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        為太空機(jī)器人配手機(jī)

        2014-11-29 10:02:02云英
        太空探索 2014年8期
        關(guān)鍵詞:智能手機(jī)

        □ 云英

        宇宙之大,無奇不有。在地球上的人們普遍使用手機(jī)的同時,太空機(jī)器人也來趕“時髦”,擁有了為它們定制的智能手機(jī)。日前,據(jù)國外媒體報道,美國航宇局(NASA)已經(jīng)與谷歌達(dá)成合作協(xié)議,打算將谷歌的Project Tango智能手機(jī)整合到國際空間站的試驗性機(jī)器人SPHERES衛(wèi)星中。有了這部智能手機(jī),SPHERES將能直接在工程試驗臺上向國際空間站的其他航天員發(fā)送數(shù)據(jù)。Tango系統(tǒng)的3D跟蹤和地圖功能將使距離地球表面370千米之上的浮動機(jī)器人自己導(dǎo)航,大大增強(qiáng)了機(jī)器人的功能,以便為國際空間站下一步計劃做準(zhǔn)備。

        SPHERES衛(wèi)星

        在國際空間站上,有三個色彩艷麗、外形酷似排球的機(jī)器人,它漂浮在國際空間站內(nèi),進(jìn)行著各種實驗。這三個機(jī)器人的正式名字為“SPHERES衛(wèi)星”,它是“同步位置保持、連通與再定向試驗衛(wèi)星”的縮寫,因為它的長相像個球,又有人稱它為“球面”零重力機(jī)器人衛(wèi)星(簡稱“球面機(jī)器人”)。

        要說起“球面機(jī)器人”的研制,學(xué)生們在其中的貢獻(xiàn)不少,可以說是學(xué)生們的杰作。雖然研制這顆衛(wèi)星的SPHERES項目是由美國國防高級研究計劃局投資的,美國航宇局的戈達(dá)德航天飛行中心、艾姆斯研究中心和噴氣推進(jìn)實驗室給予不少的協(xié)助,但“球面機(jī)器人”的樣機(jī)是麻省理工學(xué)院本科生研制的,空間站上的三顆球面機(jī)器人是由麻省理工學(xué)院的研究生和位于麻省劍橋的有效載荷系統(tǒng)公司研制的。歐洲幾所學(xué)校的學(xué)生與麻省理工學(xué)院的學(xué)生和教授共同參與了這一高科技項目的研發(fā),歐洲學(xué)生在歐空局的贊助下前往麻省理工學(xué)院接受培訓(xùn),通過專家們的指導(dǎo),逐步理清設(shè)計思路、掌握設(shè)計技能,并探尋解決關(guān)鍵工程問題的最佳方法。

        這種只有保齡球大小的球形機(jī)器人實際上是一種定位交會對接試驗衛(wèi)星,它擁有自己的供能、推進(jìn)、計算、導(dǎo)航系統(tǒng)及擴(kuò)展接口,可以通過噴氣式推動器在國際空間站內(nèi)移動。這些飛行的機(jī)器人在軌道內(nèi)可以編隊自主飛行,并通過無線電鏈路保持相對位置持續(xù)不變。美國航宇局將他們安置在國際空間站上,主要任務(wù)是進(jìn)行微重力研究、工程與機(jī)器測試及探索自由飛行機(jī)器人在太空的應(yīng)用。目前的任務(wù)是作為航天器完成自主交會對接指令系統(tǒng)的測試裝置,用于測試讓航天器執(zhí)行自主交會和對接的完整指令集??臻g站工作人員、地面工程師和外聘科研人員也將利用它來研究衛(wèi)星維修、飛行器裝配和編隊飛行航天器的配置等。

        美國航宇局對“球面機(jī)器人”寄予了厚望,雖然現(xiàn)在它們還只能呆在空間站內(nèi),不能遠(yuǎn)離空間站,但是未來很可能會承擔(dān)更重要的任務(wù)。在SPHERES項目的任務(wù)中,還包括將一些這種大小的衛(wèi)星發(fā)射到太空,讓它們漂浮在太空,同時保持精確位置,組成一個龐大的空間望遠(yuǎn)鏡,尋找其它恒星附近的行星。在美國航宇局的設(shè)想中,有朝一日類似的機(jī)器人還能夠在太空中飛行,執(zhí)行建造空間站、檢查其他航天器的外部、承擔(dān)修理航天器的損傷、為其他衛(wèi)星填注燃料,或構(gòu)成功能系統(tǒng)等任務(wù)。它們在空間還可組成一相互協(xié)作的小衛(wèi)星星座,實現(xiàn)單個大衛(wèi)星的功能。

        2006年 4月24日,俄羅斯“進(jìn)步”號貨運飛船攜帶麻省理工學(xué)院研制的第1顆“球面機(jī)器人”衛(wèi)星前往國際空間站,5月18日在空間站內(nèi)進(jìn)行首次了鑒定試驗。之后,又將第二顆和第三顆球面機(jī)器人送往空間站。截止到目前為止,已經(jīng)在國際空間站上進(jìn)行了77次太空實驗。

        為球面機(jī)器人裝上Nexus S手機(jī)

        航天員在進(jìn)行球面機(jī)器人測試試驗

        第一部手機(jī)

        球面機(jī)器人雖然是一顆智能衛(wèi)星,有自己的動力、推進(jìn)、計算和導(dǎo)航軟件,可以通過噴氣式推動器在國際空間站內(nèi)移動,但它的“智商”并不高,不能自由飛翔,需要在航天員的幫助下才能在空間站中漂浮,執(zhí)行的功能也有限,很多工作需要航天員來配合完成。如何使它變得“聰明”一些,更“主動”一些,可以自主地執(zhí)行更多的功能呢?航天工程師們想出了一個辦法,為它配智能手機(jī)。像地球上人一樣,“球面機(jī)器人”的手機(jī)也在不斷更新?lián)Q代,隨著智能化手機(jī)的升級,“球面機(jī)器人”的功能也越來越完善。

        提起“球面機(jī)器人”的第一部智能手機(jī),還要追溯到2011年。2011年,在國際空間站第29宇航組執(zhí)行任務(wù)期間,搭載Android系統(tǒng)的Nexus S上天了。這種小裝置是三星公司開發(fā)的Nexus S手機(jī)。為了防止手機(jī)信號干擾國際空間站設(shè)備和適用于“球面機(jī)器人”,技術(shù)人員對手機(jī)進(jìn)行了小改造,比如,拿掉了手機(jī)的GSM芯片,同時將鋰電池變成傳統(tǒng)五號電池;用一根電纜與“球面機(jī)器人”連接等。

        有了這部智能手機(jī),等于給“球面機(jī)器人”配備了一臺緊湊、低電力、低成本的嵌入式計算機(jī)及內(nèi)置的攝像機(jī)和傳感器,這好像為機(jī)器人裝上了眼睛和耳朵,成為智能的“球面機(jī)器人”了。它再也不需要航天員用手將它“放飛”了。當(dāng)航天員發(fā)出指令后,這個微型機(jī)器人就可在空間站內(nèi)飛行。實驗的數(shù)據(jù)可以通過空間站內(nèi)的無線網(wǎng)絡(luò)傳輸給地面。

        在太空進(jìn)行球面機(jī)器人試驗時,地面的研究人員只能通過固定位置的視頻來觀測其飛行結(jié)果。為了更好地進(jìn)行球面機(jī)器人試驗,在2013年美國航宇局將MATLAB和SIMULINK成功地部署到國際空間站的SPHERES項目中。MATLAB 是“科學(xué)計算的語言”,它用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、可視化和數(shù)值計算的程序設(shè)計環(huán)境。Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行建模、仿真和分析的軟件包,它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng),也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。通過 MATLAB 和 Simulink,研究人員可以測試:相對高度控制和衛(wèi)星間定位算法、重新定位目標(biāo)和圖像平面填充策略、防碰撞相關(guān)的算法以及燃料平衡算法。此外,MATLAB 還將幫助實現(xiàn)在實驗過程中實時繪制衛(wèi)星的三維動畫,使地面研究人員能夠更好地從任意角度觀測正在進(jìn)行的實驗,通過MATLAB 與 Simulink可以開發(fā)更為復(fù)雜的算法和工具,加快了SPHERES團(tuán)隊項目的研究進(jìn)度。

        為Spheres 項目定制的Tango設(shè)備

        在地面測試Tango智能手機(jī)的3D建模功能

        球面機(jī)器人的端口

        第二部智能手機(jī)

        目前,國際空間站上的“球面機(jī)器人”利用超聲波和紅外線檢測技術(shù)在國際空間站的一定區(qū)域里執(zhí)行基本的導(dǎo)航任務(wù)。因為通常情況下,它是以Nexus S為頭腦,依賴立方體四圍的聲波信號裝置對環(huán)境進(jìn)行三角測量,衛(wèi)星表面的麥克會獲取聲音信號對其準(zhǔn)確定位。因此,它的活動范圍有限,需要在四圍有立方墻裝置的環(huán)境里才能自主導(dǎo)航,既只能在1.83米 x 1.83米 x 1.83米的空間中飛行。為了使智能手機(jī)具備更強(qiáng)大和準(zhǔn)確的檢測功能,擴(kuò)大球面機(jī)器人在國際空間站的活動范圍,并且完全依靠自身來進(jìn)行導(dǎo)航,美國航宇局將為球面機(jī)器人配備功能更強(qiáng)的智能手機(jī)-Tango智能手機(jī)。

        Tango手機(jī)是谷歌先進(jìn)技術(shù)與項目部門為球面機(jī)器人研發(fā)的專用智能手機(jī)。Tango智能手機(jī)是一款配置多種攝像頭和視覺傳感器的智能手機(jī),它可以捕捉應(yīng)用開發(fā)者從未接觸過的數(shù)據(jù),包括跟蹤拍攝和深度傳感,以及實時3D制圖。為了讓Tango智能手機(jī)具備同等級別計算機(jī)視覺和跟蹤功能,研發(fā)人員在手機(jī)中內(nèi)置必要的攝像頭和傳感器。手機(jī)里的圖像傳感器可以讓智能手機(jī)具備類似人類一般的視角,足以感知空間和景深。傳感器可以向低功耗計算機(jī)視覺處理器傳遞數(shù)據(jù),經(jīng)處理器處理后,數(shù)據(jù)再通過一組接口導(dǎo)入應(yīng)用。借助圖像傳感器、運動傳感器和陀螺儀,Tango可以繪制運動軌跡的精度達(dá)到1%,然后創(chuàng)建一個交互式的3D地圖。

        以前,只有大型設(shè)備才能實現(xiàn)這些功能?,F(xiàn)在,可以握在手心的小小Tango手機(jī)可以與探測火星的勇氣號探測器媲美了,勇氣號是一個重達(dá)181.6千克的龐然大物,它可繪制火星地表地圖,小小Tango手機(jī)也同樣可以繪制周圍的3D景色。

        這部智能手機(jī)投放到空間站之后,將為球面機(jī)器人增添更多的新技能,如攝像頭、WiFi連接以及定制的3D傳感器。如果可以3D成像的Project Tango手機(jī)成了球面機(jī)器人的眼和腦,那時球面機(jī)器人就成為真正的智能機(jī)器人了。它無須任何信號裝置的指引,通過紅外線對周圍環(huán)境進(jìn)行3D成像,就可以知道周圍的環(huán)境,自己實現(xiàn)自主導(dǎo)航的功能;它可以“飛”到空間站的任何地方,執(zhí)行空間站內(nèi)檢修任務(wù)和幫助航天員處理一些日常工作;它還可以“飛”出空間站,到太空執(zhí)行更重要的任務(wù)。

        現(xiàn)在,谷歌的研究人員已經(jīng)對Tango手機(jī)進(jìn)行了修改,可專門用于球面機(jī)器人。將Tango手機(jī)分成兩半,使其接口和照相系統(tǒng)在同一側(cè),用戶可進(jìn)行連接。

        谷歌和NASA對Tango智能手機(jī)也已經(jīng)進(jìn)行了多次試驗,在地面利用失重飛機(jī)檢驗球面機(jī)器人和Tango智能手機(jī)結(jié)合后在失重環(huán)境下能否正常工作,計劃在今年晚些時候?qū)ango智能手機(jī)送入際空間站。屆時這款智能機(jī)器人將借助Tango智能機(jī)在空間站中自主導(dǎo)航并獨立工作,同時經(jīng)過進(jìn)一步研發(fā)后,球面機(jī)器人有望能到外層空間承擔(dān)更重要的任務(wù)。在NASA的設(shè)想中,有朝一日類似的機(jī)器人將能夠在太空中飛行,去檢查空間站或其他航天飛行器的外部 。

        美國航宇局對此寄以厚望,美國宇航局艾姆斯研究中心的主任Terry Fong稱引入Tango技術(shù)之后:“這不僅僅只是普通的升級,而將會為人類進(jìn)行太空探索翻開新的篇章。機(jī)器人如何幫助人類在太空中生活和工作?當(dāng)探索其他星球的時候機(jī)器人會扮演什么樣的角色?Tango都給我們帶來了新的研究方向。”

        Tango手機(jī)

        相關(guān)鏈接

        Tango手機(jī)

        Tango手機(jī)是谷歌一項名為“Project Tango”研究項目開發(fā)的一款新型智能手機(jī)。在這個手機(jī)中,內(nèi)置了計算機(jī)視覺處理器、集成深度傳感器、運動追蹤攝像頭等高端配件。通過這些豐富的傳感器和超強(qiáng)的處理性能,它能夠每秒進(jìn)行1500 萬次的3D測量、追蹤運動軌跡、感知/掃描用戶周圍的環(huán)境,并利用3D掃描技術(shù)繪制出3D地圖及周圍的環(huán)境,創(chuàng)建三維的空間視覺圖。這樣,手機(jī)就能像人一樣,通過“雙眼”來感知這個世界,給人們生活帶來更多的樂趣和方便。 用戶可以自行將現(xiàn)實中場景生成的數(shù)字視覺圖與生活瑣事、工作、學(xué)習(xí)等聯(lián)系起來,為人們在現(xiàn)實和虛擬之間架起了一座連通的大橋,讓二者變得密不可分。其實用性和娛樂性都很強(qiáng),因此有廣泛的應(yīng)用前景。

        現(xiàn)在舉幾個例子來說明Tango手機(jī)的用途吧!眾所周知,人們在戶外活動時,可以通過GPS技術(shù)很容易地找到要去的地方。但這些技術(shù)在室內(nèi)無法工作,如果你去一個大商場,要找到你想買的商品和貨架,就要辛苦你的腿了。如果你有了Tango手機(jī),可以利用它的攝像頭和多種傳感器開發(fā)的室內(nèi)定位技術(shù),很容易搜索到店里商品,指導(dǎo)你前往準(zhǔn)確的貨架,在高樓大廈中間迷路的幾率將大大減少。甚至對于盲人來說,將實景收錄之后,再加上語音指示,就能夠避開障礙物和塌陷處,幫助他們在不熟悉的環(huán)境中找到路線。又如,你想為新家添置家具、家電,通常是量好房間的尺寸去購買,盡管很仔細(xì)挑選,也往往買后出現(xiàn)大小不合適、風(fēng)格不搭配等問題。如果有了 Tango手機(jī),在購買家電、家具之前錄制下房間的三維地圖,在看到中意的商品后,就可以在商場中將商品虛擬地布置到房間的三維地圖里,直接查看布置效果,還可以存儲起來,隨時觀看和比較。對于游戲愛好者來說,它更是一次游戲體驗上的超越。將游戲和虛擬場景、現(xiàn)實場景結(jié)合,會為用戶帶來更真實、更夢幻、更富有趣味的游戲體驗。像網(wǎng)游小說中的那些全息虛擬游戲,在未來也許完全有望實現(xiàn)。娛樂場所還可以利用該技術(shù)快速打造3D場景,而且無需太多準(zhǔn)備工作。不僅如此,現(xiàn)在它已進(jìn)軍太空,為太空機(jī)器人裝上高智商的頭和眼了。

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