【實驗現(xiàn)場】浙江大學(xué)玉泉校區(qū)信電大樓三樓的一間實驗室，近80平方米，一地沙土，空曠得像是另外一個世界：一個伸長了“脖子”的機器人兀自站在起伏不平的沙層上，時走時停，“大眼睛”閃閃發(fā)光，停下來時，仿佛是在思考。
    
    實驗室的主人是劉濟林教授課題組的師生。劉教授告訴記者，這個機器人有一位非常著名的“兄弟”，那就是在月球執(zhí)行任務(wù)的“玉兔”月球車。課題組圍繞月球車對月面地形環(huán)境的感知、建模和導(dǎo)航等問題進行研究，歷時近9年，相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于嫦娥三號探測器的玉兔號月球車中。
    
    緣起無人車研究
    
    浙大信電系“機器視覺與導(dǎo)航”方向的師生在機器視覺用于無人車導(dǎo)航的領(lǐng)域已經(jīng)做了20多年的探索。時任浙大副校長的顧偉康教授數(shù)次帶隊去天寒地凍的地方做野外測試。2004年，美國舉行全世界最高水平的地面移動機器人大賽，俄亥俄州立大學(xué)的無人車在100多支參賽隊伍中名列第五，負責(zé)其中視覺傳感研究部分設(shè)計的，是浙大信電系畢業(yè)的博士項志宇，項志宇博士后出站后，又回歸到了劉濟林教授的課題組，成為一名研究主力。
    
    2000年11月，我國首度公布將開展以月球探測為主的深空探測的技術(shù)預(yù)研，“繞”、“落”、“回”三個階段探月計劃擬于2020年前完成。“這個‘落’的過程，就要有月球車落到月球上去執(zhí)行任務(wù)。無人車視覺導(dǎo)航技術(shù)會派上用場！”2005年，劉濟林教授申請到省科技廳和國家自然科學(xué)基金重點項目，“我們希望月球車不但能看清前方‘路況’，還能自主設(shè)計最安全路線或者最快路線。”劉濟林說，那時候，課題組正式開始了關(guān)于月球車視覺系統(tǒng)關(guān)鍵問題的基礎(chǔ)研究。
    
    2006年10月，浙大的這項研引來了航天八院的關(guān)注，劉濟林教授收到了一封郵件，發(fā)信人附上了幾張有石頭的照片和一個問題：聽說你們這里做三維重建很厲害，能不能根據(jù)照片，算出石頭之間的距離？劉濟林回復(fù)：可以。幾天之后，劉老師接待了來自八院的客人。聽了劉教授的報告之后，八院負責(zé)技術(shù)的“高博”攤開寫有“標準答案”的紙條，精準，是可以驗證的。合作，就此開始了。
    
    2009年起，劉教授課題組的月球車從基礎(chǔ)研究正式轉(zhuǎn)入應(yīng)用研究階段。在航天科技集團的抓總和領(lǐng)導(dǎo)下，先后完成了中國航科技集團公司五院502所委托的月面巡視器的《GNC地面遙操作設(shè)備》等4個有關(guān)月球車導(dǎo)航的課題。
    
    月面行走“危機重重”
    
    月球表面有月塵，有堅硬鋒利的石頭，還有大大小小、深深淺淺的環(huán)形山，加之沒有大氣層的散射，被太陽照射時光線非常強烈，照不到的地方異常黑暗，影響成像，在這樣的地方行走“危機重重”，如履薄冰，萬一發(fā)生打滑、卡殼等故障，那可找不到任何救兵。
    
    “月球車停下來的時候，其實是在‘觀察’和‘思考’，前面的路況怎么樣，下一步應(yīng)該怎么走。”劉濟林介紹，月球車靠相機來“認路”，長長的桅桿頂端有一對導(dǎo)航相機，可以拍到7米甚至更遠的圖像。“肚皮”底下還有一對廣角避障相機，可以看清4米以內(nèi)的月面環(huán)境。課題組的任務(wù)，就是幫助月球車精準地“觀察”、正確地“思考”與“決策”。
    
    課題組開發(fā)了廣角相機標定、立體匹配與三維重建、月面環(huán)境評估、環(huán)境感知、路徑規(guī)劃、視覺里程計定位等一系列模塊?，F(xiàn)在，只要月球車“眨眨眼”，咔嚓咔嚓拍下左右兩張相片，接下來，就像很多科幻電影中描述的那樣：計算機程序迅速的將兩張二維照片轉(zhuǎn)化為相關(guān)物體的三維坐標，形成一張立體的地形環(huán)境圖；計算機程序還會自行對前方路況進行“風(fēng)險評估”：哪里安全可以走，哪里是危險的‘雷區(qū)’，一目了然；要到達目標地點，怎樣的路線最安全，怎樣的路線最迅速？它也能“自動規(guī)劃”。
    
    月球車還有一個“絕招”，還原變形的圖像。為了讓避障相機看到更大范圍，相機采用的是魚眼鏡頭，這種相機拍下的照片四周變形非常嚴重，只有中央不變形的部分才能用。課題組研發(fā)了一種特別的辦法，能讓周圍變形的部分重新“復(fù)位”，這樣，擴大了玉兔的“視野”，也提升了環(huán)境重建的準確度。
    
    眼睛“看看”就能記錄里程
    
    實驗用的“月球車”也并不是終日深居閨中，有時候，它也要走出實驗室，到大馬路上去“遛遛”，特別是在試驗“視覺里程”這一模塊時。月球車走過什么地方，走的是什么路線，走了多遠，都需要“如實匯報”。2012年，劉濟林課題組的模擬“月球車”載著電腦，走到了戶外。
    
    每輛汽車的操作系統(tǒng)里都有一個靠車輪轉(zhuǎn)動計數(shù)的里程表，但是這個計算方式搬到月球車上就不行了。“美國的火星車就發(fā)生過一件事，車輛不斷執(zhí)行前進命令，里程計不停地計數(shù)，可拍回來的照片卻顯示車在原地沒動。原來車陷在坑里，原地打滑了。”劉濟林設(shè)計了一套“雙目視覺里程計”，加上了一套藍牙裝置能夠隨時記錄方向和GPU實時加速處理?？窟@套“視覺地形計算”的系統(tǒng)，解決了原地跑里程的問題。
    
    “研究真的上天了”
    
    “咱們做的這個實驗樣機，最后是不是真的會用上呢？”已經(jīng)博士三年級的曹騰心里一直有這疑問。他從小就愛車，本科時和同學(xué)組隊參加過全國的無人車電子設(shè)計競賽。那時，他注意到系里的劉濟林老師是研究智能車的，保送研究生時，他果斷選擇了劉老師的課題組。
    
    “師哥師姐們已經(jīng)做了視覺里程計的深入研究，我們的任務(wù)則是更加偏向工程應(yīng)用，進一步優(yōu)化路徑規(guī)劃等三個模塊。”2011年一入課題組，曹騰就加入到了月球車項目的模塊研究中，時間緊，內(nèi)容多，他與任建強、江文婷等同學(xué)一起，在歸國博士龔小謹老師的指導(dǎo)下，寫了兩萬行左右的源代碼。2013年，新的任務(wù)又來了，要整體設(shè)計研發(fā)月球感知與導(dǎo)航系統(tǒng)的11個功能模塊。“承擔(dān)一套完整系統(tǒng)，比原來的規(guī)模要大得多。”
    
    曹騰是嫦娥三號發(fā)射前兩天才從航天五院回到杭州。在那里，他和比他大十多歲的嫦娥三號巡視器GNC副主任設(shè)計師滕寶毅成了好朋友。2013年12月15日，玉兔號月球車與嫦娥三號著陸器分離，踏上月球表面。16日下午，在北京航天飛行控制中心工作的滕寶毅給曹騰發(fā)了一條微信：“剛剛在“中國航天網(wǎng)”上參加在線訪談，我著重介紹了我們的月球車視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。”
    　　劉教授說，項目的成果，一方面將繼續(xù)為我國探月工程的后續(xù)研究服務(wù)，另一方面也可以應(yīng)用到地面無人車的研制、以及未來的火星探測中。
    
    （周煒）