Drone thám hiểm hành tinh có thể biến sợi dây thành GPS của riêng mình
Một phương pháp định vị mới cho drone thám hiểm hành tinh sử dụng chính sợi dây nối với rover để suy ra vị trí trong môi trường không có GPS. Thử nghiệm tại ESA đạt sai số trung bình khoảng 5,2 cm khi kết hợp mô hình dây võng với Gaussian Process.
Trên Sao Hỏa không có mạng vệ tinh GPS để một chiếc drone hỏi “tôi đang ở đâu?”. Camera có thể giúp nó tự định vị, nhưng những đồng bằng cát gần như không có đặc điểm nổi bật lại là bài toán khó – và chính kiểu địa hình này từng góp phần dẫn tới cú hạ cánh cuối cùng của trực thăng Ingenuity. Một nhóm nghiên cứu đang thử một giải pháp khác thường: biến chính sợi dây nối drone với rover thành hệ thống định vị.
Nghiên cứu mang tên Tether-Inertial Localization for Planetary Drones, do Dielof van Loon, Anton Bredenbeck, Lennart Puck, Martin Azkarate và Salua Hamaza thực hiện với sự tham gia của TU Delft và Phòng thí nghiệm Robot Hành tinh của Cơ quan Vũ trụ châu Âu (ESA), được đăng trên arXiv ngày 10/8/2026.
Hệ thống đo chiều dài dây đã nhả ra cùng các góc của dây ở phía rover và phía drone. Từ những thông số đó, thuật toán dựng lại hình dạng cong của sợi dây và suy ra vị trí ba chiều của drone so với trạm gốc. Khi kết hợp mô hình vật lý với Gaussian Process để bù sai số còn lại, nhóm nghiên cứu đạt sai số RMSE trung bình khoảng 5,2 cm trong các chuyến bay thử.
Điều quan trọng là “sợi dây thành GPS” chỉ là một phép so sánh trực quan. Công nghệ này không cung cấp tọa độ toàn cầu giống GPS trên Trái Đất. Nó cung cấp vị trí tương đối chính xác của drone so với rover. Nếu rover đã biết mình đang ở đâu trên bản đồ hành tinh, vị trí tương đối đó có thể được chuyển sang hệ tọa độ chung của nhiệm vụ.
Tại sao drone trên Sao Hỏa không thể dùng GPS?
GPS hoạt động trên Trái Đất nhờ một chòm vệ tinh phát tín hiệu thời gian và quỹ đạo chính xác. Thiết bị nhận đo thời gian tín hiệu từ nhiều vệ tinh để tính vị trí.
Trên Sao Hỏa hiện không tồn tại một chòm vệ tinh định vị toàn cầu tương đương. NASA cho biết các phương tiện trên bề mặt hành tinh phải dùng những phương pháp khác để biết mình đang ở đâu, phổ biến nhất là visual odometry, so khớp địa hình với bản đồ quỹ đạo và các kỹ thuật định vị vô tuyến hoặc quán tính.
Tháng 2/2026, NASA đã đưa Mars Global Localization vào vận hành trên Perseverance. Công nghệ này so sánh ảnh toàn cảnh từ camera của rover với bản đồ địa hình chụp từ quỹ đạo và có thể xác định vị trí rover với độ chính xác khoảng 25 cm trong các lần vận hành được NASA công bố.
Nhưng với một drone nhỏ, bài toán khó hơn. Khối lượng và điện năng rất hạn chế, trong khi tự định vị bằng camera hoặc LiDAR có thể đòi hỏi cảm biến và năng lực xử lý đáng kể.
Ingenuity đã cho thấy giới hạn của định vị bằng camera
Ingenuity chứng minh rằng bay có điều khiển trên một hành tinh khác là khả thi. Chiếc trực thăng nhỏ của NASA vốn chỉ được thiết kế cho tối đa năm chuyến bay thử nhưng cuối cùng hoàn thành 72 chuyến trên Sao Hỏa.
Trong khi bay, Ingenuity sử dụng camera hướng xuống để theo dõi chuyển động của các đặc điểm trên bề mặt như đá, gợn cát và cấu trúc địa hình. Từ đó, hệ thống ước lượng vận tốc và vị trí tương đối.
Nhược điểm của cách tiếp cận này xuất hiện khi mặt đất quá đồng nhất.
NASA kết luận rằng trong chuyến bay thứ 72 ngày 18/1/2024, hệ thống thị giác không tìm thấy đủ đặc điểm bề mặt để theo dõi khi trực thăng bay trên khu vực có các gợn cát tương đối trơn và ít đặc trưng. Sai số định vị khiến Ingenuity có vận tốc ngang lớn lúc chạm đất. Kịch bản được NASA đánh giá là có khả năng cao nhất cho rằng cú va chạm mạnh làm trực thăng nghiêng, khiến cả bốn cánh rotor bị gãy.
Sự cố này minh họa một nghịch lý của robot thám hiểm hành tinh: những vùng địa hình bằng phẳng có vẻ dễ bay qua lại có thể rất khó đối với hệ thống định vị dựa vào thị giác.
Nếu camera không nhìn thấy mốc, hãy đo sợi dây
Ý tưởng của nhóm TU Delft và ESA bắt đầu từ một hệ drone được nối vật lý với rover bằng tether.
Sợi dây vốn đã có nhiều lợi ích. Nó có thể đưa điện từ rover lên drone, giúp drone không phải mang một bộ pin lớn. Nó cũng có thể làm đường truyền dữ liệu tin cậy và cho phép những phép tính nặng được thực hiện trên máy tính của rover thay vì trên phương tiện bay.
Nhóm nghiên cứu nhận ra rằng bản thân hình học của sợi dây cũng chứa thông tin vị trí.
Nếu biết dây dài bao nhiêu và rời khỏi trạm gốc theo góc nào, ta đã có những manh mối về vị trí drone. Nếu tiếp tục đo góc dây ở phía drone và tính đến cách sợi dây võng xuống dưới tác dụng của trọng lực, vị trí có thể được xác định chính xác hơn nhiều.
Nói cách khác, thay vì coi tether chỉ là dây cấp nguồn và truyền dữ liệu, hệ thống biến nó thành một cảm biến hình học rất dài.
Sợi dây không thẳng: đó là lý do bài toán khó hơn lượng giác cơ bản
Nếu tether luôn căng thành một đoạn thẳng hoàn hảo, việc tìm vị trí drone sẽ tương đối đơn giản: chiều dài dây cùng hai góc phương vị và độ cao gần như tạo thành một phép đo tọa độ cầu.
Nhưng sợi dây thật có khối lượng. Nó võng xuống, rung và thay đổi hình dạng khi drone di chuyển.
Nhóm nghiên cứu sử dụng mô hình catenary – dạng đường cong tự nhiên của một sợi dây mềm treo dưới trọng lượng của chính nó. Đây cũng là dạng hình học thường thấy ở dây điện treo giữa hai cột.
Mô hình mới dùng bốn phép đo chính để xác định hình dạng dây và vị trí drone: chiều dài tether, góc nâng tại trạm gốc, góc phương vị tại trạm gốc và góc nâng tại phía drone. Hệ thống thử nghiệm còn có cảm biến lực căng để theo dõi trạng thái của dây.
Ưu điểm lớn của mô hình phân tích là tốc độ tính toán thấp và có thể ước lượng trực tiếp độ bất định của kết quả, phù hợp với robot có tài nguyên xử lý hạn chế.
AI sửa những phần mà phương trình vật lý chưa mô tả hết
Một mô hình toán học dù tốt đến đâu cũng khó mô tả hoàn hảo sợi dây ngoài đời thực.
Cảm biến có sai số. Dây có độ cứng. Điểm tiếp xúc và cơ cấu cuộn dây không lý tưởng. Khi drone đổi hướng nhanh, tether có thể xuất hiện chuyển động động lực học mà mô hình cân bằng catenary không tính hết.
Nhóm nghiên cứu vì thế bổ sung Gaussian Process, một phương pháp học máy có thể học phần sai số còn lại giữa mô hình vật lý và dữ liệu thực.
Kiến trúc này là một ví dụ của mô hình lai vật lý–học máy. Phương trình catenary đảm nhiệm phần hành vi đã hiểu rõ; Gaussian Process chỉ sửa những sai lệch có tính hệ thống mà mô hình chưa nắm bắt.
Nhóm còn sử dụng cơ chế dựa trên phương sai để hạn chế việc áp dụng dự đoán của Gaussian Process khi mô hình học máy không đủ tự tin, giúp giữ lại các đảm bảo độ chính xác từ phần mô hình vật lý.
Độ chính xác khoảng 5 cm trong thử nghiệm
Nhóm thử hệ thống với quadrotor HolyBro QAV250 và bộ quản lý tether tự chế tại cơ sở của ESA ở ESTEC, Hà Lan.
Drone thực hiện các quỹ đạo hình tròn, tam giác và số 8, với chiều dài tether tối đa từ 3 tới 4,5 m tùy bài thử. Tổng cộng nhóm thực hiện 17 chuyến bay vòng kín, trong đó 11 chuyến dùng định vị tether-inertial cơ bản và 6 chuyến dùng phiên bản có Gaussian Process.
Đáng chú ý, hệ thống motion capture VICON chỉ được dùng làm chuẩn đo để đánh giá kết quả. Drone điều khiển vị trí trong các bài thử bằng chính ước lượng từ tether, chứ không lấy tọa độ VICON làm tín hiệu phản hồi.
Với mô hình catenary thuần túy, sai số RMSE trung bình qua các bài thử là khoảng 7,44 cm. Khi thêm Gaussian Process, con số giảm xuống khoảng 5,18 cm, tương đương cải thiện khoảng 30,3%.
Ở một số quỹ đạo riêng lẻ, sai số RMSE xuống khoảng 2,2 cm. Theo các tác giả, kết quả trung bình của hệ thống tốt hơn khoảng một bậc độ lớn so với những phương pháp tether-based trước mà họ dùng để so sánh.
Các con số này là kết quả trên hệ thử nghiệm trong phòng lab với tether dài tối đa 4,5 m, chưa phải độ chính xác đã được chứng minh trên Sao Hỏa.
Vì sao định vị bằng tether không bị “trôi” như quán tính?
Một IMU đo gia tốc và tốc độ quay rất tốt trong khoảng thời gian ngắn. Nhưng nếu vị trí được tính bằng cách tích phân các phép đo này liên tục, những sai số cực nhỏ sẽ cộng dồn theo thời gian.
Hiện tượng đó được gọi là drift. Sau một chuyến bay đủ dài, hệ thống có thể nghĩ drone đang ở cách vị trí thật hàng mét dù từng phép đo cảm biến chỉ sai rất ít.
Camera có thể sửa drift bằng cách nhận dạng những đặc điểm trên mặt đất. Nhưng khi địa hình không có đủ chi tiết, khả năng này suy giảm.
Tether tạo ra một phép đo tuyệt đối theo nghĩa tương đối với trạm gốc: tại bất kỳ thời điểm nào, chiều dài và góc của dây đều ràng buộc drone phải nằm trong một vùng vị trí cụ thể. Sai số trước đó không cứ thế tích lũy mãi.
Đó là lý do nhóm gọi phương pháp này là non-drifting localization.
Tether-inertial không phải GPS thật
Việc gọi tether là “GPS riêng” giúp hình dung chức năng, nhưng có một giới hạn quan trọng.
GPS cho điện thoại biết tọa độ của nó trong một hệ tham chiếu toàn cầu. Hệ tether mới cho biết drone nằm ở đâu so với rover hoặc trạm gốc.
Nếu rover dịch chuyển mà không biết chính xác vị trí của mình, toàn bộ hệ tọa độ của drone cũng dịch chuyển theo.
Trong một nhiệm vụ thực, hai hệ thống có thể bổ sung nhau. Rover có thể dùng Mars Global Localization, bản đồ quỹ đạo hoặc một phương pháp khác để định vị toàn cục. Drone dùng tether để có vị trí tương đối liên tục và nhanh. Khi ghép hai lớp dữ liệu, hệ thống có thể suy ra vị trí drone trong bản đồ hành tinh.
Đây có thể là kiến trúc hiệu quả hơn việc buộc một drone nhỏ phải tự mang toàn bộ camera, máy tính và cảm biến cần cho định vị toàn cầu.
Sợi dây còn có thể giải quyết bài toán pin
Định vị chỉ là một trong ba lợi ích chính của tether.
Drone hành tinh có giới hạn khối lượng rất nghiêm ngặt. Mỗi gram dành cho pin là một gram không thể dành cho camera, thiết bị khoa học, cơ cấu nhiệt hoặc máy tính.
Nếu điện được cấp từ rover qua dây, drone có thể giảm khối lượng pin và bay lâu hơn. Việc xử lý dữ liệu cũng có thể chuyển xuống máy tính trên rover, nơi có ngân sách điện và nhiệt thuận lợi hơn.
ESA mô tả ý tưởng trong đó tether vừa cung cấp điện và đường dữ liệu, vừa cho phép drone trở thành một “cột quan sát bay” của rover.
Thay vì gắn camera trên một cột mast cao và nặng, rover có thể cho drone bay lên vài mét để quan sát xa hơn, lập bản đồ địa hình phía trước rồi quay lại. Trong một số thiết kế, luồng khí từ rotor còn có thể giúp thổi bụi khỏi tấm pin mặt trời của rover.
Drone có thể trở thành chiếc mast biết bay của rover
Camera trên mast là cấu trúc quen thuộc của các rover Sao Hỏa. Đặt camera cao giúp nhìn xa hơn, nhưng mast càng cao thì càng nặng và dễ rung khi rover di chuyển.
Một drone tethered có thể thay đổi độ cao theo nhu cầu. Khi rover cần khảo sát tuyến đường, drone cất lên và nhìn qua những tảng đá hoặc gờ địa hình. Khi rover di chuyển, drone hạ xuống hoặc bay theo ở khoảng cách an toàn.
Nhờ kết nối dây, ảnh có thể được gửi trực tiếp xuống rover với băng thông cao và không phụ thuộc hoàn toàn vào radio. Rover có thể xử lý bản đồ, lập đường đi rồi tiếp tục hành trình.
Ở góc nhìn hệ thống, drone không còn là một phương tiện hoàn toàn độc lập. Nó trở thành một cảm biến di động mở rộng từ rover.
Một drone tethered thậm chí có thể làm “ngọn hải đăng” cho drone khác
ESA còn nêu một mở rộng thú vị: sử dụng hai drone.
Drone thứ nhất được nối với rover bằng tether và biết vị trí tương đối của mình rất chính xác. Nó có thể bay lên cao và đóng vai trò beacon cho drone thứ hai không có dây.
Drone tự do sẽ có phạm vi hoạt động lớn hơn, trong khi drone tethered tạo một mốc tham chiếu trên không và một relay truyền thông.
Kiến trúc như vậy chưa được chứng minh trong nghiên cứu hiện tại, nhưng cho thấy tether localization không nhất thiết giới hạn toàn bộ nhiệm vụ trong bán kính sợi dây. Nó có thể trở thành một thành phần của mạng định vị cục bộ cho nhiều robot.
Nhược điểm lớn nhất cũng chính là sợi dây
Tether mang lại điện, dữ liệu và định vị, nhưng đồng thời tạo ra những giới hạn mà drone tự do không có.
Đầu tiên là phạm vi. Drone không thể bay xa hơn chiều dài dây.
Thứ hai là nguy cơ vướng. Địa hình hành tinh có đá, miệng hố, vách và nhiều vật cản có thể giữ hoặc mài mòn tether. Một dây bị móc vào đá có thể kéo lệch cả drone.
Thứ ba là lực cản. Trong khí quyển, dây chịu aerodynamic drag. Khi chiều dài tăng, tác động này có thể đáng kể hơn và khiến mô hình catenary tĩnh đơn giản kém chính xác.
Thứ tư là hệ thống cuộn dây. Cơ cấu phải nhả và thu tether ổn định trong bụi, nhiệt độ cực đoan và môi trường bức xạ, đồng thời không được kẹt trong suốt nhiệm vụ.
Những thách thức đó càng lớn nếu tether dài hàng chục hoặc hàng trăm mét thay vì 4,5 m như trong thử nghiệm hiện tại.
Kết quả trên Trái Đất chưa đồng nghĩa sẽ giữ nguyên trên Sao Hỏa
Môi trường thử nghiệm hiện tại nằm trên Trái Đất, trong cơ sở robot của ESA. Sao Hỏa có trọng lực chỉ khoảng 38% Trái Đất và khí quyển rất mỏng, vì vậy hình dạng, lực cản và động lực học của tether sẽ khác.
Khối lượng riêng, độ cứng và vật liệu dây cũng phải được thiết kế cho điều kiện nhiệt độ và bức xạ của nhiệm vụ thực.
Bản thân drone cũng khác. Ingenuity cần rotor quay rất nhanh và cánh lớn so với khối lượng để tạo đủ lực nâng trong khí quyển loãng. Một tether treo phía dưới sẽ thêm tải và có thể tương tác với luồng khí rotor.
Vì vậy, con số 5,2 cm nên được hiểu là bằng chứng về khả năng của thuật toán và hệ thống cảm biến trong thử nghiệm hiện tại, không phải cam kết cho một chuyến bay Sao Hỏa.
Định vị hành tinh có thể cần nhiều lớp thay vì một “GPS” duy nhất
Không có một phương pháp định vị nào hoàn hảo cho mọi tình huống.
Visual odometry hoạt động tốt khi địa hình có nhiều đặc điểm. Inertial odometry phản ứng rất nhanh nhưng bị drift. So khớp với bản đồ quỹ đạo cho tọa độ toàn cục nhưng cần ảnh phù hợp và tài nguyên xử lý. Radio beacon có thể cung cấp khoảng cách nhưng cần hạ tầng phát tín hiệu.
Tether localization có phạm vi giới hạn nhưng cho phép đo tương đối ổn định ngay cả khi mặt đất không có đặc điểm để camera bám.
Một robot thám hiểm tương lai có thể kết hợp tất cả: IMU cho chuyển động tức thời, camera để theo dõi địa hình, tether để chặn drift và rover để cung cấp mốc tọa độ toàn cục.
Điểm mạnh của nghiên cứu mới không phải chứng minh rằng sợi dây sẽ thay thế mọi hệ thống định vị khác, mà cho thấy một phần cứng vốn đã tồn tại vì lý do cấp nguồn và liên lạc có thể kiêm thêm vai trò cảm biến.
Từ một sợi dây thành hệ tọa độ của riêng robot
Nghiên cứu đăng tháng 8/2026 đã trình diễn điều khiển vòng kín drone bằng chính dữ liệu từ tether, đạt sai số dưới 10 cm với mô hình vật lý và khoảng 5,2 cm trung bình khi bổ sung Gaussian Process.
Kết quả đặc biệt đáng chú ý trong bối cảnh Ingenuity cho thấy điểm yếu của navigation bằng thị giác trên địa hình Sao Hỏa ít đặc trưng. Tether cung cấp một loại thông tin hoàn toàn khác: thay vì hỏi camera nhìn thấy gì dưới mặt đất, hệ thống hỏi sợi dây đang dài bao nhiêu và hướng về đâu.
Phương pháp vẫn còn ở giai đoạn thử nghiệm trên Trái Đất, với tether chỉ dài vài mét và chưa trải qua môi trường Sao Hỏa. Nhưng ý tưởng cho thấy robot hành tinh có thể tận dụng từng gram phần cứng theo nhiều cách.
Một sợi dây vốn dùng để cấp điện cho drone có thể đồng thời truyền dữ liệu, giới hạn vùng bay và trở thành một hệ thống định vị không bị drift. Nếu rover phía dưới đã biết tọa độ của mình, cả cặp rover–drone có thể tạo ra một “GPS cục bộ” mà không cần chòm vệ tinh trên bầu trời.
