Offсянка

Поддержка с воздуха — все, что вы хотели знать о марсианском коптере

⇣ Содержание

#Тренировка

Первые пять полётов решали основную задачу проекта Mars Helicopter Scout: выполняли проверку концепции — подтверждали работоспособность летательного аппарата, проверяли правильность принятых технических решений и испытывали бортовые системы.

Итак, 19 апреля 2021 года, впервые в истории человечества, аэродинамический аппарат, созданный людьми, оторвался от поверхности Марса: Ingenuity взмыл на высоту 3 м и находился в воздухе 39,1 с (из них 30 с пришлось на режим висения).

Интернет-трансляцию события специалисты группы управления вели в режиме реального времени. В эфир передавались отдельные фотографии, сделанные с «материнского» марсохода Perseverance («Настойчивость»), из которых NASA постфактум смонтировало небольшой ролик, показывающий взлёт, зависание и посадку.

Второй полёт состоялся 22 апреля. Коптер поднялся на 5 м и трижды развернулся (повернувшись в итоге на 276°), затем переместился вбок на пару метров со скоростью 0,5 м/с. Через 52 с после взлёта вертолёт вернулся в точку старта. Общая длина «маршрута» составила 4 м. В итоге отработан переход от висения к горизонтальному перемещению. Кроме того, Ingenuity сделал первые снимки на цветную камеру RTE с высоты нескольких метров.

В третьем полёте, 25 апреля, аппарат вновь поднялся на пятиметровую высоту и, заняв эшелон, пролетел со скоростью 2 м/с на север 50 м, затем вернулся к месту старта, которое, кстати, получило почётное наименование «Лётное поле братьев Райт» (Wright Brothers Field). Рейс продолжался 80,3 с, завершился успешно и добавил к общему «налёту» ещё сотню метров.

В последующем предполагалось увеличить продолжительность и дальность боковых перемещений.

Группа управления Ingenuity Mars Helicopter в JPL реагируют на результаты второго полета вертолета на Красной планете 22 апреля 2021 года. Фото NASA / JPL-Caltech

Группа управления Ingenuity Mars Helicopter в JPL реагирует на результаты второго полета вертолета на Красной планете 22 апреля 2021 года. Фото NASA / JPL-Caltech

Четвёртый полёт, запланированный на 29 апреля, был перенесён на день из-за программного сбоя. Команда JPL сообщила, что и сейчас, как и накануне вылета 19 апреля, состоявшегося отнюдь не с первой попытки, программа подготовки не смогла дойти до перехода в режим взлёта. Выяснилось, что перепрошивка, отправленная на борт Ingenuity, решает проблему не полностью: примерно в 15% случаев глюк проявляется вновь.

30 апреля сбой не повторился и коптер взмыл в разреженное марсианское небо… Четвёртый полёт был сложнее предыдущих: длительность увеличилась в 1,5 раза, а дальность — больше чем в 2,5 раза: за 116 с аппарат преодолел 266 м. Из-за выросшей с 2 до 3,5 м/с скорости увеличилась нагрузка по обработке изображений на навигационную камеру NAV: между 84-м и 133-м метрами полёта с высоты 5 м она вела съёмку поверхности с шагом 1,2 м. Цветная камера RTE сняла самый отдалённый — южный — участок маршрута, а также вела съёмку на последних 50 м пути на «лётное поле». Добычей дня стали примерно 60 новых цветных фотографий, сделанных с воздуха.

Еще через неделю, 7 мая, демонстрационный цикл заканчивался: коптер должен был перебраться на новую стоянку, которую выбрали по снимкам с борта американской станции MRO (Mars Reconnaissance Orbiter), которая с марта 2006 года кружит по орбите вокруг Красной планеты. После взлёта Ingenuity набрал уже привычные 5 м высоты и взял курс на юг. Преодолев 129 м, вертолёт поднялся на рекордные 10 м над целью. С этой высоты он сделал несколько цветных обзорных снимков, после чего была выполнена посадка. Новое место стоянки получило обозначение «Лётное поле B» («Field B»).

Ровер Perserverance и коптер Ingenuity. Графика NASA / JPL-Caltech

Ровер Perserverance и коптер Ingenuity. Графика NASA / JPL-Caltech

#Практика

Хотя уже четвёртый и пятый полёты выходили за рамки технологической демонстрации (разработчики отмечали, что эти задачи были выполнены уже 25 апреля), формально они не входили в другой цикл — практическая работа началась с шестого полёта. И здесь возник забавный бюрократический казус.

Поскольку аппарат изначально позиционировался только как демонстратор технологий, чтобы не выходить за границы официального регламента, был придуман цикл «демонстрация возможностей практического применения» (operations demo).

Программа шестого рейса озвучивалась ещё за четыре дня до «боевого вылета» — 19 мая. Согласно плану, коптер должен был лететь на высоте 10 м вдвое дольше прежнего и заметно быстрее: скорость предлагалось поднять с 2-3,5 до 4 м/с, а длительность полёта увеличить до 140 с. Маршрут также усложнялся: 150 м на юго-запад, 15-20 м на юг и 50 м на северо-восток.

Полётное задание предусматривало цветную съёмку при прохождении «южного» отрезка пути, для чего «Изобретательность» должна была лететь «боком» — левым бортом вперёд. В том числе планировалось отснять «Лётное поле С» (Field C) — новую точку дислокации коптера, которую заранее выбрал Perseverance (в будущем летательный аппарат должен был выбирать посадочные площадки самостоятельно).

Рейс состоялся в расчётную дату, 22 мая, однако отчёт о полёте стал доступен лишь через 5 дней. Выяснилось, что на 54-й секунде нахождения в воздухе коптер пережил аномалию — «болтанку» с колебаниями по каналам тангажа и крена, доходившими до 20°. Причиной болтанки, по мнению команды проекта, стала потеря одного навигационного снимка с камеры NAV.

Возможные планы полетов марсианского вертолета. https://twitter.com/coreyspowell/status/1378913967507173384/photo/1

Возможные планы полетов марсианского вертолета. Источник

Группа управления предположила, что использование цветных снимков высокого разрешения с камеры RTE может иногда приводить к случайному удалению изображений с навигационной камеры. По этой причине было решено не снимать в цвете в седьмом и восьмом полётах. Аномалия не помешала вполне успешному завершению миссии: вертолёт приземлился с небольшим — в пределах допустимых 5 м — промахом от «Лётного поля С». Снимки показали, что площадка вполне безопасна.

После этого представители программы Mars Helicopter Scout сообщили о планах по наращиванию продолжительности полета до трёх минут, а дальности — до километра. Однако в следующем, седьмом по счёту, полёте таких результатов показать не удалось. Плановый взлёт 4 июня был отменен и состоялся через четыре дня. Сообщения о результатах были опубликованы на следующий день — коптер вновь поднялся на высоту 10 м, провёл в воздухе 62,8 с и приземлился в 106 м к югу от точки старта.

Восьмой полёт анонсировали 18 июня с плановым сроком «не ранее 21 июня». Перед этим «мозги» вертолёта вновь перепрошили для устранения ошибки, вызывавшей сброс таймера после завершения медленной прокрутки винтов. Рейс состоялся 22 июня — коптер провёл в воздухе 77,4 с, пролетев 160 м на юг и приземлившись в 133,5 м от текущего местоположения марсохода.

Седьмой и восьмой полеты де-факто были посвящены тестированию системы после устранения сбоев, цветные снимки поверхности не делались. В последующем путешествия Ingenuity должны были усложняться и удлиняться. Обновление, загруженное в «мозг» коптера, позволяло исключить аномалии, проявившиеся в шестом полёте.

Взлет и посадка вертолета Ingenuity, снятые на камеру Mastcam-Z марсохода Perseverance 19 апреля 2021 года. Кадры зависания отсутствуют. Изображения NASA / JPL-Caltech

Взлет и посадка вертолета Ingenuity, снятые на камеру Mastcam-Z марсохода Perseverance 19 апреля 2021 года. Кадры зависания отсутствуют. Изображения NASA / JPL-Caltech

В девятый раз взлёт состоялся 5 июля. Предполагалось поставить рекорды дальности и скорости — 625 м и 5 м/с соответственно. Вояж планировалось провести над рябью ярдангов Сита — узкой грядой дюн, подвергшихся действию ветровой эрозии, — в связи с чем маршрут требовал специальной настройки алгоритмов навигации.

Полёт продлился 166,4 с. Запланированные дальность и скорость были достигнуты, но при посадке коптер оказался в 47 м от расчётной точки (впрочем, он остался в пределах 50-метрового допуска). Камера RTE сделала ряд цветных снимков с высоты 10 м. Десять опубликованных запечатлели песчаные барханы, перекрывающие древнейшие отложения в районе, который считался недоступным для марсохода Perseverance: на кадре, сделанном за 16 с до посадки, видны скопления камней, мимо которых пролегала плановая трасса марсохода. Это место было выбрано для сбора образцов.

Предстоящий десятый полёт, запланированный на 24 июля, был настолько важен, что его анонсировала Дженнифер Троспер (Jennifer Harris Trosper) — менеджер всего проекта Mars 2020: для прохождения трассы, которая представляла собой незамкнутую траекторию, состоящую из четырёх участков, коптер должен был менять курс в каждой реперной точке, поворачиваясь на угол от 30 до 135° по часовой стрелке.

Аппарат взлетел в назначенную дату и за 165,4 с успешно выполнил миссию, на скорости 5 м/с преодолев в общей сложности 233 м. «Сегодняшний успех вертолёта ознаменовался преодолением общей дистанции в 1 милю [суммарно от начала полётов]... Это самый сложный рейс: 10 отдельных путевых точек и рекордная высота 40 футов (12 м). Его разведка помогает роверу NASA Perseverence», — отмечалось в «Твиттере» проекта. Маршрут включал пролёт восьми реперных точек (не считая точек взлёта и посадки).

Профиль десятого полета Ingenuity. Фото NASA / JPL-Caltech

Профиль десятого полета Ingenuity. Фото NASA / JPL-Caltech

С неменьшей тщательностью готовилась и следующая миссия. «Мы направимся на северо-запад в 11-м полете марсианского вертолёта Ingenuity, который состоится не ранее вечера среды, 4 августа. Профиль миссии разработан таким образом, чтобы опередить марсоход — поддержать его будущие научные цели в регионе Южная Сита, делая снимки с воздуха в поддержку будущих операций Perseverance», — отмечалось в «Твиттере» проекта.

План был опубликован заранее: «Ingenuity пробудится ото сна и начнёт запрограммированную серию предполётных проверок. Через три минуты мы стартуем, поднявшись на высоту 39 футов (12 м), а затем устремимся по маршруту со скоростью 11 миль в час (5 м/с). И хотя 11-й полет предназначен в первую очередь для переброски вертолёта с одного места на другое, мы не упустим возможности сделать несколько цветных снимков по пути… В конце полёта, возле нашего нового лётного поля, мы сделаем два снимка для создания 3D-стереопары. Полет №11 — от взлёта до посадки — должен занять около 130 секунд».

Вертолёт должен был сесть примерно в 385 м к северо-западу от своего текущего местоположения. Новая площадка расценивалась как «перевалочная база по крайней мере для одного разведывательного полёта в геологически интригующий район Южная Сита».

Всё прошло по плану. Коптер забрался на обещанные 12 м и за 163 с преодолел 383 м, совершив посадку близ расчётной точки. Впервые за всё время инерциальная навигационная система работала в положении вертолёта «задом наперёд». При этом обе камеры — и навигационная, и обзорная — вели съёмку против направления полёта, благодаря чему удалось вновь (как и в третьем полёте) запечатлеть марсоход.

Снимок района «Южная Сита» кратера Джезеро, сделанный вертолетом Ingenuity во время 11-го полета 4 августа 2021 года. Снизу – тень коптера. Фото NASA / JPL-Caltech

Снимок района Южная Сита кратера Джезеро, сделанный вертолетом Ingenuity во время 11-го полета, 4 августа 2021 года. Снизу – тень коптера. Фото NASA / JPL-Caltech

Рекордным по продолжительности стал двенадцатый полёт, выполненный 16 августа. Перемещаясь на высоте 10 м, за 169,5 с аппарат преодолел туда и обратно около 450 м и выполнил псевдостереосъёмку (псевдо — так как фото были сделаны не одновременно, второй кадр зафиксирован после смещения на 5 м) в одной из точек трассы. Десять цветных снимков были переданы марсоходу для ретрансляции на Землю.

Этот полет был сопряжён со значительным риском: система навигации, которой снабжён вертолёт, предназначена для перемещения над ровной (или почти ровной) местностью, а наличие значительных складок (скал, дюн, каменных гряд) могло привести к ошибкам в определении тангажа и крене. «Когда мы решаем принять на себя риск, связанный с таким полётом, мы исходим из его высокой научной отдачи, — пояснили руководитель группы операций Ingenuity на поверхности Марса Тедди Тзанетос (Teddy Tzanetos) и шеф-пилот вертолёта Ховард Грип (Håvard F. Grip). — Понимание того, что у нас есть возможность помочь команде Perseverance в научном планировании, предоставив уникальные кадры с воздуха, — это более чем достаточная мотивация».

Через полгода после развёртывания вертолёт находится в прекрасном состоянии, преодолев в общей сложности 2670 м за 12 полётов суммарной продолжительностью 22 минуты. Это заметно больше, чем проехал Perseverance. Заметим: для команды Ingenuity даже один успешный полёт означал успех всей миссии. Максимум, на что они рассчитывали, — это три-четыре рейса. Но коптер осилил дюжину полётов, и, похоже, это далеко не предел.

Трассы передвижения ровера Perseverance (белый) и полетов коптера Ingenuity (зеленый) с момента их прибытия на Марс. Верхний желтый эллипс – район «Южная Сита», над которым Ingenuity пролетел в 12 полете. Изображение NASA/JPL-Caltech

Трассы передвижения ровера Perseverance (белая линия) и полетов коптера Ingenuity (зеленая линия) с момента их прибытия на Марс. Верхний желтый эллипс – район Южная Сита, над которым Ingenuity пролетел в 12-м полете. Изображение NASA/JPL-Caltech

#Как им управлять?

Наблюдать за полётами «Изобретательности» крайне любопытно и познавательно, но ещё интереснее вопрос: как управляют этим аппаратом? 

Существует несколько концепций контроля беспилотных летательных аппаратов. Первая — дистанционное пилотирование: оператор находится на удалении, в командном пункте перед экраном, «держа руки на рычагах» (сейчас обычно достаточно одного джойстика), и через радиоканал передаёт команды управления на борт, используя для обратной связи информацию с датчиков — камер, радаров, измерителей скоростей и углов — самого беспилотника. Все решения принимает оператор.

На Земле реализация этой концепции проблем не вызывает: задержка радиосигнала до любой точки планеты, даже с использованием спутников-ретрансляторов на геостационаре, составляет доли секунды. Этого достаточно для управления беспилотным аппаратом в режиме практически реального времени. Однако для Марса эта концепция может быть реализована разве что после начала колонизации Красной планеты. Управлять вертолётом непосредственно с Земли невозможно: задержка радиосигнала (с учётом времени передачи информации по каналу Земля — Марс — Земля) составляет от 6 до 40 минут, в зависимости от расстояния между планетами. За это время любой дистанционно пилотируемый аппарат, без всякого сомнения, разобьётся, врезавшись в какую-нибудь «особенность» марсианского рельефа.

Вторая концепция — автономное управление: человек-оператор отсутствует (точнее говоря, его роль обычно сводится к вводу полётного задания), а все команды на управление формируются на борту аппарата. Скажем, в первых управляемых ракетах с инерциальной платформой жёстко задавалась программа изменения скорости, а также углов тангажа, рысканья и крена. Система наведения должна была обеспечить устойчивый полёт по заранее заданной программе.

Мэтт Киннон (Matt Keennon) с моделью вертолета Ingenuity, который JPL помогала проектировать, строить и испытывать компания AeroVironment, Inc. (Сими-Вэлли, Калифорния).

Мэтт Киннон (Matt Keennon) с моделью вертолета Ingenuity, который JPL помогала проектировать, строить и испытывать компания AeroVironment, Inc. (Сими-Вэлли, Калифорния).

Появление быстродействующих бортовых компьютеров, лазерных гироскопов, высокочувствительных компактных датчиков ориентации и спутниковых навигационных систем позволило перейти от жёстких алгоритмов управления к гибким – адаптивным, которые позволяют скорректировать ошибки в определении скорости и положения в пространстве непосредственно на борту. Например, цифровая карта местности, зашитая в «мозг» аппарата, может ежесекундно сравниваться с фактическим рельефом, что позволяет корректировать траекторию полёта. Такие алгоритмы были реализованы, к примеру, на крылатых ракетах дальнего действия.

По идее, дальнейшим развитием адаптивного управления должен стать искусственный интеллект. В этом случае летательному аппарату достаточно поставить задачу в общем виде: «Попасть в район А, сделать N снимков и вернуться в точку В». Летательный аппарат же сам определит оптимальные (например, с точки зрения минимального расхода энергии или времени выполнения задачи) маршрут и скорость полёта. При движении сенсоры будут отслеживать опасные препятствия вроде скал или воздушных вихрей, давая команды на их обход. Для этого, вероятно, потребуются оптические датчики, в том числе в инфракрасном диапазоне, радары или лазерные дальномеры либо и то и другое вместе.

Как подсказывает здравый смысл, автономное управление — это оптимальный вариант с точки зрения качественного выполнения задачи без вмешательства оператора. Однако и мощный бортовой компьютер, и множество сенсоров нужно не только уместить в аппарат массой всего в пару килограмм, но и заранее отработать во всех режимах — а как раз на это у разработчиков времени-то и не было. Очевидно, необходим некий компромисс, позволяющий оптимально разделить задачи между дистанционными и автономными методами. И для Ingenuity он был найден, причем специалисты смогли уложиться в минимально возможные габариты и массу.

Анимированное селфи вертолета и ровера, сделанное 7 апреля 2021 года. Изображение NASA/JPL-Caltech

Селфи вертолета и ровера, сделанное 7 апреля 2021 года. Изображение NASA/JPL-Caltech

#Летающая коробка из-под обуви

Ключевые проблемы контроля марсианского вертолёта — невозможность ни «рулить джойстиком», ни разместить разнообразное и мощное оборудование в компактном и легком коптере — вынуждали найти какое-то менее прямолинейное решение. И разработчики нашли его, выбрав комбинированный принцип: полётное задание передаётся с Земли (получающей после полёта все наработанные данные, в том числе снимки с бортовых камер) в марсоход, а уже он  будет управлять коптером.

В земных условиях существуют схожие системы для управления малыми разведывательными аппаратами с больших: основная (навигационная) часть стоит на базовой платформе (в данном случае на ровере), а пилотажная на вертолёте. Т. е. последний не знает, куда летит, но вполне понимает, как он это делает (через параметры изменения угла атаки лопастей, режимы работы двигателя и прочее). Пытаться уместить в марсианский летательный аппарат полную систему навигации нет смысла ввиду малой практической дальности и небольшого времени полёта аппарата. Поэтому всё, что передаётся с Земли, обрабатывает ровер: строит диаграммы работы двигателя (или выбирает один из пары десятков готовых шаблонов) и передаёт на вертолёт пакет инструкций. Ingenuity получает все команды от Perseverance.

Камень преткновения (и не только на Марсе, но и вообще на любом другом небесном теле, отличном от Земли) — невозможность достоверно определить своё положение на местности для составления плана полётов: вышек сотовой связи вокруг нет (как и готовых детальных карт), спутники типа GPS или ГЛОНАСС по орбите не ходят, солнечное/звёздное ориентирование и изучено не до конца, и не всегда доступно. Есть ещё неизвестные особенности гравитационного поля, горы, каменные насыпи, ветер, пыль и прочие помехи. Остаётся либо летать в зоне устойчивого радиосигнала базовой платформы, либо использовать инерциальную систему, запоминающую положение, откуда стартовал летательный аппарат.

Коптер летает в зоне прямой видимости и устойчивого радиосигнала ровера. Изображение NASA/JPL-Caltech

Коптер летает в зоне прямой видимости и устойчивого радиосигнала ровера. Изображение NASA/JPL-Caltech

Для того чтобы уложиться в установленные лимиты (причем, как сейчас кажется, ограничением стала не столько масса коптера, сколько недостаток времени на разработку и отладку), связь вертолёта с ровером осуществляется по радиоканалу с использованием протоколов с низким энергопотреблением (данные на расстояние до 1000 м могут передаваться со скоростью 250 кбит/с), что вкупе с указанными выше ограничениями привело к тому, что два робота — коптер и марсоход — должны постоянно находиться в относительной близости.

Обмен данными между вертолётом и Землёй стал возможен благодаря двум ретрансляторам — марсоходу Perseverance и орбитальному аппарату MRO. Взаимное расположение планет и ретрансляторов диктовали моменты открытия и продолжительность «окон», через которые можно было осуществлять связь.

Для того чтобы понять, как непосредственно осуществлялось управление, напомним устройство вертолёта. По меркам продающихся в магазинах игрушечных коптеров Ingenuity великоват — его масса составляет 1,8 кг. Корпус со всей «начинкой» имеет форму параллелепипеда размерами 136 × 195   × 163 мм и снабжён четырьмя композитными «ножками» длиной 384 мм. Подъёмную силу и аэродинамические моменты для контроля траектории даёт несущая система из двух соосных двухлопастных винтов диаметром 1,21 м, вращающихся навстречу друг другу. Подшипники и узлы автомата перекоса защищены от марсианской пыли мягкими уплотнениями и пыльниками. Миниатюрные управляющие приводы, интегрированные с электронными блоками, включают три щёточных микродвигателя, работающие через четырёхступенчатый редуктор. Они регулируют работу автоматов перекоса.

Не смотря на миниатюрные размеры, соосные несущие винты вертолета обладают полным комплектов управляющих приводов, в том числе автоматом перекоса. https://rotorcraft.arc.nasa.gov/Publications/files/Balaram_AIAA2018_0023.pdf

Несмотря на миниатюрные размеры, соосные несущие винты вертолета обладают полным комплектом управляющих приводов, в том числе автоматом перекоса. Источник

Вращение несущих винтов с частотой 2400 об/мин (несколько быстрее, чем у сравнимых по размерам и массе земных коптеров) обеспечивает 46-полюсный бесщёточный электромотор мощностью 350 Вт. Перед полётом происходит саморазогрев всех двигателей.

Источник электропитания — шесть литий-ионных элементов Sony ёмкостью 35–40 Вт·ч (номинальная ёмкость 2 А·ч) массой 273 г, подзаряжаемых от панели солнечных батарей, которая установлена неподвижно над колонкой несущих винтов. Как видим, аккумуляторы способны обеспечить полноценный полёт (включая взлёт, перемещение по вертикали и управляемую вертикальную посадку) продолжительностью более 2,5 минут.

Вертолёт конструировался по спецификациям космического аппарата, что означает способность выдерживать перегрузки и вибрацию во время запуска, перелёт в космосе (содержит радиационно стойкие радиоэлементы) и работу в марсианском холоде. При этом разработчики закладывали расчётный ресурс эксплуатации в пять полётов аппарата за 30 марсианских суток, исходя из предположительного износа механических частей от пыли.

Мозг коптера — бортовой компьютер, собранный на процессоре Qualcomm Snapdragon 801 (ARM-чипе для топовых планшетов и смартфонов 2014–2015 годов) и работающий на операционной системе Linux. Процессор подключен к двум микроконтроллерам управления полётом.

Слабое магнитное поле Марса не позволяет использовать для навигации компас — его заменяет камера слежения за Солнцем, интегрированная в визуально-инерциальную навигационную систему вместе с гироскопами, лазерным высотомером Garmin LIDAR Lite v3, датчиками наклона и опасного сближения. Помимо управления другими функциями, компьютер использует алгоритм визуальной навигации, оценивая по снимкам, полученным черно-белой (с VGA-разрешением) навигационной камерой, скорость перемещения объектов рельефа. Основная полезная нагрузка коптера — цветная камера с высоким разрешением.

На «днище» вертолета установлены две камеры. В черном восьмиугольнике - черно-белая навигационная (кружок между двумя большими линзами лазерного высотомера и чуть ниже них), еще ниже — цветная. Прозрачное боросиликатное стекло защищает от пыли высотомер и навигационную камеру, а прозрачное сапфировое – цветную. Фото NASA/JPL-Caltech

На «днище» вертолета установлены две камеры. В черном восьмиугольнике — черно-белая навигационная (кружок между двумя большими линзами лазерного высотомера и чуть ниже них), еще ниже — цветная. Прозрачное боросиликатное стекло защищает от пыли высотомер и навигационную камеру, а прозрачное сапфировое – цветную. Фото NASA/JPL-Caltech

Судя по рассказам разработчиков, элементная база вертолёта содержит множество инноваций: передовые солнечные и аккумуляторные батареи, сенсоры и электронику. Из-за крайне малых сроков разработки и испытаний создатели вертолета изначально ориентировались на коммерчески доступные компоненты из мира смартфонов (такие как процессоры, камеры, инерциальный измерительный блок, определители высоты и углового положения).

Знатоки понимают, что современный «умный телефон» — очень сложная вещь, обладающая при этом малыми запасами (причём речь идёт не только о прочности, но и об отказоустойчивости и диапазоне условий использования). Напротив — «настоящая космонавтика» оперирует радиационно стойкой компонентной базой и специально разработанными программными решениями. Всё это очень дорого как из-за сложности технологий, так и из-за мизерных объёмов производства. Напротив, коммерческая электроника — массовый продукт, в котором обеспечены высокие характеристики, достаточная — для земных условий — надёжность и низкая стоимость.

Архитектуру «борта» разработал Тим Кэнхэм (Tim Canham), руководитель операций по работе с марсианскими вертолётами в JPL, который сейчас сосредоточен на планировании полётов и координации с командой марсохода Perseverance. «Некоторые компоненты бортового радиоэлектронного оборудования коптера очень прочны и радиационно стойки, но большая часть — коммерчески доступны. Например, Snapdragon 801 — по сути, это процессор для сотовых телефонов, из-за чего плата очень мала. Но, по иронии судьбы, он построен на относительно современной технологии, из-за чего его быстродействие на пару порядков выше, чем у процессоров, установленных на марсоходе».

Члены команды Mars Helicopter и Mars 2020 на площадке сборки космических аппаратов в JPL, 30 июля 2019 года. Фото NASA/JPL-Caltech

Члены команды Mars Helicopter и Mars 2020 на площадке сборки космических аппаратов в JPL, 30 июля 2019 года. Фото NASA/JPL-Caltech

Для чего это нужно? Контуры системы наведения, обеспечивающие устойчивый полёт в разреженной марсианской атмосфере, работают с частотой 500 Гц. Кроме того, необходимо обрабатывать данные навигационной камеры. «Мы делаем снимки, анализируем особенности рельефа и отслеживаем их от кадра к кадру с частотой 30 Гц, — пояснил инженер. — Для этого нужна довольно серьёзная вычислительная мощность. Ни один процессор, который сейчас использует NASA, ею не обладает.  Наша философия заключалась в следующем: мы испытаем на прочность это коммерческое оборудование, и, если оно будет работать хорошо, продолжим использовать его впоследствии». (Кстати, бортовой компьютер работает на одной из версий «Линукса», обкатанной на кубсатах; это первый случай применения данной ОС на Марсе!)

В какой степени Mars Helicopter Scout автономен? Миссии очень конкретно и детально планируются заранее на Земле. Это не искусственный интеллект и даже не та автономность, о которой принято рассуждать: файл с программой полёта в виде набора путёвых точек, составленный специалистами группы управления, через орбитальный ретранслятор загружается в бортовой компьютер марсохода. «Когда мы хотим, чтобы коптер взлетел, мы отправляем на марсоход софт, который берет на себя управление и выполняет взлёт, перемещение к различным путевым точкам и затем посадку», — рассказал Кэнхэм. То есть сам вертолёт не ведёт никаких внутренних диалогов и не рассуждает о предстоящей миссии. Однако во время полёта он автономно пытается определить, остаётся ли он в пределах заданной траектории при наличии порывов ветра или других возмущений.

Вертолет Mars Scout Helicopter в сложенном (транспортном) положении. Фото NASA/JPL-Caltech

Вертолет Mars Scout Helicopter в сложенном (транспортировочном) положении. Фото NASA/JPL-Caltech

Выбор участков, над которыми летает Ingenuity, не случаен и — увы! — скорее всего, в наименьшей степени зависит от научной ценности получаемой коптером информации. Процесс выбора начинался с анализа снимков района посадки марсохода, выполненных с орбиты станцией MRO. Таким образом удается в первом приближении определить потенциальные места взлета и посадки, к которым может подойти Perseverance и провести более детальное обследование местности. «В зависимости от каменистости, наклона и даже того, насколько ровна или не ровна поверхность, мы выберем место для работы вертолёта, — рассказал Кэнхэм. — Тут возможны компромиссы: самый безопасный рельеф — это гладкая, как доска, поверхность без камней, однако это самый худший вариант с точки зрения возможности отслеживать изменения местоположения объектов на ней. Поэтому нам необходим баланс, например куча мелких камешков, за которым можно хорошо следить. Но их размеры не должны затруднять посадку».

Затем рассчитывается траектория полета относительно элементов рельефа местности, окружающей марсоход. На карте, созданной по результатам орбитальной съёмки, оператор группы управления на Земле отсчитывает метраж движения между нужными точками. Для оптимизации времени подготовки на снимках отбирают только объекты, которые лежат непосредственно на траектории полета. Основное требование к точке посадки — относительно ровная поверхность с очень малыми углами наклона, без камней и ям.

Процесс выбора трассы полета на базе спутниковых снимков и карт поверхности. Изображение NASA/JPL-Caltech

Процесс выбора трассы полета на базе спутниковых снимков и карт поверхности. Изображение NASA/JPL-Caltech

Сам по себе способ обработки траектории с учетом карты высот не сильно затратный: система планетохода не определяет кривые полета, а ведет векторный расчёт каждой точки относительно текущего положения аппарата. Для успешного прохождения маршрута необходим запас расстояния между высшими точками на карте и крайними габаритами летательного аппарата. Эксперты полагают, что, поскольку задача пролета через пещеры и каньоны в данном случае не стоит, автоматически подразумевается, что все пространство над аппаратом свободно.

Perserverance по радиоканалу закладывает в бортовой компьютер Ingenuity программу работы приводного двигателя из расчёта полёта в нужном направлении в течение нужного времени, до смены направления. Как такового плана полета коптер не имеет и работает по схеме расхода энергии до критических величин. Т. е. у него есть задача взлететь, пролететь опорные точки маршрута любым способом, причем точки сопоставляются с элементами рельефа, заранее обозначенными на карте района, и совершить посадку.

Основная нагрузка в полете приходится на инерциальный измерительный блок вертолёта, которому помогают навигационная камера и лидар. Камера делает снимки участков поверхности под коптером, а бортовой компьютер покадрово сравнивает несколько десятков объектов в одном фрейме, чтобы определить направление и скорость движения летательного аппарата. Лазерный высотомер используется для определения расстояния до поверхности и предупреждения опасного сближения с объектами на ней (и, возможно, с облаками пыли, хотя для полётов обычно подбирается спокойная безветренная погода), а датчик углового положения определяет наклон аппарата при взлете и во время движения.

Шеф-пилот Ховард Грип документирует детали каждой миссии в бортовом журнале. На данной иллюстрации страницы журнала девятого и десятого полетов. Фото NASA/JPL-Caltech

Шеф-пилот Ховард Грип документирует детали каждой миссии в бортовом журнале. На данной иллюстрации страницы журнала девятого и десятого полетов. Фото NASA/JPL-Caltech

Получается, что крупномасштабная карта высот местности, на которой находятся планетоход и вертолет, у специалистов есть, а вот схемы перемещения среди условно мелких объектов нет. По мнению экспертов, покадровая навигация — лишь один из возможных способов решения проблемы. Она работает только на маленьких скоростях, но зато позволяет обойтись грубой оценкой местоположения, без запоминания окружающих объектов или создания сверхдетальной карты местности с указанием высот.

Программное обеспечение вертолёта постоянно отслеживает исправность всех датчиков; если в полете какой-либо из сенсоров начинает барахлить, коптер, как зависший компьютер, «принимает последнее устойчивое состояние» и просто пытается приземлиться. Затем сообщает марсоходу о случившемся и ждёт дальнейших указаний. Он не будет силиться продолжать полёт, если откажет хоть один датчик: для успешного завершения миссии необходимы все показания, поскольку для анализа они сливаются в единый массив данных.

По словам инженера, реализованная архитектура управления далека от «продвинутой автономности»: вертолёту пока нельзя скомандовать «Слетай и сфотографируй вон тот камень», ему нужно детально прописать весь сценарий полета. Однако, если учесть, что главная задача проекта Mars Helicopter Scout — доказать саму возможность устойчивого аэродинамического управляемого полёта в атмосфере Марса, это правильный подход. Именно так: по мнению сторонних специалистов, особых новшеств касательно принципов работы систем управления у Ingenuity нет. Основным нововведением является сам полет в чрезвычайно разреженной атмосфере другой планеты и переделка почти всех элементов несущих винтов для работы в условиях, которые в корне отличаются от «земных».

Успех миссии Ingenuity позволит перейти к более продвинутым летательным аппаратам. JPL уже прорабатывает будущие миссии на Марсе с использованием более крупных и тяжёлых вертолётов с гораздо большей автономностью.

Один из вариантов шестивинтового марсианского вертолёта взлетной массой около 5 кг. Источник https://spectrum.ieee.org/the-next-mars-helicopter

Один из вариантов шестивинтового марсианского вертолёта взлетной массой около 5 кг. Источник

Источники:

 
 
⇣ Содержание
Если Вы заметили ошибку — выделите ее мышью и нажмите CTRL+ENTER.
Материалы по теме
⇣ Комментарии
Прежде чем оставить комментарий, пожалуйста, ознакомьтесь с правилами комментирования. Оставляя комментарий, вы подтверждаете ваше согласие с данными правилами и осознаете возможную ответственность за их нарушение.
Все комментарии премодерируются.
Комментарии загружаются...
window-new
Soft
Hard
Тренды 🔥