NASA тестирует передовые возможности для луноходов и марсоходов

На безлюдной территории пустыни Колорадо в Южной Калифорнии компактный четырехколесный луноход недавно проехал около 16 миль (26 километров) с минимальным вмешательством команды инженеров, следовавших за ним. Называемый ERNEST (Exploration Rover for Navigating Extreme Sloped Terrain), этот прототип используется NASA для повышения как роботизированной автономии, так и способности преодолевать сложные ландшафты.

Разработанный в Лаборатории реактивного движения NASA в Южной Калифорнии, ERNEST имеет длину 4 фута (1,2 метра). Он может поднимать каждое из своих сетчатых колес, чтобы преодолевать препятствия, которые могли бы остановить Curiosity и Perseverance, шестиколесные марсоходы NASA, но прототип также обладает улучшенными возможностями независимого принятия решений. Эти достижения в мобильности и автономии могут быть внедрены в будущие миссии, которые будут исследовать ранее недоступные районы Красной планеты или Луны.

В полевых условиях ERNEST служил испытательной платформой для потенциальной будущей лунной миссии, требующей более высоких скоростей и гораздо большего пробега, чем может обеспечить текущий луноход. Эта технология может быть использована для информирования будущих разработок для исследовательских усилий на Луне и за ее пределами.

"Эти испытания помогают нам уточнить аппаратное обеспечение мобильности и программное обеспечение автономии для навигации на экстремальные расстояния по широкому спектру местности и условий освещения, ожидаемых на Луне", — сказал Исса Неснас, ведущий технолог в JPL, который руководил недавними испытаниями в качестве главы автономии для концепции миссии NASA по потенциальному будущему луноходу дальнего действия.

Команда Неснаса использует ERNEST, чтобы продемонстрировать возможность создания лунохода, который в два раза больше прототипа и способен на дальние лунные миссии. В ходе недавней кампании ERNEST двигался со скоростью до 0,6 миль в час (1 км/ч) в течение 37 часов вождения, за семь дней прерывистых испытаний. Это на порядок выше максимальной скорости, с которой могут передвигаться Perseverance и Curiosity.

"Вы могли бы совершить научное путешествие по Луне — или Марсу — на этом транспортном средстве", — сказал Джеймс Кин, планетарный ученый JPL, работающий над лунными миссиями.

Первоначальная цель команды, разработавшей ERNEST, была механической: спроектировать относительно простой, недорогой луноход, который продвинет надежную систему подвески rocker-bogie, используемую на каждом марсоходе с момента появления Sojourner от NASA. Эта пассивная система поддерживает относительно постоянный вес на всех шести колесах благодаря точкам поворота и стойкам, которые позволяют каждому колесу адаптироваться к изменяющейся поверхности.

На ERNEST активная подвеска позволяет луноходу управлять распределением веса между своими колесами. Два приводных сустава спереди управляют карданом, который позволяет луноходу передвигаться с использованием различных стилей движения, таких как извивание, ходьба на колесах и преодоление препятствий. С помощью механизма сцепления он может переключаться между активной и пассивной подвеской, которая менее способна к преодолению местности, но более энергоэффективна. С четырьмя управляемыми колесами он может двигаться в любом направлении, включая боковое.

"Мы начали с предположения, что можем лучше спроектировать систему роботизированной мобильности для планетарной поверхности", — сказал Хари Найар, ведущий технолог JPL, возглавляющий команду ERNEST. "Хотя система rocker-bogie была очень успешной за последние 30 лет, за это время было проведено много исследований в области мобильности и понимания взаимодействия с местностью."

Перед тем как прийти к сегодняшней версии ERNEST, команда построила два ранних прототипа, каждый длиной около 2 футов (0,6 метра), чтобы протестировать 11 конфигураций активной подвески. В трейлере, заполненном симулянтом лунного реголита, они проводили эксперименты под разными углами наклона в течение нескольких месяцев, прежде чем остановиться на окончательном дизайне.

Затем команда увеличила масштаб, добавив прямоугольную голову, установленную на мачте высотой 4,5 фута (1,4 метра). Аппаратное обеспечение было завершено в сентябре 2024 года, но луноход все еще нуждался в операторе, который управлял бы им с помощью джойстика, отправляя команды для указания луноходу, как преодолевать препятствия.

Чтобы обучить луноход мыслить самостоятельно, команда ERNEST обратилась к обучению с подкреплением, типу искусственного интеллекта, при котором робот учится, взаимодействуя со своей средой. Лаборатория динамики и моделирования в реальном времени в JPL разработала высокоточную виртуальную тестовую среду, которая воспроизводит поведение лунохода. Команда загрузила в симулятор данные, собранные инженерами, которые документировали реакцию реального аппаратного обеспечения лунохода на различные типы местности. На кластере высокопроизводительных вычислений команда одновременно проводила множество симуляций, иногда завершая тысячи часов тестов за один выходной.

После месяцев виртуального обучения команда ERNEST была готова проверить, сможет ли луноход использовать свои новые автономные алгоритмы, чтобы понять, как двигаться по особенностям местности, которые остановили бы луноход с пассивной подвеской. Они установили полосу препятствий с песчаными рябями, завалами, ступенями и крутыми склонами в Марсианском дворе JPL, открытом испытательном полигоне. Затем они наблюдали, как луноход самостоятельно маневрирует по местности. С тех пор ERNEST завершил множество таких курсов.

Команда Найара начинает новый проект автономии, который включает интеграцию способности лунохода определять, когда и как использовать свою активную подвеску с интеллектуальной навигацией на более дальние расстояния. Цель состоит в том, чтобы позволить ERNEST планировать эффективный маршрут, чтобы он мог преодолевать проходимые препятствия и обходить опасные. Эти возможности могут способствовать потенциальным будущим миссиям луноходов, сталкивающимся с суровыми ландшафтами на Марсе или более труднопроходимыми районами Луны.

Работа над ERNEST началась в 2022 году и изначально поддерживалась внутренними исследовательскими и разработческими фондами JPL. В настоящее время она финансируется Программой исследования Марса NASA и Офисом стратегии и интеграции научных исследований агентства в Дирекции научных миссий NASA в Вашингтоне. Caltech в Пасадене, штат Калифорния, управляет JPL для NASA.