來源：DeepTech深科技

　　他叫朱飛虎，是給航天器造“眼睛”的人。

圖 | 朱飛虎的照片（來源：朱飛虎）

　　2021 年5 月 15 日，中國首款自主研發(fā)火星探測器“天問一號”，在火星成功完成軟著陸，這是中國第一次真正意義上的深空之旅，這意味著中國的火星探測能力直追美國，并成為首個利用單個探測器一次性完成“環(huán)繞+著陸+巡視”等任務的國家。

　　其中，火星著陸多功能避障敏感器（下稱“避障器”）承擔著重要作用，而它正是那雙“眼睛”。

　　朱飛虎表示，其擔任“天問一號”火星著陸多功能避障敏感器的主任設計師，并率領團隊于 2015 年著手研究避障器，2019 年 4 月將產(chǎn)品交付給整星，2020 年 7 月它跟隨“天問一號”探測器于發(fā)射入軌，后于 2021 年 5 月成功著陸火星烏托邦平原。

　　

　　中國國家航天局對此評價稱：“著陸點附近地勢平坦，石塊豐度和尺寸與預期一致，表明著陸點自主選擇和懸停避障實施效果良好。”朱飛虎也因此獲得2021達摩院青橙獎，也成為該獎項設立以來的首位航天科學家得主。

　　讓“天問一號”度過火星著陸的“黑色9分鐘”

　　這雙“眼睛”讓“天問一號”度過了火星著陸的“黑色 9 分鐘”，以穩(wěn)穩(wěn)的姿勢降落在烏托邦平原。作為國際航天領域中最困難、失敗率最高的任務，火星軟著陸的成功率不到 50%。

　　火星距地球遠達 4 億公里，無法進行實時通信，因此在“天問一號”著陸火星的 9 分鐘里，工作人員無法進行地面干預，只能依靠探測器進行自主控制。由此可見火星著陸之難，歷史上許多國家都曾參與，但只有中美兩國完成了這一過程。

圖 | 激光精避障，水平 6.2m，垂直 4m（來源：朱飛虎）

　　
　　據(jù)朱飛虎介紹，NASA 一般采取如下兩種著陸方式：其一是氣囊著陸方式，利用打開的氣囊進行緩沖，借此來保護著陸車。其二是天空起重機方式，NASA 的好奇號火星探測器和新一代火星車毅力號均用此進行著陸。相比之下，我們選擇了軟著陸，這也是和中國探月工程相似的著陸方式。

　　對比 NASA 的著陸方式，軟著陸的不同主要有二：其一是大氣傘降，借助大氣空氣動力學讓速度降到較低水平。其二是拋掉探測器大底，露出視覺系統(tǒng)來做精確導航，這時再打開緩沖 7500 牛發(fā)動機，以進行動力減速，以便在傘降過程實現(xiàn)精確可控的減速。

　　在動力下降期間，探測器距離著陸地越來越近，當相距僅有 10 公里時，探測器要執(zhí)行精確導航，這時需要一雙“視力精準”的“眼睛”即多功能避障敏感器。

在用于“天問一號”探測器時，多功能避障敏感器主要有三大主要任務：首先，它要借助視覺系統(tǒng)光學成像模塊去規(guī)避背罩，當探測器拋完大底，降落傘和背罩會攜伴脫離探測器，它倆在脫離時的落點不能重復，否則會導致撞車現(xiàn)象。

　圖 | 背罩規(guī)避與光學避障（來源：朱飛虎）

　　
　　其次，利用視覺系統(tǒng)形成的初步避障，可讓著陸避開大型巖石、較大的隕石坑，從而保證祝融號火星車順利行走。再次，祝融號火星車的著陸腿比較細，一旦落在巖石或隕石坑上有可能會翻車。

　　在距離著陸地 100 米時，憑借多功能避障敏感器的激光三維成像，探測器可執(zhí)行懸停避障動作，從而規(guī)避尺度小于 0.2m 的小型巖石和隕石坑，借此進行精避障，以防止火星車落到巖石和隕石坑上。

圖 | 整器懸停避障試驗（來源：朱飛虎）

　　

　　具體來說，光學成像模塊和激光成像模塊是多功能避障敏感器的兩大組成部分。它們主要承擔以下角色：第一，探測器背后的降落傘及金屬結構，它的別名叫背罩。由于背罩很大，假如探測器著陸點離它太近，背罩可能會纏住火星車，因此要設法做以規(guī)避。

　　第二，大型巖石和隕石坑也是被規(guī)避的對象。當探測器距離著陸點在3000米至10000米時，它要對障礙進行粗略識別，并規(guī)避半徑在百米級至公里級之間的大型障礙。而在火星著陸九分鐘中，著陸腿會在最后三分鐘伸出防熱大底，這時多功能避障敏感器也要識別火星表面的障礙。

　圖 | “天問一號”著陸點自主選擇系統(tǒng)（來源：朱飛虎）

　　

　　當探測器距離著陸地僅有一百米時，激光成像模塊可執(zhí)行更高精度的障礙規(guī)避，被規(guī)避對象是尺寸小于 0.2 米的石頭和隕石坑，借此讓火星車落到更平坦的地方，以防止其后續(xù)行為受限。概括來說，多功能避障敏感器的看家本領是給火星車選擇平坦的著陸區(qū)域。

　　月球車巡視和空間交會

　　視覺系統(tǒng)也可用于月球車巡視和空間交會上。當月球車在巡視時，視覺系統(tǒng)可幫它識別周圍地形地貌，從而做出精確規(guī)劃。月球車上還會搭載導航相機和避障相機，它和探測器的著陸相機有諸多相似之處，通過呈現(xiàn)立體三維圖像，讓行走中的月球車可以辨別并避開車輪邊的障礙，比如石子和凹坑等。

圖 | 交會對接（來源：朱飛虎）

　　在航天器交會對接上，還要進行相對位置測量和姿態(tài)測量，當兩者接近時，不僅要完全對上相對位置，還要保證姿態(tài)配對，即只有面對面時才能成功對接。而對接精度的要求也很高，一般在毫米量級，角度要求則在零點幾度量級。

　　朱飛虎表示，視覺系統(tǒng)曾成功應用于天舟三號，在使用時它全面繼承了避障器系統(tǒng)的硬件，同時也對軟件做了迭代，以保證交會對接任務的順利完成。

　　在軟件上，他設計的著陸點自主選擇視覺導航算法，具備實時、魯棒等優(yōu)點，讓“天問一號”的成功軟著陸獲得更多保障。

　　據(jù)悉，該算法采用雙目視覺算法硬件化的方式，并用FPGA加以實現(xiàn)，具備太陽高度角變化，自適應調(diào)整陰影和方差特征等能力。此外，他還建立了噪聲模型，讓以數(shù)字化地形、進行全工況模擬成為現(xiàn)實。未來，在“天舟四號”以及后續(xù)神舟系列飛船上都會用到。

　　
　　此外，朱飛虎團隊參與研發(fā)的同類視覺產(chǎn)品——導航相機和避障相機，也已應用在祝融號火星車上。2021 年 5 月，祝融號火星車的拍攝影像公布，無論是彩色圖像、還是黑白避障圖像，均由導航相機和避障相機拍攝完成。嫦娥五號交會對接光學成像敏感器（下稱“敏感器”），則是朱飛虎團隊研發(fā)的另一款“眼睛”。2020 年底，中國首次月球采樣返回 1731g 月壤。

　圖 | 嫦娥五號交會對接成像敏感器相關示意圖（來源：朱飛虎）

　　
　　當上升器與軌道器交會時，敏感器保障了 150m 的對接、以及平移靠攏段的進行，這一步也被稱為“千里穿針最后一步”，精度最高、難度最大，作為唯一的“眼睛”，敏感器作用之大不言而喻。

　　另一方面，朱飛虎帶領的空間激光類產(chǎn)品研制團隊也已成長起來，該隊伍也將在實施小天體探測任務、探月四期任務、空間站任務等重大航天任務承擔基石作用。

　　不過他也表示，相比國外同類產(chǎn)品，國內(nèi)避障器的主要不足分別來自視覺和激光兩方面。無論是視覺，還是激光，性能的提升主要受限于探測器芯片，而只有好芯片才能帶來高性能。和國產(chǎn)芯片廠商交流之后他發(fā)現(xiàn)，相比國外先進傳感器的指標，國內(nèi)傳感器仍有一定差距。而在激光器上，雖說中國激光器的晶體材料已處于全球領先地位，但在激光器件的集成上，仍和國外有一定差距。

　　三步走：繼續(xù)深耕光電導航

　　朱飛虎是安徽安慶人，生于 1986 年，本科畢業(yè)于哈工大，后在清華獲得博士學位。9 歲時，他就開始閱讀天文學書籍，再加上爸媽都是理工科背景出身的教師，打小就給他講天文學故事，航天的“種子”早已播撒在心間。本科時，其就讀于哈爾濱工業(yè)大學，博士畢業(yè)于清華大學，期間一直學習電子科學與技術專業(yè)。

　　如今，他就職于北京控制工程研究所空間智能控制技術國家級重點實驗室，主要負責 GNC 分系統(tǒng)抓總單位，并承擔了 80% 以上的任務。截至目前，朱飛虎已發(fā)表論文 10 余篇，申請專利 20 余項，授權 11 項，并被評為航天五院青年拔尖人才、北京市科技新星候選人、北京控制工程研究所科技創(chuàng)新一等獎。

　　2024 年，中國即將發(fā)射小天體，這將是中國首次小行星探測任務，未來他也將擔任重要載荷與導航單機探測激光測繪導航系統(tǒng)負責人。

　　
　　他表示，自己將繼續(xù)踐行航天精神，不斷深耕光電導航領域，具體分為三方面：其一是深入深空探測工程，從科學層面擴展人類認知；其二是參與北斗導航工程和衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)工程，從社會層面服務于老百姓的生活；其三是將最先進的光電導航技術應用于航天裝備上，提升航天裝備的智能化控制水平。

　　與此同時，中國航天并不是一個封閉的系統(tǒng)，也在日益走向開放。在小行星探測上，其團隊正和德國馬普所合作。小行星探測任務屬于科研探索項目，可能涉及小行星演化、生命起源等科學問題，相對來說比較開放。

　圖 | 小行星探測（來源：朱飛虎）

　　因此在小行星探測任務中，朱飛虎團隊這邊也可開放載荷給國外同行，在數(shù)據(jù)處理上也可跟對方進行合作。在更加大眾的業(yè)界應用上，朱飛虎團隊依靠軒宇空間科技公司平臺，將視覺導航系統(tǒng)擴展應用于民用領域，有望在自動駕駛領域發(fā)揮重要作用。