本月晚些時候，美國國家航空航天局有望發射其最新的火星探測器“毅力號”，這是對紅色星球的首次實物考察。它的工作是收集和存儲地質樣品，以便最終將其返回地球。毅力號將花費大量時間鉆探古老的火星河三角洲杰澤羅隕石坑，并收集該地樣本，這些樣本可能包含外星生命的最初證據。
- 圖注：就像地球上的自動駕駛汽車一樣，毅力號火星探測器將使用一系列將數據提供給機器視覺的傳感器進行導航
毅力號比美國國家航空航天局（NASA）的前四輛火星漫游車都具有更大的自主性，其設計就是NASA噴氣推進實驗室的機器人系統工程師菲利普·特武（Philip Twu）所稱的“火星上自動駕駛汽車”。像地球上的人一樣，毅力號將使用一系列將數據饋送到機器視覺算法的傳感器進行導航。我們知道，我們地球上的自動駕駛汽車配備了昂貴的高端的計算機來實現自動駕駛，但毅力號除了一臺的主計算機速度外，NASA為其提供了另外一臺計算機，該計算機的作用類似于機器人駕駛。
在以前的火星漫游車上，導航軟件必須與所有其他系統共享有限的計算資源。因此，為了從一個點到達另一個點，流動站將拍攝一張照片，以了解其周圍環境，稍作駕駛，然后停下來幾分鐘以找出下一步。但是，由于“毅力號”可以將其許多視覺導航流程轉移到專用計算機上，因此無需采取這種“走走停停”的方式進行火星探測。取而代之的是，它的主計算機可以弄清楚如何不停頓地到達目標位置，而機器視覺計算機可以確保它在途中不會遇到任何困難。特武說：“我們火星漫游車越來越接近不間斷地駕駛和擁有自主思考能力。”
自主對于不間斷的使命至關重要。地球與火星之間的距離是如此之大，以至于可以使無線電信號以光速傳播長達22分鐘以進行單程旅行。長時間的延遲使它無法實時控制漫游車，而且等待近一個小時的命令在火星與地球之間進行往返旅行也不現實。“毅力號”有一個緊湊的時間表，它需要從一架小型直升機上下來進行飛行測試，然后收集數十個巖石樣本，并在地面上找到一個存放它們的地方。（以后的任務會將這些樣本帶回地球，以便對其進行生命跡象的研究。）如果火星車有任何希望完成主要任務，它本身必須能夠作出大量的導航決定。
地面自動駕駛車輛通常使用激光確定物體在哪里以及物體可能有多遠，但是這些激光雷達系統體積龐大，耗能且容易發生機械故障。相反，毅力號將使用立體視覺和視覺測距法確定紅色星球上的位置。立體視覺結合了來自“左攝像機”和“右攝像機”的兩幅圖像，以創建流動站周圍的3D圖片，而視覺測距軟件分析及時分離的圖像，以估計漫游車已移動了多遠。
“我們擔心激光雷達在太空飛行中的機械可靠性，”美國宇航局噴氣推進實驗室高級研究科學家兼計算機視覺小組主管拉里·馬蒂斯（Larry Matthies）說。 “幾十年前，當激光雷達還不成熟時，我們就開始在JPL上使用立體視覺進行3D感知，并且效果很好。”
已幫助火星上的每輛漫游車建立了視覺導航系統。除了美國航空航天局（NASA）首次在“紅色星球”上行駛的漫游者旅居者號（Sojourner）之外，其所有移動探險車都將立體視覺和視覺測距法結合起來使用。但是使毅力號與眾不同的是，它具有專用的硬件和一套新穎的機器視覺算法。
毅力號的新型數字眼鏡將使其能夠比其前任產品更快地自主導航周圍的環境，這意味著漫游者有更多時間專注于其主要科學目標。盡管如此，毅力號一整天的時間移動距離與樹懶在一小時內可以覆蓋的相同距離。但是與NASA以前的火星探測器相比，毅力是一個熱門標尺。特武：“任何火星漫游車一天中最長的行駛距離是219米。” “我們每天可以行駛200米左右，因此平均而言，毅力號將達到或超過火星漫游者的當前記錄。”
不間斷并不是毅力的錯；怪輻射。火星沒有磁場或濃厚的大氣層，無法將其屏蔽，使其免受來自太陽的帶電粒子的侵蝕，這些粒子會在計算機上造成嚴重破壞。它們會導致晶體管在不應有的情況下導通和關斷，并且如果累積了足夠多的這些錯誤，可能會導致計算機崩潰。這可能會導致丟失寶貴的數據或整個任務失敗，因此NASA的工程師會盡一切努力防止事故的發生。
有很多技術可以使計算機不受輻射干擾。例如，可以添加其他難以導通和截止的晶體管，這使得它們不太可能被任性離子翻轉。賽靈思公司（Xilinx）的空間系統架構師米納爾·薩萬特（Minal Sawant）是加利福尼亞科技公司，為毅力號設計并制造了機器視覺計算機。他說，該芯片通過設計可以進行輻射硬化。根據該公司進行的資格測試，該芯片每年不應發生超過兩位的翻轉錯誤——離子導致存儲在存儲器中的信息量從1變為零，反之亦然。
但是，通常來說，保護處理器免受輻射需要損害其性能。這部分與處理器的設計有關，部分與測試組件的抗輻射能力僅花費很長時間有關。到組件合格時，最先進的處理器的性能已經突飛猛進。NASA工程師不想使用舊技術；但是他們確實想使用他們知道會起作用的技術。賽靈思公司使用的芯片類型已經執行過幾次太空飛行任務，并且擁有近十年的性能數據來對其進行備份。
“傳統上，美國航天業在規避風險上，是出了名的。”索恩特說： “一個小錯誤可能會導致整個任務失敗，因此他們希望使用已經進入太空的組件，而不是嘗試新技術。組件可靠性是關鍵。”
賽靈思的機器視覺計算機將運行特武、薩萬特和他們在NASA的同事開發的全新視覺算法。與地球上的自動駕駛汽車不同，毅力號在其后備箱中沒有一堆功能強大的計算機來進行圖像處理。能源和處理能力是“紅色星球”上的寶貴資源，這意味著毅力號用于導航的算法必須盡可能精簡和高效，而又不影響其準確性。
“即使硬件是完美的，算法也總是會犯錯誤。” 薩萬特說，“在計算機視覺中，存在離群值導致算法出錯。因此，我們必須排除這種可能性。”離群值可能包括流動站看不到物體或將其誤認為其他物體的情況。解決此問題的一種方法是從其他傳感器獲取流動站的導航系統數據，這樣它不僅依靠視線來繞行。例如，陀螺儀和加速度計可幫助漫游車了解表面的坡度和粗糙度。
另一種解決方案是在火星車發射前將其算法盡可能多地暴露在火星上，因此不會有任何意外。在位于帕薩迪納（Pasadena）的NASA噴氣推進實驗室中，有一個巨大的戶外場地，上面布滿了巨石和紅色的泥土，模擬了火星的情景。這是火星場，在過去的幾年中，它一直是指導毅力的算法的試驗場。武特和他的同事定期將火星車的副本帶到火星場，并故意構造了場景，他們認為這會使火星車感到困惑。例如，如果漫游車陷入死胡同，它會回溯并嘗試新的路線嗎？
“系統越復雜，它可以做出的決策類型就越多。” 武特說，“確保您已經涵蓋了漫游車可能遇到的所有可能情況，這非常具有挑戰性。但這是通過進行許多這樣的實際動手測試而在算法中發現的古怪之處。”
但是，在巨大的沙箱中排列巨石的方法也就是那么多種。毅力號導航算法的大多數測試都在虛擬仿真中進行了測試，在此情況下，漫游者團隊將所有可能的情況扔到漫游者的軟件上，以了解其在這種情況下的性能。周圍大多仍是虛擬巖石，但是可以建模的景觀類型和場景并沒有真正的限制。武特說，對視覺算法進行的全面測試，再加上漫游車引入的所有傳感器數據，將使“毅力”號能夠比任何其他火星漫游者在更困難的地形上導航。
但是，即使是最完美的模擬，與真實物體相比也顯得蒼白。明年二月，這輛漫游車降落在“紅色星球”上時，將接受最高賭注的考驗。如果一切順利，它所描繪的路徑可能會引導我們找到地球以外生命的證據。
