[Перевод] НАСА на пути к автономным миссиям на поверхностях океанических миров
С помощью передовых программ тестирования автономных систем НАСА закладывает основу для одного из своих главных приоритетов — поиска признаков жизни и потенциально пригодных для жизни небесных тел в нашей Солнечной системе и за её пределами. Главными объектами для таких исследований являются небесные тела с жидкой водой, такие как спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад. Первые миссии к поверхности этих «океанических миров» будут роботизированными и потребуют высокой степени автономности бортового оборудования из-за долгого прохождения сигнала с Земли и периодов отсутствия связи, суровых условий на поверхности и ограниченного срока службы батарей.
Технологии, которые могут обеспечить автономность космических аппаратов, обычно относятся к области искусственного интеллекта (ИИ) и в последние годы быстро развиваются. Многие такие технологии, включая машинное обучение и генеративный ИИ, развиваются в учреждениях, не входящих в НАСА.
В 2018 году НАСА приступило к реализации программы, направленной на использование этих достижений для обеспечения будущих полётов к ледяным мирам. Оно спонсировало разработку физического испытательного стенда для автономной работы Ocean Worlds Lander (OWLAT) в Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии и виртуального испытательного стенда для автономной работы Ocean Worlds для разведки, исследований и моделирования (OceanWATERS) в Исследовательском центре Эймса НАСА в Кремниевой долине, Калифорния.
НАСА подало заявки на участие в программе «Автономные робототехнические исследования для океанических миров» (ARROW) в 2020 году и в программе «Концепции технологии обнаружения жизни в океанических мирах» (COLDTech) в 2021 году. Шесть исследовательских групп, базирующихся в университетах и компаниях США, были отобраны для разработки и демонстрации автономных решений на OWLAT и OceanWATERS. Эти двух-трехлетние проекты уже завершены и позволили решить широкий спектр задач по обеспечению автономности, стоящих перед потенциальными миссиями на поверхности Мирового океана.
OWLAT
Проект OWLAT предназначен для моделирования посадки космического аппарата с роботизированной рукой для проведения научных операций на поверхности Мирового океана. Общая архитектура OWLAT, включающая аппаратные и программные компоненты, показана на иллюстрации 1. Ниже приводится подробное описание каждого из компонентов OWLAT.
Иллюстрация 1. Программные и аппаратные компоненты автономного испытательного стенда Ocean Worlds Lander и взаимосвязь между ними.
Аппаратная версия OWLAT (показана на иллюстрации 2) предназначена для физического моделирования движений посадочного аппарата при выполнении операций в условиях низкой гравитации с помощью платформы Stewart с шестью степенями свободы. Роботизированный манипулятор с семью степенями свободы установлен на посадочной платформе для отбора проб и других научных операций, которые взаимодействуют с окружающей средой. Для восприятия используется камера, установленная на поворотно-наклонном устройстве. Испытательный стенд также оснащён набором бортовых датчиков силы/крутящего момента для измерения силы движения и реакции при взаимодействии посадочного аппарата с окружающей средой. Алгоритмы управления, реализованные на испытательном стенде, позволяют ему демонстрировать динамику, как если бы он был лёгким манипулятором на посадочной платформе, работающей в различных гравитационных средах.
Иллюстрация 2. Автономный испытательный стенд Ocean Worlds Lander. На конце руки робота-испытателя закреплён черпак.
Команда также разработала набор инструментов и приборов (показаны на иллюстрации 3), позволяющих выполнять научные операции с помощью испытательного стенда. Эти инструменты можно закреплять на конце манипулятора робота с помощью механизма быстрого соединения и разъединения. Рабочее пространство испытательного стенда, в котором проводятся отбор проб и другие научные операции, включает в себя среду, созданную для представления сцены и материалов, имитирующих поверхность, которые можно обнаружить на океанических мирах.
Иллюстрация 3. Инструменты и приборы, предназначенные для использования на тестовом стенде.
Версия OWLAT, предназначенная только для программных симуляций, моделирует, визуализирует и предоставляет телеметрию от высокоточного симулятора динамики, основанного на физическом движке Dynamics And Real-Time Simulation (DARTS), разработанном в JPL. Он воспроизводит поведение физического стенда в ответ на команды и предоставляет телеметрию программному обеспечению автономии. Визуализация из симулятора показана на иллюстрации 4.
Иллюстрация 4. Визуализация динамического симулятора, показывающая развёртывание и выполнение операции зачерпывания.
Автономный программный модуль, показанный вверху на иллюстрации 1, взаимодействует с испытательным стендом через интерфейс на базе операционной системы робота (ROS) для подачи команд и получения телеметрии. Этот интерфейс идентичен интерфейсу OceanWATERS. Команды, полученные от модуля автономии, обрабатываются через модуль диспетчера/планировщика/контроллера (синяя рамка на илл. 1) и используются для управления либо физической аппаратной версией стенда, либо динамической симуляцией (программной версией) стенда. Информация с датчиков, полученная в ходе работы либо только программного, либо только физического стенда, передаётся обратно в модуль автономности с помощью определённого телеметрического интерфейса. Программный модуль мониторинга и оценки безопасности и производительности (красная рамка на рис. 1) обеспечивает поддержание тестового стенда в пределах его рабочих границ. Любые команды, вызывающие поведение, выходящее за пределы установленных границ, и аномалии передаются программному модулю автономности как неисправности.
Иллюстрация 5. Эрика Тевере (на станции оператора) и Ашиш Гоэл (на манипуляторе робота) настраивают испытательный стенд OWLAT для использования.
OceanWATERS
На момент создания проекта OceanWATERS спутник Юпитера Европа была первым выбором планетарной науки в поисках жизни. Основанный на ROS, OceanWATERS — это программный инструмент, который обеспечивает визуальное и физическое моделирование роботизированной посадки на поверхность Европы (см. иллюстрацию 6). OceanWATERS реалистично моделирует небесную сферу Европы и солнечный свет, как прямой, так и косвенный. Поскольку у нас пока нет подробной информации о поверхности Европы, пользователи могут выбирать из моделей рельефа с различными свойствами поверхности и материалов. Одна из таких моделей представляет собой цифровую копию части пустыни Атакама в Чили, которая считается потенциальным земным аналогом некоторых внеземных поверхностей.
Иллюстрация 6. Скриншот программы OceanWATERS.
В исследовании JPL Europa Lander от 2016 года, руководящем документе для разработки OceanWATERS, описывается планетарный посадочный модуль, целью которого является сбор образцов подповерхностного реголита/льда, их анализ с помощью бортовых научных приборов и передача результатов анализа на Землю.
Симулятор посадочного аппарата в OceanWATERS имеет антенную мачту, которая поворачивается и наклоняется; к ней прикреплены стереокамеры и прожекторы. У него есть рука с 6 степенями свободы и двумя сменными концевыми эффекторами — дробилкой, предназначенной для рытья траншей, и черпаком для сбора грунта. Посадочный модуль питается от имитации блока неперезаряжаемых батарей. Потребление энергии, состояние батареи и её оставшийся срок службы регулярно прогнозируются с помощью инструмента Generic Software Architecture for Prognostics (GSAP).
Для имитации деградации или поломки подсистем пользователь может «вводить» в симуляцию различные неисправности (например, замёрзший сустав руки или перегрев батареи); некоторые неисправности также могут возникать «естественным» образом по ходу симуляции, например, если компоненты испытывают чрезмерное напряжение. Все операции и телеметрия (измерение данных) модуля доступны через интерфейс, который внешние программные модули автономности могут использовать для управления модулем и понимания его состояния. (OceanWATERS и OWLAT используют единый интерфейс автономии, основанный на ROS). Пакет OceanWATERS включает один базовый модуль автономии — средство для выполнения планов (спецификаций автономии), написанных на языке обмена PLan EXecution Interchange Language, или PLEXIL. PLEXIL и GSAP — это программные пакеты с открытым исходным кодом, разработанные в Эймсе и доступные на GitHub, как и OceanWATERS.
Операции, которые можно смоделировать с помощью OceanWATERS, включают визуальный осмотр места посадки, прощупывание грунта для определения его твёрдости, рытьё траншеи и зачерпывание грунта, который можно выбросить или поместить в контейнер для сбора проб. Связь с Землёй, анализ образцов и другие операции реальной посадочной миссии в настоящее время не моделируются в OceanWATERS, за исключением их предполагаемого энергопотребления. Иллюстрация 7 — видеоролик, на котором OceanWATERS выполняет примерный сценарий миссии с использованием модели местности на базе Атакамы.
Иллюстрация 7. Скриншот посадочной платформы OceanWATERS на местности, смоделированной на основе пустыни Атакама. Только что завершена операция по зачерпыванию.
Из-за удалённости Земли от океанических миров и возникающего при этом отставания в связи планетарный модуль нужно запрограммировать на получение информации, достаточной для начала миссии. Однако наверняка в ходе миссии будут возникать специфические проблемы, требующие бортового интеллекта, такие как принятие решения о том, где и как именно собирать образцы, решение неожиданных проблем и неисправностей оборудования, а также определение приоритетности операций в зависимости от оставшейся мощности.
Результаты
Все шесть исследовательских групп, финансируемых в рамках программ ARROW и COLDTech, использовали OceanWATERS для разработки технологии автономной работы океанических посадочных модулей, а три из этих групп также использовали OWLAT. Результаты этих работ были опубликованы в технических документах и привели к разработке программного обеспечения, которое может быть использовано или адаптировано для реальных миссий по высадке на поверхность океана в будущем.
Habrahabr.ru прочитано 2556 раз
