La voiture autonome la plus performante de l'histoire se trouve actuellement sur Mars

Vous êtes-vous déjà demandé pourquoi votre voiture haut de gamme a du mal à se garer dans un garage bien éclairé alors qu'une machine située à 140 millions de milles de distance navigue dans un champ de rochers sans aucune aide humaine ? Cette question est au cœur de la dernière étape franchie par le rover Perseverance. Alors que les entreprises technologiques sur Terre se disputent sur les logiciels de maintien de voie et les capteurs LIDAR, un robot à six roues établit discrètement des records de distance sur une planète sans routes, sans GPS et sans ateliers de réparation.

Perseverance a atterri dans le cratère Jezero en février 2021. Depuis lors, il s'est transformé d'une expérience scientifique en le voyageur le plus prolifique de l'histoire de l'exploration de Mars. Le véhicule est sur le point de franchir la barre des 45,16 kilomètres. Cette distance est significative car elle surpasse le record de longévité du rover Opportunity. Opportunity était une machine légendaire qui a survécu pendant près de 15 ans. Perseverance atteint ce même jalon en environ un tiers du temps. Cette efficacité est le résultat d'un changement fondamental dans notre façon de concevoir les machines autonomes.

Un cerveau conçu pour un mouvement constant

Pour comprendre pourquoi Perseverance est tellement plus rapide que ses prédécesseurs, nous devons regarder sous le capot sa puissance de traitement. Steven Lee est le chef de projet du rover Perseverance au Jet Propulsion Laboratory de la NASA. Il note que le principal moteur de ce succès est le système d'auto-navigation. Sur Terre, les voitures autonomes s'appuient sur des serveurs cloud massifs et des cartes haute définition pré-chargées. Perseverance n'a rien de tout cela. Il doit prendre des décisions en temps réel en utilisant son propre matériel embarqué.

Le rover dispose d'une suite de caméras sophistiquées qui capturent le terrain devant lui. Des algorithmes traitent ensuite ces images pour trouver un chemin sûr à travers des dangers tels que des rochers déchiquetés et des fosses de sable mou. Cela semble simple, mais l'exigence de traitement est immense. Chaque seconde que le rover passe à réfléchir est une seconde où il ne bouge pas. Pour les générations précédentes de rovers, ce temps de réflexion était un goulot d'étranglement majeur. Perseverance résout ce problème en utilisant un « Vision Compute Element » dédié. Ce matériel permet au rover de traiter les images et de planifier sa route pendant que ses roues tournent encore.

En termes quotidiens, les rovers précédents étaient comme un randonneur qui doit s'arrêter et regarder une carte papier tous les dix pas. Perseverance est comme un randonneur qui peut consulter son téléphone tout en continuant à marcher. Cette capacité à réfléchir et à bouger en même temps est la raison pour laquelle 90 % de la distance totale du rover est désormais autonome. Il n'attend plus qu'un pilote humain sur Terre envoie un ensemble spécifique d'instructions de conduite pour chaque mètre de trajet.

Dépasser les limites des années quatre-vingt-dix

Si l'on regarde l'ensemble de la situation, le bond en avant des performances est un exemple classique de la façon dont la loi de Moore finit par toucher le monde spécialisé de l'exploration spatiale. Le rover Curiosity est essentiellement un jumeau de Perseverance en taille et en forme. Cependant, Curiosity est beaucoup plus lent. Environ 10 % seulement de sa conduite est autonome. La raison de cet écart est l'âge de son ordinateur. Curiosity a été lancé en 2011 avec un chipset qui trouvait ses racines à la fin des années 1990.

Le matériel qualifié pour l'espace est notoirement lent car il doit être durci contre les rayonnements intenses. Ce processus de durcissement signifie souvent l'utilisation de conceptions plus anciennes et plus stables plutôt que les dernières puces grand public. L'ordinateur de Curiosity est si lent qu'il ne peut pas conduire et traiter des images simultanément. Il doit s'arrêter, prendre une photo, passer plusieurs minutes à calculer les prochains mètres, puis bouger. Ce cycle fait du voyage longue distance un processus fastidieux. En plus de 15 ans sur Mars, Curiosity a parcouru environ 38,6 kilomètres. Perseverance dépasse cette marque en une fraction du temps parce que son matériel (légèrement) plus moderne est enfin assez rapide pour suivre le rythme de ses roues.

Même avec cette vitesse, le rover n'est pas exactement un bolide de course. Sa vitesse de roue maximale est d'environ 150 mètres par heure. Pour un humain, c'est une marche extrêmement lente. Mais pour un robot sur une autre planète, ce progrès constant et régulier change la donne pour la science.

Pourquoi le mouvement constant change la science

Vivian Sun est la scientifique adjointe du projet pour la mission. Elle explique que cette capacité de conduite est un multiplicateur de force pour leurs recherches. Lorsqu'un rover peut se déplacer plus vite, les scientifiques peuvent rêver plus grand. Dans les missions précédentes, une caractéristique géologique lointaine pouvait être considérée comme hors de portée car il faudrait des mois ou des années pour s'y rendre. Avec Perseverance, ces cibles lointaines sont désormais à une distance de trajet raisonnable.

Perseverance explore actuellement le cratère Jezero. Ce site est une mine d'or pour les géologues car il contient certaines des roches les plus anciennes du système solaire. Ces roches ont près de 4 milliards d'années. Elles remontent à une époque où les planètes intérieures étaient encore sous un bombardement intense d'astéroïdes. Sur Terre, la tectonique des plaques et la météo ont détruit presque toutes les roches de cette époque. Sur Mars, elles sont juste posées à la surface.

Les scientifiques pensent que cette zone était autrefois un lac massif avec un delta de rivière. Si la vie a un jour existé sur Mars, c'est là que se trouveraient les preuves. La capacité du rover à passer d'un site à l'autre a permis à l'équipe d'étudier plus de terrain en personne que n'importe quelle mission précédente. Le robot arrive souvent sur de nouveaux sites d'étude en avance sur le calendrier. Cela donne à l'équipe plus de temps pour forer des carottes et analyser la chimie du sol.

Redessiner la roue pour un marathon

La vitesse et l'intelligence sont inutiles si le véhicule tombe en morceaux. L'un des points de défaillance les plus courants pour les rovers martiens est les roues. Mars est recouverte de roches volcaniques tranchantes qui agissent comme des couteaux contre l'aluminium mince. Après quelques années sur la planète, les roues de Curiosity ont commencé à présenter des trous et des déchirures importants. Ces dommages ont forcé les opérateurs à conduire plus prudemment et à éviter certains types de terrain.

Pour Perseverance, les ingénieurs sont repartis de zéro. Ils ont redessiné le motif de la bande de roulement et augmenté l'épaisseur de l'aluminium. Jusqu'à présent, les résultats sont excellents. Il n'y a aucun signe de l'usure qui a tourmenté la génération précédente. L'équipe travaille également à certifier les actionneurs de roue — les moteurs qui font tourner les roues — pour au moins 100 kilomètres de trajet.

Le rover est également un maître de la gestion des ressources. Il fonctionne grâce à un générateur thermoélectrique à radioisotope multi-mission (MMRTG). Cet appareil convertit la chaleur de la désintégration du plutonium en électricité. Il ne dépend pas de panneaux solaires, il n'a donc pas à se soucier des tempêtes de poussière ou du changement de saison. Il n'a ni lubrifiants ni consommables qui pourraient s'épuiser. C'est un éclaireur autonome à propulsion nucléaire, conçu pour durer des décennies.

Ce que cela signifie pour les conducteurs sur Terre

D'un point de vue pratique, le succès de Perseverance fournit un modèle pour l'autonomie dans des environnements difficiles. La majeure partie de nos progrès dans la technologie de conduite autonome sur Terre se concentre sur des environnements hautement structurés comme les autoroutes et les rues des villes. Nous supposons qu'il y aura des lignes claires sur la route et une carte fiable dans le cloud. Perseverance prouve que nous pouvons construire des systèmes qui fonctionnent en l'absence de toute cette infrastructure.

Cette technologie présente des avantages tangibles pour des industries comme l'exploitation minière, l'agriculture et la recherche et sauvetage. Dans une mine effondrée ou une ferme isolée, il n'y a pas d'Internet haut débit et le terrain change chaque jour. La logique utilisée par le Vision Compute Element — où le véhicule détecte et se déplace dans une boucle continue — est exactement ce dont ces industries ont besoin. Cela nous éloigne d'une dépendance au cloud pour nous diriger vers l'« edge computing », où la machine est assez intelligente pour gérer ses propres problèmes.

En fin de compte, le périple record de Perseverance est bien plus qu'un simple chiffre de distance sur un tableur. C'est un changement dans la philosophie de la robotique. Nous passons de machines qui sont des marionnettes télécommandées à des machines qui sont de véritables partenaires d'exploration. Alors que le rover continue de grimper à travers le cratère Jezero, il nous apprend à construire des outils plus résilients, indépendants et utiles pour nos propres vies.

Derrière le jargon des actionneurs et des éléments de vision, la leçon est simple. Le moyen le plus fiable de naviguer dans un monde désordonné et imprévisible est d'avoir le matériel nécessaire pour réfléchir par soi-même. Que vous soyez sur la surface de Mars ou sur un chantier de construction dans le Mojave, l'objectif est le même. Le succès réside dans la capacité à continuer d'avancer pendant que le monde change autour de vous.

Sources

• NASA Jet Propulsion Laboratory mission status reports
• Perseverance rover technical specifications for the Mars 2020 mission
• Interviews with project manager Steven Lee and scientist Vivian Sun
• Historical performance data for the Curiosity and Opportunity rovers