2026 Winter Robotics Colloquium: Terry Fong (NASA)

SIDD SRINIVASA: 好的，各位。欢迎来到机器人技术研讨会。我们大多数星期五都会举行会议，并邀请杰出的演讲者。今天，非常荣幸地介绍 Terry Fong。我认识 Terry 很久了。Terry 是 NASA Ames 的首席机器人专家。他已经在那里工作了一段时间，并且一直领导着许多技术和学术工作，同时也将其应用于实际的、离开地球的机器人上，这极其重要。我们作为同行进行过互动，而且，通过——NASA 有一个非常出色的博士奖学金项目，我也有学生通过该项目参与过。所以，如果学生们在这里并且有兴趣与 Terry 谈论此事，请与他联系。我确实有一个关于 Terry 的轶事想分享。我于 1999 年在卡内基梅隆大学开始攻读博士学位，那是很久以前了。Terry Fong 是那里的一名明星学生。Terry 的博士答辩是我参加的第一次论文答辩之一。那是一个坐在后排的小孩，但令人印象深刻。我认为 Terry 真正让我印象深刻的是，对我来说也很有激励作用，因为他能够将极其实际和务实的东西与极其理论和算法的东西联系起来，并将其真正地推向世界，推向外面，真正地与复杂环境互动。而没有比在太空或月球上更复杂的环境了。所以，废话不多说，Terry。

TERRY FONG: 很好。非常感谢 Sidd，感谢你如此精彩的介绍。我甚至不记得我论文答辩的任何细节，除了站在委员会面前，其中一些人我当天才第一次见到，并且感到非常害怕。所以，无论如何，我不记得当时在场的所有人的具体情况。你竟然在听众席里，这太令人惊讶了。但话虽如此，我很高兴来到华盛顿大学。我必须承认一件我多年来一直感到尴尬的事情，那就是我的妻子是西雅图本地人。我的岳母仍然住在离学校 2 英里远的地方。我 30 多年前在西雅图结婚，而今天，是我第一次踏上这个校园。所以我开车经过 Sand Point，我是说，字面意义上，成千上万次，哦，看，那是 Husky 体育场。哦，看，那里有个校园，但我从未踏足。所以我今天很高兴来到这里。我很抱歉没有早点来，但我现在来了。无论如何，今天，我将花大约 40 分钟左右的时间来谈谈我过去几年一直在做的工作。这是一个名为 VIPER 的任务，NASA 计划明年发射，实际上是在 2027 年 8 月。这是我们一直在优先处理的工作，不仅是为了更好地科学理解月球，也是为了未来的载人探索。我稍后会谈谈为什么这很重要。在接下来的 40 分钟左右，如果你有问题，请随时举手。我会尽力在这次演讲中回答，但显然，我们还有很多幻灯片需要讲解，希望我们能做到。我也会尽量留出一些时间在最后回答更多问题。

所以，首先，二十年前，月球被认为是一个与今天截然不同的地方。我们当然通过轨道观测研究了月球。显然，阿波罗任务带回了样本。直到大约 20 年前，普遍的看法是，哦，是的，月球表面就是一堆岩石。它非常干燥。它真的非常干燥。也许有一些稀薄的、稀薄的、由几种元素组成的外逸层。但根本上，我们认为，是的，我们已经采样过了。是的，没什么有趣的。它基本上是天空中的一块岩石球。但这种情况随着一系列任务而改变，包括 NASA 进行的一些任务，包括一个名为 LCROSS 的任务，它是一个撞击器，它揭示了月球不仅仅是天空中一个非常干燥的地方，而且尤其如此，它是一个存在挥发物的地方，或者尤其如此，可能是水冰，以及月球上永久存在的水冰。也就是说，它以一种条件和在一些地点存在，可以维持数十亿年。这实际上是开创性的。那里可能存在挥发物的想法意味着可能存在可利用的资源。如果你想维持生命，你当然需要氢和氧，因为你可以制造水，但它们恰好也是制造火箭燃料最重要的两种物质。所以，与其不得不从地球上发射一切，如果你能利用原地资源，也就是说月球上的挥发物或尤其是氢，嘿，这改变了一切。现在，月球是天空中最大的加油站。这是一个非常重要的地方，因为你可以将其作为任何你想在地球-月球系统——月球空间——或更远地方进行的任何事情的出发点。因此，人们非常关注试图了解确切的水冰在哪里，尤其是在月球的两极。这些水冰在某些地方吗？也就是说，它在表面吗？它在近地表吗？它在地下深处吗？它在温度在一定范围内的区域稳定吗？其中一个问题是，嗯，这实际上意味着在一定范围内的稳定性是什么意思？月球上有一些被称为永久阴影区的地方，我们已经识别出来了。它们是永远看不到阳光的地方，因此，它们可能是太阳系中最冷的地方，尤其是在高纬度地区，那里的地形使得阳光的入射角无法进入这些深坑。而且，这些坑不一定需要很深或很大。可能存在非常小规模的永久阴影区域，甚至只有毫米或厘米级，如果你想获得散装资源，它们可能不太有趣，但其他一些可能达到数十公里规模。所以，当然，问题是，如果冰真的存在于这些地方，尤其是在永久阴影区，我们能否识别出这些地方？我们能否绘制它们并了解这些矿藏的范围？我们能否了解这些挥发物的成分？它们是否基本上是土壤重量的百分之几，混合在土壤基质中？或者它们是否存在于更大的散装浓度中？这些是我们今天不知道的事情，因为要找出这些，你必须在表面。你必须真正地采样这些材料。你不能只从轨道上观察。你需要地面真相。这促使 NASA 多年前提出一项任务去做到这一点，那就是 VIPER。

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- 载人太空探索的未来正受到我们在月球上能够发现和实现的事物的驱动。随着 NASA 确认月球南极存在冰，寻找和绘制水存在的位置、其形态以及其来源的关键任务现在可以开始了。引领我们踏上这段旅程的是 NASA 在月球上的第一个移动机器人任务，称为 VIPER，即挥发物探测极地探索漫游车。它将作为 NASA 商业月球有效载荷服务计划的一部分，被运送到南极的 Nobile 地区。该地区位于 Nobile 陨石坑西缘之外，覆盖面积 36 平方英里。作为第一个在另一个天体表面进行的资源测绘任务，VIPER 将配备三个科学仪器和一个钻头，在不同深度和温度下探测和分析各种月球土壤环境。漫游车将进入永久阴影陨石坑，那里是太阳系中最冷的一些地方，冰储量已保存了数十亿年。NASA 在为 VIPER 选择着陆点时有四个关键参数：可用阳光、从月球到地球的通信地球可见性、显示水和其他资源潜在存在的证据，以及适合 VIPER 导航的地形。Nobile 陨石坑以西的区域满足了这些条件。一旦到达表面，VIPER 的任务将持续 100 天，行程约 10 到 15 英里。虽然已经确定了漫游车在 Nobile 地区的基线行程路线，但 VIPER 在途中进行的科学发现将影响任务团队将其发送到何处。因此，其计划路线很可能会在途中发生变化。在其旅途中，VIPER 将至少访问六个数据表明可能存在冰的地点。通过帮助确定水和其他资源存在的位置，VIPER 的发现将为 NASA 阿尔忒弥斯计划的未来着陆点铺平道路。实现我们在月球上长期存在的希望从未如此光明。

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TERRY FONG: 所以，VIPER 作为一项任务，有两个主要科学目标。一是表征挥发物的分布，包括水平和垂直分布，以及物理状态。二是评估利用这些资源进行所谓“原地资源利用”（ISRU）的可能性。前往月球有很多挑战。月球实际上比火星更难进行机器人任务，因为存在动态照明等条件。这是在极地地区，这意味着太阳在地平线上的角度非常低，导致阴影非常长且动态。它们移动速度高达每秒几厘米，对于所有太空机器人来说，这是一个非常缓慢的移动机器人，这很可怕，尤其是如果你是太阳能供电的。还有一个有趣的挑战，这是一个勘探任务，而不是一个根本性的采样任务，你可以在那里花费很长时间来规划去哪里采样。在这里，我们的主要目标是始终进行勘探，这意味着我们关心平均进展率或从一点到另一点的速度。这也是一项具有挑战性的任务，因为这将是一个与任务控制团队完全互动的任务，他们直接与机器人实时协作。这是我们不为火星做的事情。火星由于通信延迟以及漫游车寿命长达数年而非数百天，这确实迫使团队以高节奏的任务操作结构来思考如何与机器人合作。机器人确实是地球上科学家和工程师的延伸，但它是一个寿命短暂的任务，只有 100 天，必须尽可能高效地完成。是的。

听众：为什么这个任务只有 100 天，而不是像火星那样可以持续数年？

TERRY FONG: 好问题。答案的第一部分是，它是一个太阳能供电的机器人，这意味着我们受到能够获得足够太阳光照以维持充电的限制。上面有一个电池。我们只能储存这么多电量。第二部分是因为月球的特性，我们总会有月球白天和月球黑夜之间的对比。在赤道地区，白天和黑夜大致均等，各占两周，这意味着如果你想让一个机器人能够生存，它需要能够承受月球黑夜。如果你考虑到缺乏阳光，这意味着，嘿，要在 40 开尔文的温度下生存。这极其困难。对于 VIPER，我们有些幸运，因为我们要去极地地区，那里通常海拔较高，而且我们已经确定了一些只经历短暂黑夜的地点，比如持续四五天。很好。所以，确定这些安全港。去那里。如果你能依靠电池供电的生存加热器生存，只要你能去这些地区，你就可以度过任何数量的黑夜。不幸的是，我们一次只能确定四五个或六个这样的地方，我们可以将它们串联起来。这大约是 100 天。这是一个有点复杂的长答案，但这就是情况。是的。

听众：问题。你说漫游车移动得有点慢。是因为它们是太阳能供电的，并且想节省电池，还是有其他原因？

TERRY FONG: 有几个原因。一个原因是，是的，当你设计一个太空机器人时，它确实是一个系统工程问题。你受到质量的限制。你受到体积的限制。这是一个太阳能供电的漫游车，它限制了总功率预算，总共只有几百瓦。但你也受到你携带的仪器的限制。所以，特别是，有一个我们依赖的勘探仪器是中子光谱仪。它不能快速运行。你希望以不超过每秒几厘米的速度行驶，因为它正在测量近地表中的氢。

听众：你能谈谈历史吗？它似乎非常有趣。

TERRY FONG: 历史。是的，我在这里没有涉及历史部分。我希望跳过那部分。所以，VIPER 不是 NASA 感兴趣的第一个勘探挥发物的任务。从 2014 年到 2018 年，有一个名为 Resource Prospector 的任务正在开发中。所有这些工作都由 NASA Ames 领导，NASA Johnson 和 NASA Kennedy 也参与其中。但 Resource Prospector 经历了所谓的 A 阶段和 B 阶段，这导致了初步设计，然后于 2018 年因各种原因被取消。不久之后，它以 VIPER 的形式重新出现，并一直持续到 2024 年，但由于其他原因，与预算有关，坦率地说，预算直接与疫情有关，因为它对整体供应链和延误以及一切都产生了影响。举个例子，VIPER 的摄像头系统是商用摄像头，延迟了 24 个月。所以，如果你是一个工程团队，说，哦，嘿，我的摄像头，我需要在这一天拿到，这样我才能进行集成，然后在这一天进行测试。然后你被告知，嘿，你必须多等两年，这完全打乱了你的计划。作为一名经理，这意味着什么？嗯，如果延迟了，我必须留住那些人，或者我必须让他们回来。或者，如果我不能留住他们，也不能让他们回来，我必须雇佣新的人，这往往只会导致预算出现问题。总之，出于所有这些原因，我将展示我们最终在 2024 年的情况，VIPER 任务被取消了。NASA 说，好吧，看，我们离发射这个系统很近了，让我们想办法。幸运的是，在九月份，NASA 想出了办法，好的，这里有一个新的方法来处理这个问题。我们将继续，我们将基本上复活 VIPER。我们不会改变名字。它仍然是 VIPER，而且它实际上将要飞行了。就任务整体规格而言，正如我之前所说，并回答了为什么它不能持续数年的问题，我们预计将有 5 到 6 个月球日，也就是大约 100 天的表面操作时间，具体取决于最终的行程安排，争取总行程约 20 公里，最多可达 30 公里。该系统设计为能够行驶 30 公里。顺便说一句，与我们在火星上所做的相比，这真的很快，就单位时间内的距离而言。在 40K 到 300K 的温度范围内运行，进行长达 51 米的钻探活动，以及这项任务中许多与其它任务截然不同的有趣的事情。Omar。

听众：很高兴见到你。我有一个普遍的问题，可能很有趣。对月球的赤道地区是否会有未来的兴趣——

TERRY FONG: 是的。事实上，NASA 有兴趣将机器人送往月球的许多不同地方。显然，极地地区因其原地资源潜力而备受关注，但显然，我们对月球其他地区仍有很多不了解的地方。所以，不完全是赤道地区，但例如，有一些被称为月球漩涡的区域，它们是磁异常。我们不明白为什么我们会看到这种奇怪的磁场行为。所以，实际上有一个名为 Lunar Vertex 的任务针对这一点。我猜它也将在 27 年发射，去看看那个。正如视频所说，我们任务的区域是一个叫做 Nobile 的地方，至少在 Nobile 陨石坑的西缘。整个区域后来被重新命名，或者可能没有重新命名，它被命名为 Mons Mouton，以一位曾在戈达德太空飞行中心工作的 NASA 数学家命名。飞行器，漫游车本身，今天看起来是这样的。最终组装于 2024 年 6 月完成，所以今年夏天，我们将完成飞行系统的建造两年了。这实际上是在 NASA Johnson 的一个洁净室里拍摄的，我们在这里完成了所有的集成工作。你可能会问，为什么要在 NASA Johnson 集成？一个原因是它是一个大型系统，我们想利用 NASA Johnson 现有的环境测试设施。其中之一是一个叫做 Chamber A 的大型测试室，NASA 在命名方面非常有创意。这是一个非常大的地方，我们可以进行热真空测试。所以我们基本上在那里组装了漫游车，从一个建筑到另一个建筑进行测试的距离很短。但漫游车已经完全组装好。它自 2024 年以来一直准备好发射。鉴于这里有很多机器人专家，我来介绍一下，这是一款全电动漫游车，有三面的太阳能电池板。它总共有八个摄像头系统，包括一个安装在桅杆上的万向节单元上的立体摄像头对。我们用它来进行导航。还有一个高增益和低增益天线系统，也安装在万向节系统上，用于直接与地球通信。还有其他摄像头，比如立体摄像头。每个轮舱都有摄像头，用于观察车轮与土壤的接触。有三个主要仪器，三个光谱仪——一个中子光谱仪，一个近红外光谱仪和一个质谱仪，以及一个 1 米的旋转冲击钻。所有这些都组成了完整的地面部分，也就是在地面上移动的东西。VIPER，与你在这里看到的其他一些系统相比，它的占地面积约为 1.5 米 x 1.5 米 x 2 米，外形尺寸；约 430 公斤；最高速度 20 厘米/秒。你可以看到它如何与例如顶行中的一系列火星系统和底行中的月球系统进行比较。所以，太阳能供电。全电动漫游车。我经常被问到这样的问题，嗯，为什么它不是由放射性同位素供电的，这样你就不会依赖于能够生存下来。答案是，当 VIPER 开始时，NASA 说，看，我们希望这个任务能快速完成。确保你的系统不会快速完成的一种方法是集成任何核相关的东西。因为这需要大量的测试，大量的文书工作，接触非常有限的放射性同位素供应，以及所有这些事情。所以我们避免了这一点。事后看来，既然我们知道花了多长时间，我们是否会重新考虑？也许。但目前，我们是完全环保的，全电动太阳能供电的漫游车。是的。

听众：那么漫游车内部的电子设备呢，它们是否必须能够承受辐射，还是你们现在可以使用更多的消费级电子产品？

TERRY FONG: 是的。这个问题的答案有两个方面。一方面是我们当然在努力使这个系统尽可能具有风险容忍度。也就是说，我们认识到，是的，辐射的冲击，尤其是扰动甚至完全闭锁都是问题。所以对于航空电子设备，至少在计算方面，我们试图折衷。所以实际上有两个主计算机，其中一个是抗辐射的，非常坚固，防弹的系统，已经飞行了许多任务。如果你感兴趣的话，处理器是 RAD750，它是一个抗辐射的处理器，但它非常慢，超级慢。我的意思是，这里的每个人都有比你口袋里的东西快十倍，甚至一百倍的东西。我们还有一个抗辐射的处理器，我们用它来进行一些机载图像处理。它不是消费级的。它是一个 1GHz 的。我认为是 8 核处理器是抗辐射的。所以，如果它受到特定辐射的撞击，它很可能会重置。但它不是核心功能。它为什么想让我登录网络。是的。

听众：所以，关于这个问题，你们将商用级计算设备放入一个抗辐射的盒子有多难，这样你们就可以利用我们现在可以获得的计算能力，而无需过多担心辐射？

TERRY FONG: 是的，这涉及到它如何融入整体系统工程的问题。因为如果盒子很重，那是个问题，因为你增加了质量，只是为了确保电子设备正常工作。或者如果存在热量考虑，比如，好吧，你已经把东西装进了一个漂亮的盒子里。那么，如果它过热怎么办？你如何处理多余的热量？这些是所有太空系统都必须处理的工程权衡。所以，即使你可以说，嘿，如果我们使用更快、商用级的计算能力，我们可以大大简化，那没关系，直到热工程师说，好吧，不，你搞砸了我的生活。让我继续吧。我将跳过仪器，因为我之前已经简要提到了它们，并跳过其中一些内容，来谈谈一些更有趣的机器人方面。这是一个四轮漫游车。它具有独立的转向、悬架和推进系统，是旋转驱动。这与火星上的漫游车不同，火星上的漫游车最多有六轮摇杆转向架系统。我们这样做是为了提高漫游车的能力，那就是我们想要一个能够应对我们对其环境了解较少的环境的系统。对于永久阴影区域的表面成分，我们知之甚少。我们合作的科学家，月球科学家说，哦，永久阴影区很可能有很多松散的土壤。我说，嗯，“松散”不是一个非常精确的术语。你能定义它吗？不，我们不能，因为我们不了解实际的分布。压实度如何？材料有多松散？所以我们选择了一个我们可以控制悬架的系统。这使我们能够做一些事情，比如不仅仅是正常驾驶，也就是显式转向，但我们也可以做其他事情，比如我们走路。我们还使用它来调平车身，以便更容易确保钻头垂直于表面钻入。当然，我们通过受控驱动来实现这一点。给你一个想法，这只是一个车辆功能检查的视频。你可以看到它如何基本上进行滚动，作为主要的移动方式。我们可以转向。我们还可以控制悬架。当然，这 12 个自由度中的每一个都可以独立控制。抱歉，我必须暂时中断一下。我的网络一直在尝试连接。我们对整个车轮进行了大量测试。我们已经测试了 40 公里的行驶距离，这是目标基线距离的 2 倍，在各种不同的岩石和不同的配置下常规行驶。这是在匹兹堡一家名为 ProtoInnovations 的小公司进行的一些测试。只是给你一个关于行星漫游车车轮测试是什么样的想法。我的意思是，这是无休止的来回驾驶，并进行大量的记录和评估车轮。在车轮的外部，我们有履带，基本上是这些带纹的金属板鳍，我们用它们来跨越物体。我们在 NASA Glenn 的斜坡实验室等地方进行了大量测试，这是一个有大床的地方，我们可以升高和降低不同的倾斜度。我们有月球土壤模拟物或模拟月球土壤，我们可以测试诸如岩石穿越等事物。实际上，这有点有趣。我们制作了一个智能岩石，在岩石上安装了一个测力计来测量岩石承受的力，以此来更好地理解越过和绕过岩石的整体力。在像陨石坑这样的大型环境中进行测试，这些陨石坑与漫游车规模相同，试图观察当你进入非常非常松散的材料时你会铲多少雪。这里，这是一个漫游车大小的陨石坑，在 15 度斜坡上。极限打滑测试。这是一个 30 度斜坡。这超出了我们预期的任何驾驶范围。但以防万一，我们试图了解系统的整体能力。这也带来了一些有趣的创新，VIPER 已经完成。这是在匹兹堡与 ProtoInnovations 合作完成的一项工作，关于实时打滑检测，利用惯性测量、电机电流和车轮里程表来基本上实时评估发生了多少打滑，发生了多少牵引力损失，这是行星漫游车迄今为止尚未做到的事情。这会反馈到我们的机载危险检测系统中，以控制机器人穿越地形的方式。我们也试图看看最坏的情况。所以，正如我所说，我们一直听到月球科学家说永久阴影区是松散的，这意味着，当然，它们是容易卡住的好地方。为了测试这一点，NASA Glenn 的一个东西是这个，叫做沉没箱。这实际上充满了页岩。如果你不熟悉页岩，这些基本上是非常小的球形陶瓷珠。如果你有过孩子，或者见过孩子们在装满塑料球的箱子里玩耍，然后不停地摔倒，那就是那种情况，只是规模要小得多，细得多。对于轮式移动系统来说，这是最糟糕的尝试通过，我们已经进行了测试，以验证我们确实可以做到。我们做到这一点的方法是使用这些替代的移动模式。所以这是我们控制悬架、转向和滚动推进以有趣方式的能力。所以这是一个履带式步态。所以漫游车不仅仅是正常驾驶，而是利用每个车轮舱上这三个不同的自由度来控制其行为。这是一种车轮行走行为，我们研究了各种步态，有些看起来更像行走，有些看起来更像游泳，有些是混合的，以了解如果我们陷入非常糟糕的境地，什么才是可能的。所以这是与其它行星漫游车不同的一个非常独特的东西。我们一直在做的另一件事是看看我们如何例行地在跟踪地球的同时移动，因为 VIPER 的操作依赖于实时通信，视线，从漫游车到地球的点对点通信。所以你在这里看到的是一个放置在高增益天线位置的摄像头的视图。它正在看向月球，我们在夜间驾驶，并验证我们在移动时能够保持对月球的指向。所以，当机器人越过岩石和穿过陨石坑时，它必须能够充分跟踪并确保月球保持在约三度的范围内。这项任务的另一部分当然与我们如何操作机器人有关，如何导航，如何定位和识别危险。所以其中一部分是极端依赖于使用摄像头系统。没有适合漫游车、尺寸合适的 LiDAR。即使现在，也有很多正在开发中，但总的来说，行星漫游车依赖于摄像头，特别是立体视觉。因为我们要去黑暗区域，我们还必须使用补充照明。所以 VIPER 将是第一个拥有真正意义上的前灯的行星漫游车。我们在 NASA Ames 的一个实验室进行了大量测试，叫做月球实验室，名字再次很有创意。这是一个我们拥有高保真月球表面表示的地方。我们通过使用 12 吨的月球土壤模拟物 LHS-1（代表月球高地模拟物，名字也很创意）在一个大型沙箱中创建了代表性月球地形的比例模型来实现这一点。例如，我们有我们要去区域的月球陨石坑和岩石的尺寸频率分布。所以我们将其缩小，放入沙箱。它们实际上是手工制作的。这是一项很辛苦的任务，我承认实习生花了很多时间，基本上是手工制作这些地形。而且不仅仅是单一的地形，我们想要各种地形用于测试目的。我们有大量的数据集。如果你有兴趣查看这些东西，我们已经从这个测试平台发布了许多数据集，并将继续这样做。我们使用这种测试平台来基本上检查计算机视觉系统、摄像头性能和灯光性能，至少在比例模型中是这样。这引出了下一个有趣的事情，那就是任务规划。VIPER 作为一项需要在短时间内运行的任务，非常依赖于任务规划的有效性。而且，因为它是一项发现任务，我们所了解到的关于月球表面和月球地下的一切，都会改变我们对剩余任务的看法。所以持续重新规划是 VIPER 的一个重要组成部分。我们非常依赖于多种方法来做到这一点，来制定战略和战术计划，但我们必须在月球挥发物的分布和状态等限制条件下做到这一点。到目前为止我们观察到了什么。我们的限制是什么，比如与地球的视线通信，到目前为止的总行驶距离？斜坡的分布，行驶速度，我们担心移动阴影高达每秒 2 厘米？这迫使我们必须制定能够处理从自动分析考虑了这些限制的计划的系统，我们使用高分辨率的 3D 地形模型来生成战略行程，然后将其输入到战术行程规划中。最终，这会产生类似这样的结果。所以这是一个典型的 VIPER 行程。箭头代表漫游车随时间的变化。这是一个行程计划。如果我们从 2023 年 11 月到 2024 年 3 月运行，你可以看到漫游车基本上停留在阳光下。有时它会到达一个位置，它必须等待太阳和阴影以适当的方式移动，以便当它开始再次移动时，它实际上可以到达下一个位置。有时你必须在某个特定时间到达某个位置。这是一个安全港位置，以便你可以停止并度过月球黑夜。这些是我们通常会推出数百甚至数千种可能的行程，然后评估它们的适用性，以制定一个合适的，基本上是 x、y 和时间行程计划，这是手动无法完成的事情。

另一件有趣的事情是，我们开发了高分辨率、高精度、高质量的模拟，以测试我们的系统并支持任务培训。有一个名为 VIPER Rover SIM，简称 RSIM 的模拟系统，我们开发它是为了专注于高质量的月球照明模拟、高保真的摄像头建模、实时打滑建模，以及使用非常非常高分辨率的科学上合理的合成月球地形模型。这意味着我们将使用我们的月球实验室来测试摄像头，然后我们会在模拟中尝试重现它，比如摄像头模式。我们担心模拟中的性能与现实世界相比如何。例如，曝光。我们担心其他摄像头参数，如镜头眩光。你可以比较实验室版本和模拟版本，或者其他方面，如固定模式噪声或成像仪上的平场效应，甚至景深。所以我们有非常非常精确的摄像头模型，用于模拟，以帮助我们支持诸如导航系统的开发等工作，该系统使用立体视觉来生成点云，然后我们将这些点云与 DEM 进行配准，以估算位置。其中一部分涉及创建数字高程模型。我们有一套名为 Ames Stereo Pipeline 的工具。这基本上是开源摄影测量工具。这是我们使用月球勘测轨道飞行器上的 LOLA（激光高度计）仪器创建的 DEM 之一。最终得到每像素 5 米的 DEM。这些被认为是月球坐标系黄金标准，激光高度计读数。但当然，这个比例对于漫游车来说是无用的。每像素 5 米。漫游车是 1.5 米 x 1.5 米。它在一个像素中就消失了。所以，相反，我们构建了更高分辨率的模型。这是使用月球勘测轨道飞行器上的立体图像的光度计技术，以获得每像素 1 米的模型。但即使这也不够，如果你担心测试你的计算机视觉系统或进行培训。所以，相反，我们以此为起点，然后根据陨石坑等事物的尺寸频率分布，创建了科学上合理的合成地形。例如，这里看到的非常暗淡，这是一个每像素 1 米的实际月球 DEM。我们将应用我们对陨石坑和岩石的了解来创建高分辨率的合成地形。所以这是一个每像素 4 厘米的版本。然后，这使得我们能够进行像这样的表面模拟，我知道在这个屏幕上很难看清。我认为稍后的 YouTube 流会有一个更好的版本，但这基本上是向我们展示了具有非常高的照片真实感保真度的月球表面模拟，包括投射阴影，以及这个有趣的现象叫做反照率效应，即如果你直接对着太阳看，所有 0 相位直接在一条线上的东西看起来会比其他部分人为地更亮。这与月球土壤颗粒反射和准直光的方式有关。

VIPER 的另一件有趣的事情是任务操作。正如我所说，我们将其视为一项交互式任务，地面控制团队与月球上的机器人实时协作。为了做到这一点，我们有几个关键的操作点。有工程功能，基本上是如何了解漫游车在哪里，如何命令它去哪里。这与实时科学方面相结合，即如何查看任务从漫游车传回的数据，然后规划获取更多表面测量值的下一个地点。我们这样做的方式是使用一个分布式操作团队，大部分人员在加州的 NASA Ames，由休斯顿的 NASA Johnson 和佛罗里达州肯尼迪的 NASA 的人员支持。我们基本上是从科学站到科学站进行驾驶操作。从科学站 1 到科学站 2 的过程是尽快完成的。这导致了各种有趣的事情。如果你是 AHRI 人员或人类团队人员，挑战在于弄清楚如何构建一个操作团队，这非常吸引人。为了做到这一点，我们研究了迄今为止火星漫游车的操作方式。我们研究了空间站上的机器人迄今为止的操作方式，并试图找出这些与我们为 VIPER 担心的东西的交叉点。你会发现 VIPER，以紫色显示，具有火星或 ISS 的某些方面，但仍然独特不同。例如，我们依赖于命令序列的想法。我们不是通过实时操纵杆来命令漫游车，而是发送位置命令，从一个航点移动到另一个航点。这与火星漫游车的操作方式相同。但我们也必须处理极端的照明条件，而火星上没有这种条件，但空间站上有，因为空间站绕地球运行。它会非常快速地从光照区域进入黑暗区域，这与我们为 VIPER 担心的类似。作为实时科学操作的一部分，我们有一个科学团队与操作工程团队密切合作。他们根据迄今为止收集的数据做出交互式决策，决定去哪里。而且，我认为，这里有很多工作是从地球上的海洋科学研究方法和组织技术中衍生出来的。如果你曾经参与过在研究船上出海的人，你通常会依赖于从船上部署的 ROV，并且有实时操作团队和实时科学团队与该 ROV 合作进行科学研究。VIPER 的科学操作与此非常非常相似。他们使用工具来查看实时信息图。他们生成实时计划。我们的一部分工作是使用一个名为 open MCT 的系统。这是 NASA 的开源任务控制工具集。此外，我们大量使用地图。正如你可能猜到的，这是一个以测绘为主的任务。有一套工具为科学团队提供实时地理空间数据。然后，作为一名机器人专家，我当然关心的是，不仅仅是科学，而是真正思考我们如何操作机器人。为了做到这一点，我们投入了大量精力思考如何有效地操作一个机器人，它必须随着时间的推移取得尽可能多的进展，从一个点移动到另一个点。在 Ames 任务控制中心，特别是操作员的第一排，是我们认为的驾驶团队。这是一个由多人组成的团队，包括一名与驾驶员和副驾驶员以及导航员合作的实时科学家，以有效地弄清楚机器人现在在哪里，如何弄清楚它接下来需要去哪里，然后命令和监控其执行过程。这个团队必须考虑命令周期，就像我之前说的，就像火星一样，你基本上是在尝试进行地形危险评估、运动规划、图像规划、交互式科学，以及以相互依赖的团队方式命令航点。但你一遍又一遍地重复这个过程，通常每分钟 4 到 5 分钟一个命令周期。这意味着每小时做出大约 10 到 15 个任务关键决策，持续不断。这是一项非常艰巨的任务，我们花了很长时间进行操作模拟来验证整体操作方法。我们关注的主要情感控制是航点驾驶。以我们现在的速度，这意味着基本上每小时命令漫游车 10 到 15 次，从其位置驾驶 4 到 8 米到下一个航点。然后，漫游车当然必须在机载执行此操作，并能够高效准确地从一个点移动到另一个点。我只想指出，这只是这个操作团队持续执行的任务类型的一个快照。从评估机器人状态和地形危险到规划战术路径，考虑漫游车运动，并记住我们可以同时控制转向、滚动和悬架行为，所有这些都由这个团队完成，规划导航、成像和所有这些命令。但这看起来很复杂。除非你将其分解，并从机器人专家的角度思考，并认为，嗯，这基本上意味着我们正在做所有机器人都在做的事情——我们正在感知、规划、行动。我们只是试图用这个混合系统来完成，机器人执行其中一部分。人类执行其中一部分，而人类则得到决策支持工具的支持，以帮助实现这一点。现在，为了回答可能出现的任何问题，为什么这不能在机载完全自主完成？这是因为 VIPER 在任务开始时，被设想为一项必须在三年内快速飞行的任务。我们没有时间进行全面的详细测试活动，在那里我们将实际测试机载自主性的所有方面。但我们构建了所有工具来做到这一点。实际上，从机器人学的角度来看，很容易从我们为操作员提供的支持工具转向说，哦，我们将把所有这些都放在机载，我们将闭环。但我们没有这样做，因为有快速飞行的驱动力。我将在接下来的几分钟内进行总结，并向你展示这是操作工具之一。它是主要的漫游车驾驶界面，名为 verve 的系统，我们在这里查看摄像头图像。我们有数字高程模型和基于轨道数据的 3D 视图。这是我们今天已经获得的关于月球的数据。但同样，这只有大约每像素 1 米。我们最终会进行实时评估。所以我们在漫游车上拍摄立体图像来构建危险地图。这些地图是根据我们对漫游车处理台阶障碍物、正负障碍物或斜坡的能力的理解来构建的。然后我们对其进行颜色编码并提供给用户以做出实时决策。这就是它的工作原理。这是实时的。所以操作员会放置一个航点，你可以看到一个幽灵漫游车指示漫游车的整体姿态。我们将控制诸如相对于当前航点的方向等内容。左上角有一个目标。那是导航摄像机的位置。我们还担心确保我们有从航点到航点的覆盖范围，以支持诸如视觉里程计等工作。所以我们想确保图像之间有足够的重叠。我们还可以查看先前的数据。所以这里有一个过去的 Navcam 图像，操作员正在飞入以进行微调。所以你实际上可以看到图像叠加在 3D 地形上，然后我们将命令漫游车行驶。当然，在一些延迟之后，通常是几十毫秒，这与我们必须通过深空网络通信有关，所以有地面站缓冲等等。然后漫游车将开始行驶。在这种情况下，它正在这个漫游车模拟器中行驶，但所有这些在月球上都会以同样的方式工作，希望如此，明年。这让我来到最后几张幻灯片，即 VIPER 飞行任务。正如我在九月份所说，决定向前推进 VIPER，并且 NASA 公布将与 Blue Origin 合作，就在你们附近，前往月球。事实上，我来这里的原因是下周要与 Blue Origin 开会。Blue 正在提议或计划，我应该说，不是提议。它计划在他们的 Mark 1 着陆器上将 VIPER 送往月球，这实际上是迄今为止建造的最大月球着陆器。这是一个 8 米高的着陆器，漫游车将降落在月球上，距离地面 8 米高。所以，当然，如何从离地面 8 米高的地方到达地面是一个巨大的挑战。你不能直接滚下去或跳下去。所以现在有很多关于基于起重机的系统的工作，试图安全地将漫游车从着陆器的顶部甲板卸载到表面。这个着陆器是为 Blue Origin 的 New Glenn 发射载具设计的，该载具有一个 7 米直径的整流罩。这是你可以将整个堆栈放入的地方。所以这是一个非常大的系统，而且我认为它具有远远超出 VIPER 的巨大质量能力。我们现在的情况是，早在九月份就宣布了我们将与 Blue Origin 一起向前推进。Blue Origin 的基本合同期将持续到今年六月，届时他们将设计住宿，也就是说，漫游车将如何被运载到他们的着陆器上，演示如何将其卸载。然后这将进入选择期，我们完全预计该选择期将持续到六月之后，一直到 2027 年 8 月 VIPER 发射。在此期间，Blue Origin 将发射他们的第一个版本，或者

这是着陆器的第一个单元，序列号为 1，将于今年晚些时候发射，然后序列号为 2 的着陆器将于 2027 年 8 月携带 VIPER。我们的预期是，到我们于 9 月 27 日着陆时，这将为我们在月球表面进行大约四个月的作业做好准备，然后我们将在 1 月份看到地表作业。到我们完成数据分析时，VIPER 的大量数据将出现在行星数据系统中，这是过去 NASA 任务数据的公共数据库，届时大概是 2028 年 9 月底。但我将在此结束。我认为我们还有 5 分钟时间提问。我很乐意就您听到的但没有机会提问的任何内容进行更详细的讨论。如果您有兴趣了解更多信息，当然，有一个网页。而且我可能是 NASA 最容易找到的人之一，所以给我发电子邮件即可。是的。听众：我认为在早期的幻灯片中，您谈到了机器人上的组件。其中一个是星跟踪器。我认为我了解它们，但我认为它们非常有趣。我有一个问题是，你们在月球周围有相当于 GPS 的东西吗？如果有，为什么还要使用星跟踪器？如果没有，那么使用星跟踪器就显而易见了。然后，对于其他人，如果您能解释一下星跟踪器，我将不胜感激。我觉得它们非常有趣。TERRY FONG：是的。所以 VIPER 带有一个星跟踪器，它基本上有一个内部的恒星地图，它会观察天空来确定，特别是相对于恒星图案或恒星场的整体方向，我应该说。我们使用 VIPER 来估算绝对方向。当然，我们可以使用我们车载的惯性测量单元，也就是陀螺仪和加速度计，以更高的速率做得更好。但对于绝对方向，尤其是方向，我们依赖于星跟踪器。回答您的问题，不，月球上目前没有相当于 GPS 的东西。已经有过关于我们是否可以建立一个临时或可能更长期的，可能不是永久的，但在一​​段时间内相当于 GPS 的讨论。它还没有出现。是的。听众：这是第一次从地球进行的远程操作任务，还是之前已经进行过一些远程操作的工作？TERRY FONG：就行星探测车而言，显然对于 NASA 来说，我们之前的探测车任务是前往火星。通信往返延迟，可能长达 40 分钟，使我们无法以交互方式进行操作。我不敢说 VIPER 是纯粹的远程操作，因为显然它仍然是自行从一个点行驶到另一个点。事实上，它有车载安全保护措施，以避免打滑情况，或者在通信信号丢失的情况下，它知道如何尝试后退并尝试重新获取通信，从最后一个已知良好位置。因此，如果它被地形特征挡住了，例如，因为探测车打滑了，突然之间，它就下去了，它会尝试后退并重新获取信号。当然，还有其他的行星探测车任务。中国已经在月球上执行了任务。当然，这意味着我们，地球上的人们，已经从月球机器人那里获取了一些数据。但这将是 NASA 的第一次月球表面机器人任务。是的。听众：这可能是一个冗长的问题，但您提到一旦着陆，探测车将要走的路径是​​预先确定的，但愿意改变。我想知道，我认为火星上的探测车任务，他们并不在月球或火星本身分析样本。那么除了你们设定的检查点之外，什么会影响路径的改变？是环境问题，还是你们无法分析检查点本身？TERRY FONG：所以 VIPER 的一个特点是仪器提供实时遥测数据，所以我们可以实时分析它。VIPER 的科学测量计划与我们基本上将月球视为代表四个不同的冰稳定性区域的事实有关。所以是基于冰在表面是否稳定？它在最近的地下，可能向下到 50 厘米处是否稳定，还是在更深处稳定。当然，还有我们不期望看到任何冰的区域，干燥的、控制区域。在每个区域中，主要目标是积累一定量的测量值，以单位距离和空间覆盖率进行。因此，实时地，科学团队正在说，嘿，我们在近地表区域获得了大量数据，但在深层区域的数据却不多。这将决定我们如何重新确定行程规划的优先级，以说，好的，让我们尝试获取更多深层测量数据。另一个因素是我们无法从轨道上看到每一个障碍物，这意味着即使我们规划的行程看起来是穿越完全无害的区域，也许实际上有很多 20 厘米的岩石，这会阻止我们快速移动，或者它非常滑，导致我们落后于整体计划。因此，实时地，我们还必须重新规划如何从 A 点到达某个安全避难所，在那里我们需要待下去才能度过月夜。所以各种有趣的实时因素都会影响行程规划。是的。听众：您谈到了开源。学生们可以通过众包的方式为 VIPER 和相关项目做出哪些贡献？TERRY FONG：是的，这是一个很好的问题。NASA 一直在努力寻找方法，让其他人更容易地利用 NASA 的成果并将其用于其他目的。这就是我们发布软件开源的原因之一。所以你可以拿走我们设计过的任何东西，或者我们试图在软件中封装的知识，并将其应用于你自己的任务，无论是企业任务、行业任务，甚至是学术大学任务。例如，在卡内基梅隆大学，有几辆月球探测车正在开发中。其中一辆是 IRIS，它已经飞行了，但不幸的是没有去任何地方，因为它所在的任务实际上没有到达月球表面。卡内基梅隆大学开发的另一辆任务探测车叫做 MoonRanger，我们希望它还能飞行。除此之外，就学生做出贡献而言，我们仍在努力弄清楚，哪些是有效的途径。例如，设计像 VIPER 这样的系统需要对月球环境有深入的了解和知识，而总的来说，如果你去全国各地的机器人部门，很少有人是月球表面地貌学、辐射和照明条件方面的专家。因此，我认为我们倾向于更多地关注那些与地球事物更普遍相关的东西，比如，总体的进展，比如行程规划。运动规划是一个很好的共同点。它只是关于几何约束。我得说，我自己不是一个运动规划师，而房间里所有做运动规划的人都会说，哦，不，这远不止于此。但我的意思是，我认为这里的关键点是，NASA 不以盈利为目的，因为我们是美国政府的一部分。我们由纳税人的钱资助。我们所做的一切都旨在传播，而开源恰好是实现这一目标的一种工具。听众：例如，如果学生开发了一个机器学习模型，开发了数字高程图，然后在质量等方面进行了验证，这会对 VIPER 有用吗？TERRY FONG：是的，会。然后我们会做的就是，我们会弄清楚，好的，我们是否有时间看看正在做的事情？我们如何测试它或验证它的属性，比如准确性？以及一个基于学习的方法生成的地图与更传统的分析方法相比，在特定地图上是否存在非线性误差？我的意思是，例如，Ames 立体管线，这是一套开源工具，非常经典。它有一个高质量、高保真、高精度的立体相关器作为核心，然后它基本上会馈送到一个捆绑调整方法，我们获取大量的不同图像，并将所有不同的立体观测进行捆绑调整。这是非常传统的。根本没有学习的方面。但因为它是传统的，我们可以描述它的性能。我们可以理解在不同几何条件下的误差分布。所以这就是我们依赖它的原因。如果有人向我们提供一个基于学习的系统，产生类似的输出，我们想了解，好的，那么局限性是什么？可能会出现哪些性能误差，以及我们如何基本上结合这些东西？听众：谢谢。TERRY FONG：我认为我们已经超时了。SIDD SRINIVASA：我们已经超时了，所以我们应该感谢特里和——[掌声]