论文部分内容阅读
虽然火星上的古谢夫（Gusev）环形山和梅里迪尼亚（Meridiani）平面与地球上的硅谷之间距离遥远，但是参加此次火星任务的工程技术专家认为，仅仅将火星车送达着陆点，并四处挖掘一番，就足以带动地球上的许多技术突破（尤其是在IT领域）
在此次火星探测(Mars Exploration Rovers)计划中，两辆六轮火星车登陆火星，研究火星的构成，同时寻找水存在的证据。为了完成此次任务，工程技术专家们不得不应对火星上极其严酷的自然条件，这些条件决不限于目前地面控制中心和火星车之间长达1.7 亿km的距离。若干个月的长途飞行以及火星表面的特殊条件，所提出的技术要求将可能带动民用技术的发展。
参与系统设计的工程师说，此次任务中使用的技术包括，最先进的自动控制技术以及嵌入式的操作系统，它们能够在一定程度上进行自我维护。
机器人技术
火星探测车挑战全新环境
Eric Baumgartner 来自位于美国加利福尼亚州的 NASA（美国航空航天局）喷气推进实验室，他是机械和机器人技术小组的主管。他认为，火星车的开发工作为地球上的机器人技术研究开辟了新天地。
地球上大多数机器人的设计是针对人造环境（例如工厂）进行的，对于这样的机器人，我们可以预先对其编程，告诉它碰到什么样的情况时如何操作。例如，汽车制造车间里的机器人，预先知道引擎或者车身在生产线上的什么位置，并且知道在何处进行焊接。
但是，“勇气号”和“机遇号”火星车却要面对一个全新的世界。Baumgartner说：“它们的工作方式与实验室中的机器人大不相同，主要的区别在于，它们要在一个开放的、完全未知的环境中工作”，“火星探测任务的特点是，我们不能预先安排好每一件事情，也不能保证每样东西都准备得恰到好处”。
火星“机器人”的构成和运作情况
因此，火星车必须通过其自身携带的传感器（每个火星车上共安装有9部照相机）来熟悉它面临的全新环境。这些照相机包括：2 部导航照相机，用来获取环境的3D图像；2部危机预防照相机，用来获取周围地形；5部全景照相机，当火星车离开着陆舱之前用来拍摄着陆舱周围的火星表面。
Baumgartner 表示，火星车并不能通过看看自己周围的景象、处理一下相应的图片，然后就知道自己应该到什么地方去。地面控制中心的工作人员也不可能握着操纵杆，看着照相机传送回来的动态画面来指挥火星车行进。主要原因是处理器运算能力的限制。火星车上的处理器是为了抵御火星上的极度严寒和高辐射的严酷环境而设计的，最高的工作频率只有20MHz。因此实际的情况是，在火星的夜晚，当火星车“睡着”的时候，地球上的控制人员使用处理能力强大得多的计算机为火星车第二天的工作编制程序，然后将基本的指令发送过去，告诉火星车到什么地方去，以及如何到达等问题。
但是，一些小的决策（例如避开微小的障碍），则必须由火星车自己做出，Baumgartner 说。危机预防照相机获得的信息可以帮助火星车对附近的环境进行分析。火星车的行进犹如蜗牛般非常缓慢——最快的前进速度只有5cm/s，并且会不时地停下来察看地形。
除了拍照之外，火星车还要使用机械臂上的各种设备对火星进行探测，这个机械臂由Baumgarnter领导的团队开发。它由“肩膀”、“胳肘”以及 “手腕”组成，可以灵活自如地活动，并配备了4个传感器：一个超微照相机，用来对岩石进行近景拍摄；一个Alpha粒子X射线分光仪，用来确定岩石的矿物成分；另一个分光仪，专门用来检测铁元素；还有一个岩石打磨工具，用来穿透火星岩石表面的氧化层。当火星车移动的时候，机械臂主要是由控制中心预先准备好的命令来指挥，而火星车本身只能对机械臂的移动进行微调。
让火星机器人“下凡”地球
Baumgarnter 说，在火星车的研制过程中，人类掌握的技术有可能在 2 个商用领域中产生较直接的实际意义。
一个是用来帮助人类的日常生活，例如应用于残疾人车。对于坐在轮椅上无法用手来控制操纵杆的残疾人而言，火星探测车上那种不需要人来进行实时控制的机器手臂将会非常有用。这种机器手臂可以使用自己的传感器进行工作，可以用来自动为轮椅上的人拿东西。
另一个是用在生产领域。能够适应未知环境的机器人，可以帮助生产厂商用来节省产品的成本。在当今一些有机器“工人”的工厂中，如果要上马新的产品线，整个工厂的布局不得不重新规划，而且还要为机器人重新编写程序，以便使其胜任新的工作“岗位”。如果机器人能够根据传感器的反馈信息确定物体的位置，那么它就会自动适应环境的变化，企业在转换工作环境以及重新编写机器人程序时就可以节省很多时间和精力。
由于在地球上可以使用更强大的处理器，大量的运算任务可以放在机器人的内部完成，因此地面上的机器人会比火星探测车具有更高的自动化水平。
操作系统技术
力求稳定、实时和智能的太空操作系统
在此次火星探测任务中，大显身手的另一种IT 技术，是帮助飞船在距离控制中心数万亿公里之外的地方有效运转的操作系统软件。这个操作系统是Wind River 公司以VxWorks 实时嵌入式操作系统为基础改造而来的，其设计目标就是适应长途太空旅行。正如来自Wind River 的Mike Deliman 指出的那样，不论在太空中还是在火星上，人类不可能在飞船的操作系统出现异常的情况下，通过简单地按一下重启动按钮来解决问题，因此该操作系统需要特殊设计。
Deliman是Wind River技术部门的成员，同时是火星车操作系统的首席工程师。他说：“太空中充满了无法预料的事情。当Microsoft Windows遇到其自身难以自动解决的故障时，它通常会给用户一个令人沮丧的蓝屏或“非法操作”程序关闭。但我们不能允许我们的系统出现这样的情况”，而是“必须针对任何可能发生的情况，为计算机预编制出它应采取的处理措施”
这个操作系统在探测飞船前往火星的路上已经证明了其价值，当“机遇号”和“勇气号”高速冲过太空的时候，爆发了一场历史上罕见的太阳风暴。飞船使用了 “星象跟踪者”照相机来自动按照星星的位置调整自己的飞行轨道。据Deliman 介绍，此次太阳风暴使照相机拍摄的画面出现了类似闪电的东西，这一度使系统陷于混乱。操作系统让任务控制系统关闭了“星象跟踪者”，等到太阳风暴平息后重新将其打开，因而没有造成损害。
Deliman 说：“我们会碰到一些无法预知的情况，但是我们知道计算机在这样的情况下会如何应对，并且会发送适当的命令来处理这些情况”。他还表示，太空船上的软件也需要一定的智能水平，以便处理硬件故障，因为上面的硬件是无法更换的。
对商用IT 系统故障系统的启示
NASA曾成功地诊断了火星探测车上存在的内存隐患，Deliman 将其归功于操作系统的灵活性。这个隐患一度让正在火星表面上行进的勇气号出现故障，导致系统多次重新启动。正因为操作系统具有足够的灵活性，因此可以让控制中心尝试多种可能的解决方案并最终解决了问题。
Deliman 说：“在火星车这样的研究项目中所获得的每一项改进措施都会为我们的代码库添砖加瓦，使其在进入主流产品线之前得到验证”
例如，尽管工程师们解决路由器问题会比解决太空飞船上的问题要容易得多，但是当路由器位于网络的枢纽位置时，其故障排除过程会代价昂贵并消耗很多时间，而且路由器停机将会使整个网络瘫痪。如果我们能让火星车在传感器出现故障时依然保持正常工作，那么这个成果将可以帮助软件开发者设计出更好的路由软件，使其能够在内存芯片出现问题的情况下应付自如。这也许意味着路由器将不需要关闭，也就不会导致网络瘫痪。
太空任务还会促使Wind River 公司设计出更加精确、更加高效的操作系统。就现在的任务而言，Wind River 公司改进了其数学算法以便使飞船以更准确的轨道飞往火星。这样就可以免去进一步的轨道校正，进而节省昂贵的飞船燃料。
结语>>
对于参加火星探测任务的技术研发人员而言，处理未知的、无法预料的情况是主要任务。如果这些技术成果能早日成功引进至庞大的商用领域，其价值将是不可估量的。
在此次火星探测(Mars Exploration Rovers)计划中，两辆六轮火星车登陆火星，研究火星的构成，同时寻找水存在的证据。为了完成此次任务，工程技术专家们不得不应对火星上极其严酷的自然条件，这些条件决不限于目前地面控制中心和火星车之间长达1.7 亿km的距离。若干个月的长途飞行以及火星表面的特殊条件，所提出的技术要求将可能带动民用技术的发展。
参与系统设计的工程师说，此次任务中使用的技术包括，最先进的自动控制技术以及嵌入式的操作系统，它们能够在一定程度上进行自我维护。
机器人技术
火星探测车挑战全新环境
Eric Baumgartner 来自位于美国加利福尼亚州的 NASA（美国航空航天局）喷气推进实验室，他是机械和机器人技术小组的主管。他认为，火星车的开发工作为地球上的机器人技术研究开辟了新天地。
地球上大多数机器人的设计是针对人造环境（例如工厂）进行的，对于这样的机器人，我们可以预先对其编程，告诉它碰到什么样的情况时如何操作。例如，汽车制造车间里的机器人，预先知道引擎或者车身在生产线上的什么位置，并且知道在何处进行焊接。
但是，“勇气号”和“机遇号”火星车却要面对一个全新的世界。Baumgartner说：“它们的工作方式与实验室中的机器人大不相同，主要的区别在于，它们要在一个开放的、完全未知的环境中工作”，“火星探测任务的特点是，我们不能预先安排好每一件事情，也不能保证每样东西都准备得恰到好处”。
火星“机器人”的构成和运作情况
因此，火星车必须通过其自身携带的传感器（每个火星车上共安装有9部照相机）来熟悉它面临的全新环境。这些照相机包括：2 部导航照相机，用来获取环境的3D图像；2部危机预防照相机，用来获取周围地形；5部全景照相机，当火星车离开着陆舱之前用来拍摄着陆舱周围的火星表面。
Baumgartner 表示，火星车并不能通过看看自己周围的景象、处理一下相应的图片，然后就知道自己应该到什么地方去。地面控制中心的工作人员也不可能握着操纵杆，看着照相机传送回来的动态画面来指挥火星车行进。主要原因是处理器运算能力的限制。火星车上的处理器是为了抵御火星上的极度严寒和高辐射的严酷环境而设计的，最高的工作频率只有20MHz。因此实际的情况是，在火星的夜晚，当火星车“睡着”的时候，地球上的控制人员使用处理能力强大得多的计算机为火星车第二天的工作编制程序，然后将基本的指令发送过去，告诉火星车到什么地方去，以及如何到达等问题。
但是，一些小的决策（例如避开微小的障碍），则必须由火星车自己做出，Baumgartner 说。危机预防照相机获得的信息可以帮助火星车对附近的环境进行分析。火星车的行进犹如蜗牛般非常缓慢——最快的前进速度只有5cm/s，并且会不时地停下来察看地形。
除了拍照之外，火星车还要使用机械臂上的各种设备对火星进行探测，这个机械臂由Baumgarnter领导的团队开发。它由“肩膀”、“胳肘”以及 “手腕”组成，可以灵活自如地活动，并配备了4个传感器：一个超微照相机，用来对岩石进行近景拍摄；一个Alpha粒子X射线分光仪，用来确定岩石的矿物成分；另一个分光仪，专门用来检测铁元素；还有一个岩石打磨工具，用来穿透火星岩石表面的氧化层。当火星车移动的时候，机械臂主要是由控制中心预先准备好的命令来指挥，而火星车本身只能对机械臂的移动进行微调。
让火星机器人“下凡”地球
Baumgarnter 说，在火星车的研制过程中，人类掌握的技术有可能在 2 个商用领域中产生较直接的实际意义。
一个是用来帮助人类的日常生活，例如应用于残疾人车。对于坐在轮椅上无法用手来控制操纵杆的残疾人而言，火星探测车上那种不需要人来进行实时控制的机器手臂将会非常有用。这种机器手臂可以使用自己的传感器进行工作，可以用来自动为轮椅上的人拿东西。
另一个是用在生产领域。能够适应未知环境的机器人，可以帮助生产厂商用来节省产品的成本。在当今一些有机器“工人”的工厂中，如果要上马新的产品线，整个工厂的布局不得不重新规划，而且还要为机器人重新编写程序，以便使其胜任新的工作“岗位”。如果机器人能够根据传感器的反馈信息确定物体的位置，那么它就会自动适应环境的变化，企业在转换工作环境以及重新编写机器人程序时就可以节省很多时间和精力。
由于在地球上可以使用更强大的处理器，大量的运算任务可以放在机器人的内部完成，因此地面上的机器人会比火星探测车具有更高的自动化水平。
操作系统技术
力求稳定、实时和智能的太空操作系统
在此次火星探测任务中，大显身手的另一种IT 技术，是帮助飞船在距离控制中心数万亿公里之外的地方有效运转的操作系统软件。这个操作系统是Wind River 公司以VxWorks 实时嵌入式操作系统为基础改造而来的，其设计目标就是适应长途太空旅行。正如来自Wind River 的Mike Deliman 指出的那样，不论在太空中还是在火星上，人类不可能在飞船的操作系统出现异常的情况下，通过简单地按一下重启动按钮来解决问题，因此该操作系统需要特殊设计。
Deliman是Wind River技术部门的成员，同时是火星车操作系统的首席工程师。他说：“太空中充满了无法预料的事情。当Microsoft Windows遇到其自身难以自动解决的故障时，它通常会给用户一个令人沮丧的蓝屏或“非法操作”程序关闭。但我们不能允许我们的系统出现这样的情况”，而是“必须针对任何可能发生的情况，为计算机预编制出它应采取的处理措施”
这个操作系统在探测飞船前往火星的路上已经证明了其价值，当“机遇号”和“勇气号”高速冲过太空的时候，爆发了一场历史上罕见的太阳风暴。飞船使用了 “星象跟踪者”照相机来自动按照星星的位置调整自己的飞行轨道。据Deliman 介绍，此次太阳风暴使照相机拍摄的画面出现了类似闪电的东西，这一度使系统陷于混乱。操作系统让任务控制系统关闭了“星象跟踪者”，等到太阳风暴平息后重新将其打开，因而没有造成损害。
Deliman 说：“我们会碰到一些无法预知的情况，但是我们知道计算机在这样的情况下会如何应对，并且会发送适当的命令来处理这些情况”。他还表示，太空船上的软件也需要一定的智能水平，以便处理硬件故障，因为上面的硬件是无法更换的。
对商用IT 系统故障系统的启示
NASA曾成功地诊断了火星探测车上存在的内存隐患，Deliman 将其归功于操作系统的灵活性。这个隐患一度让正在火星表面上行进的勇气号出现故障，导致系统多次重新启动。正因为操作系统具有足够的灵活性，因此可以让控制中心尝试多种可能的解决方案并最终解决了问题。
Deliman 说：“在火星车这样的研究项目中所获得的每一项改进措施都会为我们的代码库添砖加瓦，使其在进入主流产品线之前得到验证”
例如，尽管工程师们解决路由器问题会比解决太空飞船上的问题要容易得多，但是当路由器位于网络的枢纽位置时，其故障排除过程会代价昂贵并消耗很多时间，而且路由器停机将会使整个网络瘫痪。如果我们能让火星车在传感器出现故障时依然保持正常工作，那么这个成果将可以帮助软件开发者设计出更好的路由软件，使其能够在内存芯片出现问题的情况下应付自如。这也许意味着路由器将不需要关闭，也就不会导致网络瘫痪。
太空任务还会促使Wind River 公司设计出更加精确、更加高效的操作系统。就现在的任务而言，Wind River 公司改进了其数学算法以便使飞船以更准确的轨道飞往火星。这样就可以免去进一步的轨道校正，进而节省昂贵的飞船燃料。
结语>>
对于参加火星探测任务的技术研发人员而言，处理未知的、无法预料的情况是主要任务。如果这些技术成果能早日成功引进至庞大的商用领域，其价值将是不可估量的。