Подход к модели кометы в Лаборатории автономной робототехники и управления Калифорнийского технологического института. Этот роботизированный симулятор космического корабля имитирует космическую среду, плавая на воздушной подушке с низким коэффициентом трения и используя воздушные двигатели для маневрирования. В недавно опубликованной исследовательской работе этот робот используется исследователями из Калифорнийского технологического института для демонстрации новых возможностей безопасной, автономной оценки ошибок в реальном времени. Фото предоставлено: Джошуа Чо, Сорина Лупу и Джеймс Рэган.
На протяжении всей человеческой истории небо вызывало у человечества образы огромной пустоты, огромного пустого купола, пронизанного солнцем днем и многочисленными маленькими точками света (а иногда и луны) ночью. Поскольку мы отправились в космос как физически с помощью космических кораблей, так и оптически с помощью ряда телескопических технологий, теперь мы знаем, что там довольно много всего.
Это открытие имеет глубокие последствия для аэрокосмической промышленности. Например, представьте себе автономный космический корабль стоимостью в несколько миллиардов долларов, тщательно спроектированный и построенный в течение многих лет, который запускается в космос с использованием точных расчетов, но затем теряет один из своих двигателей и сталкивается с астероидом.
На сегодняшний день инженеры решают проблему возможных отказов оборудования на борту космических кораблей двумя способами: во-первых, устанавливая «режим безопасности», в котором космический корабль может нанести как можно меньше повреждений, пока ученые на земле просматривают данные, ставят диагноз и Разработать решение. А во-вторых, оснастив автономные транспортные средства дублирующими системами. Они позволяют, например, космическому кораблю отключить неисправный двигатель и использовать запасные двигатели.
Однако в космосе опасные ситуации могут возникать без предупреждения, а времени на связь между космосом и землей не хватает. И хотя резервные системы достаточно эффективны, они увеличивают стоимость и вес автономных космических аппаратов.
Вот почему в лаборатории Сун-Джо Чунга, профессора Брена по системам управления и динамических систем и старшего научного сотрудника Лаборатории реактивного движения, которую Калифорнийский технологический институт возглавляет для НАСА, проводятся эксперименты по оптимизации аварийных функций автономных транспортных средств, чтобы избежать встреч с диагностируемыми другими объектами в в режиме реального времени и безопасно реагировать на них. Благодаря новым алгоритмам на борту космические корабли смогут тестировать собственное оборудование и прогнозировать, какие будущие действия с наибольшей вероятностью обеспечат его безопасную эксплуатацию.
Один из руководителей проекта, Фред Хадаг, профессор аэронавтики и астронавтики в Калифорнийском технологическом институте и бывший главный технолог Лаборатории реактивного движения, объясняет: «Резервные системы не всегда практичны. Это означает, что космический корабль должен быть больше, тяжелее и дороже, чем он был бы в противном случае. Идея состоит в том, что когда космический корабль сталкивается с проблемой, он может выяснить, что не работает, и исправить или адаптироваться к этой конкретной ошибке».
В лаборатории Чанга, среди прочего, имеется ультрасовременное оборудование для моделирования динамики нескольких космических кораблей.
«Симулятор находится в большой комнате с очень плоским полом», — объясняет Джеймс Рэган, аспирант Аэрокосмических лабораторий Калифорнийского технологического института (GALCIT) и ведущий автор новой статьи по этой теме. «В модели космического корабля используются воздушные подшипники, благодаря чему он почти плавно движется по земле. В состоянии покоя он кажется парящим, а при толкании его в одном направлении он продолжает движение, пока не столкнется с чем-нибудь. Такова динамика космического корабля. космический корабль».
Рэган запрограммировал роботизированный симулятор космического корабля, используя то, что он и его соавторы называют s-FEAST: безопасная оценка неисправностей с помощью активного поиска в дереве датчиков. «Наш алгоритм s-FEAST быстро «мечтает» о многочисленных возможных вариантах будущего, которые могут возникнуть в результате действий, которые он предпринимает сейчас», — говорит Рэган.
«Поскольку система зашумлена, эти сценарии будущего неопределенны. Существует множество возможных результатов, в результате чего получается дерево возможных, ветвящихся сценариев будущего. Каждая ветвь представляет собой возможный способ, которым будущее может произойти на основе вещей, которыми управляет космический корабль – тест действия, которые он выбирает, а также вещи, которые он не контролирует, например, наблюдения с неисправных датчиков».
Чанг добавляет: «Инновационным в нашем методе s-FEAST является то, что мы систематически решаем проблему курицы и яйца, оценивая состояние транспортного средства, такое как положение и скорость, и выявляя ошибки или ухудшения, которые неразрывно связаны между собой».
Когда космический корабль обнаруживает неожиданные данные, он обращается к алгоритму s-FEAST, который выполняет тестовые действия, «подобно тому, как вы тщательно проверяете свои мышцы, когда чувствуете неожиданную боль и хотите выяснить, что именно болит и как избежать действий, которые могут причинит вам больше травм», — объясняет Рэган.
s-FEAST одновременно просматривает ряд возможных будущих сценариев и выбирает курс действий, который с наибольшей вероятностью позволит диагностировать причину проблемы, избегая при этом опасности. В этой модели опасность эквивалентна столкновению с астероидом.
«Ключевая идея здесь заключается в том, что s-FEAST не заменяет все операции космических кораблей. Это ваше реагирование на чрезвычайную ситуацию», — говорит Рэган. «Космический корабль получает внутренний сигнал о том, что что-то не так, поэтому s-FEAST берет на себя всю вычислительную мощность космического корабля, чтобы быстро оценить, что происходит, и принять корректирующие меры. Как только опасность обнаружена и устранена, s-FEAST передает ее». возвращает управление обычной вычислительной среде космического корабля».
s-FEAST также можно использовать активно. Предположим, автономный космический корабль собирается выполнить особенно рискованное или критически важное действие. Перед этим действием s-FEAST может запустить цикл тестирования, чтобы убедиться в правильности функционирования всех систем.
Чанг и его соавторы считают, что предлагаемый метод представляет собой новый способ сделать дорогостоящие исследования космоса более безопасными и экономически эффективными. «Космические системы требуют автономных операций, потому что мы не можем захватывать и ремонтировать космические корабли и марсианские вертолеты, работающие в далеком от нас мире», — говорит Чанг. «Космос — это наш главный «испытательный полигон» для любых исследований автономности, которые мы проводим для наземных транспортных систем».
Неудивительно, что алгоритм s-FEAST, работавший в симуляторе космического корабля, был адаптирован командой для работы и на наземном аппарате. Оба эксперимента оказались успешными, что сделало технологию s-FEAST перспективной для автономных транспортных средств как на Земле, так и в космосе.
Результаты исследования были опубликованы в журнале Science Robotics. В число соавторов входят Рэган, постдок Калифорнийского технологического института Бенджамин Ривьер, Хадаг и Чанг.
Информация от: Калифорнийским технологическим институтом.
