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嫦娥五号升空 揭秘背后的“西安交大力量”
2020-11-24 15:24
西安交通大学
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  11月24日,我国自主研发建造的“嫦娥五号”探测器搭载“长征五号”运载火箭从海南文昌航天发射场成功发射,这标志着我国嫦娥探月工程“绕、落、回”三步走战略目标的圆满成功。

  作为目前全球最大吨位无人深空探测飞船的“嫦娥五号”,将实现中国航天探月史上的多个“首次”:首次在月球表面自动采样,首次从月面起飞,首次在38万公里外的月球轨道上进行无人交会对接,首次带着月壤以接近第二宇宙速度返回地球。

  嫦娥探月工程自2004年正式立项启动以来,历经16年终于赢得了如今的收官之战,其背后是成百上千家科研单位和数以万计的航天科技工作者的辛苦付出,西安交大科研人员也为这项伟大的事业贡献了一份力量。“嫦娥五号”直接影响自主采样任务成败的表取采样视觉信息处理系统,正是由西安交大人工智能学院郑南宁院士指导下的视觉信息处理与应用国家工程实验室空间视觉团队完成,项目负责人是王飞教授。

  反复测试 确保每个环节精确无误

  此次承担月表采样任务的组合体为着陆器和上升器的组合体,由着陆器搭载着上升器降落在月球正面的吕姆克山脉附近,并由着陆器身上安装的“岩心钻探机”和“机械臂”等多样化采样工具完成月岩和月壤的自动采样,而后送至上升器的器具中封装保存。因此,采样的视觉信息处理系统直接关系到采样任务的成败,交大团队负责这一重要环节——通过表取采样视觉信息处理系统引导机械臂进行自主采样并确保效率和精确度,还要将采样过程中的图像压缩传送回来,供地面工作人员进行精准研究和分析。

  与地球相似,月球也进行自转运动,因此月球上也像地球一样有白天和黑夜之分。不过,由于月球自转一周的时间等于一个恒星月(27天7小时43分11.47秒),月球上一天的时间大约相当于地球的1个月。一个白天的时间大约相当于地球的14天,黑夜的时间大约也相当于地球的14天。项目总体负责人王飞表示,在实际采样抓取过程中,必须让机械臂满足视觉闭环各项指标要求,视觉自主引导,确保采样工具成功抓取并完成封装动作。月昼状态下,光照强度远超地球,而且月球表面地形复杂,团队必须反复模拟和测试各种工况下视觉信息处理系统的处理结果是否满足需求。

  例如,在强光照环境下自动曝光试验和测试中,需验证自动曝光功能在强光照环境下的成像质量,是否能准确引导机械臂自主完成抓取和放置动作,确保机械臂使用的精确度。不同强度的光照,甚至器械着陆月球表面不同的倾斜角度,都是需要考虑的因素。综合这些条件轻微的改变,他们需要反复测试视觉系统的精度,一般一个实验需要持续1到2个月。

  在图像压缩传输可靠性实验验证中,团队使用彩色小球和复杂标记验证图像压缩算法。软件负责人张秋光说:“我们购买了20万个直径约5mm左右的彩色小球,模拟复杂环境,测试图像压缩算法,确保在各类场景下图像压缩算法满足指标要求。”同时,打印多张大幅面的复杂图案进行测试,通过不同距离和姿态下误差分析,完成三维位姿精度测试和目标识别率测试。

  团队成员普遍表示,在做这些实验的时候,最难的并不是实验耗时长、实验条件复杂,最难的是“归零”——只要一个数据或者算法出现了偏差,哪怕是概率极低的情况,也会导致软件“归零”。按照航天质量要求完成“归零”既是一项艰巨的任务也是一个团队成长的助推器,他们没有退缩。王飞说:“办法总比困难多!我们没时间也不能后退,我国的航天事业起步晚,我们想要实现追赶超越,必须分秒必争!”

  团队协作 肩负使命奋勇向前

  在各种严苛的技术指标要求下,该团队发扬西迁精神,以能吃苦,能战斗,能攻关,能奉献,严慎细实的工作作风,一路披荆斩棘,经过预研阶段、初样阶段、正样阶段的埋头苦干,经过无数次的试验与验证,终于圆满完成了任务。

  对于这支平均年龄在35岁左右的团队而言,整个研究过程更像是一堂“成长课”。王飞说:“那段时间,通宵做项目已是家常便饭,最忙的时候,连续一周时间,不分白天黑夜,团队以15分钟为单位制定工作计划,严卡每一步工作成效,并确保达标,否则就会影响后续科研工作进度。面对这种压力,大家的状态都是‘拼了’。”

  高强度的科研压力下,如何把自己的状态调整到最佳?张秋光说:“首先不能慌,心态平和,一点点去做手头的事情。其次就是来自团队的鼓舞,身边每个人都在为这项事业拼搏奋斗,这种氛围会互相感染,我们彼此帮助,共同前行。”

  提起那段经历,软件开发与测试人员李园园、罗勇强、裴广利、何峰眼里都闪着光:“近70岁的郑南宁院士和我们一起攻坚克难,我们哪还好意思不努力!”

  项目质量负责人王一唯说:“现在看来,经历过这项工作的锤炼,团队成员都成长了,每个人都比此前更为严苛地对待自己承担的任务和环节。”

  每一道难题的解决,每一个数据的获取,每一次测试的结果,既挑战着团队成员的体能和抗压极限,也让他们在那个过程中不断超越自我。杨海伟是项目算法负责人,他说:“自从参与到国家航天项目相关研究中,我对‘奉献’这个词有了更加深刻的认识和感受。”王飞表示,在大量的试验和测试中,航天精神一直激励着团队成员前进,在面对技术难关时,团队成员表现出无所畏惧,一路向前的精神状态。他说:“交大人身上有西迁精神的烙印,我们参与这项工作,团队整体的科研能力得到了提升和进步。这不仅是一个科研项目,更是一场历练,是人生的成长和收获。”

  空间视觉团队是一支由青年教授、视觉信息处理领域专家和具有丰富航天产品研制经验的中青年工程师组成的集科研能力、生产能力和管理能力为一体的专业化团队。该团队成立于2007年,经过十几年的成长和磨练,该团队已经成长为一支既有能力、也有经验,既有技术、也有作风,能打硬仗、勇于奉献的综合型团队。该团队在我国载人航天工程、探月工程、空间机器人等多个领域都承担着重要的任务。

  探月工程副总设计师于登云在2020年中国航天大会上首次透露,我国正在进一步拓展探月工程项目,预计在2030年将正式建立无人月球科研站,这项任务将由“嫦娥”系列的6-8号来完成,这意味着我国探月工程以及航天技术领域将实现再次超越和领跑。目前西安交大已开始承担嫦娥六号的相关研制任务,在我国未来的航天事业中,交大人将发挥更大、更重要的作用。

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