【实验现场】浙江大学玉泉校区信电大楼三楼的一间实验室，近80平方米，一地沙土，空旷得像是另外一个世界：一个伸长了“脖子”的机器人兀自站在起伏不平的沙层上，时走时停，“大眼睛”闪闪发光，停下来时，仿佛是在思考。
    
    实验室的主人是刘济林教授课题组的师生。刘教授告诉记者，这个机器人有一位非常著名的“兄弟”，那就是在月球执行任务的“玉兔”月球车。课题组围绕月球车对月面地形环境的感知、建模和导航等问题进行研究，历时近9年，相关技术已经成功应用于嫦娥三号探测器的玉兔号月球车中。
    
    缘起无人车研究
    
    浙大信电系“机器视觉与导航”方向的师生在机器视觉用于无人车导航的领域已经做了20多年的探索。时任浙大副校长的顾伟康教授数次带队去天寒地冻的地方做野外测试。2004年，美国举行全世界最高水平的地面移动机器人大赛，俄亥俄州立大学的无人车在100多支参赛队伍中名列第五，负责其中视觉传感研究部分设计的，是浙大信电系毕业的博士项志宇，项志宇博士后出站后，又回归到了刘济林教授的课题组，成为一名研究主力。
    
    2000年11月，我国首度公布将开展以月球探测为主的深空探测的技术预研，“绕”、“落”、“回”三个阶段探月计划拟于2020年前完成。“这个‘落’的过程，就要有月球车落到月球上去执行任务。无人车视觉导航技术会派上用场！”2005年，刘济林教授申请到省科技厅和国家自然科学基金重点项目，“我们希望月球车不但能看清前方‘路况’，还能自主设计最安全路线或者最快路线。”刘济林说，那时候，课题组正式开始了关于月球车视觉系统关键问题的基础研究。
    
    2006年10月，浙大的这项研引来了航天八院的关注，刘济林教授收到了一封邮件，发信人附上了几张有石头的照片和一个问题：听说你们这里做三维重建很厉害，能不能根据照片，算出石头之间的距离？刘济林回复：可以。几天之后，刘老师接待了来自八院的客人。听了刘教授的报告之后，八院负责技术的“高博”摊开写有“标准答案”的纸条，精准，是可以验证的。合作，就此开始了。
    
    2009年起，刘教授课题组的月球车从基础研究正式转入应用研究阶段。在航天科技集团的抓总和领导下，先后完成了中国航科技集团公司五院502所委托的月面巡视器的《GNC地面遥操作设备》等4个有关月球车导航的课题。
    
    月面行走“危机重重”
    
    月球表面有月尘，有坚硬锋利的石头，还有大大小小、深深浅浅的环形山，加之没有大气层的散射，被太阳照射时光线非常强烈，照不到的地方异常黑暗，影响成像，在这样的地方行走“危机重重”，如履薄冰，万一发生打滑、卡壳等故障，那可找不到任何救兵。
    
    “月球车停下来的时候，其实是在‘观察’和‘思考’，前面的路况怎么样，下一步应该怎么走。”刘济林介绍，月球车靠相机来“认路”，长长的桅杆顶端有一对导航相机，可以拍到7米甚至更远的图像。“肚皮”底下还有一对广角避障相机，可以看清4米以内的月面环境。课题组的任务，就是帮助月球车精准地“观察”、正确地“思考”与“决策”。
    
    课题组开发了广角相机标定、立体匹配与三维重建、月面环境评估、环境感知、路径规划、视觉里程计定位等一系列模块。现在，只要月球车“眨眨眼”，咔嚓咔嚓拍下左右两张相片，接下来，就像很多科幻电影中描述的那样：计算机程序迅速的将两张二维照片转化为相关物体的三维坐标，形成一张立体的地形环境图；计算机程序还会自行对前方路况进行“风险评估”：哪里安全可以走，哪里是危险的‘雷区’，一目了然；要到达目标地点，怎样的路线最安全，怎样的路线最迅速？它也能“自动规划”。
    
    月球车还有一个“绝招”，还原变形的图像。为了让避障相机看到更大范围，相机采用的是鱼眼镜头，这种相机拍下的照片四周变形非常严重，只有中央不变形的部分才能用。课题组研发了一种特别的办法，能让周围变形的部分重新“复位”，这样，扩大了玉兔的“视野”，也提升了环境重建的准确度。
    
    眼睛“看看”就能记录里程
    
    实验用的“月球车”也并不是终日深居闺中，有时候，它也要走出实验室，到大马路上去“遛遛”，特别是在试验“视觉里程”这一模块时。月球车走过什么地方，走的是什么路线，走了多远，都需要“如实汇报”。2012年，刘济林课题组的模拟“月球车”载着电脑，走到了户外。
    
    每辆汽车的操作系统里都有一个靠车轮转动计数的里程表，但是这个计算方式搬到月球车上就不行了。“美国的火星车就发生过一件事，车辆不断执行前进命令，里程计不停地计数，可拍回来的照片却显示车在原地没动。原来车陷在坑里，原地打滑了。”刘济林设计了一套“双目视觉里程计”，加上了一套蓝牙装置能够随时记录方向和GPU实时加速处理。靠这套“视觉地形计算”的系统，解决了原地跑里程的问题。
    
    “研究真的上天了”
    
    “咱们做的这个实验样机，最后是不是真的会用上呢？”已经博士三年级的曹腾心里一直有这疑问。他从小就爱车，本科时和同学组队参加过全国的无人车电子设计竞赛。那时，他注意到系里的刘济林老师是研究智能车的，保送研究生时，他果断选择了刘老师的课题组。
    
    “师哥师姐们已经做了视觉里程计的深入研究，我们的任务则是更加偏向工程应用，进一步优化路径规划等三个模块。”2011年一入课题组，曹腾就加入到了月球车项目的模块研究中，时间紧，内容多，他与任建强、江文婷等同学一起，在归国博士龚小谨老师的指导下，写了两万行左右的源代码。2013年，新的任务又来了，要整体设计研发月球感知与导航系统的11个功能模块。“承担一套完整系统，比原来的规模要大得多。”
    
    曹腾是嫦娥三号发射前两天才从航天五院回到杭州。在那里，他和比他大十多岁的嫦娥三号巡视器GNC副主任设计师滕宝毅成了好朋友。2013年12月15日，玉兔号月球车与嫦娥三号着陆器分离，踏上月球表面。16日下午，在北京航天飞行控制中心工作的滕宝毅给曹腾发了一条微信：“刚刚在“中国航天网”上参加在线访谈，我着重介绍了我们的月球车视觉导航系统。”
    　　刘教授说，项目的成果，一方面将继续为我国探月工程的后续研究服务，另一方面也可以应用到地面无人车的研制、以及未来的火星探测中。
    
    （周炜）