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

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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时候,国内各型航天器大主次都采用了综合电子方案,但会 主次航天器机会采取了综合电子你五种 设计方法,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太大在相应的广泛的应用前景和应用空间。

2.承载的功能是简化的,但会 是多功能并行的。

3. 2019年3月13日,“玉兔”二号月球车完成十几个 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、简化多功能并行等任务,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。综合电子系统并能完成器务管理、导航与控制、科学探测与载荷管理等功能,可没办法 了 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,验证了亲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。系列技术突破的身旁无不显示着空间控制技术正在朝着没办法 了 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,作为有十几个 多典型领域,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:

今天我跟亲们交流的是探月二期巡视器综合电子系统,也但会 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十几个 方面来给亲们做交流。

首先做有十几个 多简单的回顾。应该说咱们亲们对我国探月工程三步骤战略目标都在所了解,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。任务成功时候经太大轮次的论证,最后国家决策,利用嫦娥三号的备份也但会 嫦娥四号用增加中继的方法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亲们做有十几个 多交流,聚焦起来主要有以下十几个 方面的特点,首先是你五种 系统的重量功耗约束严苛的,确切地讲每有十几个 多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,你五种 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,也但会 说你五种 系统的能力,包括智能化,还有小型化能力水平要提升5倍,你五种 跨度还是非常大的。

承载的功能是简化的,但会 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,同可不还还可以 有合理的温度范围,但会 要保证能源供应,并肩完成自主的导航,还有机构,包括移动的控制,可不还还可以 完成科学探测管理。综合什么加起来时候,就可不还还可以 有十几个 多多强实时的多任务的综合调度管理。

第有十几个 多方面但会 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,你五种 通讯是有延迟的,机会你五种 延迟原困星上的一些动作地面要过百秒时候并能知道,另外还有一些关键的动作没办法 了 靠星上一些人完成,地面是没办法 了 干预的,但会 以来就可不还还可以 高可靠的自主管理能力。

针对前面提到的什么特点机会说挑战,亲们你五种 系统该怎样设计并能很好地完成探测器系统赋予的功能,并肩可不还还可以 满足资源包络,亲们就创新性地提出了综合电路的设计方法,并肩从系统设计,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。

首先跟亲们交流一下你五种 系统是为甚么设计出来的。你五种 系统前面描述的什么外在功能机会独立地设计是没办法 了 实现的,但会 是没办法 了 完成功能的,太大在你五种 系统设计上,亲们运用了物理信息融合的先进理论,将前面描述的什么外在功能内化成控制、计算、通信、指令十几个 方面,建立了有十几个 多层次化的体系价值形式,将内化的功能对每有十几个 多功能单元进行映射,从你五种 点上来讲,你五种 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,有了你五种 架构过时会进一步综合资源,其中重点的四根但会 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,自主模式管理的什么技术资源进行综合,最终用一台计算机来实现,你五种 点对于提升亲们的综合能力非常有用,但也加大了计算机的设计难度。当然你五种 台阶可不还还可以 要迈过去,最终亲们实现的计算机的能力水平普遍提升了4-5倍,从你五种 点上来说,你五种 系统的设计和实践对亲们技术的提升和能力的提升的意义还是非常重大的。

接下来再跟亲们交流一下,你五种 计算机,也但会 说你五种 平台的控制管理中心上什么软件是为甚么运行的,什么软件的运行可没办法 了 归纳为高可信、实时、多任务综合化软件,以嫦娥四号为例,典型工况下机会有40个任务的运行,亲们可没办法 了 理解成手机上有40个APP运行一样,每有十几个 多APP运行可不还还可以 的时间和空间资源都在不一样的。举有十几个 多导航控制为例,巡视器的导航控制是在非价值形式化、未知环境下的自主导航和控制,比如说地面发有十几个 多指令,让器可没办法 了 自主地从当前有十几个 多点运动到另外有十几个 多目标点,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,但会 前面同事讲的制导的什么的间题。第十几个 就要并能对月面的非价值形式化环境进行感知和场景重建,这但会 智能感知,第有十几个 多可不还还可以 进行智能的规划决策,要规划出来四根安全的路径,最后控制巡视器到达你五种 目标点。整个过程可不还还可以 絮状的时间、空间和图像补救,多个任务综合起来,你五种 资源的需求就会更凸显。

没办法 了 怎样实现让什么任务有机地组合起来干活呢?我今天就给亲们交流有十几个 多方面,有十几个 多是软件的体系架构,要使这40个任务有机地组合到并肩,每个任务按部就班地干活,就可不还还可以 为每有十几个 多任务动态分配合理的资源,包括空间的、时间的,还有优先级,但会 亲们就提出了纵向模分层块化的价值形式,用你五种 价值形式满足各个任务的不同需求。另外可不还还可以 有十几个 多多很好的操作系统作为支撑,你五种 操作系统对于航天的机会说空间的操作系统,除了固有价值形式以外,亲们所设计的操作系统还有三方面的任务补救,有十几个 多是并能实现亚毫秒级的各个任务的调度,第二可不还还可以 并能及时、准确、高效对每有十几个 多任务可不还还可以 的资源进行调配。第三,可不还还可以 使系统做的小,最终亲们实现的系统可没办法 了 同比于国内外相同的操作系统,从性能指标上是占优的。通过你五种 软件的实现,亲们整体的对于实时多任务软件的研发能力也提升了有十几个 多新的深层。

下面跟亲们交流一下你五种 平台,你五种 系统具有什么样的能力,主要从有十几个 多例子来介绍,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,着陆区的地形影响机会会冒出失控机会是阴影的遮挡,但会 巡视器可不还还可以 要并能自主地实现分离,自主的驶向月面驶出阴影区,你五种 点是巡视器可不还还可以 要并能自主实现的,也是并能保证中间的探测成功的关键。为此,亲们采取了自主择优、规划控制你五种 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,机会着陆器的完美着陆没办法 了 遇到测控机会光照的盲区,但会 自主分离的动作是自主完成的。

第十几个 但会 对于一些关键的动作,包括是休眠和唤醒什么动作的自主控制。亲们知道月球所处昼夜交替,亲们的巡视器在中间工作也是采取月日工作月夜休眠的方法,如月夜前就进行断电,唤醒过时会自主加电,展开太阳翼,建立天地链路,最终建立白天的一天的工作请况,对于什么动作是可不还还可以 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,有机会舱里的温度升得非常快,并肩,太阳翼展不开也涉及到能源所处问题,原困能源消耗掉,太大在灾难性的,太大在你五种 块亲们采取了自主容错控制的方法,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,工作都在非常正常的,什么动作也是非常正常地完成。

第有十几个 多是巡视器的自主管理机会是说安全管理,巡视器要完成科学探测目标可不还还可以 并能保证在行走的过程,感知的过程,探测的过程,每有十几个 多环节都在安全的,机会是可控、受控的,亲们就采取了全周期的自主安全控制策略,包括初始请况的安全、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机会进入第九个月夜的工作,整个探测器的系统功能都在非常正常的,也相信并能为亲们认知月球获取更多的科学探测数据。

你五种 系统最终达到有十几个 多什么样的水平呢?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,你五种 系统还是有一些人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时候,国内各型航天器大主次都采用了你五种 综合电子的方案,但会 主次航天器机会采取了综合电子你五种 设计方法,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太大在相应的广泛的应用前景和应用空间。

最后,跟亲们并肩做有十几个 多发展的展望,探索浩瀚宇宙是亲们不懈追求的梦想,对月球探测但会 深空探测的出发点和起点,相信亲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,亲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什么技术和产品方面都在了长足的发展,而什么技术和产品恰恰是未来深空探测自主能力提升的关键,由此亲们也相信亲们必机会为我国深空探测的航天事业贡献更大的力量。