幫助NASA毅力號探測器登陸火星的機器人導航技術將探索深海

地形相關導航幫助 “毅力號”在火星上自主着陸,以及
“機智號”火星無人機的飛行。現在是時候測試一個類似的系統,同時探索另一個前沿領域了。
5月14日,美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)的Okeanos
Explorer號船從佛羅里達州的卡納維拉爾港出發,進行為期兩周的考察,這次行動由NOAA海洋探索部領導,主要展示自主水下航行器的技術。

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這種新型潛水機器人被稱為 “奧菲斯”,它將展示一個系統,幫助它找到自己的方向並識別海底有趣的科學特徵。

地形相關導航在幫助美國宇航局的火星2020“毅力號”火星車於2月18日在紅色星球上精確着陸方面發揮了重要作用。該系統使正在下降的機器人能夠直觀地描繪火星景觀,識別危險,然後在沒有人類協助的情況下選擇一個安全的地方降落。以類似的方式,該機構的“機智號”火星直升機使用基於視覺的導航系統,在飛行過程中跟蹤地面特徵,以估計其在火星表面的運動。

由位於南加州的美國宇航局噴氣推進實驗室的工程師開發,在火星上使用的基於視覺的導航的進化到了海上,現在將在離家近一點的地方進行試運行:在美國東海岸的大西洋。

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該潛水器可以探索海洋的最深處,創建海底的三維地圖。在這張照片中顯示的是在之前的一次探險中,奧菲斯(Orpheus)比其他潛水器小得多,使其更容易運輸和操作。

像聲納這樣的大型高功率定位設備通常需要在海底附近的黑暗和經常陰暗的水域中航行。通過利用低功率的相機和燈光系統以及先進的軟件,奧菲斯(Orpheus)比大多數深海潛水器要輕一個數量級。奧菲斯比一輛四輪人力車還小,重約550磅(250公斤),設計成靈活、易於操作、堅固耐用,同時探索大多數車輛無法到達的深度。

由伍茲霍爾海洋研究所(WHOI)與JPL合作設計,奧菲斯幾乎可以在海洋的任何地方不受束縛地工作,包括最極端的深度。最終,該項目團隊希望看到這些水下機器人群作為一個團隊工作,以建立哈代爾區廣大未開發的海底區域的三維地圖–這些區域的深度超過20000英尺(6000米)。但是,在機器人能夠探索這些深度之前,它必須首先在較淺的水域進行試驗。

奧菲斯”基於視覺的導航”能力被稱為視覺-慣性測距,或xVIO,它通過使用先進的相機系統和模式匹配軟件,以及能夠精確測量其方向和運動的儀器來工作。當 “奧菲斯”號在海底行駛時,xVIO可以識別車輛下方的特徵,如岩石、貝殼和珊瑚。就像在公路旅行中記住地標一樣,xVIO將利用這些特徵作為航點構建3D地圖,以幫助它導航。但這個系統也不僅僅是防止潛水機器人迷路的手段。

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奧菲斯技術演示將在NOAA的Okeanos Explorer號船上進行。5月14日從佛羅里達州的卡納維拉爾港出發后,為期兩周的探險隊將在美國東海岸附近水域進行探索。

xVIO創建的高分辨率地圖被存儲到內存中,這樣當Orpheus回到該地區時,它將識別出地物的獨特分佈,並將其作為一個起點來擴大其探索。而在與機器人夥伴合作時,地圖可以被共享、交叉引用和開發,以快速確定科學興趣區域。

“在未來,一些最極端的海洋環境將在我們的掌控之中。從深海海溝到熱液噴口,我們將探索許多新的目的地,”同樣在JPL的系統工程師Andy Klesh說。”通過保持小規模,我們已經為海洋科學家創造了一個新的、簡化的工具–作為自主太空探索的模擬系統,它直接有利於美國國家航空航天局。”

“在未來,一些最極端的海洋環境將在我們的掌控之中。從深海海溝到熱液噴口,有許多我們將探索的新目的地,”同樣在JPL的系統工程師Andy Klesh說。”通過保持小規模,我們已經為海洋科學家創造了一個新的、簡化的工具–作為自主太空探索的類似系統,它直接有利於美國國家航空航天局。

Klesh指出了NASA與像WHOI和NOAA這樣的組織之間合作的另一個優點,他們擁有廣泛的海洋學專業知識。正在開發的用智能、小型和堅固的自主水下航行器探索地球海洋的技術最終可以被用於探索其他世界的海洋。

地球的類似物經常被用作太陽系其他地方的環境替身。例如,木星的衛星木衛二表面就擁有一個海洋,可能存在對生命有利的條件。在地球上的超深淵帶深度和壓力大致相當於木衛二的地下海洋的底部,被認為可能有80公里[50英里]深。這次探險可能成為對我們自己的星球帶來新發現的墊腳石,包括回答那個最基本的問題,這是一件很有意義的事情。生命是地球所獨有的,還是在這個蒼白的藍點之外還有其他可能產生生命的地方?但是,在我們能夠探索木衛二或任何其他海洋世界之前,我們必須首先更好地了解我們自己的家園。