Особенности и основные принципы

Планетоходы (роверы) — специальные космические аппараты, предназначенные для передвижения по поверхностям различных планет или их спутников. Некоторые из них обеспечивают передвижение людей (напртимер, лунные автомобили программы «Аполлон»), но большая часть роверов всё-таки является роботами, незаменимыми для исследовтельской работы. Как будет показано ниже, планетоходы не могут управляться дистанционно в режиме реального времени из-за значительной временной задержки при приёме и отправке сигналов. Задержка возникает, поскольку любому сигналу требуется время, чтобы дойти до небесного тела или от него до Земли. Таким образом, возникает задача автоматизации работы роверов.

Данная задача является крайне сложной не только из-за необходимости учитывать особенности той или иной планеты, но и из-за специфики робототехники и информатики в целом. Уже в 19-м веке Ада Лавлейс, первый в истории программсит, писала: «Аналитическая машина не претендует на то, чтобы создавать что-то действительно новое. Машина может выполнить все то, что мы умеем ей предписать. Она может следовать анализу, но она не может предугадать какие-либо аналитические зависимости или истины. Функции машины заключаются в том, чтобы помочь нам получить то, с чем мы уже знакомы» [1].

То есть компьютер, а следовательно и робот, даже самый совершенный с аппаратной точки зрения, не может мыслить самостоятельно, и успешность его работы зависит от качества его программного обеспечения. Именно об этом программном обеспечении (ПО) и пойдёт речь ниже. Но для начала следует всё-таки ответить на вопрос, может ли планетоход работать без бортового компьютера?

Как известно, первым успешно проработавшим на поверхности другого небесного тела — Луны — планетоходом стал советский аппарат Аппарат 8ЕЛ № 203, «Луноход-1», доставленный на Луну 17 ноября 1970 года. Последний сеанс связи с «Луноходом-1» произошёл 14 сентября 1971 года [2]. Бортового компьютера на «Луноходе» не было — управление им осуществлялось дистанционно специально обученной командой, и именно оно представляло собой главную трудность.

Рисунок. Изображение лунной поверхности, получаемое с «Лунохода-1»: лунация 7, сеанс 4, панорама 8 (фрагмент)

Две телевизионные камеры, стоявшие на «Луноходе-1», были расположены слишком низко, работала лишь одна из них, вторая была запасной. Из-за этого передаваемая картинка получалась очень контрастной, без полутеней, что мешало экипажу нормально ориентироваться в пространстве: качество изображения можно оценить по рисунку, представляющему собой один из сделанных «Луноходом-1» снимков. По словам одного из участников проекта, Г.Н. Роговского, плохое качество картинки часто приводило к серьёзным ошибкам: навигаторы и водители Лунохода не всегда могли различить кратеры и часто въезжали в них. На управлении «Луноходом» сказывалось ещё и то, что на передачу одного кадра уходило, в зависимости от рельефа, от 3 до 20 секунд. Управлять аппаратом, таким образом было крайне тяжело, каждый из двух сменяющих друг друга экипажей был в состоянии работать не более двух часов — большего люди не выдерживали [3].

Во многом именно эти проблемы, с которыми столкнулись создатели «Лунохода-1», определили дальнейший путь развития планетоходов в целом — с развитием компьютерных технологий появилась возможность создавать автономные аппараты.

На данный момент самой известной программой по исследованию планет Солнечной системы с использованием роверов является программа NASA, состоящая из миссий Mars Exploration Rover и Mars Science Laboratory. Именно роверы данных миссий, Спирити (Spirit), Оппортьюнити (Opportunity) и Кьюриосити (Curiosity), и будут рассмотрены ниже.

Mars Exploration Rover (MER) программа НАСА по исследованию планеты Марс с помощью двух однотипных мобильных, передвигающихся по поверхности космических аппаратов — марсоходов (Спирити и Оппортьюнити). Научный руководитель программы — Стив Скваерс.

Все системы марсоходов Спирити и Оппортьюнити зависят от мощного вычислительного блока («Мозгового центра»), в значительной степени защищённого от воздействия низких температур. Кроме того, присутсвует и отдельный блок, отвечающий за передвижения, а также за развёртвывание манипулятора – на него передаётся информация с инерциального измерительного устройства, оценивающего угол наклона марсохода и позволяющего сделать его движения более плавными и точными.

Бортовой компьютер Спирити и Оппортьюнити построен на 32-ядерном, радиационно-стойком процессоре RAD6000, работающем на частоте 20 МГц. Компьютер имеет 128 мегабайт оперативной памяти, а также 256 мегабайт флэш-памяти. В качестве ретранслятора Марсоходы миссии Mars Exploration Rovers используют аппарат Марс Одиссей, который постоянно вращается вокруг красной планеты. Несмотря на то, что спутник может нахордиться в зоне видимоти роверов не более 10-16 минут, и время передачи информации ограниченно этим промежутком, именно Марс Одиссей передаёт основной объём научных данных, полученных с обоих марсоходов. Кроме того, для обмена данными между марсозодами и Замлёй используются собственная «UHF антенна» роверов и так называемая антенна «X-диапазона» [4].

Скорость передачи данных невысока — чтобы как-то компенсировать проблемы со связью и сделать роверы более самостоятельными, спустя четыре года после начал работы миссии учёные NASA произвели ещё один масштабный апгрейд их ПО, добавив несколько принципиально-новых функций.

Была добавлена функция изучения изображения и распознавания определенных типов элементов рельефа: например, выполняя задачу распознания пылевых штормов, марсоходы получили возможность осуществлять поиск изменений между снимками, сделанными с перерывом в несколько секунд при неизменном поле обзора, а для распознания облаков отыскивать неоднородные элементы в той части изображения, которое распознается как небо[5].

Другая новая функция, получившая название «визуальное сопровождение цели», позволяет марсоходу продолжать процесс распознавания намеченного элемента рельефа по ходу передвижения. Эта функция позволила увеличить степень автономности расчетов степени безопасности при использовании контактных измерительных приборов, укрепленных на роботизированной руке-манипуляторе марсохода. Такая комбинация получила название «go and touch» (пойти и сделать) — марсоходы получили возможность самостоятельно прокладывать маршрут передвижения и выбирать объекты для исследований [5].

Эта пересмотренная версия бортового программного обеспечения марсоходов является наиболее полной из четырех имеющихся, разработанных уже после их запуска. Еще на пути к Марсу была загружена первая обновленная версия, а затем, после посадки в январе 2004 г., марсоходы переключались на усовершенствованные версии еще дважды.

Именно обновлённое программное обеспечение Спирити и Оппортьюнити стало базисом при разработке бортового программного обеспечения для Марсианской научной лаборатории (Mars Science Laboratory) и марсхода следующего поколения (Кьюриосити).

Mars Science Laboratory (MSL, «Марсианская научная лаборатория») — миссия NASA, в ходе выполнения которой на Марс был успешно доставлен и эксплуатируется марсоход третьего поколения Curiosity (Кьюриосити). Руководитель проекта — Дуг Маккистион (Doug McCuistion), сотрудник НАСА из отдела изучения других планет [6].

Два дублированных бортовых компьютера Curiosity построены на процессоре RAD 750 с тактовой частотой 200 МГц, имеют постоянное запоминающее устройство емкостью 256 кбайт, оперативную память 256 Мбайт и 2 Гбайт флэш-памяти [7]. На этих компьютерах установлена многозадачная операционная система ОСРВ VxWorks, благодаря которой автоматически осуществляется контроль над температурой внутри марсохода, она позволяет фотографировать и отправлять отчёты на Землю.

VxWorks — UNIX-подобная ОС предназначена для работы в условиях жёсткого реального времени (нарушение временных ограничений равнозначно отказу системы). Такой тип ОС позволяет реагировать на события извне в определённый промежуток времени, либо в определённый момент по собственной инициативе воздействовать на объекты среды. За счёт особенностей своей архитектуры, VxWorks обладает повышенной надёжностью, масштабируемостью и отказоустойчивостью [8].

Управление Кьюриосити, так же, как и управление марсоходами-близнецами, осуществляется путем каждодневной передачи ему программ-заданий, но при этом существует возможность определять действия марсохода на несколько дней вперёд (так делают в случаях, когда увеличивается риск возникновения проблем со связью).

Несмотря на то, что у Кьюриосити имеется возможность прямой связи с Землёй (со скоростью до 32 кбит/с), большая часть данных всё-таки ретранслируется орбитальными аппаратами, обеспечивающими большую пропускную способность за счёт большего диаметра антенн и более мощных передатчиков. Так, при передаче данных через Марсианский разведывательный спутник (MRO) скорость достигает 2 Мбит/с, через Марс Одиссей — 256 кбит/с. Каждый спутник имеет возможность держать связь с Кьюриосити приблизительно по 8 минут в день. Таким образом, всего за сутки Кьюриосити может передавать примерно по 250 Мбит данных [9]. Для увеличения количества передаваемых файлов используются специальные алгоритмы сжатия информации, например, ICER — формат для сжатия полученных в космосе фотографий.

Кроме того, ПО Кьюриосити позволяет ему самостоятельно строить алгоритм выполнения посылаемых ему заданий, используя при этом данные об окружающей среде. Но, несмотря на это, для избежание ошибок, отправляемые ему программы тестируются при помощи специального симулятора (Hyperdrive). На основе фотографий, сделанных Кьюриосити, он создаёт трехмерное изображение окружающего пространства и, получив список команд, моделирует поведение марсохода. Для отработки особенно сложных действий водители Кьюриосити могут использовать опытный образец — находящегося в специальной лаборатории «близнеца» марсианского ровера.

При этом сам Кьюриосити, благодаря установленному на нём ПО, может анализировать приходящие к нему команды на бессмысленность и находить те из ошибок, которые не заметили водители — в таком случае команда не выполняется, на Землю посылается сообщение об ошибке. Наконец, если обнаруживается ошибка в самом ПО, ровер перезагружается и переходит в «безопасный режим». В этом случае он выполняет заранее запрограммированный набор действий, в том числе отправляет сообщение об ошибке. Продолжение работы в таком случае происходит только после получения команды с Земли. В случае «зависания» ПО срабатывают специальные таймеры, которые могут перезагрузить марсоход и перевести его в безопасный режим.

Из вышесказанного можно сделать ряд выводов касательно того, какими должны быть универсальные принципы бортового программного обеспечения планетоходов. Конечно, создание единого ПО для всех роверов невозможно, хотя бы по той причине, что набор необходимых программ и драйверов диктуется, в том числе особенностями конструкции каждого отдельного планетохода, зависящими как от цели и назначения, так и от предполагаемых условий работы. Но всё же ряд проблем, которые предстоит решать разработчикам программного обеспечения, в целом одинаков для всех роверов. ПО любого планетохода, независимо от особенностей конструкции и исследуемой планеты, должно отвечать следующим требованиям:

- Программное обеспечение ровера должно содержать функции, помогающие избегать явных опасностей и самостоятельно составлять маршруты для передвижения — это значительно упростит работу «водителей» ровера, поможет сделать сам планетоход более автономным. Например, очень полезна уже реализованная в марсоходах NASA функция распознания элементов рельефа путём анализа полученных изображений.

- Важно, чтобы планетоход был в состоянии сжимать передаваемые на Землю файлы — из-за проблем со связью, низкими скоростями передачи данных и ограниченным временем связи (в случае связи через искусственные спутники), как было продемонстрировано выше, невозможно передавать большие объемы информации. Следовательно, возникает необходимость разработки всё более совершенных алгоритмов сжатия информации.

В завершение хотелось бы отметить, что планетоходы, на данном этапе, не совершенны, но всё же эта технология является удобной и перспективной, поскольку открывает перед учёными множество возможностей.

Дата добавления: 2015-11-14