НАСА на пути к автономным миссиям на поверхностях океанических миров

С помощью передовых программ тестирования автономных систем НАСА закладывает основу для одного из своих главных приоритетов — поиска признаков жизни и потенциально пригодных для жизни небесных тел в нашей Солнечной системе и за её пределами. Главными объектами для таких исследований являются небесные тела с жидкой водой, такие как спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад. Первые миссии к поверхности этих «океанических миров» будут роботизированными и потребуют высокой степени автономности бортового оборудования из-за долгого прохождения сигнала с Земли и периодов отсутствия связи, суровых условий на поверхности и ограниченного срока службы батарей.

Технологии, которые могут обеспечить автономность космических аппаратов, обычно относятся к области искусственного интеллекта (ИИ) и в последние годы быстро развиваются. Многие такие технологии, включая машинное обучение и генеративный ИИ, развиваются в учреждениях, не входящих в НАСА.

В 2018 году НАСА приступило к реализации программы, направленной на использование этих достижений для обеспечения будущих полётов к ледяным мирам. Оно спонсировало разработку физического испытательного стенда для автономной работы Ocean Worlds Lander (OWLAT) в Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии и виртуального испытательного стенда для автономной работы Ocean Worlds для разведки, исследований и моделирования (OceanWATERS) в Исследовательском центре Эймса НАСА в Кремниевой долине, Калифорния.

НАСА подало заявки на участие в программе «Автономные робототехнические исследования для океанических миров» (ARROW) в 2020 году и в программе «Концепции технологии обнаружения жизни в океанических мирах» (COLDTech) в 2021 году. Шесть исследовательских групп, базирующихся в университетах и компаниях США, были отобраны для разработки и демонстрации автономных решений на OWLAT и OceanWATERS. Эти двух-трехлетние проекты уже завершены и позволили решить широкий спектр задач по обеспечению автономности, стоящих перед потенциальными миссиями на поверхности Мирового океана.

OWLAT

Проект OWLAT предназначен для моделирования посадки космического аппарата с роботизированной рукой для проведения научных операций на поверхности Мирового океана. Общая архитектура OWLAT, включающая аппаратные и программные компоненты, показана на иллюстрации 1. Ниже приводится подробное описание каждого из компонентов OWLAT.

Аппаратная версия OWLAT (показана на иллюстрации 2) предназначена для физического моделирования движений посадочного аппарата при выполнении операций в условиях низкой гравитации с помощью платформы Stewart с шестью степенями свободы. Роботизированный манипулятор с семью степенями свободы установлен на посадочной платформе для отбора проб и других научных операций, которые взаимодействуют с окружающей средой. Для восприятия используется камера, установленная на поворотно-наклонном устройстве. Испытательный стенд также оснащён набором бортовых датчиков силы/крутящего момента для измерения силы движения и реакции при взаимодействии посадочного аппарата с окружающей средой. Алгоритмы управления, реализованные на испытательном стенде, позволяют ему демонстрировать динамику, как если бы он был лёгким манипулятором на посадочной платформе, работающей в различных гравитационных средах.

Команда также разработала набор инструментов и приборов (показаны на иллюстрации 3), позволяющих выполнять научные операции с помощью испытательного стенда. Эти инструменты можно закреплять на конце манипулятора робота с помощью механизма быстрого соединения и разъединения. Рабочее пространство испытательного стенда, в котором проводятся отбор проб и другие научные операции, включает в себя среду, созданную для представления сцены и материалов, имитирующих поверхность, которые можно обнаружить на океанических мирах.

Версия OWLAT, предназначенная только для программных симуляций, моделирует, визуализирует и предоставляет телеметрию от высокоточного симулятора динамики, основанного на физическом движке Dynamics And Real-Time Simulation (DARTS), разработанном в JPL. Он воспроизводит поведение физического стенда в ответ на команды и предоставляет телеметрию программному обеспечению автономии. Визуализация из симулятора показана на иллюстрации 4.

Иллюстрация 4. Визуализация динамического симулятора, показывающая развёртывание и выполнение операции зачерпывания.

Автономный программный модуль, показанный вверху на иллюстрации 1, взаимодействует с испытательным стендом через интерфейс на базе операционной системы робота (ROS) для подачи команд и получения телеметрии. Этот интерфейс идентичен интерфейсу OceanWATERS. Команды, полученные от модуля автономии, обрабатываются через модуль диспетчера/планировщика/контроллера (синяя рамка на илл. 1) и используются для управления либо физической аппаратной версией стенда, либо динамической симуляцией (программной версией) стенда. Информация с датчиков, полученная в ходе работы либо только программного, либо только физического стенда, передаётся обратно в модуль автономности с помощью определённого телеметрического интерфейса. Программный модуль мониторинга и оценки безопасности и производительности (красная рамка на рис. 1) обеспечивает поддержание тестового стенда в пределах его рабочих границ. Любые команды, вызывающие поведение, выходящее за пределы установленных границ, и аномалии передаются программному модулю автономности как неисправности.

OceanWATERS

На момент создания проекта OceanWATERS спутник Юпитера Европа была первым выбором планетарной науки в поисках жизни. Основанный на ROS, OceanWATERS — это программный инструмент, который обеспечивает визуальное и физическое моделирование роботизированной посадки на поверхность Европы (см. иллюстрацию 6). OceanWATERS реалистично моделирует 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 рельефа с различными свойствами поверхности и материалов. Одна из таких моделей представляет собой цифровую копию части пустыни Атакама в Чили, которая считается потенциальным земным аналогом некоторых внеземных поверхностей.

В исследовании JPL Europa Lander от 2016 года, руководящем документе для разработки OceanWATERS, 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.

Симулятор посадочного аппарата в OceanWATERS имеет антенную мачту, которая поворачивается и наклоняется; к ней прикреплены стереокамеры и прожекторы. У него есть рука с 6 степенями свободы и двумя сменными концевыми эффекторами — дробилкой, предназначенной для рытья траншей, и черпаком для сбора грунта. Посадочный модуль питается от имитации блока неперезаряжаемых батарей. Потребление энергии, состояние батареи и её оставшийся срок службы регулярно прогнозируются с помощью инструмента Generic Software Architecture for Prognostics (GSAP).

Для имитации деградации или поломки подсистем пользователь может «вводить» в симуляцию различные неисправности (например, замёрзший сустав руки или перегрев батареи); некоторые неисправности также могут возникать «естественным» образом по ходу симуляции, например, если компоненты испытывают чрезмерное напряжение. Все операции и телеметрия (измерение данных) модуля доступны через интерфейс, который внешние программные модули автономности могут использовать для управления модулем и понимания его состояния. (OceanWATERS и OWLAT используют единый интерфейс автономии, основанный на ROS). Пакет OceanWATERS включает один базовый модуль автономии — средство для выполнения планов (спецификаций автономии), написанных на языке обмена PLan EXecution Interchange Language, или PLEXIL. PLEXIL и GSAP — это программные пакеты с открытым исходным кодом, разработанные в Эймсе и доступные на GitHub, как и OceanWATERS.

Операции, которые можно смоделировать с помощью OceanWATERS, включают визуальный осмотр места посадки, прощупывание грунта для определения его твёрдости, рытьё траншеи и зачерпывание грунта, который можно выбросить или поместить в контейнер для сбора проб. Связь с Землёй, анализ образцов и другие операции реальной посадочной миссии в настоящее время не моделируются в OceanWATERS, за исключением их предполагаемого энергопотребления. Иллюстрация 7 — видеоролик, на котором OceanWATERS выполняет примерный сценарий миссии с использованием модели местности на базе Атакамы.

Иллюстрация 7. Скриншот посадочной платформы OceanWATERS на местности, смоделированной на основе пустыни Атакама. Только что завершена операция по зачерпыванию.

Из-за удалённости Земли от океанических миров и возникающего при этом отставания в связи планетарный модуль нужно запрограммировать на получение информации, достаточной для начала миссии. Однако наверняка в ходе миссии будут возникать специфические проблемы, требующие бортового интеллекта, такие как принятие решения о том, где и как именно собирать образцы, решение неожиданных проблем и неисправностей оборудования, а также определение приоритетности операций в зависимости от оставшейся мощности.

Результаты

Все шесть исследовательских групп, финансируемых в рамках программ ARROW и COLDTech, использовали OceanWATERS для разработки технологии автономной работы океанических посадочных модулей, а три из этих групп также использовали OWLAT. Результаты этих работ были опубликованы в технических документах и привели к разработке программного обеспечения, которое может быть использовано или адаптировано для реальных миссий по высадке на поверхность океана в будущем.