旅行也不现实。“毅力号”有一个紧凑的时间表，它需要从一架小型直升机上下来进行飞行测试，然后收集数十个岩石样本，并在地面上找到一个存放它们的地方。（以后的任务会将这些样本带回地球，以便对其进行生命迹象的研究。）如果火星车有任何希望完成主要任务，它本身必须能够作出大量的导航决定。
地面自动驾驶车辆通常使用激光确定物体在哪里以及物体可能有多远，但是这些激光雷达系统体积庞大，耗能且容易发生机械故障。相反，毅力号将使用立体视觉和视觉测距法确定红色星球上的位置。立体视觉结合了来自“左摄像机”和“右摄像机”的两幅图像，以创建流动站周围的3D图片，而视觉测距软件分析及时分离的图像，以估计漫游车已移动了多远。
“我们担心激光雷达在太空飞行中的机械可靠性，”美国宇航局喷气推进实验室高级研究科学家兼计算机视觉小组主管拉里·马蒂斯（Larry Matthies）说。 “几十年前，当激光雷达还不成熟时，我们就开始在JPL上使用立体视觉进行3D感知，并且效果很好。”
已帮助火星上的每辆漫游车建立了视觉导航系统。除了美国航空航天局（NASA）首次在“红色星球”上行驶的漫游者旅居者号（Sojourner）之外，其所有移动探险车都将立体视觉和视觉测距法结合起来使用。但是使毅力号与众不同的是，它具有专用的硬件和一套新颖的机器视觉算法。
毅力号的新型数字眼镜将使其能够比其前任产品更快地自主导航周围的环境，这意味着漫游者有更多时间专注于其主要科学目标。尽管如此，毅力号一整天的时间移动距离与树懒在一小时内可以覆盖的相同距离。但是与NASA以前的火星探测器相比，毅力是一个热门标尺。特武：“任何火星漫游车一天中最长的行驶距离是219米。” “我们每天可以行驶200米左右，因此平均而言，毅力号将达到或超过火星漫游者的当前记录。”
不间断并不是毅力的错；怪辐射。火星没有磁场或浓厚的大气层，无法将其屏蔽，使其免受来自太阳的带电粒子的侵蚀，这些粒子会在计算机上造成严重破坏。它们会导致晶体管在不应有的情况下导通和关断，并且如果累积了足够多的这些错误，可能会导致计算机崩溃。这可能会导致丢失宝贵的数据或整个任务失败，因此NASA的工程师会尽一切努力防止事故的发生。
有很多技术可以使计算机不受辐射干扰。例如，可以添加其他难以导通和截止的晶体管，这使得它们不太可能被任性离子翻转。赛灵思公司（Xilinx）的空间系统架构师米纳尔·萨万特（Minal Sawant）是加利福尼亚科技公司，为毅力号设计并制造了机器视觉计算机。他说，该芯片通过设计可以进行辐射硬化。根据该公司进行的资格测试，该芯片每年不应发生超过两位的翻转错误——离子导致存储在存储器中的信息量从1变为零，反之亦然。
但是，通常来说，保护处理器免受辐射需要损害其性能。这部分与处理器的设计有关，部分与测试组件的抗辐射能力仅花费很长时间有关。到组件合格时，最先进的处理器的性能已经突飞猛进。NASA工程师不想使用旧技术；但是他们确实想使用他们知道会起作用的技术。赛灵思公司使用的芯片类型已经执行过几次太空飞行任务，并且拥有近十年的性能数据来对其进行备份。
“传统上，美国航天业在规避风险上，是出了名的。”索恩特说： “一个小错误可能会导致整个任务失败，因此他们希望使用已经进入太空的组件，而不是尝试新技术。组件可靠性是关键。”
赛灵思的机器视觉计算机将运行特武、萨万特和他们在NASA的同事开发的全新视觉算法。与地球上的自动驾驶汽车不同，毅力号在其后备箱中没有一堆功能强大的计算机来进行图像处理。能源和处理能力是“红色星球”上的宝贵资源，这意味着毅力号用于导航的算法必须尽可能精简和高效，而又不影响其准确性。
“即使硬件是完美的，算法也总是会犯错误。” 萨万特说，“在计算机视觉中，存在离群值导致算法出错。因此，我们必须排除这种可能性。”离群值可能包括流动站看不到物体或将其误认为其他物体的情况。解决此问题的一种方法是从其他传感器获取流动站的导航系统数据，这样它不仅依靠视线来绕行。例如，陀螺仪和加速度计可帮助漫游车了解表面的坡度和粗糙度。
另一种解决方案是在火星车发射前将其算法尽可能多地暴露在火星上，因此不会有任何意外。在位于帕萨迪纳（Pasadena）的NASA喷气推进实验室中，有一个巨大的户外场地，上面布满了巨石和红色的泥土，模拟了火星的情景。这是火星场，在过去的几年中，它一直是指导毅力的算法的试验场。武特和他的同事定期将火星车的副本带到火星场，并故意构造了场景，他们认为这会使火星车感到困惑。例如，如果漫游车陷入死胡同，它会回溯并尝试新的路线吗？
“系统越复杂，它可以做出的决策类型就越多。” 武特说，“确保您已经涵盖了漫游车可能遇到的所有可能情况，这非常具有挑战性。但这是通过进行许多这样的实际动手测试而在算法中发现的古怪之处。”
但是，在巨大的沙箱中排列巨石的方法也就是那么多种。毅力号导航算法的大多数测试都在虚拟仿真中进行了测试，在此情况下，漫游者团队将所有可能的情况扔到漫游者的软件上，以了解其在这种情况下的性能。周围大多仍是虚拟岩石，但是可以建模的景观类型和场景并没有真正的限制。武特说，对视觉算法进行的全面测试，再加上漫游车引入的所有传感器数据，将使“毅力”号能够比任何其他火星漫游者在更困难的地形上导航。
但是，即使是最完美的模拟，与真实物体相比也显得苍白。明年二月，这辆漫游车降落在“红色星球”上时，将接受最高赌注的考验。如果一切顺利，它所描绘的路径可能会引导我们找到地球以外生命的证据。
