Беспилотный автомобиль для Марса: что внутри ровера Perseverance и с какими трудностями NASA столкнулась при разработке

Агентство хочет отправить робота на Марс, чтобы тот самостоятельно собрал образцы грунта. Это должно помочь найти жизнь вне Земли. Детали проекта — в пересказе материала Wired.

В июле 2020 года NASA собирается запустить очередной марсоход — Perseverance («Настойчивость»). Перед ним стоит задача собрать и сохранить образцы грунта для последующего возврата на Землю. «Настойчивость» проведёт свою командировку, копая кратер Езеро — на его месте 3,5 млрд лет назад была дельта марсианской реки.

Образцы оттуда могут содержать следы внеземной жизни. Только чтобы их найти, потребуется мощный компьютер, подходящий для работы на Марсе.

«Настойчивость» гораздо автономнее четырёх предыдущих марсоходов NASA. Инженер-робототехник Лаборатории реактивного движения NASA Филипп Тву называет её «беспилотным автомобилем на Марсе». Как и земные аналоги, ровер будет ориентироваться в пространстве за счёт набора сенсоров, передающих собранные данные алгоритмам машинного зрения.

И если в земных беспилотных машинах мощное «железо», то основной вычислительный центр «Настойчивости» мог бы сойти за высокопроизводительный в 1997 году: процессор с частотой 200 МГц, 2 ГБ флэш-памяти и 256 МБ оперативной. Чтобы совместить в «мозге» ровера исследовательскую функцию и режим автономного вождения, инженеры NASA внедрили второй компьютер, который возьмёт на себя роль водителя.

Навигационные программы предыдущих роверов делили ограниченные вычислительные ресурсы со всеми другими системами. Чтобы доехать из одной точки в другую, марсоходу нужно было сфотографировать окружение, немного проехать, а затем на несколько минут остановиться для планирования следующего шага.

«Настойчивость» же может делегировать процессы визуального ориентирования на отдельный компьютер, и теперь главный компьютер будет решать, куда должен попасть ровер, а компьютер с машинным зрением — следить, чтобы на пути не было камней и скал.

У «Настойчивости» плотный график: нужно десантировать небольшой вертолёт для лётных испытаний, собрать десятки образцов породы и найти на поверхности планеты площадку для их хранения (позднее другая миссия заберёт этот груз на Землю и будет искать в нём следы жизни). Чтобы успеть справиться со всеми делами за год, роверу нужно будет принимать множество навигационных решений самостоятельно.

Для определения собственного положения на Марсе «Настойчивость» будет пользоваться стереозрением и визуальной одометрией. Стереозрение совмещает два изображения с «левой» и «правой» камер, чтобы получить объёмную картину окружения ровера, а программа визуальной одометрии анализирует разделение изображений во времени и оценивает, насколько далеко продвинулся аппарат.

Эта комбинация технологий используется NASA уже десятки лет, постоянно дополняется и совершенствуется новыми программами и «железом».

Новая цифровая оптика «Настойчивости» позволят ей автономно ориентироваться в окружении в несколько раз быстрее предшественников, что освобождает больше времени на основные научные задачи. Но всё равно на расстояние, которое ленивец преодолеет за час, марсоходу понадобится целый день. Тем не менее для инженеров NASA новый ровер — гоночный болид в сравнении со старыми моделями.

«Настойчивость» не виновата, что думает медленно: это всё радиация. Марс не обладает плотной атмосферой или магнитным полем, защищающим от потока заряженных солнечных частиц, которые влияют на производительность компьютеров. Радиационные частицы могут отключить транзисторы в неподходящее время, и накапливающееся число ошибок может привести к зависанию компьютера. Это ставит под угрозу сохранность данных и успех всей миссии.

Можно добавить ещё транзисторов, а можно поработать над чипом. Обычно защита чипа от радиации снижает его производительность. Это обусловлено конструкцией процессора, а также тем, что сами испытания радиационной защиты нового компонента занимают много времени. К моменту получения необходимой квалификации чипа производительность процессоров текущего поколения кратно его превосходит.

Даже если «железо» идеально, алгоритм всегда может ошибиться. К таким ошибкам относятся случаи, когда ровер не может увидеть объект или путает его с чем-либо. Чтобы решить эту проблему, можно направлять в навигационную систему марсохода данные с других сенсоров, чтобы не полагаться только на зрение. К примеру, гироскопы и акселерометры помогут оценить угол наклона и твёрдость поверхности.

Другое решение — прогнать через алгоритмы ровера как можно больше сценариев перед запуском, чтобы избежать неожиданностей на Марсе. В Лаборатории NASA в Пасадене есть большое поле с разбросанными булыжниками и красной пылью, имитирующее марсианскую поверхность, — Марсов двор. В течение нескольких лет он служил испытательным полигоном для алгоритмов, управляющих «Настойчивостью».

Инженер Филипп Тву с коллегами периодически выводили копию ровера во двор и намеренно выстраивали сценарии, которое могли бы сбить его с толка. К примеру, проверяли, сможет ли марсоход самостоятельно выехать из тупика, в который он сам же и попал.

Однако не все ситуации можно смоделировать, просто раскидав камни по гигантской песочнице в случайном порядке. Большинство испытаний навигационных алгоритмов «Настойчивости» были проведены в виртуальной среде, где группа управления ровером подбрасывала алгоритмам все возможные варианты развития миссии и изучала реакцию компьютеров.

Инженеры NASA считают, что результаты испытаний визуальных алгоритмов в связке с данными сенсоров ровера позволят аппарату проходить куда более сложные маршруты, нежели удавалось любому предыдущему марсоходу.

Главное испытание «Настойчивости» предстоит в феврале 2021 года, когда ровер приземлится на Марсе. Если всё пройдёт гладко, его путешествие может помочь найти жизнь вне Земли.

#космос #марсоход #марс #nasa