Jakim sposobem możliwy jest lot Ingenuity na Marsie?

Qualcomm Technologies podzielił się rąbkiem tajemnicy na temat współpracy z NASA Jet Propulsion Labs (JPL) przy opracowywaniu technologii marsjańskiego helikoptera Ingenuity, który wykonał pierwszy lot na innej planecie. Tekst stanowi tłumaczenie artykułu, opublikowanego na stronie Qualcomm.

Projekt helikoptera marsjańskiego jest rozwijany od 2014 roku i jest zwieńczeniem dziesiątek rygorystycznych testów i innowacji. Projekt jest równocześnie demonstratorem technologii JPL, którego zadaniem jest ukazanie, w jaki sposób autonomiczne loty mogą poszerzyć horyzont eksploracji kosmosu dla przyszłych misji i projektów. Żaden szczegół techniczny nie był zbyt błahy, aby go dogłębnie nie przebadać: dotyczy to zwłaszcza procesora, który jest odpowiedzialny za działanie helikoptera. Kiedy JPL zwróciło się do Qualcomm w sprawie testowania i rozszerzania autonomicznych możliwości Ingenuity przy użyciu produktów Qualcomm Technologies, byliśmy podekscytowani mogąc podzielić się wizją ich zespołu.

© NASA

Wyzwania związane z pierwszymi lotami na innej planecie 

Przestrzeń kosmiczna stawia wyjątkowe wyzwania w operowaniu helikopterem na Marsie, a którym to musiała sprostać platforma Qualcomm Flight Platform. Główną przeszkodą jest sama operacja lotu: ze względu na ogromne opóźnienie sygnału, który dociera na Ziemię w ciągu kilku minut, sterowanie helikopterem za pomocą pilota w czasie rzeczywistym jest po prostu niemożliwe. Zamiast tego helikopter otrzymuje polecenia podjęcia autonomicznych operacji, przekazywane z odległości milionów mil i opóźnione o 3-22 minuty.

Kolejnym dużym wyzwaniem było upewnienie się, że system obsługujący autonomiczną pracę ma wystarczająco dużą moc obliczeniową i jednocześnie niskie zużycie energii, biorąc pod uwagę, że znaczna część poboru mocy w helikopterze jest zużywana przez pewnego rodzaju grzejnik, który utrzymuje ciepło podzespołów w marsjańskie wieczory. Chociaż Qualcomm Flight nie był pierwotnie zaprojektowany do podróży kosmicznych, ma rozbudowane funkcje autonomicznej obsługi, które były świetnym punktem wyjścia do sprostania niektórym z wyzwań.

Przy określaniu właściwego wyboru platformy robotycznej, oprócz elastycznej autonomii systemu, dla JPL ważne były również kwestie związane z promieniowaniem marsjańskim i warunkami atmosferycznymi. Ekstremalne temperatury i jej cykliczne zmiany mogą powodować bardzo szybkie zużycie części. Ponadto, niektóre formy promieniowania kosmicznego stopniowo lub nawet gwałtownie uszkadzają krzem. Zwykle idealne byłoby dokładne przetestowanie wraz z utwardzaniem struktury krzemu w przestrzeni. Dzięki przeprowadzonym analizom, JPL było w stanie stwierdzić, że pewne właściwości technologii Qualcomm Flight zmniejszają ryzyko usterek i odpowiadają potrzebom pierwszego lotu na innej planecie.

Grunt to odpowiedni zestaw narzędzi

Qualcomm Flight już na najwcześniejszych etapach został opracowany z myślą o autonomicznym locie. Platforma koncentruje się na korzyściach technologicznych, które zwykle dotyczą technologii dronów konsumenckich, takich jak wideo 4K Ultra HD, heterogeniczne komputery mobilne, nawigacja za pomocą wizualnej odometrii bezwładnościowej i systemy wspomagania lotu - wszystko w niezwykle małej i wytrzymałej obudowie. Te wszystkie cechy okazały się ważne dla JPL, kiedy rozważano ograniczenia zdalnego sterowania helikopterem na Marsie oraz złożone algorytmy, które helikopter musiałby obsłuży. Autonomiczny lot helikoptera na Marsie ma kluczowe znaczenie dla eksploracji obszarów, do których łazik nie ma łatwego dostępu i otwiera nowe możliwości uzyskiwania obrazów o wysokiej rozdzielczości. 

© Qualcomm

Głównym czynnikiem, który pomógł nam w rozpoczęciu współpracy z JPL, była rozbudowana metodologia testowania technologii komercyjnej. Qualcomm zawsze stara się przesuwać granice opracowywanej technologii, a to często skutkuje również rozwojem innych, powiązanych dziedzin. Usprawniło to proces integracji Qualcomm Flight z projektem JPL, co stanowi też przykład, w jaki sposób wysoce zintegrowane rozwiązania i rygorystyczne testy umożliwiają łatwe dostosowywanie się do potrzeb innych segmentów przemysłu. Qualcomm Flight nie tylko pomyślnie przeszedł rygorystyczne wewnętrzne testy w laboratoriach Qualcomm, ale także przeszedł testy JPL symulujące marsjańskie warunki na Ziemi.

Projekt ten dał firmie również wyjątkową okazję do przetestowania platformy pod kątem ekstremalnych warunków, na jakie jest narażony Ingenuity. Testy przyniosły również cenne informacje, które można zastosować w przyszłych misjach. Na przykład, byliśmy w stanie dokładnie określić, w jakim stopniu części uległy degradacji po ekspozycji na promieniowanie, umożliwiając JPL modelowanie ryzyka. 

Oprócz umożliwienia autonomicznego funkcjonowania Ingenuity, Qualcomm Flight jest również wykorzystywany w systemie komunikacyjnym marsjańskiego łazika. Możliwości obliczeniowe Qualcomm Flight umożliwiają przetwarzanie zdjęć zrobionych przez helikopter. Dzięki temu zarówno Ingenuity, jak i Rover, mogą pracować w tandemie w celu zebrania i przygotowania najlepszych możliwych zdjęć, które zostaną przesłane następnie do zespołu JPL na Ziemi.