Ajaloo edukaim isesõitev auto asub praegu Marsil

Kas olete kunagi mõelnud, miks teie tipptasemel auto hädas pimedas garaažis parkimisega, samal ajal kui 140 miljoni miili kaugusel asuv masin liigub ilma igasuguse inimabita läbi rändrahnude välja? See küsimus on Perseverance'i kulguri viimase verstaposti keskmes. Mil maapealsed tehnoloogiaettevõtted vaidlevad sõidurea hoidmise tarkvara ja LIDAR-andurite üle, püstitab kuuerattaline robot vaikselt vahemaarekordeid planeedil, kus puuduvad teed, GPS ja remonditöökojad.

Perseverance maandus Jezero kraatris 2021. aasta veebruaris. Sellest ajast saati on see muutunud teaduslikust eksperimendist Marsi uurimise ajaloo kõige viljakamaks ränduriks. Sõiduk on teel ületama 45,16 kilomeetri tähist. See vahemaa on märkimisväärne, kuna see ületab Opportunity kulguri eluaegse rekordi. Opportunity oli legendaarne masin, mis pidas vastu peaaegu 15 aastat. Perseverance jõuab sama tähiseni ligikaudu kolmandiku ajaga. See tõhusus on tulemus fundamentaalsest muutusest selles, kuidas me mõtleme autonoomsetest masinatest.

Pidevaks liikumiseks loodud aju

Mõistmaks, miks Perseverance on oma eelkäijatest nii palju kiirem, peame vaatama selle töötlemisvõimsuse "kapoti alla". Steven Lee on NASA Jet Propulsion Laboratory Perseverance'i kulguri projektijuht. Ta märgib, et selle edu peamine tegur on automaatne navigeerimissüsteem. Maal toetuvad isesõitvad autod massiivsetele pilveserveritele ja eellaaditud kõrglahutusega kaartidele. Perseverance'il pole midagi sellist. See peab tegema otsuseid reaalajas, kasutades oma pardal olevat riistvara.

Kulguril on komplekt keerukaid kaameraid, mis jäädvustavad eesolevat maastikku. Algoritmid töötlevad seejärel neid kujutisi, et leida turvaline tee läbi ohtude, nagu teravad kaljud ja pehmed liivaaugud. See kõlab lihtsalt, kuid töötlemisvajadus on tohutu. Iga sekund, mille kulgur veedab mõeldes, on sekund, mil see ei liigu. Eelmistele kulgurite põlvkondadele oli see mõtlemisaeg suureks takistuseks. Perseverance lahendab selle, kasutades spetsiaalset Vision Compute Elementi. See riistvara võimaldab kulguril pilte töödelda ja marsruuti planeerida samal ajal, kui selle rattad veel pöörlevad.

Igapäevaselt väljendudes olid varasemad kulgurid nagu matkaja, kes peab iga kümne sammu järel peatuma ja paberkaarti vaatama. Perseverance on nagu matkaja, kes saab kõndimise ajal telefoni kontrollida. See võime üheaegselt mõelda ja liikuda on põhjus, miks 90 protsenti kulguri kogupikkusest on nüüd autonoomne. See ei oota enam Maal asuvat inimjuhti, et saata konkreetseid sõidujuhiseid iga läbitud meetri kohta.

Üleminek üheksakümnendate piirangutest

Suurt pilti vaadates on jõudluse hüpe klassikaline näide sellest, kuidas Moore'i seadus jõuab lõpuks kosmoseuuringute spetsialiseeritud maailma. Curiosity kulgur on suuruselt ja kujult sisuliselt Perseverance'i kaksik. Siiski on Curiosity palju aeglasem. Ainult umbes 10 protsenti selle sõidust on autonoomne. Selle lõhe põhjuseks on arvuti vanus. Curiosity lennutati välja 2011. aastal kiibistikuga, mille juured ulatuvad 1990. aastate lõppu.

Kosmosekindel riistvara on kurikuulsalt aeglane, kuna see peab olema karastatud intensiivse kiirguse vastu. See karastamisprotsess tähendab sageli vanemate ja stabiilsemate disainilahenduste kasutamist uusimate tarbijakiipide asemel. Curiosity arvuti on nii aeglane, et see ei suuda üheaegselt sõita ja pilte töödelda. See peab peatuma, tegema pildi, kulutama mitu minutit järgmise paari meetri arvutamiseks ja seejärel liikuma. See tsükkel muudab pikamaareisi tüütuks protsessiks. Rohkem kui 15 aasta jooksul Marsil on Curiosity läbinud umbes 38,6 kilomeetrit. Perseverance ületab selle tähise murdosa ajaga, sest selle (veidi) kaasaegsem riistvara on lõpuks piisavalt kiire, et ratastega sammu pidada.

Isegi selle kiiruse juures ei ole kulgur just võidusõitja. Selle maksimaalne rataste kiirus on ligikaudu 150 meetrit tunnis. Inimese jaoks on see väga aeglane roomamine. Kuid teisel planeedil asuva roboti jaoks on see pidev ja stabiilne edasiminek teaduse jaoks murranguline.

Miks pidev liikumine muudab teadust

Vivian Sun on missiooni aseprojektiteadlane. Ta selgitab, et see sõiduvõime on nende uurimistöö jaoks jõu kordistaja. Kui kulgur suudab kiiremini liikuda, saavad teadlased unistada suuremalt. Varasematel missioonidel võis kauget geoloogilist objekti pidada kättesaamatuks, sest sinna jõudmine võtaks kuid või aastaid. Perseverance'iga on need kauged sihtmärgid nüüd mõistliku teekonna kaugusel.

Perseverance uurib praegu Jezero kraatrit. See koht on geoloogidele kullakaevandus, kuna see sisaldab päikesesüsteemi vanimaid kive. Need kivid on peaaegu 4 miljardit aastat vanad. Need pärinevad ajast, mil siseplaneedid olid veel asteroidide tugeva pommitamise all. Maal on laamtektoonika ja ilmastik hävitanud peaaegu kõik selle ajastu kivid. Marsil lebavad need lihtsalt pinnal.

Teadlased usuvad, et see piirkond oli kunagi massiivne järv koos jõe deltaga. Kui Marsil on kunagi elu eksisteerinud, siis siit võiks leida tõendeid. Kulguri võime rännata ühest kohast teise on võimaldanud meeskonnal uurida rohkem maastikku kohapeal kui ükski eelmine missioon. Robot jõuab uutesse uurimispaikadesse sageli enne tähtaega. See annab meeskonnale rohkem aega puurida proove ja analüüsida pinnase keemilist koostist.

Ratta ümberkujundamine maratoni jaoks

Kiirus ja intelligentsus on kasutud, kui sõiduk laguneb. Üks levinumaid Marsi kulgurite tõrkepunkte on rattad. Marss on kaetud teravate vulkaaniliste kividega, mis toimivad õhukese alumiiniumi vastu nagu noad. Pärast mõnda aastat planeedil hakkasid Curiosity ratastel ilmnema märkimisväärsed augud ja rebendid. See kahjustus sundis operaatoreid sõitma ettevaatlikumalt ja vältima teatud tüüpi maastikku.

Perseverance'i puhul läksid insenerid tagasi joonestuslaua juurde. Nad muutsid mustrit ja suurendasid alumiiniumi paksust. Seni on tulemused suurepärased. Puuduvad kulumisjäljed, mis vaevasid eelmist põlvkonda. Meeskond töötab ka selle nimel, et sertifitseerida rataste ajamid — mootorid, mis rattaid keeravad — vähemalt 100 kilomeetri pikkuseks teekonnaks.

Kulgur on ka ressursside haldamise meister. See töötab mitmeotstarbelisel radioisotoop-termoelektrilisel generaatoril. See seade muudab plutooniumi lagunemisest tekkiva soojuse elektrienergiaks. See ei sõltu päikesepaneelidest, seega ei pea see muretsema tolmutormide ega aastaaegade vaheldumise pärast. Sellel pole määrdeaineid ega kulumaterjale, mis võiksid otsa saada. See on iseseisev tuumajõul töötav skaut, mis on ehitatud kestma aastakümneid.

Mida see tähendab juhtidele Maal

Praktiliselt võttes pakub Perseverance'i edu eeskuju autonoomiaks rasketes keskkondades. Suurem osa meie edusammudest isesõitva tehnoloogia vallas Maal keskendub kõrgelt struktureeritud keskkondadele, nagu maanteed ja linnatänavad. Eeldame, et teel on selged jooned ja pilves on usaldusväärne kaart. Perseverance tõestab, et saame ehitada süsteeme, mis töötavad kogu selle infrastruktuuri puudumisel.

Sellel tehnoloogial on käegakatsutav kasu sellistele tööstusharudele nagu kaevandamine, põllumajandus ning otsingu- ja päästetööd. Sisselangenud kaevanduses või kauges talus puudub kiire internet ja maastik muutub iga päev. Vision Compute Elementi loogika — kus sõiduk tajub ja liigub pidevas tsüklis — on täpselt see, mida need tööstusharud vajavad. See viib meid eemale sõltuvusest pilvest ja servarvutuse (edge computing) suunas, kus masin on piisavalt nutikas oma probleemidega toimetulekuks.

Lõppkokkuvõttes on Perseverance'i rekordiline rännak enamat kui lihtsalt vahemaa number tabelis. See on muutus robootika filosoofias. Oleme liikumas masinatelt, mis on kaugjuhitavad nukud, masinatele, mis on tõelised partnerid uurimistöös. Kui kulgur jätkab ronimist üle Jezero kraatri, õpetab see meile, kuidas ehitada vastupidavamaid, iseseisvamaid ja kasulikumaid tööriistu meie endi elu jaoks.

Ajamite ja nägemiselementide žargooni taga on õppetund lihtne. Kõige usaldusväärsem viis segases ja ettearvamatus maailmas navigeerimiseks on omada riistvara, mis võimaldab lennult mõelda. Olenemata sellest, kas viibite Marsi pinnal või ehitusplatsil Mojave kõrbes, on eesmärk sama. Edu peitub võimes jätkata edasiliikumist, kui maailm teie ümber muutub.

Allikad

• NASA Jet Propulsion Laboratory missiooni staatuse aruanded
• Perseverance'i kulguri tehnilised spetsifikatsioonid Mars 2020 missiooni jaoks
• Intervjuud projektijuht Steven Lee ja teadlane Vivian Suniga
• Curiosity ja Opportunity kulgurite ajaloolised jõudlusandmed