Як керують марсоходом? Розповідь інженера-механіка NASA

Еван Хільгеманн, інженер-механік з Лабораторії реактивного руху NASA, розповів, як марсоходи вивчають планету і пересуваються далеко від Землі. Ми перевели його розповідь для вас.

Більше як рік тому мені пощастило: я став частиною команди вчених і інженерів, відповідальної за управління марсоходом «К’юріосіті». Відтоді я дізнався багато нового про марсоходи. Але ще більше тільки належить дізнатися. «Спірит», «Оппортьюніті», «К’юріосіті» і «Персеверанс» — одні з найскладніших і водночас надійних роботів, коли-небудь створених людиною. Однак інструменти та методи, які застосовуються для управління марсоходами, досить прості в освоєнні й доступні розумінню. І це добре, оскільки 18 лютого «Персерванс» опуститься на поверхню Марса, після чого його відправлять на вивчення планети. Зараз моє завдання — розповісти про те, як управляти марсоходом. Коли новий ровер прилетить на Марс, ви вже будете розуміти, що відбувається і як все це працює.

Велика частина цієї статті – виклад мого досвіду управління «К’юріосіті». Майте на увазі, що «Спірит» і «Оппортьюніті» багато в чому схожі в цьому плані на свого «спадкоємця». Для управління «Персерванс» будуть використовуватися ті ж технології й методи, так що занадто значних відмінностей немає.

Основи

Головне, що потрібно знати, — Марс від нас дуже, дуже далеко. Радіосигнал, відправлений з Землі, досягає поверхні Марса через 22 хвилини. Тому управління в режимі реального часу — не варіант. Крім того, «К’юріосіті» отримує інформацію з Землі раз в день. Весь інший час він наданий сам собі. При цьому про будь-яку автономність мова не йде: у марсохода обмежений набір дій, які він може виконувати самостійно. Велика частина того, що робить ровер, заплановано і прописано в пам’яті пристрою ще на Землі.

Звичайно, є і парочка винятків: деякі проблеми марсохід повинен вміти вирішувати самостійно. Але більшість таких рішень — зупинка й очікування інструкцій з Землі у відповідь на який-небудь зовнішній фактор. Певним ступенем автономності має Aegis — система, яка може самостійно вибрати шматок породи, в який «К’юріосіті» повинен «вистрілити» лазером.

Дивись під ноги

Головне завдання оператора ровера — забезпечити його безпеку протягом усього шляху на Марсі. Тому треба ретельно оцінювати всі можливі варіанти своїх дій. У марсоходів NASA є кілька камер, завдяки яким ровер формує «картинку», як би побачену очима людини. Є також hazcams, «камери небезпеки», які оцінюють наявність проблем поблизу, а також navcams — навігаційні камери, що оцінюють дорогу попереду. Є ще й інші камери, які, правда, здебільшого використовуються для виконання наукових завдань, тому я утримаюсь від опису принципу їх роботи.

У більшості випадків для візуальної оцінки ділянки шляху ровера використовуються як раз navcams. Зображення, які вони отримують, можна подивитися як об’ємні «картинки» на Землі. У NASA розробили спеціалізоване програмне забезпечення, яке призначене для візуалізації місцевості та для створення віртуальної моделі ровера і ділянки ландшафту навколо нього. Ця віртуальна модель використовується для тестування планованих операторами дій. Якщо емуляція пройшла добре, команди можна відправляти на Марс. Таким чином, вчені рятують себе від можливих негативних наслідків посилання неперевіреної команди.

Ось як виглядає емуляція руху ровера після того, як модель повністю готова. Сірі області — ділянки Марса, за якими роверу належить проїхати в найближчому майбутньому. Оранжево-коричневі лінії — це, власне, шлях ровера. У день моделюється близько 30 метрів поверхні, камери просто не можуть зібрати більше інформації, тому марсохід проїжджає саме стільки.

А ось накладення змодельованого шляху ровера на реальні знімки, отримані навігаційними камерами.

При плануванні руху марсохода потрібно враховувати кілька важливих моментів. Наприклад, розмір об’єктів, що зустрічаються на шляху. Максимальний розмір, з яким може впоратися ровер, — близько 50 см. Все, що більше, потрібно обігнути. Пісок (це не зовсім пісок, але будемо називати його так) теж бажано огинати: якщо його багато, ровер може застрягти. Навіть невеликі шматки породи являють собою небезпеку, через те, що їх гострі краї ушкоджують колеса ровера.

Поспіхом, не дуже або повільно?

Після того як вчені визначилися з напрямком руху, потрібно зрозуміти, як саме рухатися. Є три режими: сліпий режим, візуальна одометрія та автонавігація.

Сліпий режим — найпростіший спосіб руху з можливих. Марсохід в цьому випадку буде слідувати інструкціям, надісланим з Землі, і не звертати ні на що уваги. В ідеалі це відмінний метод управління марсоходом, але умови на Марсі далекі від ідеалу. Найчастіше зовнішні чинники впливають на просування до мети. Це може бути, наприклад, ковзання коліс по поверхні, так що марсохід замість того, щоб просунутися на 10 метрів, просувається на 9 або навіть 5.

Відмінний спосіб зрозуміти, що таке сліпе управління, — закрити очі та спробувати пройти по певній траєкторії. Наприклад, 7 метрів вперед, потім повернути на 30 градусів ліворуч і пройти ще 4 метри. Ми в цьому випадку взагалі не уявляємо, що відбувається навколо, і не адаптуємося до мінливих умов.

В цілому, сліпе управління — не найкращий варіант, але він дозволяє марсоходу рухатися швидко, оскільки системі не потрібно зупинятися для того, щоб зробити знімки. На максимальній швидкості марсохід може проїхати на довжину футбольного поля всього за годину. Але цей варіант вибирається тільки в тому випадку, якщо навколо немає потенційно небезпечних об’єктів.

Візуальна одометрія застосовується операторами частіше. В цьому випадку марсохід зупиняється через кожен метр для того, щоб зробити знімок ґрунту камерами. Бортовий комп’ютер потім оцінює зображення, порівнює його з попереднім і намагається зрозуміти, що змінилося навколо, включаючи місце розташування марсохода. Потім комп’ютер відправляє нові навігаційні команди, що дозволяють триматися запланованого шляху.

Цей спосіб схожий на попередній, тільки в процесі просування кожні пару кроків потрібно зупинятися, щоб відкрити очі та озирнутися.

Візуальна одометрія — баланс між швидкістю і точністю руху. Метод вкрай важливий, оскільки допомагає виявити перешкоди на шляху ровера та уникнути їх.

Автонавігація — найбільш технологічно досконалий метод. Його можна порівняти з використанням безпілотника в автомобілі. Задаємо спільну мету і ровер сам шукає безпечний і швидкий шлях до мети. Марсоходу доводиться зупинятися через кожен метр, щоб оцінити обстановку за допомогою камер. Але замість того, щоб зробити один знімок за допомогою навігаційних камер, марсохід залучить й hazcams. Потім бортовий комп’ютер об’єднує всю цю інформацію, формуючи «карту небезпеки». Проблемні місця відмічені червоним кольором, місця, де ситуація не настільки плачевна, — жовтим, а максимально слушна для просування ровера місцевість відзначається зеленим кольором.

Це найповільніший варіант просування для марсохода. Якщо в ідеальній ситуації ровер може пройти на довжину футбольного поля за допомогою сліпого методу, як говорилося вище (це приблизно 100 м), то в разі автономного режиму в ідеальних умовах марсохід пройде всього 30 метрів.

При цьому ровер не вміє виявляти пісок або гострі камені, так що метод використовують тільки тоді, коли місцевість абсолютно безпечна.

Чого можна чекати від «Персеверанс»?

NASA очікує, що новий марсохід опуститься на поверхню планети вже 18 лютого. Після цього, сподіваюся, він почне просування по Марсу. Все, про що я говорив вище, відноситься і до нового марсоходу, але у нього більше можливостей. Наприклад, він зможе рухатися мінімум у два рази швидше «К’юріосіті»: у бортового ПК більше обчислювальних ресурсів і поліпшені алгоритми обробки даних. Навігаційні камери робота кольорові, вони отримують зображення більшої, ніж у «К’юріосіті», роздільної здатності. Крім того, колеса у ровера товщі, ніж у попередника, і інший малюнок протекторів. Вчені вважають, що колеса будуть менше пошкоджуватися.

Одна з найважливіших завдань для марсохода: збір і зберігання зразків для повернення на Землю. Від успіху цієї місії залежить дуже багато чого. І тепер, коли ровер почне рухатися, ви будете розуміти, що і як забезпечує цей рух.

БІЛЬШЕ ЦІКАВОГО:

Джерело: Medium

Читайте также:

Чи може супутниковий інтернет Starlink окупити будівництво колонії на Марсі?

Марсохід Perseverance синтезував кисень з атмосфери Марса

Вертоліт Ingenuity здійснив свій перший політ на Марсі

Як астронавти будуть добувати кисень на Марсі?