太图之声（第1326期）▏馆员讲书《月背征途》3
2023年05月22日 17:07:34
编辑撰稿人
吴静波
太原市图书馆办公室主任、副研究馆员
播讲人
张茹
太原市图书馆多媒体服务部主任、副研究馆员
思维导图
月面开车：驾驶员的修炼
2017年年初，当得知“嫦娥四号”任务正在论证并有可能在月球背面软着陆的消息后，飞控团队再次兴奋起来。还有什么能比重返月球，再次驾驶“玉兔车”在月面探秘更有挑战的工作呢？这一次他们要证明自己，但首先要做的就是持续不断地自我修炼，真正肩负起守护远在万里之外的 “嫦娥”和“玉兔”的重任。
比起在月球轨道上飞行的“嫦娥”卫星，能够在月球上奔跑的“玉兔”无疑更能引起大家的兴趣。
“玉兔二号”体长1.5米，宽1.02米，高1.1米，体重约140千克，由结构与机构、综合电子、制导导航与控制（GNC）、测控数传、移动、电源、热控、有效载荷8个分系统组成，设计寿命3个月。
俗话说“工欲善其事，必先利其器”，远在38万千米之外操作这么复杂的月球车，没有一套精心设计的遥操作驾驶平台是无法完成的，对飞控中心的遥操作团队来说，相比于他们擅长操控的轨道航天器，驾驶月球车无疑是一项全新的挑战。
“玉兔二号”像人类一样可以在月球背面完成“观察”“行走”“工作”“吃饭”“睡觉”等5种典型的行为，飞控中心遥操作团队通过合理安排上述行为序列完成月球车月面巡视探测工作。
玉兔眼中的世界
人类从外界获取的信息有80％来自视觉，对于月球车来说也是这样的。月球车车头上的两对相机就是它的“眼睛”，视觉成像是它感知的主要方式。一般而言，“玉兔车”每到达一个位置后会利用导航相机对周围进行环拍，形成序列图像后传回地面，地面操作人员进行月面三维重构，生成高分辨率的地形产品。
有了这些基础的地形数据，驾驶员们仿佛身临其境，能清楚地了解月球车周围的地势环境，包括坡度大小、有没有障碍物、障碍物的大小、距离障碍物的远近等，然后为“玉兔车”设计一条安全的行驶路线。
要完成以上的任务，首先得搞清楚自己的地理位置，这样驾驶员才能准确地为下一步的行程进行规划。其中，要运用到“双目”视觉定位技术，利用安装在月球车上预先精确标定的“双目”导航相机在不同位置成像，通过模拟人眼把这些图像中共同的点、线、面等特征自动提取出来，通过这些特征点的三维空间关系获得月球车的精确位置。
其次，还得清楚周围的地形，这依靠的就是三维重构技术。三维重构的精度直接影响驾驶员对地形复杂程度的判断和路径的选取，稍有不慎就可能会在阴沟里翻船，所以其中的每一环节都尤为重要。
有了这两大技术的强有力的支撑，“玉兔二号”才能真正用“火眼金睛”看清自己位于月背上的地点，才能丈量月球背面，为人类探索浩瀚宇宙打开一扇窗。
为“玉兔”指路
月球车看到了眼前的世界，可是它怎样才能寻找到通往目标的路，这是月球车遥操作软件要解决的一个关键问题。
飞控中心软件支持团队的设计师们制订了“三步走战略”，即月面环境图生成、移动路径搜索和上行控制参数计算。
“玉兔”所在的环境是实际的月面物理环境，而进行路径规划需要根据已知的环境信息，通过提取和分析相关特征，将其转换成可供搜索的连通图，这个过程就是“三步走战略”中最关键的一步——生成月面环境图。
获得月面环境图后，移动路径搜索就是要在环境图中，根据已知的当前点和目标点的位置，搜索从当前点到目标点的最优或次优可通行路径。
然而，限于真实环境难以准确描述，由机器规划出来的最优路径从人的角度看可能并不是最优的。为了能规划出更接近人类思维的满意路径，可将人的高层决策以导引点和排斥点的形式添加到月面环境模型中，以实现以人为主、人与机器共同协作的智能路径规划。
“最强大脑”
飞控中心与月球车相隔那么远，对月球车周围环境的了解也只能通过下传的少量图像来实现，那么怎么保证驾驶员们发出的动作指令是正确的、动作序列是合理的呢？万一在动作执行过程中断电了或者通信链路被遮挡了，遇见这样不按照“剧本”走的情况该怎么办呢？
不用担心，因为月球车在飞控中心有一个“最强大脑”——遥操作任务规划系统，每一个动作指令都是经过它的精确计算和规划得出的。驾驶员正是运用这个系统有效地解决了月面任务规划的难题。
打造一只“虚拟兔”
飞控中心仿真系统的专家们精心研制了一套被称为“数字月球驾驶训练场”的仿真系统。活蹦乱跳的“虚拟兔子”、复杂多变的月面地形、随时间变化的阳光、太空的“鹊桥”中继星、地面的测控网等全都包含在这个数字驾驶训练场里。
通过月面地形仿真模型可以根据训练的需要模拟出各种类型的月面地形。
想在松软的地方驾驶一下看看车轮会不会陷下去，我们就会把月壤调得软一些；想试试在崎岖月面开车的感觉，我们就会仿造一块坑坑洼洼的路面，保证你有避不完的石头和陨石坑；想练练极限坡道起步，马上做出一块拥有15°坡的地形；想体验在月球上最可能遇到的情况，则可以按照着陆区的统计特征随机生成一块相似的地形。
光照仿真模型通过计算月球绕地球和地球绕太阳的运行轨迹来推导不同时间的光照方位角和高度角；“鹊桥”中继星可以充当“虚拟兔子”和飞控中心间的传话筒；地面测控网模型可以精准模拟出测控站什么时候能看到“兔子”、什么时候看不到“兔子”。
想不想亲手开一开月球车
看了前面这些内容，你一定觉得驾驶月球车太难了，普通人怎么可能过上一把开车瘾呢？飞控中心的软件专家们想到了这一点，他们设计开发了一套手控驾驶系统，它的模样就像普通汽车的驾驶台，有方向盘能控制月球车的行进方向，有加速手柄能控制车的运动速度。这使驾驶月球车能像开普通汽车一样，由控制人员手把方向盘操控6轮驱动的月球车。
这样，月球车就会乖乖服从地面的控制命令，控制人员便能随心所欲地驾车了。这个系统还有一个亮点，那就是操控台上设计了一个宽大的屏幕，操控人员可以用第一视角的模式实时观察月面的三维场景，从而使在月球上“开车”变成现实。
手控驾驶系统对“玉兔车”正样产品进行了驾驶试验，验证了遥操作软件的手控驾驶能力。相信在后续“玉兔车”的月面巡视中，手控驾驶系统将会大显身手。
《月背征途：中国探月国家队记录人类首次
登陆月球背面全过程》馆藏信息
书名：《月背征途：中国探月国家队记录人类首次登陆月球背面全过程》
作者：北京航天飞行控制中心
出版社：北京科学技术出版社
出版时间：2021年1月
页数：233
价格：88.00
ISBN：978-7-5714-1220-3
索书号：V1-49/1021
馆藏地点：自科借阅区；太图自助图书馆；网借书库（成人）
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