Планирование автономных надводных миссий на морских мирах

С помощью передовых программ автономного испытательного стенда НАСА закладывает основу для одного из своих главных приоритетов – поиска признаков жизни и потенциально обитаемых тел в нашей Солнечной системе и за ее пределами. Основными целями таких исследований являются тела, содержащие жидкую воду, такие как спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад.

Первоначальные миссии на поверхность этих «океанских миров» будут выполняться роботами и потребуют высокой степени бортовой автономии из-за длительных задержек и перебоев в земной связи, суровых условий на поверхности и ограниченного времени автономной работы.

Технологии, которые могут обеспечить автономию космических кораблей, обычно подпадают под эгиду искусственного интеллекта (ИИ) и в последние годы быстро развиваются. Многие из этих технологий, включая машинное обучение, причинно-следственные связи и генеративный искусственный интеллект, продолжают развиваться в учреждениях, не входящих в НАСА.

В 2018 году НАСА запустило программу, призванную извлечь выгоду из этих достижений и обеспечить будущие миссии в ледяной мир. Он поддержал разработку физического испытательного стенда автономности спускаемого аппарата Ocean Worlds (OWLAT) в Лаборатории реактивного движения НАСА в Южной Калифорнии и виртуального испытательного стенда автономии Ocean Worlds для исследований, исследований и моделирования (OceanWATERS) в Исследовательском центре Эймса НАСА в Силиконовой долине, Калифорния. .

НАСА пригласило заявки на участие в своей программе автономных робототехнических исследований океанских миров (ARROW) в 2020 году и в программе «Концепции технологии обнаружения жизни в океанских мирах» (COLDTech) в 2021 году.

Шесть исследовательских групп в университетах и ​​компаниях США были выбраны для разработки и демонстрации автономных решений для OWLAT и OceanWATERS. Эти двух-трехлетние проекты уже завершены и направлены на решение множества проблем автономии, с которыми сталкиваются потенциальные миссии на морской поверхности.

СОВА

OWLAT предназначен для моделирования спускаемого аппарата космического корабля с роботизированной рукой для научных операций на теле океанического мира. Вся архитектура OWLAT, включая аппаратные и программные компоненты, показана на рисунке 1. Каждый из компонентов OWLAT подробно описан ниже.

Аппаратная версия OWLAT (показана на рисунке 2) предназначена для физического моделирования движений спускаемого аппарата при выполнении операций в условиях низкой гравитации с использованием платформы Стюарта с шестью степенями свободы (ГРИП). На посадочном модуле установлен роботизированный манипулятор с семью степенями свободы, предназначенный для отбора проб и других научных операций, взаимодействующих с окружающей средой. Для восприятия используется камера, установленная на блоке панорамирования и наклона.

Испытательный стенд также оснащен рядом встроенных датчиков силы/крутящего момента для измерения сил движения и реакции при взаимодействии спускаемого аппарата с окружающей средой. Алгоритмы управления, реализованные на испытательном стенде, позволяют ему вести себя динамично, как если бы это была легкая рука на посадочном модуле, работающая в различных гравитационных условиях.

Команда также разработала набор инструментов и инструментов (показанных на рисунке 3), позволяющих выполнять научные операции с использованием испытательного стенда. Эти различные инструменты можно установить с помощью механизма быстрого соединения на конце манипулятора робота. Рабочее пространство испытательного стенда, где проводятся отбор проб и другие научные операции, включает в себя среду, предназначенную для представления материала сцены и моделирования поверхности, потенциально встречающегося в морских мирах.

Программная версия OWLAT моделирует, визуализирует и предоставляет телеметрические данные из высокоточного динамического симулятора, основанного на физическом движке Dynamics And Real-Time Simulation (DARTS), разработанном в JPL. Он воспроизводит поведение физического испытательного стенда в ответ на команды и передает данные телеметрии в программное обеспечение автономности. Визуализация симулятора представлена ​​на рисунке 4.

Откройте для себя новейшие достижения науки, технологий и космоса благодаря более чем 100 000 подписчиков, которые ежедневно получают информацию от Phys.org. Подпишитесь на нашу бесплатную рассылку и получайте ежедневные или еженедельные новости о прорывах, инновациях и важных результатах исследований.

Программный модуль автономности, показанный выше на рисунке 1, взаимодействует с испытательным стендом через интерфейс на базе операционной системы робота (ROS) для выдачи команд и получения данных телеметрии. Этот интерфейс определен как идентичный интерфейсу OceanWATERS. Команды, полученные от модуля автономности, обрабатываются через модуль диспетчера/планировщика/контроллера (синий прямоугольник на рисунке 1) и используются для управления либо физической аппаратной версией испытательного стенда, либо динамическим моделированием (версией программного обеспечения) испытательного стенда.

Информация датчиков о работе чистого программного обеспечения или физического испытательного стенда передается обратно в модуль автономности через определенный интерфейс телеметрии. Программный модуль для мониторинга и оценки безопасности и производительности (красный прямоугольник на рисунке 1) гарантирует, что испытательный стенд остается в пределах своих рабочих пределов. Любые команды, которые приводят к выходу за пределы допустимого диапазона и аномалиям, сообщаются программному модулю автономности как ошибки.

ОкеанВОДЫ

Когда был запущен проект OceanWATERS, спутник Юпитера Европа был первым выбором для планетологов в поисках жизни. OceanWATERS — это программный инструмент, основанный на ROS, который позволяет визуально и физически моделировать автоматический спускаемый аппарат на поверхности Европы (см. Рисунок 5).

OceanWATERS реалистично имитирует небесную сферу и солнечный свет Европы, как прямо, так и косвенно. Поскольку у нас пока нет подробной информации о поверхности Европы, пользователи могут выбирать модели местности с различными свойствами поверхности и материала. Одна из этих моделей представляет собой цифровую копию части пустыни Атакама в Чили, территории, которая считается потенциальным аналогом Земли для некоторых внеземных поверхностей.

В исследовании Europa Lander, проведенном Лабораторией реактивного движения в 2016 году и являющемся руководящим документом для разработки OceanWATERS, описывается планетарный посадочный модуль, целью которого является сбор образцов подповерхностного реголита/льда, их анализ с помощью бортовых научных инструментов и отчет о результатах анализа для передачи на Землю.

Моделируемый посадочный модуль в OceanWATERS имеет антенную мачту, которая может поворачиваться и наклоняться; К нему прикреплены стереокамеры и прожекторы. Он оснащен стрелой с 6 степенями свободы и двумя сменными концевыми рабочими органами — измельчителем для рытья траншей и ковшом для сбора грунтового материала. Посадочный модуль питается от моделируемого неперезаряжаемого аккумуляторного блока. Инструмент Generic Software Architecture for Prognostics (GSAP) регулярно прогнозирует энергопотребление, состояние батареи и оставшийся срок службы.

Чтобы смоделировать скомпрометированные или неисправные подсистемы, пользователь может «внедрить» в симуляцию различные ошибки (например, замерзший сустав руки или перегретую батарею); Некоторые ошибки также могут возникать «естественным образом» в ходе моделирования, например. Б. когда компоненты перегружены. Все операции и телеметрия (измерения данных) посадочного модуля доступны через интерфейс, который внешние программные модули автономности могут использовать для управления посадочным модулем и понимания его состояния. (OceanWATERS и OWLAT используют единый интерфейс автономности, основанный на ROS.)

Пакет OceanWATERS включает в себя базовый модуль автономии, способ выполнения планов (спецификаций автономии), написанных на языке PLAN EXecution Interchange Language или PLEXIL. PLEXIL и GSAP — это пакеты программного обеспечения с открытым исходным кодом, разработанные в Ames и доступные на GitHub, как и OceanWATERS.

Операции миссии, которые можно смоделировать с помощью OceanWATERS, включают визуальное обследование места приземления, зондирование земли для определения ее твердости, рытье траншеи и сбор почвенного материала, который можно утилизировать или поместить в контейнер для сбора проб. Связь с Землей, анализ проб и другие операции реальной десантной миссии в настоящее время не моделируются в OceanWATERS, за исключением их расчетного энергопотребления. На рис. 6 показано видео OceanWATERS, где выполняется пример сценария миссии с использованием модели местности в Атакаме.

Из-за удаленности Земли от океанских миров и, как следствие, задержки связи, планетарный посадочный модуль должен быть запрограммирован, по крайней мере, с достаточным количеством информации, чтобы начать свою миссию. Однако возникнут специфические для конкретной ситуации проблемы, требующие комплексного анализа, такие как: Например, точное решение, где и как собирать образцы, решение неожиданных проблем и сбоев оборудования, а также определение приоритетов операций на основе оставшейся мощности.

Результаты

Все шесть исследовательских групп использовали OceanWATERS для разработки технологии автономности для космических кораблей, а три из этих команд также использовали OWLAT. Результаты этих усилий были опубликованы в технических документах и ​​привели к разработке программного обеспечения, которое можно будет использовать или адаптировать для реальных наземных миссий в океанском мире в будущем.