□ 云英

宇宙之大，無奇不有。在地球上的人們普遍使用手機的同時，太空機器人也來趕“時髦”，擁有了為它們定制的智能手機。日前，據(jù)國外媒體報道，美國航宇局（NASA）已經(jīng)與谷歌達成合作協(xié)議，打算將谷歌的Project Tango智能手機整合到國際空間站的試驗性機器人SPHERES衛(wèi)星中。有了這部智能手機，SPHERES將能直接在工程試驗臺上向國際空間站的其他航天員發(fā)送數(shù)據(jù)。Tango系統(tǒng)的3D跟蹤和地圖功能將使距離地球表面370千米之上的浮動機器人自己導航，大大增強了機器人的功能，以便為國際空間站下一步計劃做準備。

SPHERES衛(wèi)星

在國際空間站上，有三個色彩艷麗、外形酷似排球的機器人，它漂浮在國際空間站內，進行著各種實驗。這三個機器人的正式名字為“SPHERES衛(wèi)星”，它是“同步位置保持、連通與再定向試驗衛(wèi)星”的縮寫，因為它的長相像個球，又有人稱它為“球面”零重力機器人衛(wèi)星（簡稱“球面機器人”）。

要說起“球面機器人”的研制，學生們在其中的貢獻不少，可以說是學生們的杰作。雖然研制這顆衛(wèi)星的SPHERES項目是由美國國防高級研究計劃局投資的，美國航宇局的戈達德航天飛行中心、艾姆斯研究中心和噴氣推進實驗室給予不少的協(xié)助，但“球面機器人”的樣機是麻省理工學院本科生研制的，空間站上的三顆球面機器人是由麻省理工學院的研究生和位于麻省劍橋的有效載荷系統(tǒng)公司研制的。歐洲幾所學校的學生與麻省理工學院的學生和教授共同參與了這一高科技項目的研發(fā)，歐洲學生在歐空局的贊助下前往麻省理工學院接受培訓，通過專家們的指導，逐步理清設計思路、掌握設計技能，并探尋解決關鍵工程問題的最佳方法。

這種只有保齡球大小的球形機器人實際上是一種定位交會對接試驗衛(wèi)星，它擁有自己的供能、推進、計算、導航系統(tǒng)及擴展接口，可以通過噴氣式推動器在國際空間站內移動。這些飛行的機器人在軌道內可以編隊自主飛行，并通過無線電鏈路保持相對位置持續(xù)不變。美國航宇局將他們安置在國際空間站上，主要任務是進行微重力研究、工程與機器測試及探索自由飛行機器人在太空的應用。目前的任務是作為航天器完成自主交會對接指令系統(tǒng)的測試裝置，用于測試讓航天器執(zhí)行自主交會和對接的完整指令集?？臻g站工作人員、地面工程師和外聘科研人員也將利用它來研究衛(wèi)星維修、飛行器裝配和編隊飛行航天器的配置等。

美國航宇局對“球面機器人”寄予了厚望，雖然現(xiàn)在它們還只能呆在空間站內，不能遠離空間站，但是未來很可能會承擔更重要的任務。在SPHERES項目的任務中，還包括將一些這種大小的衛(wèi)星發(fā)射到太空，讓它們漂浮在太空，同時保持精確位置，組成一個龐大的空間望遠鏡，尋找其它恒星附近的行星。在美國航宇局的設想中，有朝一日類似的機器人還能夠在太空中飛行，執(zhí)行建造空間站、檢查其他航天器的外部、承擔修理航天器的損傷、為其他衛(wèi)星填注燃料，或構成功能系統(tǒng)等任務。它們在空間還可組成一相互協(xié)作的小衛(wèi)星星座，實現(xiàn)單個大衛(wèi)星的功能。

2006年 4月24日，俄羅斯“進步”號貨運飛船攜帶麻省理工學院研制的第1顆“球面機器人”衛(wèi)星前往國際空間站，5月18日在空間站內進行首次了鑒定試驗。之后，又將第二顆和第三顆球面機器人送往空間站。截止到目前為止，已經(jīng)在國際空間站上進行了77次太空實驗。

為球面機器人裝上Nexus S手機

航天員在進行球面機器人測試試驗

第一部手機

球面機器人雖然是一顆智能衛(wèi)星，有自己的動力、推進、計算和導航軟件，可以通過噴氣式推動器在國際空間站內移動，但它的“智商”并不高，不能自由飛翔，需要在航天員的幫助下才能在空間站中漂浮，執(zhí)行的功能也有限，很多工作需要航天員來配合完成。如何使它變得“聰明”一些，更“主動”一些，可以自主地執(zhí)行更多的功能呢？航天工程師們想出了一個辦法，為它配智能手機。像地球上人一樣，“球面機器人”的手機也在不斷更新?lián)Q代，隨著智能化手機的升級，“球面機器人”的功能也越來越完善。

提起“球面機器人”的第一部智能手機，還要追溯到2011年。2011年，在國際空間站第29宇航組執(zhí)行任務期間，搭載Android系統(tǒng)的Nexus S上天了。這種小裝置是三星公司開發(fā)的Nexus S手機。為了防止手機信號干擾國際空間站設備和適用于“球面機器人”，技術人員對手機進行了小改造，比如，拿掉了手機的GSM芯片，同時將鋰電池變成傳統(tǒng)五號電池；用一根電纜與“球面機器人”連接等。

有了這部智能手機，等于給“球面機器人”配備了一臺緊湊、低電力、低成本的嵌入式計算機及內置的攝像機和傳感器，這好像為機器人裝上了眼睛和耳朵，成為智能的“球面機器人”了。它再也不需要航天員用手將它“放飛”了。當航天員發(fā)出指令后，這個微型機器人就可在空間站內飛行。實驗的數(shù)據(jù)可以通過空間站內的無線網(wǎng)絡傳輸給地面。

在太空進行球面機器人試驗時，地面的研究人員只能通過固定位置的視頻來觀測其飛行結果。為了更好地進行球面機器人試驗，在2013年美國航宇局將MATLAB和SIMULINK成功地部署到國際空間站的SPHERES項目中。MATLAB 是“科學計算的語言”，它用于算法開發(fā)、數(shù)據(jù)分析、可視化和數(shù)值計算的程序設計環(huán)境。Simulink是一個用來對動態(tài)系統(tǒng)進行建模、仿真和分析的軟件包，它支持連續(xù)、離散及兩者混合的線性和非線性系統(tǒng)，也支持具有多種采樣頻率的系統(tǒng)。通過 MATLAB 和 Simulink，研究人員可以測試：相對高度控制和衛(wèi)星間定位算法、重新定位目標和圖像平面填充策略、防碰撞相關的算法以及燃料平衡算法。此外，MATLAB 還將幫助實現(xiàn)在實驗過程中實時繪制衛(wèi)星的三維動畫，使地面研究人員能夠更好地從任意角度觀測正在進行的實驗，通過MATLAB 與 Simulink可以開發(fā)更為復雜的算法和工具，加快了SPHERES團隊項目的研究進度。

為Spheres 項目定制的Tango設備

在地面測試Tango智能手機的3D建模功能

球面機器人的端口

第二部智能手機

目前，國際空間站上的“球面機器人”利用超聲波和紅外線檢測技術在國際空間站的一定區(qū)域里執(zhí)行基本的導航任務。因為通常情況下，它是以Nexus S為頭腦，依賴立方體四圍的聲波信號裝置對環(huán)境進行三角測量，衛(wèi)星表面的麥克會獲取聲音信號對其準確定位。因此，它的活動范圍有限，需要在四圍有立方墻裝置的環(huán)境里才能自主導航，既只能在1.83米 x 1.83米 x 1.83米的空間中飛行。為了使智能手機具備更強大和準確的檢測功能，擴大球面機器人在國際空間站的活動范圍，并且完全依靠自身來進行導航，美國航宇局將為球面機器人配備功能更強的智能手機-Tango智能手機。

Tango手機是谷歌先進技術與項目部門為球面機器人研發(fā)的專用智能手機。Tango智能手機是一款配置多種攝像頭和視覺傳感器的智能手機，它可以捕捉應用開發(fā)者從未接觸過的數(shù)據(jù)，包括跟蹤拍攝和深度傳感，以及實時3D制圖。為了讓Tango智能手機具備同等級別計算機視覺和跟蹤功能，研發(fā)人員在手機中內置必要的攝像頭和傳感器。手機里的圖像傳感器可以讓智能手機具備類似人類一般的視角，足以感知空間和景深。傳感器可以向低功耗計算機視覺處理器傳遞數(shù)據(jù)，經(jīng)處理器處理后，數(shù)據(jù)再通過一組接口導入應用。借助圖像傳感器、運動傳感器和陀螺儀，Tango可以繪制運動軌跡的精度達到1%，然后創(chuàng)建一個交互式的3D地圖。

以前，只有大型設備才能實現(xiàn)這些功能?，F(xiàn)在，可以握在手心的小小Tango手機可以與探測火星的勇氣號探測器媲美了，勇氣號是一個重達181.6千克的龐然大物，它可繪制火星地表地圖，小小Tango手機也同樣可以繪制周圍的3D景色。

這部智能手機投放到空間站之后，將為球面機器人增添更多的新技能，如攝像頭、WiFi連接以及定制的3D傳感器。如果可以3D成像的Project Tango手機成了球面機器人的眼和腦，那時球面機器人就成為真正的智能機器人了。它無須任何信號裝置的指引，通過紅外線對周圍環(huán)境進行3D成像，就可以知道周圍的環(huán)境，自己實現(xiàn)自主導航的功能；它可以“飛”到空間站的任何地方，執(zhí)行空間站內檢修任務和幫助航天員處理一些日常工作；它還可以“飛”出空間站，到太空執(zhí)行更重要的任務。

現(xiàn)在，谷歌的研究人員已經(jīng)對Tango手機進行了修改，可專門用于球面機器人。將Tango手機分成兩半，使其接口和照相系統(tǒng)在同一側，用戶可進行連接。

谷歌和NASA對Tango智能手機也已經(jīng)進行了多次試驗，在地面利用失重飛機檢驗球面機器人和Tango智能手機結合后在失重環(huán)境下能否正常工作，計劃在今年晚些時候將Tango智能手機送入際空間站。屆時這款智能機器人將借助Tango智能機在空間站中自主導航并獨立工作，同時經(jīng)過進一步研發(fā)后，球面機器人有望能到外層空間承擔更重要的任務。在NASA的設想中，有朝一日類似的機器人將能夠在太空中飛行，去檢查空間站或其他航天飛行器的外部 。

美國航宇局對此寄以厚望，美國宇航局艾姆斯研究中心的主任Terry Fong稱引入Tango技術之后：“這不僅僅只是普通的升級，而將會為人類進行太空探索翻開新的篇章。機器人如何幫助人類在太空中生活和工作？當探索其他星球的時候機器人會扮演什么樣的角色?Tango都給我們帶來了新的研究方向?！?/p>

Tango手機

相關鏈接

Tango手機

Tango手機是谷歌一項名為“Project Tango”研究項目開發(fā)的一款新型智能手機。在這個手機中，內置了計算機視覺處理器、集成深度傳感器、運動追蹤攝像頭等高端配件。通過這些豐富的傳感器和超強的處理性能，它能夠每秒進行1500 萬次的3D測量、追蹤運動軌跡、感知/掃描用戶周圍的環(huán)境，并利用3D掃描技術繪制出3D地圖及周圍的環(huán)境，創(chuàng)建三維的空間視覺圖。這樣，手機就能像人一樣，通過“雙眼”來感知這個世界，給人們生活帶來更多的樂趣和方便。 用戶可以自行將現(xiàn)實中場景生成的數(shù)字視覺圖與生活瑣事、工作、學習等聯(lián)系起來，為人們在現(xiàn)實和虛擬之間架起了一座連通的大橋，讓二者變得密不可分。其實用性和娛樂性都很強，因此有廣泛的應用前景。

現(xiàn)在舉幾個例子來說明Tango手機的用途吧！眾所周知，人們在戶外活動時，可以通過GPS技術很容易地找到要去的地方。但這些技術在室內無法工作，如果你去一個大商場，要找到你想買的商品和貨架，就要辛苦你的腿了。如果你有了Tango手機，可以利用它的攝像頭和多種傳感器開發(fā)的室內定位技術，很容易搜索到店里商品，指導你前往準確的貨架，在高樓大廈中間迷路的幾率將大大減少。甚至對于盲人來說，將實景收錄之后，再加上語音指示，就能夠避開障礙物和塌陷處，幫助他們在不熟悉的環(huán)境中找到路線。又如，你想為新家添置家具、家電，通常是量好房間的尺寸去購買，盡管很仔細挑選，也往往買后出現(xiàn)大小不合適、風格不搭配等問題。如果有了 Tango手機，在購買家電、家具之前錄制下房間的三維地圖，在看到中意的商品后，就可以在商場中將商品虛擬地布置到房間的三維地圖里，直接查看布置效果，還可以存儲起來，隨時觀看和比較。對于游戲愛好者來說，它更是一次游戲體驗上的超越。將游戲和虛擬場景、現(xiàn)實場景結合，會為用戶帶來更真實、更夢幻、更富有趣味的游戲體驗。像網(wǎng)游小說中的那些全息虛擬游戲，在未來也許完全有望實現(xiàn)。娛樂場所還可以利用該技術快速打造3D場景，而且無需太多準備工作。不僅如此，現(xiàn)在它已進軍太空，為太空機器人裝上高智商的頭和眼了。