火星车 AutoNav 与 GESTALT 自主导航软件

是什么

AutoNav 是火星探测车（Mars Exploration Rovers, MER）的自主导航模式。在这个模式下，火星车用相机观察前方，借助立体视觉（stereo vision）和 GESTALT 避开问题地形。GESTALT 的全称是 Grid-based Estimation of Surface Traversability Applied to Local Terrain，即“应用于局部地形的基于网格的地表可通行性估计”。^[1] 它的基本思路是先把眼前地面变成一张带可通行性判断的局部地图，再让火星车据此决定怎样走，而不是由地球上的操作人员为每一次转向下指令。

一次自主行驶怎样完成

NASA/JPL 对火星车行驶方式的说明是：软件从立体图像生成三维地形图，考虑数十条可能路径，然后让火星车向目标靠近 0.5 至 2 米，再重复这一过程。^[2] 这说明自主行驶不是一次算完整条路线，而是“观察—规划一小段—执行—再看”的循环。

车载地形分析的规模比早期火星车大得多。勇气号（Spirit）和机遇号（Opportunity）通常从每对图像中测量超过 16000 个点，而索杰纳号（Sojourner）的车载安全系统在每一步只能测量 20 个点。^[2] 更多的测量点意味着软件能更细地描述地面起伏和障碍，为局部路径选择提供依据。

视觉里程计（Visual Odometry）是另一项关键能力：它自主检测并跟踪附近地形中的特征，用这些特征的变化测量火星车打滑了多少；MER 火星车最早演示了这项技术。^[1] 在改进后的 AutoNav 中，Field D* 负责评估从每条 GESTALT 弧线末端行驶到目标的代价。Field D* 是为 MER 开发的，开发者是卡内基梅隆大学的 Anthony Stentz 和 David Ferguson。^[3] 可以把它理解为两层配合：GESTALT 给出局部可通行的候选弧线，Field D* 判断哪个弧线末端更有利于接近目标。

在勇气号和机遇号上的表现

效果体现在行驶时间和可行驶地形上。得益于 AutoNav，勇气号到达哥伦比亚丘陵（Columbia Hills）快了 50%；得益于视觉里程计，两辆火星车都能在 15 至 30 度的坡面上行驶。^[1] 机遇号在 2005 年 2 月的 sol 384 创下 109 米的最长单火星日自主行驶纪录，并在 sol 383 至 385 创下 270 米的最长多火星日自主行驶纪录。^[1] 这里的 sol 指火星日。

软件升级与能力扩展

飞行软件 9.2 版加入了四项新技术：在机遇号上演示的 Field D* 全局规划器（Global Planner）、视觉目标跟踪（Visual Target Tracking）、自主仪器臂放置，以及用于在车上给科学图像排优先级的 AEGIS 系统。^[1] 这些能力说明 AutoNav 所在软件栈不只负责“避开石头往前走”，还涉及跟踪目标、放置仪器和安排科学观测的优先级。

在火星车自主导航中的位置

AutoNav 不是单一程序，而是一组车载能力的组合：感知地形、局部避障、路径规划、运动估计，以及后续软件中的目标跟踪和科学优先级判断。NASA/JPL 用索杰纳号每一步 20 个测量点与勇气号、机遇号每对图像超过 16000 个点作对比，说明了车载计算和传感能力的变化。^[2] MER 最早演示视觉里程计，AutoNav 与 Field D* 的使用，使这套软件成为行星表面自主行驶的一个参照：火星车观察地形，规划一小段路，执行，然后再观察。^[1][3]