Самый успешный беспилотный автомобиль в истории сейчас находится на Марсе

Вы когда-нибудь задумывались, почему ваш автомобиль премиум-класса с трудом паркуется в хорошо освещенном гараже, в то время как аппарат на расстоянии 140 миллионов миль от нас преодолевает поле валунов без какой-либо помощи человека? Этот вопрос лежит в основе последнего достижения марсохода Perseverance. Пока технологические компании на Земле спорят о программном обеспечении для удержания полосы движения и датчиках LIDAR, шестиколесный робот спокойно устанавливает рекорды дальности на планете, где нет дорог, GPS и ремонтных мастерских.

Perseverance совершил посадку в кратере Езеро в феврале 2021 года. С тех пор он превратился из научного эксперимента в самого плодовитого путешественника в истории исследования Марса. Аппарат находится на пути к преодолению отметки в 45,16 километра. Это расстояние значимо, поскольку оно превосходит пожизненный рекорд марсохода Opportunity. Opportunity был легендарной машиной, проработавшей почти 15 лет. Perseverance достигает той же вехи примерно за треть этого времени. Такая эффективность является результатом фундаментального сдвига в нашем представлении об автономных механизмах.

Мозг, созданный для постоянного движения

Чтобы понять, почему Perseverance намного быстрее своих предшественников, нам нужно заглянуть «под капот» и оценить его вычислительную мощность. Стивен Ли, руководитель проекта марсохода Perseverance в Лаборатории реактивного движения НАСА, отмечает, что основным фактором этого успеха является система автонавигации. На Земле беспилотные автомобили полагаются на массивные облачные серверы и предварительно загруженные карты высокого разрешения. У Perseverance ничего этого нет. Он должен принимать решения в режиме реального времени, используя собственное бортовое оборудование.

Марсоход оснащен набором сложных камер, которые фиксируют рельеф впереди. Затем алгоритмы обрабатывают эти изображения, чтобы найти безопасный путь через такие препятствия, как зазубренные скалы и ямы с мягким песком. Это звучит просто, но требования к обработке данных огромны. Каждая секунда, которую марсоход тратит на раздумья, — это секунда, когда он не движется. Для предыдущих поколений марсоходов это время на раздумья было главным «узким местом». Perseverance решает эту проблему с помощью выделенного модуля Vision Compute Element. Это оборудование позволяет марсоходу обрабатывать изображения и планировать маршрут, пока его колеса все еще вращаются.

Говоря простым языком, ранние марсоходы были похожи на туриста, который вынужден останавливаться и смотреть на бумажную карту каждые десять шагов. Perseverance похож на туриста, который может проверять свой телефон прямо на ходу. Эта способность думать и двигаться одновременно является причиной того, что 90 процентов общего расстояния марсохода теперь преодолевается автономно. Он больше не ждет, пока оператор на Земле пришлет конкретный набор инструкций по вождению на каждый метр пути.

Преодоление ограничений девяностых

Если смотреть на картину в целом, скачок в производительности — это классический пример того, как закон Мура в конечном итоге достигает специализированного мира освоения космоса. Марсоход Curiosity по размеру и форме практически идентичен Perseverance. Однако Curiosity намного медленнее. Лишь около 10 процентов его пути проходит в автономном режиме. Причина такого разрыва кроется в возрасте его компьютера. Curiosity был запущен в 2011 году с чипсетом, корни которого уходят в конец 1990-х годов.

Оборудование, предназначенное для работы в космосе, печально известно своей медлительностью, поскольку оно должно быть защищено от интенсивного излучения. Этот процесс защиты часто означает использование более старых и стабильных конструкций, а не новейших потребительских чипов. Компьютер Curiosity настолько медленный, что не может одновременно ехать и обрабатывать изображения. Он должен остановиться, сделать снимок, потратить несколько минут на расчет следующих нескольких метров и только потом продолжить движение. Этот цикл делает путешествие на дальние расстояния утомительным процессом. За более чем 15 лет на Марсе Curiosity преодолел около 38,6 километра. Perseverance проходит эту отметку за долю этого времени, потому что его (чуть) более современное оборудование, наконец, стало достаточно быстрым, чтобы не отставать от колес.

Даже с такой скоростью марсоход нельзя назвать гоночным болидом. Его максимальная скорость вращения колес составляет примерно 150 метров в час. Для человека это очень медленное ползание. Но для робота на другой планете этот постоянный, неуклонный прогресс меняет правила игры для науки.

Почему постоянное движение меняет науку

Вивиан Сан, заместитель научного руководителя миссии, объясняет, что эта способность к передвижению является множителем силы для их исследований. Когда марсоход может двигаться быстрее, ученые могут мечтать о большем. В предыдущих миссиях удаленный геологический объект мог считаться недосягаемым, потому что путь к нему занял бы месяцы или годы. С Perseverance эти далекие цели теперь находятся в пределах разумной досягаемости.

В настоящее время Perseverance исследует кратер Езеро. Это место — золотая жила для геологов, так как здесь находятся одни из старейших горных пород в Солнечной системе. Этим породам почти 4 миллиарда лет. Они относятся к тому времени, когда внутренние планеты все еще подвергались интенсивной бомбардировке астероидами. На Земле тектоника плит и погода уничтожили почти все породы той эпохи. На Марсе же они просто лежат на поверхности.

Ученые полагают, что эта область когда-то была огромным озером с дельтой реки. Если на Марсе когда-либо существовала жизнь, то именно здесь могут быть доказательства. Способность марсохода перемещаться от одного участка к другому позволила команде исследовать больше территории лично, чем в любой предыдущей миссии. Робот часто прибывает на новые участки исследования раньше графика. Это дает команде больше времени для бурения кернов и анализа химического состава почвы.

Редизайн колеса для марафона

Скорость и интеллект бесполезны, если машина развалится. Одной из самых распространенных причин поломок марсоходов являются колеса. Марс покрыт острыми вулканическими породами, которые действуют как ножи против тонкого алюминия. После нескольких лет пребывания на планете в колесах Curiosity начали появляться значительные дыры и разрывы. Эти повреждения заставили операторов водить осторожнее и избегать определенных типов местности.

Для Perseverance инженеры вернулись к чертежной доске. Они изменили рисунок протектора и увеличили толщину алюминия. Пока результаты превосходны. Нет никаких признаков износа, который преследовал предыдущее поколение. Команда также работает над сертификацией приводов колес — двигателей, которые вращают колеса — как минимум на 100 километров пути.

Марсоход также является мастером управления ресурсами. Он работает на многоцелевом радиоизотопном термоэлектрическом генераторе. Это устройство преобразует тепло от распада плутония в электричество. Он не зависит от солнечных панелей, поэтому ему не страшны пыльные бури или смена времен года. У него нет смазочных материалов или расходных материалов, которые могут закончиться. Это автономный разведчик с ядерным двигателем, рассчитанный на десятилетия работы.

Что это значит для водителей на Земле

С практической точки зрения успех Perseverance дает план развития автономии в сложных условиях. Большая часть нашего прогресса в технологиях беспилотного вождения на Земле сосредоточена на высокоструктурированных средах, таких как шоссе и городские улицы. Мы предполагаем, что на дороге будут четкие линии разметки, а в облаке — надежная карта. Perseverance доказывает, что мы можем создавать системы, которые работают в отсутствие всей этой инфраструктуры.

Эта технология приносит ощутимую пользу таким отраслям, как горнодобывающая промышленность, сельское хозяйство и поисково-спасательные операции. В обрушившейся шахте или на удаленной ферме нет высокоскоростного интернета, а ландшафт меняется каждый день. Логика, используемая Vision Compute Element — где машина воспринимает среду и движется в непрерывном цикле — это именно то, что нужно этим отраслям. Это уводит нас от зависимости от облака к периферийным вычислениям (edge computing), где машина достаточно умна, чтобы решать свои проблемы самостоятельно.

В конечном счете, рекордный поход Perseverance — это не просто цифра расстояния в таблице. Это сдвиг в философии робототехники. Мы переходим от машин, которые являются марионетками с дистанционным управлением, к машинам, которые являются настоящими партнерами в исследованиях. Пока марсоход продолжает свой путь по кратеру Езеро, он учит нас создавать более устойчивые, независимые и полезные инструменты для нашей собственной жизни.

За техническим жаргоном приводов и визуальных элементов скрывается простой урок. Самый надежный способ ориентироваться в запутанном, непредсказуемом мире — иметь оборудование, позволяющее думать на ходу. Находитесь ли вы на поверхности Марса или на строительной площадке в пустыне Мохаве, цель одна и та же. Успех заключается в способности продолжать движение вперед, пока мир вокруг вас меняется.

Источники

• 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