惊艳世人的NASA火星无人机，究竟是怎么设计出来的？
如果一切顺利，那么「机智号」将成为第一架翱翔在火星上空的飞行器。
这架名为「机智号」的无人直升机，被吊装在「毅力号」火星车的肚子下面，一路送往那颗红色星球。机智号本体只有 1.8 公斤重，一盒纸巾大小，四条机械腿上却装有两根长达 1.2 米的碳纤维旋翼。除了拍照它不执行科学任务，主要是验证在火星上自主飞行的能力。
为了完成这项艰巨的任务，「机智号」必须经受住一系列考验——严酷的温度、苛刻的功率限制，并在距离地球达10光分的火星上完成90秒的飞行任务。由于距离过远，实时通信或控制显然无法实现，它必须自主飞行。
那么NASA喷气推进实验室（JPL）是如何设计这架直升飞机的？我们采访到NASA JPL火星无人机行动负责人Tim Canham。
整个设计过程最重要的策略，是权衡设计与火星无人机的任务背景，这也是本次技术演示的最大意义所在。「机智号」并不需要像「毅力号」火星车那样完成科学考察工作；相反，它只需要做好自己的本份，飞行一段距离。如果运气好，「机智号」还可以捕捉几张航拍图，仅此而已。这项任务的价值在于，我们要证明低空飞机器能够在火星表面飞行，并收集更多数据，以指导下一代火星旋翼飞机的设计与制造工作。一切只是开始，更令人兴奋的远景发展还在后头。
「机智号」不需要刻意完成任何复杂的任务，因为光是火星无人机这个概念就已经足够复杂了。在火星上放飞无人机极具挑战性，除了功率与通信限制之外，还有一项核心挑战——火星的大气密度仅为地球的1%。
考虑到上述情况，Tim Canham告诉我们，「机智号」只要能够在火星表面成功起降一次，对NASA来说就已经是场辉煌的胜利。Canham协助开发了指挥「机智号」运行的软件架构。作为「机智号」运营团队的负责人，Canham目前主要处理无人机计划与「毅力号」火星车团队之间的协调工作。通过交流，我们希望深入了解「机智号」无人机如何在火星表面自主实现起降飞行。
问：您能聊聊「机智号」无人机的硬件配备吗？
Tim Canham: 「机智号」无人机属于技术演示项目，所以JPL愿意为此承担更高的失败风险。这一点与火星车乃至深空探测器不同——后者属于B级任务，不少NASA员工已经在这部分硬件与软件开发工作中投入了多年时间。
对于纯技术演示，JPL倾向于尝试更多新的实现方式。因此，我们决定尽可能摆脱手工件的束缚，大量采用现成的消费类硬件。目前市面上已经存在很多坚实耐用且能够抵御辐射的航空电子元件，而且大部分技术属于普通商业级产品。
以处理器为例，我们使用的是高通公司提供的骁龙801芯片。它实际上就是一块手机处理器，而且体积非常小巧。不瞒您说，骁龙801实际上是此次任务中最先进的处理器，其性能反而比「毅力号」火星车上的处理器强大得多。事实上，这块无人机使用的芯片拥有比火星力高出几个数量级的算力，负责通过500 Hz主频在制导期间循环运行，以保持无人机在火星大气中的平衡飞行。更重要的是，我们还需要捕捉图像并分析特征，同时以30 Hz频率逐帧跟踪画面内容。总之，这些任务都对处理器性能提出了极高要求，而NASA目前使用的一切航空电子元件都达不到要求。实际上，我们已经开始从SparkFun上订购零件。我们的理念非常简单：虽然这些只是商用硬件，但我们会进行全面测试；只要效果良好，就应该可以直接使用。
问：能否介绍一下「机智号」使用的导航传感器？
Tim Canham: 我们使用的手机级 IMU、激光测高仪（来自SparkFun）以及向下的 VGA 摄像机进行单眼特征跟踪。导航时，无人机逐帧比较几十个特征，以跟踪相对位置找出方向和速度。这一切功能都会通过位置估计来完成，而不需要记住特征或创建地图。
图：NASA机智号无人机底部图，可以看到其上搭载的激光测高仪和导航摄像机。
我们还装有一台倾角仪，用于在起飞时确定地面的倾斜度。另外，无人机上搭载一个1300万像素的手机级彩色摄像头——与导航无关，我们只是希望在飞行过程中拍摄几张精美的照片。我们将其称为RTE，以缩写方式称呼各类系统也是太空项目的传统。其实我们之前还考虑过在系统中加入危险检测功能，但时间有限最后只能作罢。
问：这架无人机是怎么自主飞行的？
Tim Canham: 其实你可以把这架无人机理解成某种传统的JPL航天器，其中安装一套排序引擎，我们为其编写了多条序列、相关命令，再将文件上传其中以供执行。
在模拟过程中，我们将低空飞行的制导部分划分成多个途经点，每个途经点都对应着我们在制导软件中设定的一条命令序列。在需要飞行时，我们会向无人机发出指令，之后即由制导软件接管并完成起飞、穿越各途经点、以及最后的着陆动作。
但这种方式中的每个途经点都经过特别设计，不能算是真正的自主飞行——我们并没有设定任何目标与规则，也没有做出任何高级推理，所以这只能算是半自主方案。更简单直接的方法就是，指定专人通过操纵杆远程指挥其飞行，但地球距离火星太远，即时遥控根本实现不了。面对紧张的项目时间表，我们只能提前制定出大体飞行计划，帮助无人机理解需要完成的预定飞行轨迹。在实际飞行中，无人机本身会根据风力、风向及其他实际环境因素调整飞行方式，保证始终沿既定航线前行。这同样是种半自主方案，用以顺利完成发射前制定的飞行路线。
就个人看来，我觉得这不能算是高级自主技术，而更多只是一种脚本式的飞行导引。只有直接要求无人机“给那块岩石拍张照片”、它就能照做，才算真正的自主飞行。但作为初始任务，我们这次只需要证明飞行器能在火星地表成功飞行。至于全自主飞行方案，我们会在后续任务中逐步尝试，这可能需要制作一架体量更大的无人机、搭载能够实现更强自主功能的先进硬件。
说起这个，我们不妨回顾火星上的第一位访客——探路者号。它的任务更简单：绕基地先进一圈，最好拍下岩石及其他样本的照片。因此作为初步技术演示，我们对火星上的第一架无人机也没必要苛求过多。
问：在某些极端情况下，无人机有没有可能偏离预定飞行路线？
Tim Canham: 制导软件会持续检测各传感器的运行状况，保证生成高质量数据。如果传感器发生故障，无人机确实会做出相应反应，即保持最后一条飞行指引信息、尝试着陆，而后向我们发送情况报告并等待处理意见。总之，在检测到传感器故障后，无人机将停止飞行。我们一共在机智号上安装了三个传感器，都与飞行过程紧密相关，三者的数据将融合起来共同为机智号提供导航指引。
问：初始飞行计划是怎么制定出来的？
Tim Canham: 我们经历了全面的选址过程，一切以「毅力号」火星车预计降落地点周边的环境为起点。根据实际情况，我们整理出轨道图像，并从中粗略识别出火星车将先后抵达的多个点位。结合周边岩石的坡度、高度乃至特定区域内的地表纹理，我们精心选取了适合无人机飞行的区域。
这里同样有不少权衡因素——最安全的地表应该没有任何纹理，代表这一块区域没有岩石；但这种缺少纹理的地面，也可能令无人机无法准确捕捉其特征、进而失去制导能力。为此，我们最好选择一片易于跟踪特征的碎石滩，同时保证这里没有任何可能威胁着陆过程的大石块。
问：这架无人机计划完成哪些飞行任务？
Tim Canham: 因为只是第一次尝试，所以我们只规划了三项主要任务，而且起降点全部选在同一位置。只有这样，才能保证无人机始终处于经过调查的安全飞行区域内。我们的时间窗口也非常有限，只有30天。如果时间再宽裕些，我们可能会尝试让其降落在其他看起来比较安全的新区域。但至少三项既定任务都是起飞、飞行、而后返航并降落在同一地点。
问：JPL拥有丰富的机器人制造经验，开发的机器人往往能够在主要任务完成后长时间保持正常运作。但这次只设定30天的任务执行周期，是否意味着除非发生意外事故，否则这架功能仍然完好的无人机将被直接遗弃在火星表面？
Tim Canham: 是的，计划就是这样，火星车会前往别处继续执行主要任务。毅力号团队已经为我们划拨了不少资源，留下了30天的时间窗口，我们对此深表感谢。在此之后，无论无人机状况是否良好，火星车本体都会继续前进。所以我们可以随意安排飞行任务，但绝对不能超过30天时限。
目前我们还没有规划好最后两轮飞行，但根据前三轮飞行任务的执行速度，我们可能会有一周左右时间做点新鲜的尝试。不过当下，我们还是要先认真把前三轮任务做好。
只要能成功完成一次飞行，我们的目标就算是基本实现。接下来我们会略微扩大飞行范围，如果仍然成功，那么最后两轮飞行就可以稍微冒点险了。比如我们可能会飞上一百米，或者做个大回环之类的动作。但最重要的是，理解无人机在火星表面的飞行方式，所以第一轮任务最重要，我们得认真观察无人机的飞行能力。
问：假如前四轮飞行一切顺利，那么在最后一轮尝试中，您打算设计怎样的飞行任务？是做点风险比较大、但成功后意义重大的尝试，还是风险较小、但重要性同样偏低的尝试？
问：JPL的工程师们在 探索 中还有哪些特别的发现，能给我们讲讲吗？
Tim Canham: 这是我们第一次在火星环境下使用Linux。没错，我们的无人机用的是Linux系统，软件框架则是JPL内部开发的立方体卫星与仪器专用框架。
几年前，我们已经把项目开源，现在大家可以直接通过GitHub下载火星无人机上的飞行软件，把它用在自己的项目当中。这是开源领域的一场辉煌胜利，我们把开源系统与开源飞行软件框架，同商用零部件整合了起来。
如果你想亲自尝试，也完全没有问题。对JPL来说，这种结合还是新鲜事物，以往我们大多使用特别安全、特别可靠的部件。但这一次灵感碰撞让人们感到兴奋无比，我们也期待这种新思路能在未来迸发出更大的能量。
大致可分4部分：
（1）设计无人机飞行器机体（或者购买一个）；
（2）开发飞行控制系统（或购买飞行自驾仪），购买舵机，机载数传模块与天线，搭建无人机电气控制系统；
（3）开发或购买无人机地面站软件，地面数传模块及其天线（一般需要配备笔记本）；
（4）如需遥控，还需要配备遥控器。
基本就这些了。
提供涵盖整个产品生命周期的系统，包括设计、工程、制造和产品数据管理等各个领域中的最佳软件系统。
地面控制站网络能够确保综合通信环节，例如机载对峙雷达，攻击机和战斗组总部，设计轻便，高效耐用的发动机，将保证无人驾驶的监控飞机运送到恶劣的环境中也能运行，设计性能更好的发动机，与2D中设计的发动机相比，运载飞行器的距离越来越远。开发时间缩短了50％以上。
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无人机是对称的。这同样适用于侧向运动。一架四轮无人机就像一辆每一面都可作为正面的车，所以了如何向前也就解释了如何向后或向两侧移动的问题。
无人机是利用无线电遥控设备和自备的程序控制装置操纵的不载人飞机，或者由车载计算机完全地或间歇地自主地操作。
无人机由飞机机体、飞控系统、数据链系统、发射回收系统、电源系统等组成。飞行管理与控制系统，相当于无人机系统的“心脏”部分，对无人机的稳定性、数据传输的可靠性、精确度、实时性等都有重要影响，对其飞行性能起决定性的作用。无人机机体的核心就是飞行器控制器——主控MCU。
无人机MCU是飞控子系统的核心部分，飞控系统是无人机完成起飞、空中飞行、执行任务和返场回收等整个飞行过程的核心系统，飞控对于无人机相当于驾驶员对于有人机的作用，我们认为是无人机最重要的技术之一。
除了无人机MCU，无人机还需要陀螺仪、加速计、地磁感应、气压传感器，超声波传感器、光流传感器、GPS模块等想互协助工作方可完成飞行。
日本宇宙航空研究开发机构（JAXA）宇宙科学研究所的大山圣准教授和日本航空技术部门的杉浦正彦研究开发员们的研究小组，设计了火星探查用无人机。与日本东北大学、东京都立大学、工学院大学等的共同研究。以火星表面的地下空洞中的飞行探查为目的，目标是在2030年代实现火星探查的实用化。一次飞行加上水平、垂直移动的最大飞行距离为1公里。美国航空航天局（NASA）飞行实验的火星直升机的3倍以上的距离。
JAXA 是日本宇宙航空研究开发机构(Japan Aerospace Exploration Agency)的英文简称，是负责日本的航空、太空开发事业的独立行政法人。其工作包括研究、开发和发射 人造卫星 ，小行星探测以及未来可能的登月工程。现如今正在积极参与美国NASA制定的火星探测计划。
火星上有一个直径和深度约100-200米的垂直孔洞，后面还有一个洞穴。地下洞穴温度恒定，受辐射影响较小，预计可以找到生物的踪迹。但是，漫游车（ 探索 车）很难进入，需要小型飞机进行 探索 。
该研究小组设计了一种形状像多旋翼的火星无人机。通常，当转子的转速接近1马赫时，会产生冲击波，飞行变得困难。然而，通过模拟表明，即使转子转速变得更快，也不会产生冲击波。
最初，有效载荷（装载量）设计为 1.1 公斤，因此转子的转速为 0.77 马赫，不受冲击波的影响。
模拟结果表明，有效载荷可以增加到1.9公斤，搭载了自动充电装置和保温功能，可以多次飞行探查。另外，还采用了薄翼前后缘为锐角的翼型，1次飞行约1公里。
火星的重力大约是地球的三分之一。然而，由于大气密度低，升力为1/100，飞行需要33倍于地球的升力。因此，无人机设计难度大，飞行难度大。
同时，JAXA将开始全面启动专门从事航空航天研究的超级计算机（supercomputer）系统“JSS3”。 大约进行了6年左右的潜心研究，主系统性能较常规机型提升约5.5倍，可适应机器学习，365天24小时不间断运行一年。预计将用于2021年推迟发射的大型核心火箭“H3”的发动机燃烧模拟。
在高性能计算国际会议“SC20”公布的超级计算机性能排名TOP500中，被评价为拥有世界第19名、日本第3名的能力。与其他领域相比，航空航天领域的计算量较大，因此有望提高研究效率。
JSS3的主要设备安装在调布航空航天中心（东京都调布市）。主计算机系统的理论计 算性能预计为19.4 petaflops（peta为1000万亿，flops为浮点计算能力）。通用计算系统将计算处理设备的数量增加到四个，以支持各种计算。它支持将计算结果转换为图像和视频的“可视化”，以及使用深度学习和人工智能（AI）的计算。与日本筑波航天中心（茨城县筑波市）的通用计算系统合作，实现一年365天24小时不间断运行的“不间断运行系统”。
预计将用于H3火箭的研发，从而解决导致发动机燃烧试验延期的问题。 JSS3 将在 2021 年 2 月底之前与传统型号并行运行，并将从同年的3月开始独立运行。
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最初的研制是在一个名叫布鲁克兰兹的地方进行的。为了保密，该计划被命名为“AT计划”。经过多次试验，研制小组首先研制出一台无线电遥控装置。飞机设计师杰佛里·德哈维兰设计出一架小型上单翼机。研制小组把无线电遥控装置安装到这架小飞机上，但没有安装炸弹。 1917年3月，在第一次世界大战临近结束之际，世界上第一架无人驾驶飞机在英国皇家飞行训练学校进行了第一次飞行试验。可是飞机刚起飞不久，发动机突然熄火，飞机因失速而坠毁。过了不久，研制小组又研制出第二架无人机进行试验。飞机在无线电的操纵下平稳地飞行了一段时间。就在大家兴高采烈地庆祝试验成功的时候，这架小飞机的发动机又 突然熄火了。失去动力的无人机一头栽入人群。
两次试验的失败，使研制小组感到十分沮丧，“AT计划”也就此画上了句号。但A.M.洛教授并没有灰心，继续进行着无人机的研制。功夫不负有心人，10年后，他终于取得成功。1927年，由A.M.洛教授参与研制的“喉”式单翼无人机在英国海军“堡垒”号军舰上成功地进行了试飞。该机载有113公斤炸弹，以每小时322公里的速度飞行了480公里。“喉”式无人机的问世在当时的世界上曾引起极大的轰动。
在二战中无人靶机用于训练防空炮手。 第二次世界大战之後将多於或者是退役的飞机改装成为特殊研究或者是靶机，成为近代无人机使用趋势的先河。随著电子技术的进步，无人机在担任侦查任务的角色上开始展露他的弹性与重要性。譬如在越战期间，美国曾经使用大量的无人机对高价值或者是防御严密的目标进行侦查的工作，如此一来可以减少人员的伤亡或是被俘虏的风险。
1982年以色列航空工业公司(IAI)首创以无人机担任其他角色的军事任务。在加利利和平行动（黎巴嫩战争）时期，侦察者无人机无人机系统曾经在以色列陆军和以色列空军的服役中担任重要战斗角色。 以色列国防军主要用无人机进行侦察兵，情报收集，跟踪和通讯。1991年的沙漠风暴作战当中，美军曾经发射专门设计欺骗雷达系统的小型无人机作为诱饵，这种诱饵也成为其他国家效彷的对象。
这个无人机它主要的目的就是在未来专门将地球上的卫星送入太空中。
最近有一些外国媒体报道，美国一家专门负责设计制造无人机的公司，他们发射了一个非常庞大的无人机，根据这个无人机的规格来看的话，这个无人机是世界上目前最大的一款无人机，它的重量是非常重的，达到了28吨左右，这么大的无人机当来不是用来做普通的商业用途的，这个无人机根据这家公司的相关负责人的介绍，未来将专门专门负责将卫星送到外太空中。
而根据一些媒体的报道可以知道，目前美国负责太空的一些军事部门已经和这家公司签订了第1个合同，而这个合同的金额也是比较大的，达到了10亿美元，而且这只是第1批，后面看具体的情况还会增加双方的合作签约金额。根据媒体介绍，这个无人机它的长度达到了80英尺左右，如果无人机的翅膀展开的话，将会达到60英尺的左右，而他的最大总重量达到了55,000磅左右。这个重量包括了它自身的重量和将来携带物品的重量。
这家公司的创始人在接受媒体采访的时候表示，这个无人机他运载系统里面的70%以上的功能是可以重复使用的，不会造成没有必要的浪费。而他们公司未来的目标就是在这款无人机的基础上，然后再进行一些细节上的改进，他们希望在未来这个飞机上，无人机上面95%的东西是可以重复使用的，这样的话将来的运营成本将会大大的降低下来。这个无人机它的运载系统效率还是比较高的，可以在三个小时以内将一个小型的卫星送入到外太空的轨道中，而它使用的燃料也是非常普通的，就是我们传统的一些喷气燃料，和我们平时客机所使用的燃料是完全相同的。
