|
Автономные наземные миссии на океанических планетах
|
|
|
|
С помощью передовых программ автономных испытаний НАСА закладывает основу для одного из своих главных приоритетов — поиска признаков жизни и потенциально обитаемых объектов в нашей Солнечной системе и за ее пределами. Основными направлениями для таких исследований являются тела, содержащие жидкую воду, такие как спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад.
|
|
|
|
Первоначальные полеты к поверхности этих "океанских миров" будут автоматизированными и потребуют высокой степени автономности на борту из-за длительных задержек связи с Землей и отключений электроэнергии, суровых условий на поверхности и ограниченного времени автономной работы.
|
|
|
|
Технологии, которые могут обеспечить автономность космических аппаратов, как правило, относятся к области искусственного интеллекта (ИИ) и в последние годы быстро развиваются. Многие из таких технологий, включая машинное обучение, причинно-следственные связи и генеративный ИИ, разрабатываются в учреждениях, не относящихся к НАСА.
|
|
|
|
В 2018 году НАСА запустило программу, направленную на то, чтобы воспользоваться этими достижениями для осуществления будущих миссий в ледяном мире. Она спонсировала разработку физического автономного испытательного стенда спускаемого аппарата Ocean Worlds (OWLAT) в Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии и виртуального автономного испытательного стенда Ocean Worlds для исследований и моделирования (OceanWATERS) в исследовательском центре Эймса НАСА в Силиконовой долине, Калифорния.
|
|
|
|
|
|
|
НАСА подало заявки на участие в своей программе автономных робототехнических исследований в океанских мирах (ARROW) в 2020 году и на разработку концепций технологии обнаружения жизни в океанских мирах (ColdTech) в 2021 году.
|
|
|
|
Шесть исследовательских групп, базирующихся в университетах и компаниях по всей территории Соединенных Штатов, были отобраны для разработки и демонстрации автономных решений на OWLAT и OceanWATERS. Эти двух-трехлетние проекты уже завершены и направлены на решение широкого спектра проблем автономности, с которыми сталкиваются потенциальные наземные миссии ocean world.
|
|
СОВЛАТ
|
|
|
|
OWLAT предназначен для моделирования спускаемого аппарата космического аппарата с роботизированной рукой для научных операций на поверхности мирового океана. Общая архитектура OWLAT, включая аппаратные и программные компоненты, показана на рисунке 1. Каждый из компонентов OWLAT подробно описан ниже.
|
|
|
|
Аппаратная версия OWLAT (показана на рисунке 2) предназначена для физического моделирования движений спускаемого аппарата при выполнении операций в условиях низкой гравитации с использованием платформы Stewart с шестью степенями свободы (DOF). На посадочном модуле установлена роботизированная рука с семью степенями жесткости для выполнения отбора проб и других научных операций, которые взаимодействуют с окружающей средой. Для восприятия используется камера, установленная на поворотно-наклонном устройстве.
|
|
|
|
Испытательный стенд также оснащен набором встроенных датчиков силы/крутящего момента для измерения сил движения и реакции при взаимодействии посадочного модуля с окружающей средой. Алгоритмы управления, реализованные на испытательном стенде, позволяют ему демонстрировать динамические характеристики, как если бы он был легким манипулятором посадочного модуля, работающего в различных гравитационных средах.
|
|
|
|
Команда также разработала набор инструментов (показан на рисунке 3), позволяющий проводить научные исследования на испытательном стенде. Эти различные инструменты могут быть установлены на конце манипулятора робота с помощью механизма быстрого подключения-отсоединения. Рабочее пространство испытательного стенда, где проводится отбор проб и другие научные операции, включает в себя среду, созданную для представления обстановки и материалов, имитирующих поверхность, которые могут быть найдены в океанических мирах.
|
|
|
|
Версия OWLAT, предназначенная только для программного обеспечения, моделирует, визуализирует и предоставляет телеметрию с помощью высокоточного динамического симулятора, основанного на физическом движке Dynamics And Real-Time Simulation (DARTS), разработанного в JPL. Он воспроизводит поведение физического испытательного стенда в ответ на команды и передает телеметрию в автономное программное обеспечение. Визуализация из симулятора показана на рисунке 4.
|
|
|
|
Автономный программный модуль, показанный вверху на рисунке 1, взаимодействует с испытательным стендом через интерфейс на базе операционной системы робота (ROS) для выдачи команд и получения телеметрии. Этот интерфейс идентичен интерфейсу OceanWATERS. Команды, полученные от автономного модуля, обрабатываются модулем диспетчера/планировщика/контроллера (синяя рамка на рисунке 1) и используются для управления либо физической версией аппаратного обеспечения тестового стенда, либо динамическим моделированием (версия программного обеспечения) тестового стенда.
|
|
|
|
Информация с датчиков, полученная при работе программного или физического испытательного стенда, передается в автономный модуль с использованием определенного интерфейса телеметрии. Программный модуль мониторинга и оценки безопасности и производительности (красный прямоугольник на рисунке 1) обеспечивает поддержание работоспособности испытательного стенда в заданных пределах. Любые команды, вызывающие поведение, выходящее за рамки допустимого, и аномалии, регистрируются программным модулем autonomy как ошибки.
|
|
OceanWATERS
|
|
|
|
На момент создания проекта OceanWATERS спутник Юпитера Европа был первым объектом, выбранным планетологами для поиска жизни. Основанный на ROS, OceanWATERS - это программный инструмент, который обеспечивает визуальное и физическое моделирование роботизированного посадочного модуля на поверхности Европы (см. рис. 5).
|
|
|
|
OceanWATERS реалистично имитирует 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 местности с различными свойствами поверхности и материалов. Одна из этих моделей представляет собой цифровую копию части пустыни Атакама в Чили, которая считается потенциальным аналогом Земли для некоторых внеземных поверхностей.
|
|
|
|
В исследовании JPL Europa Lander от 2016 года, руководящем документе по освоению океанских вод, 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.
|
|
|
|
Имитируемый посадочный модуль в океанских водах оснащен антенной мачтой, которая поворачивается; к ней прикреплены стереокамеры и прожекторы. Он оснащен манипулятором с 6 степенями свободы и двумя сменными концевыми механизмами - измельчителем, предназначенным для рытья траншей, и совком для сбора грунта. Посадочный модуль питается от имитируемого неперезаряжаемого аккумулятора. Потребление энергии, состояние аккумулятора и оставшийся срок его службы регулярно прогнозируются с помощью инструмента Generic Software Architecture for Prognostics (GSAP).
|
|
|
|
Для моделирования вышедших из строя подсистем пользователь может "внедрить" в моделирование различные неисправности (например, замерзший сустав руки или перегрев батареи); некоторые неисправности также могут возникать "естественным образом" в процессе моделирования, например, при чрезмерной нагрузке на компоненты. Все операции и телеметрия (измерения данных) посадочного модуля доступны через интерфейс, который внешние программные модули автономии могут использовать для управления посадочным модулем и понимания его состояния. (OceanWATERS и OWLAT используют единый интерфейс автономии, основанный на ROS).
|
|
|
|
Пакет OceanWATERS включает в себя один базовый модуль автономии - средство для выполнения планов (спецификации автономии), написанное на языке PLan EXecution Interchange, или PLEXIL. PLEXIL и GSAP - это программные пакеты с открытым исходным кодом, разработанные в Ames и доступные на GitHub, как и OceanWATERS.
|
|
|
|
Операции миссии, которые могут быть смоделированы с помощью OceanWATERS, включают визуальную съемку места посадки, зондирование грунта для определения его твердости, рытье траншеи и сбор грунтового материала, который можно выбросить или поместить в контейнер для сбора образцов. Связь с Землей, анализ образцов и другие операции реального спускаемого аппарата в настоящее время не моделируются в OceanWATERS, за исключением их предполагаемого энергопотребления. На рисунке 6 показано видео, на котором OceanWATERS выполняет примерный сценарий полета с использованием модели местности, созданной в Атакаме.
|
|
|
|
Из-за удаленности Земли от океанических миров и, как следствие, задержки связи планетарный посадочный модуль должен быть запрограммирован как минимум на достаточное количество информации, чтобы начать свою миссию. Но будут возникать проблемы, зависящие от конкретной ситуации, для решения которых потребуется бортовой интеллект, например, принятие точного решения о том, где и как собирать образцы, устранение непредвиденных проблем и аппаратных сбоев, а также определение приоритетов операций в зависимости от оставшегося энергопотребления.
|
|
|
|
Результаты
|
|
|
|
Все шесть исследовательских групп использовали OceanWATERS для разработки автономной технологии спускаемого аппарата ocean world, и три из этих команд также использовали OWLAT. Результаты этих усилий были опубликованы в технических статьях и привели к разработке программного обеспечения, которое в будущем может быть использовано или адаптировано для реальных миссий посадочного модуля OceanWATERS.
|
|
|
|
Источник
|
