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，中國首款自主研發火星探測器“天問一號”，在火星成功完成軟着陸，這是中國第一次真正意義上的深空之旅，這意味着中國的火星探測能力直追美國，併成爲首個利用單個探測器一次性完成“環繞+着陸+巡視”等任務的國家。

其中，火星着陸多功能避障敏感器（下稱“避障器”）承擔着重要作用，而它正是那雙“眼睛”。

朱飛虎表示，其擔任“天問一號”火星着陸多功能避障敏感器的主任設計師，並率領團隊於 2015 年着手研究避障器，2019 年 4 月將產品交付給整星，2020 年 7 月它跟隨“天問一號”探測器於發射入軌，後於 2021 年 5 月成功着陸火星烏托邦平原。

中國國家航天局對此評價稱：“着陸點附近地勢平坦，石塊丰度和尺寸與預期一致，表明着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，也成爲該獎項設立以來的首位航天科學家得主。

讓“天問一號”度過火星着陸的“黑色9分鐘”

這雙“眼睛”讓“天問一號”度過了火星着陸的“黑色 9 分鐘”，以穩穩的姿勢降落在烏托邦平原。作爲國際航天領域中最困難、失敗率最高的任務，火星軟着陸的成功率不到 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”着陸火星的 9 分鐘裏，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。由此可見火星着陸之難，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）

據朱飛虎介紹，NASA 一般採取如下兩種着陸方式：其一是氣囊着陸方式，利用打開的氣囊進行緩衝，藉此來保護着陸車。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着陸。相比之下，我們選擇了軟着陸，這也是和中國探月工程相似的着陸方式。

對比 NASA 的着陸方式，軟着陸的不同主要有二：其一是大氣傘降，藉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，露出視覺系統來做精確導航，這時再打開緩衝 7500 牛發動機，以進行動力減速，以便在傘降過程實現精確可控的減速。

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

在用於“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，它要藉助視覺系統光學成像模塊去規避背罩，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複，否則會導致撞車現象。

　圖 | 背罩規避與光學避障（來源：朱飛虎）

其次，利用視覺系統形成的初步避障，可讓着陸避開大型岩石、較大的隕石坑，從而保證祝融號火星車順利行走。再次，祝融號火星車的着陸腿比較細，一旦落在岩石或隕石坑上有可能會翻車。

在距離着陸地 100 米時，憑藉多功能避障敏感器的激光三維成像，探測器可執行懸停避障動作，從而規避尺度小於 0.2m 的小型岩石和隕石坑，藉此進行精避障，以防止火星車落到岩石和隕石坑上。

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，探測器背後的降落傘及金屬結構，它的別名叫背罩。由於背罩很大，假如探測器着陸點離它太近，背罩可能會纏住火星車，因此要設法做以規避。

第二，大型岩石和隕石坑也是被規避的對象。當探測器距離着陸點在3000米至10000米時，它要對障礙進行粗略識別，並規避半徑在百米級至公里級之間的大型障礙。而在火星着陸九分鐘中，着陸腿會在最後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”着陸點自主選擇系統（來源：朱飛虎）

當探測器距離着陸地僅有一百米時，激光成像模塊可執行更高精度的障礙規避，被規避對象是尺寸小於 0.2 米的石頭和隕石坑，藉此讓火星車落到更平坦的地方，以防止其後續行爲受限。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着陸區域。

月球車巡視和空間交會

視覺系統也可用於月球車巡視和空間交會上。當月球車在巡視時，視覺系統可幫它識別周圍地形地貌，從而做出精確規劃。月球車上還會搭載導航相機和避障相機，它和探測器的着陸相機有諸多相似之處，通過呈現立體三維圖像，讓行走中的月球車可以辨別並避開車輪邊的障礙，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，視覺系統曾成功應用於天舟三號，在使用時它全面繼承了避障器系統的硬件，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，他設計的着陸點自主選擇視覺導航算法，具備實時、魯棒等優點，讓“天問一號”的成功軟着陸獲得更多保障。

據悉，該算法採用雙目視覺算法硬件化的方式，並用FPGA加以實現，具備太陽高度角變化，自適應調整陰影和方差特徵等能力。此外，他還建立了噪聲模型，讓以數字化地形、進行全工況模擬成爲現實。未來，在“天舟四號”以及後續神舟系列飛船上都會用到。

此外，朱飛虎團隊參與研發的同類視覺產品——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佈，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的另一款“眼睛”。2020 年底，中國首次月球採樣返回 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，這一步也被稱爲“千里穿針最後一步”，精度最高、難度最大，作爲唯一的“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品研製團隊也已成長起來，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，相比國外同類產品，國內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於探測器芯片，而只有好芯片才能帶來高性能。和國產芯片廠商交流之後他發現，相比國外先進傳感器的指標，國內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於全球領先地位，但在激光器件的集成上，仍和國外有一定差距。

三步走：繼續深耕光電導航

朱飛虎是安徽安慶人，生於 1986 年，本科畢業於哈工大，後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，其就讀於哈爾濱工業大學，博士畢業於清華大學，期間一直學習電子科學與技術專業。

如今，他就職於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 分系統抓總單位，並承擔了 80% 以上的任務。截至目前，朱飛虎已發表論文 10 餘篇，申請專利 20 餘項，授權 11 項，並被評爲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新一等獎。

2024 年，中國即將發射小天體，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負責人。

他表示，自己將繼續踐行航天精神，不斷深耕光電導航領域，具體分爲三方面：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星互聯網工程，從社會層面服務於老百姓的生活；其三是將最先進的光電導航技術應用於航天裝備上，提升航天裝備的智能化控制水平。

與此同時，中國航天並不是一個封閉的系統，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。小行星探測任務屬於科研探索項目，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，在數據處理上也可跟對方進行合作。在更加大衆的業界應用上，朱飛虎團隊依靠軒宇空間科技公司平臺，將視覺導航系統擴展應用於民用領域，有望在自動駕駛領域發揮重要作用。