自主式自动驾驶算法在火星成功应用

火星环境的特殊性为自主驾驶算法带来了多重技术挑战。

首先，地球与火星的单向通信延迟可达 4-24 分钟，实时遥控驾驶完全不可行，传统火星车依赖地面规划的指令驱动，单次驱动距离受限（通常 15-50 米），而毅力号的任务要求平均每日需自主移动 150 米，要求 “毅力号”必须具备独立完成地形感知、路径规划和危险规避的能力。

其次，火星表面遍布岩石、沙丘、陡坡等复杂地形，杰泽罗陨石坑（Jezero Crater）作为毅力号的着陆点，其岩石密度远高于此前好奇号（Curiosity）所在的盖尔陨石坑，累计岩石覆盖率最高可达20% 以上，对算法的地形适应性和障碍识别能力提出了更高要求。

再者，“毅力号”搭载的计算资源极其有限，“毅力号” 采用 133MHz 的单核 RAD750 处理器，同时需承担通信、科学探测等多重任务，留给自主算法的计算资源极为有限。此前好奇号的自主算法因计算耗时过长，平均时速仅 17.3 米，而毅力号需将自主导航时速提升至 90 米以上才能满足任务要求，需在算力约束下实现高效的路径规划与碰撞检测。

针对这些挑战，火星自主驾驶算法需满足三大核心需求：

一是安全性，确保“毅力号”在无人工干预的情况下避免碰撞、不超出机械运动极限；

二是效率性，需在复杂地形中规划最优路径，提升日均行驶距离；

三是鲁棒性，能够应对地形不确定性、车轮打滑等突发状况，保持导航稳定性。

“毅力号” 的 ENav 算法是火星自主驾驶技术的典型代表，其融合了路径规划、地形感知、碰撞检测等多个核心模块，并通过硬件加速与 AI 优化实现了性能突破。

（一）分层路径规划系统

ENav 采用分层架构，平衡了路径最优性与计算效率。

全局规划器基于 Dijkstra 算法，在 100×100 米的低分辨率成本地图中计算从当前位置到目标点的全局成本（包括坡度、地形粗糙度、禁入区等约束），为局部规划提供目标导向。

局部规划器则聚焦于 6 米范围内的高分辨率地形（30×30 米的高度图，分辨率 10 厘米），通过参数化树结构生成路径选项，评估最多四步前进的运动轨迹。

路径规划算法基于两阶段路径选择策略。

第一阶段对所有路径选项进行快速成本排序，成本函数涵盖驾驶时间、转向时间、地形惩罚等量化指标；

第二阶段仅对排名靠前的路径执行计算密集型的碰撞检测（ACE 算法），通过设定 ACE 运行次数阈值 M，确保在良性地形中实现连续驾驶，复杂地形中则优先保证找到可行路径。ACE 算法通过分析每个车轮的位置不确定性，构建车轮包围盒（wheel boxes），结合高度图计算最坏情况下的地面间隙、车轮落差、侧倾和俯仰角等关键指标。针对火星表面常见的车轮打滑问题，算法通过扩展车轮包围盒来包容预测的最大打滑幅度，确保在打滑场景下仍能维持安全边界。此外，ACE 算法通过障碍函数引入安全裕度偏好，避免路径过于接近安全阈值，进一步提升了行驶安全性。

这种策略在有限算力下实现了路径规划效率与安全性的平衡，使 “毅力号” 的平均行驶速度从 “好奇号” 的 17.3 米 / 小时提升至 92 米 / 小时。

（二）AI 增强与自适应能力优化

“毅力号”将机器学习技术融入自主驾驶决策过程。通过训练卷积神经网络（CNN）对火星地形图像进行语义分割，算法能够识别松散砂石、松散砾石等行驶路况，为路径规划提供更丰富的环境信息。机器学习辅助的路径排序策略，将 ACE 运行次数减少了 7 倍，显著提升了计算效率。

算法的自适应能力体现在多个方面：一是保留历史最优路径，减少转向次数和行驶时间；二是允许“毅力号”在遇到障碍时回溯至多 3 步，避免陷入局部最优；三是动态更新的打滑曲线参数，能够根据地形坡度调整打滑预测模型，在陡坡地形中仍能维持稳定行驶。

（三）多模式驱动与安全约束机制

算法支持四种路径选择模式，以适应不同探测场景需求：·  

●无防护模式（UNGUARDED）：忽略地形约束，强制沿直线行驶，适用于已探明的平坦区域；

● 防护模式（GUARDED）：对预设路径进行安全性校验，发现障碍即停止；

●避障模式（AVOID_KOZ）：仅规避禁入区，不考虑地形细节；

●全避障模式（AVOID_ALL）：综合规避地形障碍与禁入区，是最常用的自主导航模式。

安全约束机制贯穿算法运行全过程：通过设定禁入区（KOZs）和必入区（KIZs），并根据位置不确定性动态调整区域边界；路径重评估机制每 10 厘米采样一次位姿，实时校验行驶安全性；通信转向（TFC）功能确保“毅力号”在行驶结束后调整至最优通信姿态，保障数据传输链路畅通。

自 2021 年 2 月着陆火星以来，ENav 算法已在 “毅力号” 的 32.1 公里火星旅程中得到充分验证，展现出卓越的应用成效。截至第 1312 个火星日（2024 年 10 月 28 日），90% 的行驶距离采用自主驾驶模式，远超 “好奇号” 5% 的自主驾驶占比，实现了火星探测自主化程度的质的飞跃。

“毅力号” 创造了多项火星自主驾驶纪录：在第 753 个火星日实现单日 347.69 米的自主行驶距离，远超 “机遇号” 此前保持的 109 米纪录；在多火星日连续自主驾驶中，实现 699.85 米的持续行驶，展现了算法的长距离导航能力。在坡度 16°-23° 的蛇形急流（Serpentine Rapids）和萨默兰小径（Summerland Trail）等复杂地形中，算法成功规划安全路径，突破了传统自主导航的坡度限制。

算法的效率提升显著支撑了探测任务推进，“毅力号” 在快速穿越阶段实现日均 201 米的行驶距离，仅用 24 个火星日完成 5 公里路程，为样本采集和区域探索节省了大量时间。