互动科普

2003年12月10日的匹兹堡，在某条人行道上，彻夜的冷雨扑面而来。此时，Chris Urmson正在为“沙漠风暴”号机器人车辆发愁。在他的身边，是两家废弃钢厂之间杂草丛生的空气，机器人车辆就搁置在那里。Urmson检查了一个覆盖有防水布的装满计算机和定制电子仪表的金属箱。机器人采用美国海军旧式高机动多用途轮式车辆（Humvee）作为肢体，而以计算机和电子仪表作为其能感知的头脑。他已在现场干了三天三夜未曾合眼，赤裸的双手冻得发抖，浑身酸痛，Urmson一边郁闷地盯着机器人，一边琢磨着各种解决之道，却苦无良策。

他和队友在几个月之前曾发誓，要在今晚午夜之前，让“沙漠风暴”号独立完成240千米的试车。在当时，这似乎是一个合理的目标：毕竟，与机器人将在2004年3月13日要高速穿越320千米沙漠相比，在相对平滑的等级公路上行驶240千米只算是小儿科。要想赢得美国国防部的“重大挑战赛”（Grand Challenge race）而获得100万美元资金，以及在运载机器人领域取得突破性进展，“红色小组”必须实现挑战赛所提出的要求。

但是经过20小时不停歇的调试，“沙漠风暴”号的导航系统仍然以一种令人困惑的方式失灵。两天前，该机器曾一度能够自动行驶数千米。昨晚它装在一个栅栏上，结果今天只绕测试路线跑了几圈就停了下来。这里有十几位队员满身雨水，又冷又累，将就着斜靠在一辆有篷货车上，或者盘腿坐在里面，同时躬着腰操作便携式电脑。今年28岁的Urmson已经有好几个星期没有见到他的妻子和刚刚两个月大的孩子了。在如此恶劣的环境下，继续工作似乎并无意义。

另一方面，一个小时之前，Urmson和其他人一起围在“红色小组”的队长William “Red” Whittaker的周围，他也是Urmson在卡内基-梅隆大学（CMU）的博士指导老师。他们一致同意Whittaker的决定：如有必要，就夜以继日地继续修复和测试，直到“沙漠风暴”号能够按预定计划自动完成240千米试车。Whittaker无数次地重复着小组的座右铭：“我们承诺我们要做的事，并且做好我们承诺的事。”他们的荣誉、信念以及毕业考试成绩，都在此一役。

此时Whittaker不在场，测试工作由作为小组技术指导的Urmson负责。他看着防水布上流淌的雨水，考虑到内部线路的一次泄露短路就可能毁掉整个小组几个月的心血，因此他终止了测试，让大家先回去休息。

由于他们的放弃，没能实现其他自愿承担的目标。第二天，Whittaker就像球场边发怒的教练一样，训斥和处罚了他们。他训斥道：“大家一门心思只追求240千米这个目标，把许多其它要做的工作都耽误了。车身没有上油漆，网站没有更新，传感器电子元件没有完成。而且，试想如果我们不能改善震动隔离装置，我们能赢得这次比赛吗？”队员们一齐摇头。他接着说：“不，我们将会输掉。这符合我们一贯的做事方式吗？”他一边质问，一边挥舞着手臂。他扫了一眼各工作台上散步着的工具和零件，狠了狠心。

他接着说：“昨天，我们丢掉了内心深处的责任感。我们刚经历的，就是正式比赛的一次实战演习。这正是3月13号将会出现的情况。我们正在模拟基础训练，就像要翻越一个峡谷。三月到来时，我们就是这台机器——一台没有缺陷的机器。”

Whittaker对这些鼓舞士气的讲话做了总结，并且让所有愿意参加下一次穿越测试的队员举手：在未来的4天中必须一刻不停地进行让人筋疲力尽的测试，目的是为了实现15小时、240千米的自动穿越目标。有14名队员举了手。而自从8个月之前的第一次小组会议到今天，房间里的每个人都暗自下了决心：绝不打退堂鼓。

“重大挑战赛”

2003年4月30日：在CUM机器人学院的一间会议室中，一位高个子男士站了起来，。他身穿蓝色运动夹克和棕褐色学院式斜纹棉布裤，曾在美国海军服役，重要人物的派头十足。他大声说：“欢迎参加‘红色小组’的第一次会议，我是野外机器人中心的Red Whittaker，我将负责带领本小组赢得明年再拉斯维加斯的胜利。”

Whittaker参加了2003年2月由美国国防部高级研究计划署（DARPA）主持召开的会议，DARPA的官员在会上宣布了他们的第一个有奖比赛：从加州巴斯托到拉斯维加斯的机器人越野赛[参见上页图文]。DARPA之所以设立这一比赛，是为了鼓励发展一种不需要人为监控、可以直接开往战场的车辆。“它可以用来运送物资或者伤员，还可以当坦克用。”DARPA的主任Anthony J. Tether介绍说。

Whittaker有着非凡的洞见，促使他加入到第一批提交参赛申请的100多个小组当中。对他而言，这项比赛最具吸引力的是它能够激发公众对机器人的兴趣，以及人物本身的难度。他经常拿它与林德伯格的首次飞跃大西洋相比。“这个比赛向现有的主要技术发出了挑战，许多人认为在我们的时代根本不会有人能够赢得比赛奖金。”在给潜在志愿者和支持者的电子邮件中，他这样描述3月13日的比赛。

建造一台自动机器人并不是最困难的。Whittakker曾与机器人学院的同事一起制造出各种自驱动车辆，它们能够拖动大石块、收割农作物，给地下矿井绘制地图，以及在南极洲寻找陨石。DARPA之所以把这项比赛命名为“重大挑战赛”，是因为对速度的要求。机器人应当以很快的速度在崎岖不平的陌生地段行驶，而机器人的制造期限也十分紧。CMU的工程师Scott Thayer指出：“要取得胜利，‘沙漠风暴’号的平均速度最好能超过每秒10米（每小时35千米）。”这一速度，大约是DARPA现有原型（一台为期4年、耗资2200万美元开发的无人驾驶地面车辆）速度的10倍。

Thayer说：“仅仅让它以这么快的速度行走，就是个非常有挑战性的难题。而要使它保持该速度长达10个小时，几乎让人难以置信。”他斗胆宣称：“要想完成任务，必须进行根本性的创新。而且只有像我这样的专业机器人学家才可能实现这样的突破。但是在这一行干了几十年，我们更容易谨慎保守。因此，结果谁知道呢，也许一辆娱乐用的沙丘汽车会获得胜利。”

“红色小组”的蓝图

6月24日：Whittaker在小组的第三次会议上说：“在上一次会议中，我曾考虑使用带有两米多直径巨轮的三轮车。我们还考察了底盘能够改变形状、四轮驱动、四轮驾驶的车辆。我们注意到了这些高难度技术，但我们的期限只有一年，实在太仓促。”

过了3个月，“红色小组”仍然没有决定其机器人究竟是基于“龟”（例如军用高机动多用途轮式车辆）还是“兔”（例如专用敞篷小型载货卡车或者低悬挂系统的Chenowth牌运输车）。由于比赛行车路线主要由泥土路面和崎岖小道构成，Whittaker对每种车辆在这种条件下行驶的性能表现进行了数学分析。他得出结论：“耐颠簸车辆跑完400千米需要9.3小时，而sprinter车需要10.6小时。”要如何选择看来是很清楚的，但是他们直到9月才获准进驻行星机器人大楼（Planetary Robotics Building），在那里建立车间，对一辆1986年产的Hummer M998车进行改进。

但是该小组（由于CMU大学的研究生及本科生积极的参与，成员总数已经超过50人）已经准备了一份长达58页的技术说明书，其中描述了“沙漠风暴”号如何跟踪自己的位置和计划行车线路，以及侦测和避免路上的危险。当SAIC、波音、卡特彼勒、希捷等公司的经理以及其他企业合作伙伴走进房间时，CMU大学的研究生、小组核心成员之一的Alex Gutierrez向他们递交了说明书的副本。

Whittaker解释说：“首先，我们将工作8个月以便创建尽可能好的路线地形图，在比赛开始前两小时，DARPA会指定行车路线，届时我们将利用这些地图计算出最佳路线，并且先完成一次模拟飞行”[参见36页图文]。数千个地球定位系统（GPS）的坐标列表将被拷贝到机器人的计算机中。Whittaker说，这些坐标列表就像“每隔一米左右的计算机供应‘一粒豆子’，而‘沙漠风暴’号就像‘吃豆人’一样前进，一个一个地吃掉这些虚拟点。”

总预算目前已经严重超支，达到350万美元。其中有将近250万美元将用于不可能产生回报的人员花费，但是，车辆本身的72.5万美元费用则别无选择。而且到目前为止，只有卡特彼勒公司和当地的一家基金会签了支票，不过其他许多单位赠送了有价值的设备和专门技术。

例如，Applanix公司赠送了一套价值6万美元的位置跟踪系统，它不仅使得“沙漠风暴”号在沙漠中弹跳时能够确定自己的位置，而且可以帮助解决机动机器人最伤脑筋的难题之一：以一种稳定的视角（gaze）监视自己的行进方向。Whittaker介绍说：“它可以知道通过激光看外部世界的情况，通过雷达看外部世界的情况，通过立体摄像系统、肉眼或照相机看外部世界的情况。这要感谢我们在SAIC公司的好朋友。”所有这些传感器都安装在机动化平台上，这些平台与Applanix系统相连以形成一个闭合反馈环。工程师称之为平衡环（gimbal），他们可以像人工驾驶者的颈部和眼睛肌肉一样，对车辆的运动做出反馈[参见40~41页图文]。

许多参赛小组都有类似的计划。由美国加州理工大学的学生组成的一支小组正在考虑放弃雷达，而依赖安装在改装雪佛莱Tahoe车前端的4个视频摄像机。“红色小组”的Navtech雷达价值4.7万美元，因为“它可以再尘土飞扬的环境下工作，而别的传感器在这种情况下会失明，”Whittaker介绍说。正是由于这个原因，美国俄亥俄州立大学的Terramax小组也在机器人上安装了两个这种雷达，外加6架摄像机和4台激光扫描仪，他们的机器人车辆是由大型6轮Oshkosh卡车改造的。

传感器未必越多越好。每个传感器都像灭火水龙带一样导出数据；太多的数据将导致计算机窒息。当车辆摇晃和颠簸时，重叠的扫描与其说是在提供信息，还不如说是在制造混乱。而且众所周知，不同类型的传感器数据的合并更是一件棘手的事。激光扫描器产生“点云”（point cloud），雷达发射矩形光点，立体摄像机产生所谓的差异图（disparity map）。来自“红色小组”的CMU大学的科学家Jay Gowdy介绍说：“如果你不仔细，你所综合的不但不是每种传感器的优点，反而是它们的弱点。”

现场检测的日子

11月6日：Whittaker、波音公司“幽灵工厂”专门派来的两名工程师Urmson和Philip Koon，以及各小组成员一起开每周的电话例会。Whittaker宣布：“我们实现本周目标的可能性是五五开，这是我们第一次没能实现目标。”由于定制拖延，雷达还处在从英国运来的途中。经过100多个小时的艰苦工作，地图绘制组仅完成了不到4%的面积，而且资金越来越紧张。“目前，我们大约还缺95万美元，并且还需要坚持工作8个昼夜。”Whittaker在报告中说。他希望以50万美元预售机器人车篷和车身的广告位，但是还没有找到买主。

两周之后，“红色小组”又遇到了其他问题。一块在机器人轴上滑动的超高精确光学里程表不能很好地工作。“而且这会带来麻烦。”——Whittaker一边说，一边用手指着计算机箱（他们称之为电子匣）震动图上的峰值，该峰值显示了车辆以每小时8千米的速度碾过弹性铁路轨枕时电子匣所受到的反弹震动。“此时读数为7g，这很糟糕。”他继续说。电子匣应尽量避免震动，所受震动最大不能超过3g，否则将损害硬盘或者使芯片脱离插槽。他们必须找到更好的方法，以便更稳定地将电子匣悬挂在底盘内。

小组中少数几个资深机器人专家之一的Bryon Smith指出：“工程总要经历一系列失败，然后才能最终成功。在获得正确方法之前，需要反复进行试验。”但是尝试需要时间，Whittaker最初计划的100天开发期限已快用完，而小组还在安装和测试所有随车携带的计算机、制作平衡环、编写软件或者安装传感器。

Whittaker说：“如果能够控制车轮，车辆就不会摇晃得那么厉害。你们许诺过要在两周内让它能够一次跑240千米。正因为如此，我们的目标非常明确：DARPA的‘Spinner车辆计划’正好也以CMU大学为依托，拥有一批专家和500万美元的科研预算，现在已是该项目实施的第二年。到目前为止，车辆最多能跑15千米。好，如果有谁认为我们不能够在12月10日之前让车跑240千米，请举手。”没有人举手。“很好，”他微笑着说，“我们现在就开始努力实现这一目标，准备启动车辆试运行。”

12月1日：“感恩节那天，我们许多人在这里工作了一整天，而且一直待到周末，其中有我、Alex、Philip、Yu[Kato]，还有其他几个人，不过这样做很值。”Urmson说。当这些工程师来到他们头儿那里时，所有日常客套都被抛到一边。“在星期日凌晨的大约三、四点钟，所有的零配件都安装完毕并且连接妥当，机器人感觉好极了。”Whittaker补充说，同时向那些回家与家人共度节日的小组成员投去责备的目光。

机器人目前已经安装了一些感觉器件，而且拥有一个基本的神经系统。Smith和Kato组装了三轴平衡环，它用来瞄准和平衡立体摄像机和远程激光器，但是根据Smith的报告，却发现用于测量设备运动的“光纤-光学回转仪出现非常奇怪的行为。”Whittaker仔细听取了详细情况。他提醒小组成员说：“平衡环是赢得比赛的关键设备，主要目的是减少颠簸。但是现在一合上开关，它就会引起颠簸。”在接下来的几个星期，Kato几乎没有离开工作间，因为他试图通过软件方法来修正回转仪硬件中的故障。

第二天晚上7：51，“沙漠风暴”号首先在有人驾驶的情况下顺利完成测试，然后开始独立行驶。它仅仅依照跟踪椭圆测试环路GPS沿途停车点（waypoint）的一份记录清单，在无人驾驶的情况下行进，由计算机来实现驾驶操作，但是Urmson作为“人工停车开关”（human kill switch）待在车上，以防万一出现故障时按下紧急停车开关。过了半小时，车辆行驶了6.5千米左右，程序员Kevin Peterson点击膝上电脑的一个按钮，命令通过无线电波发送到机器人，“沙漠风暴”号戛然而止。“非常漂亮！”Whittaker表示祝贺，并且将车辆送回到车间，准备进行另一个整夜的修正工作。

一大早，Whittaker就吩咐道：“从现在开始，需要每个人24小时都待在这儿，这样当车辆一从野外返回，我们就可以开始工作。第一次看到机器人走动起来的确让人很兴奋，但关键是要能去的突破。在接下来的5天内要完成240千米穿越，同时记录传感器数据。这是最后的考核，成败在此一举。”

12月8日：“红色小组”在一个空鼓风炉旁边扎营，以便监视机器人完成15小时无人制导的连续行程。他们记录下一个“8”字形测试路线，但是机器人在交叉点处出现混乱，有时向左转，有时向右转。因此他们又回到椭圆测试环路。

但是就在测试可以重新开始时，一次短路故障对无线电E-stop接收器产生电流冲击：该接收器由DARPA提供，用于让比赛官员随时能够终止任何失去控制的计算机。由于接收器烧毁，除了一款软件之外，小组没有其他安全的方法可以让“沙漠风暴”号停下来。小组的软件高手Peterson和Martin Stolle强烈建议Whittaker不要过分依赖这套软件。

Urmson找到一个从无线电操纵飞机上卸下来的伺服电动机，并且用它来临时充当无线电停机开关，但是仍然缺少发射器。Whittaker叹了口气说：“因此，我现在只有用Martin的软件来控制停止。”他又问道：“Martin，你在控制器上花了多长时间？”

“我们测试了大约半个小时。”Martin回答。而且他警告说，如果随车携带的计算机失灵，“我们将失去所有控制，并且车辆将一直奋力前行，直到它撞在比Humvee更大的障碍物上。”

“我们能够前进，但是我们需要相互理解并且达成一致……”Urmson的话让大伙心往一块想。

Whittaker打断了Urmson：“所有人都理解，而且我会负责。现在的问题不是支持或反对；而是我们将会成功。”太阳已经落山，路上的稀泥也已经冻结。当机器人开始驾驶着车辆进行792圈的环路测试是，Whittaker坚持让两名成员在空旷的地方进行监视。

随着一股灰烟冒出，“沙漠风暴”号急速前行。当它转过前两个弯道进入直线跑道时，车盘上冒出了火星。车辆在接到指令后刹车停了下来。小组成员急忙拧着灭火器快速跑过去。着火原因无关紧要：有人忘记给高压气筒充气（用来释放停车制动），因此车辆启动时它处于合闸的状态。他们让车辆回到跑道上，结果发现电池又坏了。在接下来的几天里，故障一个接一个地出现。Smith和Kato努力排除了平衡环中的小毛病，并且让它的三条臂之一顺利运转了15个小时。然而，“红色小组”的其他成员也为故障所困扰。“沙漠风暴”号撞到一长串篱笆上，最终还是越过去了。12月13日凌晨时分，机器人只是在空地上行进了190千米，最后由于被山体阻挡而不得不停下来。他们又在刺骨的冰天雪地中坚持了两天，但没有成功。

奔赴起跑线

12月21日：这些固执的人们在一起开总结会，Whittaker承认：“我们没有实现240千米的目标，只是过了四天炼狱般的日子，但它是我们的战斗口号，是壮志雄心。”

在圣诞节前夕，他们测试了一种新的“电匣子”抗震隔离设计方案，挺管用，平衡环上的所有三条臂也都工作正常。圣诞节给他们带来别的什么了吗？哦，测试，失败，再修正，再测试。

在两周内，行业合作伙伴纷纷来到这里参加1月6日的最后一次小组全体会议，机器人已经准备好在政客和电视媒体前面亮相。在关紧的门背后，Whittaker承认：“在最后六个月，我们比原计划落后了一个月。按照GPS沿途停车点，车辆现在非常可靠（rock-solid），你甚至可以根本不用管它。”“沙漠风暴”号已从铺好的跑道上毕业，现在可以在空旷的野外安全独立地行驶，时速近50千米。

尽管车辆能够对外界进行观察，但它还没有聪明到可以自动避开障碍物。即使“沙漠风暴”号上安装了英特尔公司生产的最强大的10个处理器之一，计算机生成应对计划的速度仍然满了1/3.

今年2月，该机器人及其发明者前往沙漠。Whittaker说：“我们要让它完成16000千米的测试。这辆奇特之车可能因为摇晃而散架，因为它还只是原型。光是它的电匣子里就有5000多个元件，其中任何一个出现故障都会让车辆失灵。任何小组都能击败我们。”

那么如果“红色小组”获胜了呢？在12月份的一个寒冷夜晚，当Whittaker看着“沙漠风暴”号在一轮近乎完美的满月下进行环路测试时，他曾提道，参加新的机器人比赛最重要的意义并不在于发明行为本身。“最有趣的是，你的发明创造了探索空间的可能性。我正在考虑向NASA提出一项计划，发射一艘能够环绕月球极地的月球飞行器，用以搜寻冰块。”其他小组成员则建议制造一种可以跑在阿拉斯加Iditarod的机器人，或者让它充当南极救护车。

然而，最可能的结果是，100万美元的奖金在今年将不会有得主，比赛将于2005年继续进行。“如果没有人能够赢得今年的比赛，我们明年将会重振旗鼓，谁愿意参加？”Whittaker在会议结束时问道。满屋子的人都举了手。

[柯江华/译    曾少立/校]