Vēsturē veiksmīgākais pašbraucošais auto pašlaik atrodas uz Marsa

Vai esat kādreiz domājuši, kāpēc jūsu augstākās klases automašīnai ir grūtības novietoties stāvvietā labi apgaismotā garāžā, kamēr mašīna 140 miljonu jūdžu attālumā pārvietojas pa laukakmeņu lauku bez jebkādas cilvēka palīdzības? Šis jautājums ir Perseverance rover jaunākā atskaites punkta pamatā. Kamēr tehnoloģiju uzņēmumi uz Zemes strīdas par joslu saglabāšanas programmatūru un LIDAR sensoriem, sešriteņu robots klusi uzstāda attāluma rekordus uz planētas, kurā nav ceļu, nav GPS un nav remontdarbnīcu.

Perseverance nolaidās Jezero krāterī 2021. gada februārī. Kopš tā laika tas no zinātniska eksperimenta ir kļuvis par produktīvāko ceļotāju Marsa izpētes vēsturē. Transportlīdzeklis ir ceļā uz 45,16 kilometru atzīmes šķērsošanu. Šis attālums ir nozīmīgs, jo tas pārsniedz Opportunity rovera mūža rekordu. Opportunity bija leģendāra mašīna, kas izdzīvoja gandrīz 15 gadus. Perseverance sasniedz šo pašu atskaites punktu aptuveni trešdaļā laika. Šī efektivitāte ir rezultāts fundamentālām izmaiņām tajā, kā mēs domājam par autonomām mašīnām.

Smadzenes, kas radītas pastāvīgai kustībai

Lai saprastu, kāpēc Perseverance ir tik daudz ātrāks par saviem priekšgājējiem, mums ir jāieskatās zem tā pārsega, izvērtējot apstrādes jaudu. Stīvens Lī (Steven Lee) ir NASA Reaktīvās kustības laboratorijas Perseverance rovera projekta vadītājs. Viņš atzīmē, ka galvenais šo panākumu dzinulis ir autonavigācijas sistēma. Uz Zemes pašbraucošās automašīnas paļaujas uz masīviem mākoņserveriem un iepriekš ielādētām augstas izšķirtspējas kartēm. Perseverance nekas no tā nav pieejams. Tam ir jāpieņem lēmumi reāllaikā, izmantojot savu iebūvēto aparatūru.

Roveram ir sarežģītu kameru komplekts, kas fiksē priekšā esošo reljefu. Algoritmi pēc tam apstrādā šos attēlus, lai atrastu drošu ceļu caur tādiem apdraudējumiem kā robaini akmeņi un mīkstas smilšu bedres. Tas izklausās vienkārši, taču apstrādes prasības ir milzīgas. Katra sekunde, ko rovers pavada domājot, ir sekunde, kurā tas nekustas. Iepriekšējām roveru paaudzēm šis domāšanas laiks bija galvenais klupšanas akmens. Perseverance to atrisina, izmantojot īpašu Vision Compute Element. Šī aparatūra ļauj roveram apstrādāt attēlus un plānot savu maršrutu, kamēr tā riteņi joprojām griežas.

Ikdienas izteiksmē agrākie roveri bija kā gājējs, kuram ik pēc desmit soļiem ir jāapstājas un jāpaskatās papīra kartē. Perseverance ir kā gājējs, kurš var pārbaudīt savu tālruni, kamēr turpina iet. Šī spēja domāt un kustēties vienlaikus ir iemesls, kāpēc 90 procenti no rovera kopējā attāluma tagad tiek veikti autonomi. Tas vairs negaida, kad cilvēks-pilots uz Zemes nosūtīs konkrētu braukšanas instrukciju kopumu katram ceļa metram.

Pārvarot deviņdesmito gadu ierobežojumus

Raugoties uz kopējo ainu, veiktspējas lēciens ir klasisks piemērs tam, kā Mūra likums galu galā sasniedz specializēto kosmosa izpētes pasauli. Curiosity rovers pēc izmēra un formas būtībā ir Perseverance dvīnis. Tomēr Curiosity ir daudz lēnāks. Tikai aptuveni 10 procenti no tā braukšanas ir autonomi. Iemesls šai plaisai ir tā datora vecums. Curiosity tika palaists 2011. gadā ar mikroshēmojumu, kura saknes meklējamas 20. gadsimta 90. gadu beigās.

Kosmosa videi piemērota aparatūra ir bēdīgi slavena ar savu lēnumu, jo tai jābūt rūdītai pret intensīvu radiāciju. Šis rūdīšanas process bieži nozīmē vecāku, stabilāku konstrukciju izmantošanu, nevis jaunākās patērētāju mikroshēmas. Curiosity dators ir tik lēns, ka tas nevar vienlaikus braukt un apstrādāt attēlus. Tam ir jāapstājas, jānofotografē, jāpavada vairākas minūtes, aprēķinot nākamos dažus metrus, un tad jākustas. Šis cikls padara tālsatiksmes ceļojumus par garlaicīgu procesu. Vairāk nekā 15 gadu laikā uz Marsa Curiosity ir veicis aptuveni 38,6 kilometrus. Perseverance šo atzīmi pārsniedz daļiņā no šī laika, jo tā (nedaudz) modernākā aparatūra beidzot ir pietiekami ātra, lai neatpaliktu no riteņiem.

Pat ar šādu ātrumu rovers nav gluži sacīkšu auto. Tā maksimālais riteņu ātrums ir aptuveni 150 metri stundā. Cilvēkam tas ir ļoti lēns temps. Bet robotam uz citas planētas šis pastāvīgais, stabilais progress ir milzīgs pavērsiens zinātnei.

Kāpēc pastāvīga kustība maina zinātni

Viviana Sana (Vivian Sun) ir misijas projekta zinātnieka vietniece. Viņa skaidro, ka šī braukšanas spēja ir viņu pētījumu spēka pavairotājs. Kad rovers var pārvietoties ātrāk, zinātnieki var sapņot vērienīgāk. Iepriekšējās misijās attāls ģeoloģisks objekts varēja tikt uzskatīts par nesasniedzamu, jo nokļūšana līdz tam prasītu mēnešus vai gadus. Ar Perseverance šie tālie mērķi tagad ir sasniedzami saprātīgā laikā.

Perseverance pašlaik pēta Jezero krāteri. Šī vieta ir zelta raktuve ģeologiem, jo tajā atrodas daži no vecākajiem iežiem Saules sistēmā. Šie ieži ir gandrīz 4 miljardus gadu veci. Tie datēti ar laiku, kad iekšējās planētas vēl atradās intensīvā asteroīdu bombardēšanā. Uz Zemes plātņu tektonika un laikapstākļi ir iznīcinājuši gandrīz visus šī laikmeta iežus. Uz Marsa tie vienkārši guļ uz virsmas.

Zinātnieki uzskata, ka šī teritorija kādreiz bija masīvs ezers ar upes deltu. Ja uz Marsa jebkad ir eksistējusi dzīvība, tad pierādījumi būtu atrodami tieši šeit. Rovera spēja pārvietoties no vienas vietas uz otru ir ļāvusi komandai klātienē izpētīt vairāk reljefa nekā jebkurā iepriekšējā misijā. Robots bieži ierodas jaunās izpētes vietās pirms termiņa. Tas dod komandai vairāk laika urbt paraugus un analizēt augsnes ķīmisko sastāvu.

Riteņa pārveidošana maratonam

Ātrums un intelekts ir bezjēdzīgi, ja transportlīdzeklis sabrūk. Viens no biežākajiem Marsa roveru atteices punktiem ir riteņi. Marsu klāj asi vulkāniskie ieži, kas darbojas kā naži pret plānu alumīniju. Pēc dažiem gadiem uz planētas Curiosity riteņos sāka parādīties ievērojami caurumi un plīsumi. Šie bojājumi spieda operatorus braukt uzmanīgāk un izvairīties no noteikta veida reljefa.

Perseverance gadījumā inženieri atgriezās pie rasējamā dēļa. Viņi pārveidoja protektora rakstu un palielināja alumīnija biezumu. Līdz šim rezultāti ir izcili. Nav nekādu nolietojuma pazīmju, kas mocīja iepriekšējo paaudzi. Komanda strādā arī pie tā, lai sertificētu riteņu izpildmehānismus — motorus, kas griež riteņus — vismaz 100 kilometru braucienam.

Rovers ir arī resursu pārvaldības meistars. Tas darbojas ar daudzmērķu radioizotopu termoelektrisko ģeneratoru. Šī ierīce pārvērš plutonija sabrukšanas siltumu elektrībā. Tā nepaļaujas uz saules paneļiem, tāpēc tai nav jāuztraucas par putekļu vētrām vai gadalaiku maiņu. Tam nav smērvielu vai palīgmateriālu, kas varētu beigties. Tas ir autonoms, ar kodolenerģiju darbināms skauts, kas radīts kalpošanai gadu desmitiem.

Ko tas nozīmē autovadītājiem uz Zemes

Praktiski runājot, Perseverance panākumi sniedz paraugu autonomijai sarežģītos apstākļos. Lielākā daļa mūsu progresa pašbraukšanas tehnoloģijās uz Zemes koncentrējas uz augsti strukturētu vidi, piemēram, lielceļiem un pilsētas ielām. Mēs pieņemam, ka uz ceļa būs skaidras līnijas un mākonī būs uzticama karte. Perseverance pierāda, ka mēs varam izveidot sistēmas, kas darbojas visas šīs infrastruktūras prombūtnē.

Šai tehnoloģijai ir taustāmi ieguvumi tādās nozarēs kā kalnrūpniecība, lauksaimniecība un meklēšana un glābšana. Sagruvušās raktuvēs vai attālā saimniecībā nav ātrgaitas interneta, un reljefs mainās katru dienu. Loģika, ko izmanto Vision Compute Element — kur transportlīdzeklis uztver un pārvietojas nepārtrauktā ciklā —, ir tieši tas, kas šīm nozarēm nepieciešams. Tas attālina mūs no paļaušanās uz mākoni un virza uz malu skaitļošanu (edge computing), kur mašīna ir pietiekami gudra, lai pati tiktu galā ar savām problēmām.

Galu galā Perseverance rekordlielais gājiens ir kas vairāk nekā tikai attāluma skaitlis izklājlapā. Tā ir maiņa robotikas filozofijā. Mēs pārejam no mašīnām, kas ir attālināti vadāmas lelles, uz mašīnām, kas ir patiesi partneri izpētē. Roveram turpinot kāpt pāri Jezero krāterim, tas mums māca, kā izveidot izturīgākus, neatkarīgākus un noderīgākus rīkus mūsu pašu dzīvei.

Aiz žargona par izpildmehānismiem un redzes elementiem mācība ir vienkārša. Visuzticamākais veids, kā orientēties nekārtīgā, neparedzamā pasaulē, ir aparatūra, kas ļauj domāt pašam. Neatkarīgi no tā, vai atrodaties uz Marsa virsmas vai būvlaukumā Mohaves tuksnesī, mērķis ir viens un tas pats. Panākumi slēpjas spējā turpināt virzīties uz priekšu, kamēr pasaule ap jums mainās.

Avoti

• NASA Jet Propulsion Laboratory misijas statusa ziņojumi
• Perseverance rovera tehniskās specifikācijas Mars 2020 misijai
• Intervijas ar projekta vadītāju Stīvenu Lī un zinātnieci Vivianu Sanu
• Vēsturiskie veiktspējas dati par Curiosity un Opportunity roveriem