NASA тестує вдосконалені можливості для роверів на Місяці та Марсі

На безлюдній ділянці пустелі Колорадо в Південній Каліфорнії компактний чотириколісний ровір нещодавно проїхав близько 16 миль (26 кілометрів) з мінімальним втручанням з боку команди інженерів, що слідували за ним. Названий ERNEST (Exploration Rover for Navigating Extreme Sloped Terrain), цей прототип використовується NASA для вдосконалення як роботизованої автономії, так і здатності долати складні ландшафти.

Розроблений у Лабораторії реактивного руху NASA в Південній Каліфорнії, ERNEST має довжину 4 фути (1,2 метри). Він може піднімати кожне з своїх сітчастих коліс, щоб долати перешкоди, які могли б завадити роверам Curiosity та Perseverance, шести колісним роверам NASA на Марсі, але прототип також має покращені можливості незалежного прийняття рішень. Ці досягнення в мобільності та автономії можуть бути впроваджені в майбутні місії, які вирушать до раніше недоступних районів Червоної планети або Місяця.

На місці ERNEST слугував випробувальним полем для потенційної майбутньої місячної місії, яка вимагатиме вищих швидкостей і значно більшої дальності, ніж можуть досягти нинішні ровери. Цю технологію можна використовувати для формування майбутніх дизайнів для дослідницьких зусиль на Місяці та за його межами.

"Ці випробування допомагають нам вдосконалити апаратуру мобільності та програмне забезпечення автономії для навігації на екстремальних відстанях через широкий спектр ландшафтів і умов освітлення, які очікуються на Місяці", - сказав Ісса Неснас, провідний технолог у JPL, який очолював нещодавні випробування як керівник автономії для концепції місії NASA для потенційного майбутнього довгострокового місячного ровера.

Команда Неснаса використовує ERNEST, щоб продемонструвати можливість створення ровера, який у два рази більший за прототип і здатний до довгострокової місячної місії. Під час нещодавньої кампанії ERNEST подорожував зі швидкістю до 0,6 миль на годину (1 кілометр на годину) протягом 37 годин водіння, за сім днів переривчастих випробувань. Це на порядок вище максимальної швидкості, з якою можуть пересуватися Perseverance і Curiosity.

"Ви могли б здійснити наукову подорож по Місяцю — або Марсу — на цьому транспортному засобі", - сказав Джеймс Кін, планетарний вчений JPL, який працює над місячними місіями.

Початковою метою команди, яка розробила ERNEST, була механічна: спроектувати відносно простий, недорогий ровір, який вдосконалює перевірену систему підвіски rocker-bogie, що використовується на кожному ровері на Марсі з моменту NASA Sojourner. Ця пасивна система підтримує відносно постійну вагу на всіх шести колесах завдяки точкам обертання та стійкам, які дозволяють кожному з них адаптуватися до змінюваної поверхні.

На ERNEST активна підвіска дозволяє роверу управляти розподілом ваги між своїми колесами. Два електричних з'єднання спереду формують кардан, що дозволяє роверу рухатися, використовуючи різні способи, такі як повзання, ходіння на колесах і підйом перешкод. Завдяки механізму зчеплення він може перемикатися між активною та пасивною підвіскою, яка менш здатна до пересування по рельєфу, але більш енергоефективна. Завдяки чотирьом керованим колесам він може рухатися в будь-якому напрямку, включаючи боком.

"Ми почали з припущення, що можемо краще спроектувати систему роботизованої мобільності для планетарної поверхні", - сказав Хари Найар, провідний технолог JPL, який очолює команду ERNEST. "Хоча система rocker-bogie була дуже успішною протягом останніх 30 років, за цей час було проведено багато досліджень у цій галузі щодо мобільності та взаємодії з рельєфом."

Перед тим, як дійти до сьогоднішньої версії ERNEST, команда побудувала два ранні прототипи, кожен з яких мав довжину близько 2 футів (0,6 метра), щоб протестувати 11 конфігурацій активної підвіски. У трейлері, заповненому симулянтом місячного реголіту, вони проводили експерименти під різними кутами нахилу протягом кількох місяців, перш ніж зупинитися на остаточному дизайні.

Потім команда збільшила масштаб, додавши прямокутну голову, змонтовану на 4,5-футовій (1,4 метра) щоглі. Апаратура була завершена у вересні 2024 року, але роверу все ще потрібен був оператор, щоб керувати ним за допомогою джойстика, надсилаючи команди для інструкцій, як рухатися через перешкоди.

Щоб навчити ровера думати самостійно, команда ERNEST звернулася до навчання з підкріпленням, типу штучного інтелекту, де робот навчається, взаємодіючи з навколишнім середовищем. Лабораторія динаміки та реального часу в JPL розробила високоякісне віртуальне тестове середовище, яке відтворює поведінку ровера. Команда подавала дані симулятора, зібрані інженерами, які документували реакцію фактичної апаратури ровера на різні типи рельєфу. На кластері високопродуктивних обчислень команда одночасно проводила багато симуляцій, іноді завершуючи тисячі годин тестів за один вихідний день.

Після місяців віртуального навчання команда ERNEST була готова перевірити, чи може ровер використовувати свої нові автономні алгоритми, щоб зрозуміти, як рухатися по рельєфу, який зупинив би ровер з пасивною підвіскою. Вони встановили смугу перешкод з піщаними хвилями, купами сміття, сходами та крутістю в JPL’s Mars Yard, відкритому полі для випробувань рельєфу. Потім вони спостерігали, як ровер самостійно маневрує по рельєфу. З тих пір ERNEST завершив багато таких курсів.

Команда Найара починає новий проект автономії, який передбачає інтеграцію здатності ровера визначати, коли і як використовувати свою активну підвіску з інтелектуальною навігацією на більші відстані. Мета полягає в тому, щоб дозволити ERNEST планувати ефективний маршрут, щоб він міг долати прохідні перешкоди та обминати небезпечні. Ці можливості можуть сприяти потенційним майбутнім місіям ровера, які зустрінуться з грізними ландшафтами на Марсі або в більш складних районах Місяця.

Робота над ERNEST розпочалася у 2022 році і спочатку підтримувалася внутрішніми фондами досліджень і розробок JPL. Наразі вона фінансується програмою дослідження Марса NASA та Офісом стратегії та інтеграції наукових досліджень агентства в його Директораті наукових місій у штаб-квартирі NASA у Вашингтоні. Caltech у Пасадені, Каліфорнія, управляє JPL для NASA.