為太空機(jī)器人配手機(jī)

□ 云英

宇宙之大，無(wú)奇不有。在地球上的人們普遍使用手機(jī)的同時(shí)，太空機(jī)器人也來(lái)趕“時(shí)髦”，擁有了為它們定制的智能手機(jī)。日前，據(jù)國(guó)外媒體報(bào)道，美國(guó)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(guó)際空間站的試驗(yàn)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(yàn)臺(tái)上向國(guó)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(dòng)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(guó)際空間站下一步計(jì)劃做準(zhǔn)備。

SPHERES衛(wèi)星

在國(guó)際空間站上，有三個(gè)色彩艷麗、外形酷似排球的機(jī)器人，它漂浮在國(guó)際空間站內(nèi)，進(jìn)行著各種實(shí)驗(yàn)。這三個(gè)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(yàn)衛(wèi)星”的縮寫，因?yàn)樗拈L(zhǎng)相像個(gè)球，又有人稱它為“球面”零重力機(jī)器人衛(wèi)星（簡(jiǎn)稱“球面機(jī)器人”）。

要說(shuō)起“球面機(jī)器人”的研制，學(xué)生們?cè)谄渲械呢暙I(xiàn)不少，可以說(shuō)是學(xué)生們的杰作。雖然研制這顆衛(wèi)星的SPHERES項(xiàng)目是由美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局投資的，美國(guó)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(shí)驗(yàn)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(xiàng)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(guò)專家們的指導(dǎo)，逐步理清設(shè)計(jì)思路、掌握設(shè)計(jì)技能，并探尋解決關(guān)鍵工程問(wèn)題的最佳方法。

這種只有保齡球大小的球形機(jī)器人實(shí)際上是一種定位交會(huì)對(duì)接試驗(yàn)衛(wèi)星，它擁有自己的供能、推進(jìn)、計(jì)算、導(dǎo)航系統(tǒng)及擴(kuò)展接口，可以通過(guò)噴氣式推動(dòng)器在國(guó)際空間站內(nèi)移動(dòng)。這些飛行的機(jī)器人在軌道內(nèi)可以編隊(duì)自主飛行，并通過(guò)無(wú)線電鏈路保持相對(duì)位置持續(xù)不變。美國(guó)航宇局將他們安置在國(guó)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(cè)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(huì)對(duì)接指令系統(tǒng)的測(cè)試裝置，用于測(cè)試讓航天器執(zhí)行自主交會(huì)和對(duì)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(lái)研究衛(wèi)星維修、飛行器裝配和編隊(duì)飛行航天器的配置等。

美國(guó)航宇局對(duì)“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(lái)很可能會(huì)承擔(dān)更重要的任務(wù)。在SPHERES項(xiàng)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(shí)保持精確位置，組成一個(gè)龐大的空間望遠(yuǎn)鏡，尋找其它恒星附近的行星。在美國(guó)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?cè)诳臻g還可組成一相互協(xié)作的小衛(wèi)星星座，實(shí)現(xiàn)單個(gè)大衛(wèi)星的功能。

2006年 4月24日，俄羅斯“進(jìn)步”號(hào)貨運(yùn)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(guó)際空間站，5月18日在空間站內(nèi)進(jìn)行首次了鑒定試驗(yàn)。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(guó)際空間站上進(jìn)行了77次太空實(shí)驗(yàn)。

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(cè)試試驗(yàn)

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(dòng)力、推進(jìn)、計(jì)算和導(dǎo)航軟件，可以通過(guò)噴氣式推動(dòng)器在國(guó)際空間站內(nèi)移動(dòng)，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(lái)配合完成。如何使它變得“聰明”一些，更“主動(dòng)”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(gè)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(jí)，“球面機(jī)器人”的功能也越來(lái)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(guó)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(kāi)發(fā)的Nexus S手機(jī)。為了防止手機(jī)信號(hào)干擾國(guó)際空間站設(shè)備和適用于“球面機(jī)器人”，技術(shù)人員對(duì)手機(jī)進(jìn)行了小改造，比如，拿掉了手機(jī)的GSM芯片，同時(shí)將鋰電池變成傳統(tǒng)五號(hào)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(tái)緊湊、低電力、低成本的嵌入式計(jì)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(gè)微型機(jī)器人就可在空間站內(nèi)飛行。實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)可以通過(guò)空間站內(nèi)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸給地面。

在太空進(jìn)行球面機(jī)器人試驗(yàn)時(shí)，地面的研究人員只能通過(guò)固定位置的視頻來(lái)觀測(cè)其飛行結(jié)果。為了更好地進(jìn)行球面機(jī)器人試驗(yàn)，在2013年美國(guó)航宇局將MATLAB和SIMULINK成功地部署到國(guó)際空間站的SPHERES項(xiàng)目中。MATLAB 是“科學(xué)計(jì)算的語(yǔ)言”，它用于算法開(kāi)發(fā)、數(shù)據(jù)分析、可視化和數(shù)值計(jì)算的程序設(shè)計(jì)環(huán)境。Simulink是一個(gè)用來(lái)對(duì)動(dòng)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(guò) MATLAB 和 Simulink，研究人員可以測(cè)試：相對(duì)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(shí)現(xiàn)在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中實(shí)時(shí)繪制衛(wèi)星的三維動(dòng)畫，使地面研究人員能夠更好地從任意角度觀測(cè)正在進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，通過(guò)MATLAB 與 Simulink可以開(kāi)發(fā)更為復(fù)雜的算法和工具，加快了SPHERES團(tuán)隊(duì)項(xiàng)目的研究進(jìn)度。

為Spheres 項(xiàng)目定制的Tango設(shè)備

在地面測(cè)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(guó)際空間站上的“球面機(jī)器人”利用超聲波和紅外線檢測(cè)技術(shù)在國(guó)際空間站的一定區(qū)域里執(zhí)行基本的導(dǎo)航任務(wù)。因?yàn)橥ǔＧ闆r下，它是以Nexus S為頭腦，依賴立方體四圍的聲波信號(hào)裝置對(duì)環(huán)境進(jìn)行三角測(cè)量，衛(wèi)星表面的麥克會(huì)獲取聲音信號(hào)對(duì)其準(zhǔn)確定位。因此，它的活動(dòng)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(cè)功能，擴(kuò)大球面機(jī)器人在國(guó)際空間站的活動(dòng)范圍，并且完全依靠自身來(lái)進(jìn)行導(dǎo)航，美國(guó)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(xiàng)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(jué)傳感器的智能手機(jī)，它可以捕捉應(yīng)用開(kāi)發(fā)者從未接觸過(guò)的數(shù)據(jù)，包括跟蹤拍攝和深度傳感，以及實(shí)時(shí)3D制圖。為了讓Tango智能手機(jī)具備同等級(jí)別計(jì)算機(jī)視覺(jué)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(jì)算機(jī)視覺(jué)處理器傳遞數(shù)據(jù)，經(jīng)處理器處理后，數(shù)據(jù)再通過(guò)一組接口導(dǎo)入應(yīng)用。借助圖像傳感器、運(yùn)動(dòng)傳感器和陀螺儀，Tango可以繪制運(yùn)動(dòng)軌跡的精度達(dá)到1%，然后創(chuàng)建一個(gè)交互式的3D地圖。

以前，只有大型設(shè)備才能實(shí)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(cè)火星的勇氣號(hào)探測(cè)器媲美了，勇氣號(hào)是一個(gè)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(shí)球面機(jī)器人就成為真正的智能機(jī)器人了。它無(wú)須任何信號(hào)裝置的指引，通過(guò)紅外線對(duì)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(shí)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?qǐng)?zhí)行更重要的任務(wù)。

現(xiàn)在，谷歌的研究人員已經(jīng)對(duì)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(duì)Tango智能手機(jī)也已經(jīng)進(jìn)行了多次試驗(yàn)，在地面利用失重飛機(jī)檢驗(yàn)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(jì)劃在今年晚些時(shí)候?qū)ango智能手機(jī)送入際空間站。屆時(shí)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(dú)立工作，同時(shí)經(jīng)過(guò)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(guó)航宇局對(duì)此寄以厚望，美國(guó)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(jí)，而將會(huì)為人類進(jìn)行太空探索翻開(kāi)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(shí)候機(jī)器人會(huì)扮演什么樣的角色?Tango都給我們帶來(lái)了新的研究方向?！?/p>

Tango手機(jī)

相關(guān)鏈接

Tango手機(jī)

Tango手機(jī)是谷歌一項(xiàng)名為“Project Tango”研究項(xiàng)目開(kāi)發(fā)的一款新型智能手機(jī)。在這個(gè)手機(jī)中，內(nèi)置了計(jì)算機(jī)視覺(jué)處理器、集成深度傳感器、運(yùn)動(dòng)追蹤攝像頭等高端配件。通過(guò)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(wàn)次的3D測(cè)量、追蹤運(yùn)動(dòng)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(jué)圖。這樣，手機(jī)就能像人一樣，通過(guò)“雙眼”來(lái)感知這個(gè)世界，給人們生活帶來(lái)更多的樂(lè)趣和方便。 用戶可以自行將現(xiàn)實(shí)中場(chǎng)景生成的數(shù)字視覺(jué)圖與生活瑣事、工作、學(xué)習(xí)等聯(lián)系起來(lái)，為人們?cè)诂F(xiàn)實(shí)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(shí)用性和娛樂(lè)性都很強(qiáng)，因此有廣泛的應(yīng)用前景。

現(xiàn)在舉幾個(gè)例子來(lái)說(shuō)明Tango手機(jī)的用途吧！眾所周知，人們?cè)趹敉饣顒?dòng)時(shí)，可以通過(guò)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(wú)法工作，如果你去一個(gè)大商場(chǎng)，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(kāi)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(duì)于盲人來(lái)說(shuō)，將實(shí)景收錄之后，再加上語(yǔ)音指示，就能夠避開(kāi)障礙物和塌陷處，幫助他們?cè)诓皇煜さ沫h(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(gòu)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(wèn)題。如果有了 Tango手機(jī)，在購(gòu)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(chǎng)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(chǔ)起來(lái)，隨時(shí)觀看和比較。對(duì)于游戲愛(ài)好者來(lái)說(shuō)，它更是一次游戲體驗(yàn)上的超越。將游戲和虛擬場(chǎng)景、現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景結(jié)合，會(huì)為用戶帶來(lái)更真實(shí)、更夢(mèng)幻、更富有趣味的游戲體驗(yàn)。像網(wǎng)游小說(shuō)中的那些全息虛擬游戲，在未來(lái)也許完全有望實(shí)現(xiàn)。娛樂(lè)場(chǎng)所還可以利用該技術(shù)快速打造3D場(chǎng)景，而且無(wú)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。