by Innspace teamLądownik InSight ze słynnym kretem polskiej produkcji, badającym marsjańską glebę, chiński łazik Zhurong czy helikopter Ingenuity — robotów na Marsie przybywa i są one coraz bardziej zaawansowane technologicznie. Zastosowanie ulepszonego systemu autonomicznej nawigacji w łaziku Perseverance pozwoliło mu poruszać się ok. 4 razy szybciej niż jeden z jego poprzedników, Curiosity. Jak marsjańskie roboty orientują się w przestrzeni i podejmują decyzje gdzie jechać dalej? Czy oprócz sztucznej inteligencji mają w sobie sztuczną ciekawość, która nakierowuje je na warte zbadania cele?
Autor: Milena Michalska
Łazik zdalnie sterowany
Komunikacja z Marsem, planetą zamieszkaną przez roboty, odbywa się za pomocą fal radiowych. Sygnał (np. sterujący) z Ziemi jest wysyłany przez ogromne anteny systemu Deep Space Network, odbierany przez satelitę przekaźnikowego (ang. relay satellite) na orbicie czerwonej planety i z orbity transmitowany do łazika lub sondy. Ta podróż danych trwa średnio 13 minut i nie może zostać przyspieszona za pomocą szybszych komputerów czy mocniejszych transmiterów radiowych — problemem jest nieprzekraczalna prędkość światła (prędkość propagacji promieniowania elektromagnetycznego, również sygnałów radiowych, w próżni). Dodatkowo, przez koszty komunikacji ziemscy operatorzy, dysponujący ograniczoną ilością danych, decydowali się często na dłuższe, ale bezpieczniejsze trasy do celu.
Dane wejściowe
Miejsce lądowania łazika nie jest przypadkowe. Długo przed startem misji zostało przeanalizowane przez zespół specjalistów pod kątem celów misji. W trakcie planowania marsjańskiej wyprawy naukowcy zbierają dostępne dane np. zdjęcia satelitarne i wyznaczają interesujące punkty, które robot ma za zadanie zbadać lub pobrać próbki do dalszej analizy w ziemskich laboratoriach. Mimo prac koncepcyjnych nad algorytmami autonomicznej eksploracji (wyznaczania celów do zbadania), użycie ich w łaziku jest całkowicie nieopłacalne — propozycji celów naukowych wyznaczonych przez ludzi nie brakuje, a programy komputerowe mogą zostać przetestowane w warunkach symulacji opartej na zebranych danych.
Zadaniem autonomicznego łazika jest analiza powierzchni w czasie rzeczywistym — typ podłoża, nierówności terenu itp. – i optymalizacja wcześniej wyznaczonego szkicu trasy, by zebrać próbki jak najszybciej i nie narażać się na uszkodzenia. W tym celu pojazd musi też zbierać i przetwarzać dokładne dane o swojej lokalizacji.
Lasery i wizja
SLAM (Simultaneous Localization and Mapping), czyli równoczesne mapowanie terenu i lokalizacja to zbiór metod, dzięki którym robot zna swoje położenie i orientację w nieznanej przestrzeni. Algorytm zbiera dane z sensorów robota, np. żyroskop i akcelerometr, odczytuje przejechaną odległość na podstawie rotacji kół (tzw. odometria) itp. i przetwarza je, rekonstruując przejechaną trasę. Co ciekawe w ziemskich robotach to zadanie jest często realizowane na podstawie czujników laserowych (LiDAR), lecz zarówno w przypadku amerykańskiego łazika Perseverance, jak i chińskich łazików wysłanych na Księżyc podczas misji Chang’e 3 i 4, nie zdecydowano się na taki instrument na pokładzie, a SLAM oparto na wielu komplementarnych kamerach, łączonych w obraz stereowizyjny. Głównym powodem rezygnacji z czujników laserowych była ich masa oraz wysokie zużycie energii.
Niezawodność ponad autonomię
Rozwój oprogramowania do nawigacji i autonomicznego sterowania łazikiem w przypadku Perseverance skutkował ogromną oszczędnością czasu — razem z innymi usprawnieniami średnia prędkość poruszania się pojazdu to 120 m na godzinę (dla Curiosity było to ok. 20 m na godzinę). Wynik ten uzyskano nie tylko dzięki oddaniu kierownicy łazikowi, a również dokładniejszym mapowaniu i identyfikowaniu zagrożeń za pomocą algorytmów wizyjnych, składających obrazy z wielu kamer w trójwymiarowy obraz terenu.
Mimo nieprzerwanych badań i pracy nad algorytmami, które mogłyby same zadecydować które obiekty w pobliżu są odpowiednio ciekawe i warte zbadania, prawdopodobnie nieprędko zobaczymy roboty autonomicznie definiujące cele misji.