NASA випробувала марсохід ERNEST для місій на Місяць і Марс

У пустелі Колорадо на півдні Каліфорнії компактний чотириколісний марсохід нещодавно подолав близько 26 кілометрів з мінімальним втручанням команди інженерів, які супроводжували його. Прототип під назвою ERNEST, що розшифровується як дослідницький марсохід для навігації екстремальним схилистим рельєфом, використовується NASA для розвитку як робототехнічної автономності, так і здатності долати складні ландшафти.

Розроблений у Лабораторії реактивного руху NASA в Південній Каліфорнії, ERNEST має довжину 1,2 метра. Він не лише може піднімати кожне зі своїх сітчастих коліс, щоб долати перешкоди, які б зупинили шестиколісні марсоходи NASA Curiosity та Perseverance, але й має покращені можливості незалежного прийняття рішень. Ці досягнення в мобільності та автономності можуть бути використані в майбутніх місіях, які досліджуватимуть раніше недоступні райони Червоної планети або Місяця.

У польових умовах ERNEST слугував випробувальним стендом для потенційної майбутньої місячної місії, яка вимагатиме вищих швидкостей та набагато більших відстаней, ніж можуть подолати сучасні марсоходи. Ця технологія може бути використана для інформування майбутніх розробок для дослідницьких зусиль на Місяці та за його межами.

«Це тестування допомагає нам удосконалювати обладнання для мобільності та програмне забезпечення автономності для навігації екстремальними відстанями через широкий спектр рельєфу та умов освітлення, які очікуються на Місяці», — сказав Ісса Неснас, провідний технолог у Лабораторії реактивного руху, який керував нещодавнім тестуванням як керівник автономності для концепції місії NASA потенційного майбутнього місячного марсоходу далекого радіусу дії.

Команда Неснаса використовує ERNEST, щоб продемонструвати можливість побудувати марсохід удвічі більший за прототип і здатний до місячної місії на великі відстані. Під час нещодавньої кампанії ERNEST рухався зі швидкістю до 1 кілометра на годину протягом 37 годин їзди впродовж семи днів переривчастого тестування. Це на порядок вище за максимальну швидкість, з якою можуть рухатися Perseverance та Curiosity.

«З цим транспортним засобом ви могли б здійснити наукову подорож через Місяць або Марс», — сказав Джеймс Кін, планетолог Лабораторії реактивного руху, який працює над місячними місіями.

Початковою метою команди, яка розробила ERNEST, було механічне завдання: спроектувати відносно просту, недорогу систему марсоходу, яка вдосконалює перевірену систему підвіски рокер-богі, що використовується на кожному марсоході з часів NASA Sojourner. Ця пасивна система підтримує відносно постійну вагу на всіх шести колесах завдяки точкам обертання та розпоркам, які дозволяють кожному з них адаптуватися до поверхні, що змінюється.

На ERNEST активна підвіска дозволяє марсоходу керувати розподілом ваги між колесами. Два приводні шарніри спереду артикулюють карданний підвіс, який дозволяє марсоходу рухатися різними способами, включаючи звивання, ходьбу на колесах та подолання перешкод. За допомогою механізму зчеплення він може перемикатися між активною та пасивною підвіскою, яка менш здатна долати рельєф, але більш енергоефективна. З чотирма керованими колесами він може рухатися в будь-якому напрямку, включаючи бічний рух.

«Ми почали з припущення, що можемо зробити краще в проектуванні системи робототехнічної мобільності на планетарній поверхні», — сказав Харі Наяр, провідний технолог Лабораторії реактивного руху, який очолює команду ERNEST. «Хоча система рокер-богі була дуже успішною протягом останніх 30 років, за цей час було проведено багато досліджень щодо мобільності та розуміння взаємодії з рельєфом».

Перш ніж дійти до сьогоднішньої версії ERNEST, команда побудувала два попередні прототипи, кожен довжиною близько 0,6 метра, щоб випробувати 11 конфігурацій активної підвіски. У причепі, наповненому імітатором місячного реголіту, вони проводили експерименти під різними кутами нахилу протягом кількох місяців, перш ніж зупинитися на остаточному дизайні.

Потім команда збільшила масштаб, включаючи додавання прямокутної голови, встановленої на щоглі висотою 1,4 метра. Обладнання було завершено у вересні 2024 року, але марсоходу все ще потрібен був оператор-людина для керування джойстиком, надсилаючи команди для інструктування марсоходу про те, як рухатися через перешкоди.

Щоб навчити марсохід думати самостійно, команда ERNEST звернулася до навчання з підкріпленням, типу штучного інтелекту, де робот навчається, взаємодіючи зі своїм середовищем. Лабораторія динаміки та моделювання в реальному часі в Лабораторії реактивного руху розробила високоточне віртуальне тестове середовище, яке відтворює поведінку марсоходу. Команда завантажила в симулятор дані, зібрані інженерами, які документували реакцію фактичного обладнання марсоходу на різноманітні типи рельєфу. На високопродуктивному обчислювальному кластері команда запускала багато симуляцій одночасно, іноді завершуючи тисячі годин тестів за один вихідний.

Після місяців віртуального навчання команда ERNEST була готова перевірити, чи зможе марсохід використовувати свої нові автономні алгоритми, щоб з'ясувати, як їздити через особливості рельєфу, які б зупинили марсохід з пасивною підвіскою. Вони встановили смугу перешкод з піщаними брижами, купами щебеню, сходинками та крутими схилами на Марсіанському подвір'ї Лабораторії реактивного руху, відкритому випробувальному полігоні для рельєфу. Потім вони спостерігали, як марсохід самостійно маневрував рельєфом. Відтоді ERNEST завершив багато таких курсів.

Команда Наяра розпочинає новий проект автономності, який передбачає інтеграцію здатності марсоходу визначати, коли і як використовувати свою активну підвіску, з інтелектуальною навігацією на більші відстані. Мета полягає в тому, щоб дозволити ERNEST планувати ефективний шлях, щоб він міг долати подолані перешкоди та обходити небезпечні. Ці можливості можуть сприяти потенційним майбутнім місіям марсоходів, які зіткнуться з грізними ландшафтами на Марсі або більш пересіченими районами Місяця.

Робота над ERNEST розпочалася в 2022 році та спочатку підтримувалася внутрішніми коштами Лабораторії реактивного руху на дослідження та розробки. Наразі вона фінансується Програмою дослідження Марса NASA та Офісом стратегії та інтеграції дослідницької науки агентства в її Директораті наукових місій у штаб-квартирі NASA у Вашингтоні.