tyc21.com: 北京控制工程研究所张志:实现巡视器高性能、高自主是必由之路 | 智研所

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原标题:北京控制工程研究所张志:实现巡视器高性能、高自主是必由之路 | 智研所

编 | 搜狐科技 宋婉心

“智研所”直播系列第6期——航天进入智能控制新纪元

主办:中国科普研究所科学媒介中心

协办:搜狐科技“智研所”、北京控制工程研究所

要点提炼:

1.自从探月二期采取了综合电子系统以后,国内各型航天器大部分都采用了综合电子方案,而且部分航天器已经采取了综合电子这种设计方式,另外对于未来的航天型号,甚至是地面的自主车辆,包括移动机器人和野外战车等等这些都有相应的广泛的应用前景和应用空间。

2.承载的功能是复杂的,而且是多功能并行的。

3. 2019年3月13日,“玉兔”二号月球车完成3个月昼的工作后进入了月夜休眠。支持这只“兔子”持续开展月面巡视探测任务的多个系统中,综合电子系统是关键系统之一。

4. 探月工程面临着重量功耗约束严苛、复杂多功能并行等任务,实现巡视器高性能、高自主功能综合与系统轻小型化是其必由之路。综合电子系统能够完成器务管理、导航与控制、科学探测与载荷管理等功能,可以使月球车具有自主休眠、自主唤醒、自主分离、自主健康管理等自主能力。

近年,中国通过“天宫”实验室和“神舟”号载人飞船、“天舟”号货运飞船相继验证了航天器在轨自动、手动和快速自主交会对接技术;通过“嫦娥三号”和“嫦娥四号”验证了地外天体软着陆技术和月面自主巡视技术;通过“北斗”导航系统的建设,验证了我们的高精度姿态与轨道控制技术和卫星的自主导航技术。

2019年中国更是实现了人类首次月球背面的软着陆和巡视探测。系列技术突破的背后无不显示着空间控制技术正在朝着越来越智能的方向发展。

诚然,在人工智能进入了彭勃发展的新时期,作为一个典型领域,空间智能控制技术也必将成为建设航天强国的技术支撑。

本期智研所直播邀请到北京控制工程研究所专家张志带来主题演讲《“玉兔”上的大管家》。

以下是张志演讲精编:

今天我跟大家交流的是探月二期巡视器综合电子系统,也就是刚才主持介绍的大脑。主要从系统的特点还有系统的自动化和智能化水平几个方面来给大家做交流。

首先做一个简单的回顾。应该说咱们大家对我国探月工程三步骤战略目标都有所了解,其中嫦娥三号和嫦娥四号承担着落的战略目标,2013年12月15日,嫦娥三号成功着陆与月球正面,随着玉兔号与着陆器的成功分离和驶向月面,我国也首次实现了地外天体的软着陆和巡视探测。嫦娥三号的成功也标志着我国落的战略目标得到全面实现。任务成功以后经过多轮次的论证,最后国家决策,利用嫦娥三号的备份也就是嫦娥四号用增加中继的方式来实施人类首次的月球背面的软着陆和巡视探测,最终2019年1月3日,我国的嫦娥四号成功着陆于月球背面的冯卡门撞击坑,随着玉兔二号驶向月面,人类首次踏足了月背,嫦娥四号任务的圆满成功也是我国由航天大国向航天强国迈进的重要标志之一,自此我国的探月工程也取得了“五战五捷、连战连捷”的战绩。

回顾探月二期的研制,它分为诸多的特点,自主能力高,技术性、产品性等,今天就我所参与的巡视器电子系统的相关特点跟大家做一个交流,聚焦起来主要有以下几个方面的特点,首先是这个系统的重量功耗约束严苛的,确切地讲每一个航天器的重量功耗约束都非常严苛,而聚焦到巡视器电子系统,这个严苛程度是更继续加重的,允许他只用传统电子系统的1/5的重量功耗资源,实现探测器系统赋予的功能,也就是说这个系统的能力,包括智能化,还有小型化能力水平要提升5倍,这个跨度还是非常大的。

承载的功能是复杂的,而且是多功能并行的。比如说巡视器在月面行走探测过程中要自主保证自身的安全,同时要有合理的温度范围,而且要保证能源供应,同时完成自主的导航,还有机构,包括移动的控制,还要完成科学探测管理。综合这些加起来以后,就需要有一个强实时的多任务的综合调度管理。

第三个方面就是要有高可靠的自主管理能力,以嫦娥四号为例,嫦娥四号是通过中继和地面通讯的,这个通讯是有延迟的,由于这个延迟导致星上的一些动作地面要过百秒以后才能知道,另外还有一些关键的动作只能靠星上自己完成,地面是没法干预的,这样以来就需要高可靠的自主管理能力。

针对前面提到的这些特点或者说挑战,我们这个系统该怎样设计才能很好地完成探测器系统赋予的功能,同时还要满足资源包络,我们就创新性地提出了综合电路的设计方法,同时从系统设计,软硬件设计还有自主管理方面进行突破和创新,最终实现巡视器的高性能、高自主的功能综合和系统的轻小型化。

首先跟大家交流一下这个系统是怎么设计出来的。这个系统前面描述的这些外在功能如果独立地设计是不能实现的,而且是不能完成功能的,所以在这个系统设计上,我们运用了物理信息融合的先进理论,将前面描述的这些外在功能内化成控制、计算、通信、指令四个方面,建立了一个层次化的体系结构,将内化的功能对每一个功能单元进行映射,从这一点上来讲,这个系统也是物理信息融合理论在航天器上的典型应用。

接下来,有了这个架构以后要进一步综合资源,其中重点的一条就是把整个巡视器上的所有平台集成资源,包括自主导航的,自主控制的,自主模式管理的这些技术资源进行综合,最终用一台计算机来实现,这一点对于提升我们的综合能力非常有用,但也加大了计算机的设计难度。当然这个台阶必须要迈过去,最终我们实现的计算机的能力水平普遍提升了4-5倍,从这一点上来说,这个系统的设计和实践对我们技术的提升和能力的提升的意义还是非常重大的。

接下来再跟大家交流一下,这个计算机,也就是说这个平台的控制管理中心上这些软件是怎么运行的,这些软件的运行可以归纳为高可信、实时、多任务综合化软件,以嫦娥四号为例,典型工况下可能有40个任务的运行,大家可以理解成手机上有40个APP运行一样,每一个APP运行需要的时间和空间资源都是不一样的。举一个导航控制为例,巡视器的导航控制是在非结构化、未知环境下的自主导航和控制,比如说地面发一个指令,让器上能自主地从当前一个点运动到另外一个目标点,器上要自主地完成以下的动作,第一是高精度的定姿、定位和定速,就是前面同事讲的制导的问题。第二个就要能够对月面的非结构化环境进行感知和场景重建,这就是智能感知,第三个还要进行智能的规划决策,要规划出来一条安全的路径,最后控制巡视器到达这个目标点。整个过程需要大量的时间、空间和图像处理,多个任务综合起来,这个资源的需求就会更凸显。

那么如何实现让这些任务有机地组合起来干活呢?我今天就给大家交流两个方面,一个是软件的体系架构,要使这40个任务有机地组合到一起,每个任务按部就班地干活,就必须为每一个任务动态分配合理的资源,包括空间的、时间的,还有优先级,这样我们就提出了纵向模分层块化的结构,用这种结构满足各个任务的不同需求。另外还要有一个很好的操作系统作为支撑,这种操作系统对于航天的或者说空间的操作系统,除了固有特征以外,我们所设计的操作系统还有三方面的任务解决,一个是能够实现亚毫秒级的各个任务的调度,第二还要能够及时、准确、高效对每一个任务需要的资源进行调配。第三,还要使系统做的小,最终我们实现的系统可以同比于国内外相同的操作系统,从性能指标上是占优的。通过这个软件的实现,我们整体的对于实时多任务软件的研发能力也提升了一个新的高度。

下面跟大家交流一下这个平台,这个系统具有什么样的能力,主要从三个例子来介绍,首先是自主分离的过程,设计初考虑无论是嫦娥三号还是嫦娥四号,着陆区的地形影响可能会出现失控或者是阴影的遮挡,这样巡视器必须要能够自主地实现分离,自主的驶向月面驶出阴影区,这一点是巡视器必须要能够自主实现的,也是能够保证后面的探测成功的关键。为此,我们采取了自主择优、规划控制这种自主手段,实现了自主的过程,当然,对于嫦娥三号和嫦娥四号来说,由于着陆器的完美着陆没有遇到测控或者光照的盲区,但是自主分离的动作是自主完成的。

第二个就是对于一些关键的动作,包括是休眠和唤醒这些动作的自主控制。大家知道月球存在昼夜交替,我们的巡视器在上面工作也是采取月日工作月夜休眠的方式,如月夜前就进行断电,唤醒之后要自主加电,展开太阳翼,建立天地链路,最终建立白天的一天的工作状态,对于这些动作是必须要通过自主来完成的,比如说在唤醒过程中展开太阳翼的过程,假设太阳翼展不开,有可能舱里的温度升得非常快,同时,太阳翼展不开也涉及到能源不足,导致能源消耗掉,这些都是灾难性的,所以在这一块我们采取了自主容错控制的方式,针对所有的故障进行自主的诊断、决策、隔离和系统重构。以嫦娥四号为例目前经历了8个月昼和月夜的交替,工作都是非常正常的,这些动作也是非常正常地完成。

第三个是巡视器的自主管理或者是说安全管理,巡视器要完成科学探测目标必须能够保证在行走的过程,感知的过程,探测的过程,每一个环节都是安全的,或者是可控、受控的,我们就采取了全周期的自主安全控制策略,包括初始状态的安全、能源的安全,信息的安全,运动控制的安全,操控的安全等等一切方面,最终保证探测器系统的安全,目前应该说嫦娥四号已经进入第九个月夜的工作,整个探测器的系统功能都是非常正常的,也相信能够为我们认知月球获取更多的科学探测数据。

这个系统最终达到一个什么样的水平呢?通过评估,综合性达到国际先进水平,其中玉兔二号一些局部的自主性能达到国际领先的水平,这个系统还是有自己非常好的推广和应用前景,自从探月二期采取了综合电子系统以后,国内各型航天器大部分都采用了这种综合电子的方案,而且部分航天器已经采取了综合电子这种设计方式,另外对于未来的航天型号,甚至是地面的自主车辆,包括移动机器人和野外战车等等这些都有相应的广泛的应用前景和应用空间。

最后,跟大家一起做一个发展的展望,探索浩瀚宇宙是我们不懈追求的梦想,对月球探测只是深空探测的出发点和起点,相信我们必将向着更深远的深空进发。伴随着综合电子和相关技术在轨的应用,我们所在航天器的自主管理和自主任务规划,以及自主导航和控制、高性能并行计算、新一代操作系统等等这些技术和产品方面都有了长足的发展,而这些技术和产品恰恰是未来深空探测自主能力提升的关键,由此我们也相信我们必将会为我国深空探测的航天事业贡献更大的力量。

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