IT NASA“机智号”火星首飞推迟 初创团队复盘模拟系统技术难点
此前NASA宣布，4月11日，火星直升机“机智号”（Ingenuity）将首次在火星自主飞行，但由于数据出错，首飞时间改为不早于4月14日 。此次飞行中，机智号将根据航点进行自主爬升、悬停、平移、降落飞行，如若成功，将证明直升机用作探索火星工具是可行的 。
“机智号”是一台小型双螺旋桨直升机，仅重1.8千克，大小犹如纸巾盒一般，配备高通骁龙801处理器、VGA摄像机、激光高度计、斜率计等传感器导航，由两个1.2米碳纤维转子推进 。2021年2月，机智号搭乘NASA“毅力号”抵达火星，4月4日成功登陆火星表面 。
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当机智号在太空完全自主运行前，NASA喷气推进实验室进行了大量模拟练习和飞行检查，通过模拟火星大气条件、火星重力、直升机飞入火星时的物理和视觉环境等，来将机智号调试到最佳状态 。机智号的首席飞行员霍华德·格里普（Howard Gripp）对该系统进行了介绍 。
【IT|NASA“机智号”火星首飞推迟 初创团队复盘模拟系统技术难点】一、构建仿真模拟系统，“还原”火星环境
为了让机智号能在火星上飞起来，格里普团队起初使用模拟工具设计直升机原型，并在真空室中设计了一整套测试系统来复制火星的大气条件 。
当遇到火星引力等很多无法复制的事情时，团队只能依靠模拟系统尽可能地还原，因此研发了一种火星直升机仿真模拟系统——DARTS SHELL（飞镖壳；Dshell） 。该系统是一个多任务航天器模拟系统，用于测试和验证飞行和硬件，可为大型硬件模型提供支持 。
该模拟系统基于喷气推进实验室运行30余年的多体模拟框架，格里普团队在其中加入旋翼模型和空气动力学模型，来进行火星引力、火星空气动力学环境和直升机飞入时的物理、视觉环境的模拟 。
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▲模拟系统中的“机智号”
由于火星大气稀薄，密度只有地球大气的1%，飞行器必须足够轻盈才能够飞得动 。因此，在还原火星引力时，模拟器可通过让直升机重量参数变小，或增加外部绳索牵引以达到减轻直升机重力的效果 。
在大气和视觉环境的还原上，模拟系统能够进行直升机从预设A点到B点的完整飞行测试，包括直升机起飞时内部飞行软件的运行、摄像头飞行时的拍摄图像等 。
格里普表示，模拟系统在一定程度上弥补了在地球上做不到的物理测试，团队可以根据在地球上的测试参数来验证模拟，并且能够在任意场景进行大量测试 。例如团队使用蒙特卡罗法，连续飞行一千次，从中找出稳定参数 。蒙特卡罗法也称统计试验法，用以描述一个系统运行过程中的随机现象 。
二、模拟系统存干扰，能力范围内求精准
在地球测试火星直升机必定与火星条件下运行存在偏差，因此多次调试非常重要 。
目前火星直升机通过了许多测试，例如：团队可以在崎岖不平的模拟地形下运行直升机，让直升机按照既定目的行驶 。”
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▲“机智号”飞行区卫星影像
但是，地球上能做的物理测试是有限的，很多方面还存在不确定性 。在不确定性很高的方面，团队在力所能及的范围内构建模拟，将直升机模拟器置身于沙尘暴、气旋等极端情况下，测试超出真实参数的范围，以探讨在极端情况下的应对策略 。
模拟系统也不完美 。团队使用的模拟传感器具有现实的模拟噪声和偏差水平，摄像头图像的呈现存在现实干扰 。如果不在意这些事情，就会略过很重要的细节 。因此，团队尽量做到准确，并通过在高度不确定的区域进行超边界捕捉 。
模拟调试完毕后，在机智号起飞之前，团队还需进行各种飞行检查，例如验证控制系统的响应性 。
验证内容包括：1、机智号在不起飞的情况下将叶片旋转到每分钟2537转的全速；2、第一次飞行时速从每秒1米爬升到3米；3、爬升至3米处悬停30秒并原地旋转；4、下降着陆 。
三、模拟系统设计周期长，更强CPU可加速迭代
在直升机建模过程中，格里普团队发现：火星直升机的转子动力学与地球直升机大不相同，转子相应叶片弯曲时产生的振动要比在地球上小 。如果不考虑这一点，直升机在真实火星环境下的反应系统将非常缓慢 。
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