無人機，在火星的狀態
in 行業新聞 by zhoushuang
如果一切順利的話，此時此刻，在地球的鄰居火星上，一架名叫機智號的無人機正在起飛，成為首個在地球以外的星球上御風飛行的人造物體。毅力號火星車和飛翔中的機智號無人機藝術想象 | NASA/JPL-Caltech/PIA23963按照目前的計劃，機智號最快會在北京時間今天（4月19日）15點30分起飛。而它在火星上的首次亮相，則是在今年3月21日，NASA的毅力號火星車登陸火星的第30個火星日。那天，在火星上一直開著好好的毅力號，突然“哐當”一聲，從車底拋下了一個吉他箱形狀、石墨復合材料的“奇怪”罩子。被這個罩子小心保護、一直藏在毅力號車底的，便是這架花費8500萬美元的機智號無人機了。毅力號機械臂頂端的紫外拉曼光譜儀夏洛克配套的相機華生拍攝的車底 | NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA24448搭“順風車”來火星著陸火星，兇險異常，可憐瘦小又柔弱的機智號自己顯然是搞不定的，只能靠抱毅力號火星車的“大腿”了。為了把首個火星無人機安全帶上火星，毅力號項目組可以說是操碎了心。工程師把機智號小心折疊起來，牢牢固定在毅力號火星車底，又罩上保護罩。毅力號車底的無人機和罩上保護罩的樣子 | NASA/JPL-Caltech就這樣，機智號無人機搭上毅力號火星車的順風車，被一同塞入氣動外罩內，發射前往火星。裝入氣動外罩的毅力號火星車和機智號無人機 | NASA/JPL-Caltech/KSC/PIA23925/haibaraemily“老母親”毅力號經過6個半月的漫長飛行來到火星附近，又經過“恐怖七分鐘”，于2021年2月18日著陸火星表面。機智號無人機也隨之來到了這顆紅色星球。毅力號火星車借助空中吊車著陸火星藝術想象 | NASA/JPL-Caltech著陸一個月后，毅力號火星車拋下無人機保護罩，驅車前往機智號的起落場。這是毅力號就近物色的一片平坦、無障礙物的區域，機智號接下來的試飛，就將從這里起飛和降落。機智號無人機的飛行區域。著陸區附近彩虹色區域是影像合成造成的失真，并不是真實存在的顏色 | NASA/JPL-Caltech/University of Arizona/PIA24494/haibaraemily不過，沒有了工程師的現場幫助，這個和“母體”分離的過程相當精細而漫長。這個“孩子”，生了八天工程師給機智號設計了一套“自行解綁”的流程。1）解鎖無人機與火星車之間的綁定裝置（毅力號著陸后的第36個火星日完成）2021年3月26日，毅力號華生相機拍攝 | NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA244412）通過自旋擺動，解放半邊機身，展開其中兩條腿（第37個火星日完成）2021年03月28日，毅力號華生相機拍攝 | NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA244423）繼續旋轉直至機身完全垂直（第38個火星日完成）2021年03月29日，毅力號華生相機拍攝 | NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA244434）展開剩下兩只腿（第39個火星日完成）2021年3月30日，毅力號華生相機拍攝 | NASA/JPL-Caltech/MSSS/PIA244495）充電（第39-43個火星日完成）。展開全部四條腿之后，無人機處于距火星表面13厘米的懸空狀態，“頭頂”和毅力號火星車的“腹部”依然保持連接，由毅力號通過“臍帶”為機智號太陽能板的6塊鋰電池充滿電——這也是機智號最后一次從“母體”獲取能源，一旦切斷連接，它就只能靠自己獲取太陽能和保溫了。2021年4月3日，機智號無人機彩色相機拍攝的首張照片，此時無人機還在火星車底，可見火星車兩個輪子 | NASA/JPL-Caltech/PIA244376）分離（第43個火星日完成）。切斷無人機頂部和火星車“腹部”的連接，火星車迅速開走，讓無人機盡快沐浴在陽光下充電。毅力號駛離機智號CG場景 | NASA/JPL-Caltech and Lockheed Martin Space [1]至此，無人機和火星車的“解綁”流程終于全部完成。但下一個挑戰才剛剛開始：著陸區杰澤羅撞擊坑一帶夜間溫度低達零下90℃，能輕而易舉地凍壞無保護的電路原件和電池等部件，剛剛切斷“臍帶”的無人機能否在惡劣的火星環境下獨自存活下來？產房外的工程師緊張萬分（bushi）。2021年4月4日，第44個火星日來臨，機智號傳回了好消息。這個堅韌的小家伙順利度過了首個火星夜晚，證明了自己完全具備自主充電、防寒、保暖的能力。2021年4月4日，毅力號后避障相機拍攝，注意此時機智號的旋翼還在鎖定狀態 | NASA/JPL-Caltech/PIA24541接下來，就是機智號在火星大展身手的時候了。火星起飛，唯快不破然而，在火星起飛可太難了。盡管火星表面重力加速度只有地球的三分之一，但這點優勢在火星稀薄的大氣面前微不足道?；鹦潜砻娲髿鈮簝H有地球的0.6%，在這樣的星球上開無人機，如何起飛就是最大的難題。機智號的應對之法也很直接：首先是槳葉盡量長，但自身盡可能輕小。整個機智號僅重1.8公斤，總長1.2米的槳葉采用了輕質的碳纖維泡沫材料，僅有一個紙巾盒大小的機身主體里滿滿當當地塞了電池、中央計算機、慣導、激光測高計、傾斜計、加速度計、陀螺儀和兩個相機這一大堆儀器 [2,3]，堪稱空間管理大師。機智號機身主體僅有紙巾盒大小（13.6×19.5×16.3厘米） | NASA/JPL-Caltech在盡可能壓縮自身質量體積的基礎上，接下來就是暴力破解了。天下武功，唯快不破。機智號項目組通過反復計算和試驗，摸索出了能提供足夠火星升力所需的無人機轉速。試驗證實，模擬火星環境中的槳葉轉速達到2277轉/分鐘以上時，機智號的無人機模型能穩定完成起飛、上升、懸空、平移、旋轉和返回等一系列操作。2018年1月30日，機智號項目組在噴氣動力實驗室（JPL）的7.6米尺寸空間模擬艙室開展的機智號無人機模型飛行測試 | JPLraw [4]由此看來，項目組最終把機智號的飛行轉速定在2400轉/分鐘左右，首飛轉速設為2537轉/分鐘，應當是很有把握能在火星飛起來的了。不過別著急，剪完“臍帶”的機智號也不是立馬就飛的，畢竟這么貴的無人機，可不得小心翼翼地仔細檢查幾遍嘛。飛炸了可就不好玩了。小心測試，不行就延機智號原計劃于北京時間4月12日上午10:54首飛[5]，但這個計劃時間可能因為各種原因而推遲。從分離到首飛期間，項目組會對無人機的旋翼、驅動電機、慣導等設備進行測試，并根據毅力號的火星氣象站（MEDA）實時測量的氣壓、風速等一系列氣象數據做出氣象預報，評估合適的起飛條件和時機。然后…… 它就真的因為測試出了問題而延期了4月7日，機智號順利解鎖了旋翼[6]。鎖定的旋翼vs. 解鎖的旋翼，毅力號桅桿相機（Mastcam-Z）拍攝 | NASA/JPL-Caltech4月8日，機智號順利完成了50轉/分鐘的旋翼慢速旋轉測試 [6]。毅力號著陸后的第48個火星日，毅力號的桅桿相機拍攝 | NASA/JPL-Caltech/ASU但4月9日，機智號的旋翼高速旋轉測試出了點問題，于是首飛被延期到了4月14日之后 [7]。傳回的數據顯示無人機本身沒啥事兒，只是項目組需要升級一下飛行軟件……NASA表示升級也不難，就是跨星球上傳指令和測試比較慢……嗯，想象一下，一位程序員熬夜向火星上傳代碼的畫面4月16日，再來一次的旋翼高速旋轉測試，總算是順利完成了。按照最新計劃，機智號不早于北京時間今天下午15:30左右首飛 [8]——如果各項測試和檢核過關，氣象條件也合適的話。所以，此時此刻，機智號總算真的要飛了（吧）。五次試飛，難度加碼由于地火通訊的延遲，遠在地球的工程師無法真實“操縱”無人機的飛行，所有的操作和判斷都要靠無人機自主完成。機智號的任務窗口為30個火星日（也就是約31個地球日），在此期間，項目組共策劃了至多5次飛行測試。首飛任務最為簡單。完成飛前檢查之后，機智號將在起落場啟動旋翼，在12秒內把轉速0從升至計劃的2537轉/分鐘，然后花大約6秒時間飛到3米高處，懸停約30秒，下降，回到起落場。機智號“平平無奇”的首飛計劃 | 參考文獻 [3]機智號的機身底部安裝了和導航相機，幫助無人機探知自身的位置和高度，確保首飛穩定停留在起落場中央而不飛偏 [6]。除了可以垂直向下拍攝低分辨率黑白照片（50萬像素）的導航相機，機智號底部還安裝了另一個彩色相機，能以一個傾斜向下的角度拍攝高分辨率照片（1300萬像素，四舍五入都快趕上你的智能手機了呢）。機智號底部的LiDAR和相機位置 | NASA/JPL-Caltech/PIA23969/haibaraemily這些儀器在試飛過程中獲取的工程數據和拍攝的火星表面照片，將在無人機降落之后通過火星車傳回地球，供項目組分析和還原無人機的飛行狀況。雖然只是簡單的起和落，但機智號首飛的意義最為重大。哪怕僅僅是穩定地在火星上空懸停幾十秒，這也將是人類深空探索史上的里程碑，重要性堪比一百多年前萊特兄弟“飛行者一號”（Wright Flyer）的首次飛行——事實上，機智號的這次首飛也被NASA稱為火星上的“萊特兄弟時刻”[5]。1903年12月17日，奧維爾·萊特擔任駕駛員完成了“飛行者一號”的首次飛行，威爾伯·萊特在跟跑 | Library of Congress/PIA24434企業簡介吉林龍航無人機科技服務有限公司，成立于2016年2月，公司是一家以無人機研發生產、民用無人機駕駛員培訓、無人機行業應用服務、青少年航空科普教育為主營業務的《國家級高新技術企業》，現在長春和沈陽擁有超過100萬平米專用無人機飛行空域、2000平米無人機實訓教室、獨立的無人機運營中心和無人機技術服務中心，超過100架的各類型無人機，可滿足各行業的無人機培訓及應用需求。公司始終秉持“專注務實、拼搏進取、誠信共贏”的經營理念，一直致力于為各行業培養優秀的無人機技術人才及提供優質的無人機解決方案，現累計培訓人數超過2000人，服務行業涉及公安、應急、消防、交通、電力、水利、氣象、環保等領域，現合作單位包括：吉林省公安廳、吉林省消防救援總隊、吉林省交通廳、吉林省水利科學研究院、國網吉林省電力有限公司等100余家，合作院校包括：吉林科技職業技術學院、吉林省東北亞教育集團有限責任公司、吉林水利電力職業學院、吉林省勞動技術學校、遼源職業技術學院等20余所。 未來我們將繼續努力，不斷研發滿足各行業需求的無人機產品、創新無人機服務、培養更多的無人機專業技術人才，堅持新發展理念，為加快推進新時代吉林全面振興、全方位振興貢獻我們的專業力量。吉林省無人機實訓基地：長春市卡倫經濟開發區老街3555號 吉林省無人機運營中心：長春市凈月區阿里云創新中心1401室 吉林省無人機技術服務中心：長春市北湖經濟開發區盛北大街3222號遼寧省無人機培訓基地：遼寧省沈陽市法庫通用航空產業基地。編輯：周佳慧審核：周 爽掃碼關注我們