⇡#Treinamento
Os cinco primeiros voos resolveram a principal tarefa do projeto Mars Helicopter Scout: fizeram uma verificação de conceito – confirmaram a eficiência da aeronave, verificaram a correção das soluções técnicas adotadas e testaram os sistemas de bordo.
Assim, em 19 de abril de 2021, pela primeira vez na história da humanidade, um aparato aerodinâmico criado por humanos decolou da superfície de Marte: a engenhosidade atingiu uma altura de 3 me permaneceu no ar por 39,1 s (dos quais 30 s estavam no modo de flutuação).
Os especialistas do grupo gestor conduziram o webcast do evento em tempo real. Fotos separadas tiradas do “pai” Mars rover Perseverance (“Perseverance”) foram transmitidas, a partir do qual a NASA post factum editou um pequeno vídeo mostrando decolagem, pairando e pousando.
O segundo vôo ocorreu em 22 de abril. O helicóptero subiu 5 me girou três vezes (girando no final em 276 °), depois moveu-se lateralmente alguns metros a uma velocidade de 0,5 m / s. 52 segundos após a decolagem, o helicóptero retornou ao ponto de partida. O comprimento total da “rota” era de 4 m. Como resultado, a transição do movimento flutuante para o horizontal foi calculada. Além disso, a Ingenuity tirou as primeiras fotos com uma câmera colorida RTE de uma altura de vários metros.
No terceiro voo, em 25 de abril, o aparelho voltou a subir a cinco metros de altura e, tendo ocupado o escalão, voou a uma velocidade de 2 m / s ao norte de 50 m, retornando então ao local de lançamento, que , aliás, recebeu o nome honorário de “Wright Brothers Airfield” (Wright Brothers Field). O vôo durou 80,3 segundos, terminou com sucesso e adicionou mais cem metros ao “tempo de vôo” total.
Posteriormente, foi planejado aumentar a duração e a amplitude dos movimentos laterais.
A equipe de comando do Ingenuity Mars Helicopter no JPL responde aos resultados do segundo vôo do helicóptero ao Planeta Vermelho em 22 de abril de 2021. Foto NASA / JPL-Caltech
O quarto voo, agendado para 29 de abril, foi adiado um dia devido a uma falha de software. A equipe do JPL informou que mesmo agora, assim como na véspera da decolagem em 19 de abril, que não ocorreu na primeira tentativa, o programa de treinamento não conseguiu chegar à transição para a modalidade de decolagem. Descobriu-se que o flashing enviado a bordo do Ingenuity não resolve completamente o problema: em cerca de 15% dos casos, a falha reaparece.
Em 30 de abril, a falha não se repetiu e o helicóptero disparou no céu rarefeito de Marte … O quarto voo foi mais difícil do que os anteriores: a duração aumentou 1,5 vezes, e o alcance aumentou mais de 2,5 vezes: em 116 segundos, a aeronave percorreu 266 m. A carga de processamento de imagem na câmera de navegação NAV aumentou de 2 para 3,5 m / s a velocidade: entre 84 e 133 metros de vôo de uma altura de 5 m, ela inspecionou a superfície com um degrau de 1,2 m distante – sul – parte da rota, e também levantado os últimos 50 m do percurso até o “campo de aviação”. Cerca de 60 novas fotografias coloridas tiradas do ar se tornaram os pontos quentes do dia.
Uma semana depois, no dia 7 de maio, o ciclo de demonstração terminou: o helicóptero teve que se mudar para um novo estacionamento, que foi escolhido de acordo com as imagens da estação americana MRO (Mars Reconnaissance Orbiter), que orbita o Planeta Vermelho desde então Março de 2006. Após a decolagem, o Ingenuity ganhou os já familiares 5 m de altura e rumou para o sul. Tendo superado 129 m, o helicóptero subiu para um recorde de 10 m acima do alvo. Desta altura, ele tirou várias fotografias coloridas de levantamento, após o que o pouso foi executado. A nova área de estacionamento foi designada “Campo B”.
Rover Perserverance and Ingenuity Copter. Gráficos NASA / JPL-Caltech
⇡#Prática
Embora o quarto e o quinto voos tenham ido além da demonstração tecnológica (os desenvolvedores notaram que essas tarefas foram concluídas no dia 25 de abril), eles não foram formalmente incluídos em outro ciclo – os trabalhos práticos começaram com o sexto voo. E aqui surgiu um incidente burocrático engraçado.
Como o dispositivo foi inicialmente posicionado apenas como um demonstrador de tecnologia, para não ultrapassar os limites das regulamentações oficiais, foi inventado um ciclo de “demonstração de possibilidades de aplicação prática” (demonstração de operações).
O programa do sexto vôo foi anunciado quatro dias antes da “surtida” – em 19 de maio. De acordo com o plano, o helicóptero deveria voar a uma altitude de 10 m, o dobro do tempo anterior e muito mais rápido: foi proposto aumentar a velocidade de 2-3,5 para 4 m / se aumentar a duração do voo para 140 s. O percurso também se tornou mais difícil: 150 m para sudoeste, 15-20 m para sul e 50 m para nordeste.
A missão de voo previa a fotografia a cores ao passar pelo segmento “sul” da rota, para o qual o Ingenuity tinha de voar “lateralmente” – para o lado esquerdo para a frente. Entre outras coisas, estava previsto filmar o “Aeródromo C” (Campo C) – um novo ponto de implantação do helicóptero, previamente selecionado pela Perseverance (no futuro, a aeronave teria que escolher os locais de pouso por conta própria) .
O voo ocorreu na data calculada, 22 de maio, mas o relatório de voo só ficou disponível após 5 dias. Descobriu-se que aos 54 segundos de voo, o helicóptero experimentou uma anomalia – “solavancos” com oscilações ao longo dos canais de pitch e roll atingindo 20 °. A razão para os solavancos, de acordo com a equipe do projeto, foi a perda de uma imagem de navegação da câmera NAV.
Possíveis planos de vôo para o helicóptero marciano. Uma fonte
A equipe de gerenciamento sugeriu que o uso de imagens coloridas de alta resolução da câmera RTE às vezes pode levar à exclusão acidental de imagens da câmera de navegação. Por esse motivo, optou-se por não filmar em cores no sétimo e no oitavo voos. A anomalia não impediu uma conclusão totalmente bem-sucedida da missão: o helicóptero pousou com uma pequena falha – dentro dos 5 m permitidos do “Campo de aviação C”. As fotos mostraram que o site era bastante seguro.
Depois disso, representantes do programa Mars Helicopter Scout anunciaram planos para aumentar a duração do vôo para três minutos e o alcance para um quilômetro. No entanto, na próxima, sétima consecutiva, tais resultados não puderam ser mostrados. A decolagem planejada para 4 de junho foi cancelada e ocorreu quatro dias depois. Os relatórios dos resultados foram publicados no dia seguinte – o helicóptero subiu novamente a uma altitude de 10 m, passou 62,8 s no ar e pousou 106 m ao sul do ponto de lançamento.
O oitavo vôo foi anunciado em 18 de junho com uma data planejada “não antes de 21 de junho”. Antes disso, os “cérebros” do helicóptero eram relampejados para eliminar o erro que causava o reset do cronômetro após a conclusão do lento deslocamento dos parafusos. O vôo ocorreu em 22 de junho – o helicóptero ficou 77,4 s no ar, voando 160 m ao sul e pousando a 133,5 m da localização atual do rover.
O sétimo e o oitavo voos foram de facto dedicados a testar o sistema após a eliminação das falhas, não foram tiradas imagens a cores da superfície. Posteriormente, as viagens do Ingenuity se tornaram mais complicadas e prolongadas. A atualização, carregada no “cérebro” do helicóptero, permitiu excluir as anomalias que se manifestaram no sexto voo.
Decolagem e pouso do helicóptero Ingenuity, capturado com a câmera Mastcam-Z do rover Perseverance em 19 de abril de 2021. Não há quadros congelados. Imagens da NASA / JPL-Caltech
Pela nona vez, a decolagem ocorreu em 5 de julho. Era para estabelecer recordes de alcance e velocidade – 625 me 5 m / s, respectivamente. A viagem foi planejada para ser realizada sobre as ondulações dos Sita Yardangs – uma estreita crista de dunas expostas à erosão do vento – em conexão com a qual a rota exigia ajustes especiais de algoritmos de navegação.
O vôo durou 166,4 s. O alcance e a velocidade planejados foram alcançados, mas ao pousar o helicóptero estava a 47 m do ponto calculado (no entanto, permaneceu dentro da tolerância de 50 metros). A câmera RTE tirou uma série de imagens coloridas de uma altura de 10 m. Dez imagens publicadas capturaram dunas de areia sobrepostas a depósitos antigos em uma área considerada inacessível para o rover Perseverance: no quadro tirado 16 segundos antes do pouso, você pode ver o acúmulos de pedras, pelas quais a rota planejada do rover passou … Este local foi escolhido para a coleta de amostras.
O próximo décimo vôo, previsto para 24 de julho, era tão importante que foi anunciado por Jennifer Harris Trosper – a gerente de todo o projeto Marte 2020: para completar a rota, que era uma trajetória aberta com quatro trechos, o helicóptero precisava mude o curso em cada ponto fiducial, girando em um ângulo de 30 a 135 ° no sentido horário.
A aeronave decolou na data marcada e em 165,4 s completou com sucesso a missão, tendo percorrido um total de 233 m a uma velocidade de 5 m / s. Viagem difícil: 10 waypoints separados e uma altitude recorde de 40 pés (12 m) . Sua inteligência ajuda o rover Perseverence da NASA ”, tuitou o projeto. O percurso incluiu a passagem de oito pontos de referência (sem contar os pontos de descolagem e aterragem).
O décimo perfil de vôo do Ingenuity. Foto da NASA / JPL-Caltech
A próxima missão foi preparada com igual cuidado. “Seguiremos para noroeste no 11º vôo do helicóptero Ingenuity Mars, que ocorrerá no máximo na noite de quarta-feira, 4 de agosto. O perfil da missão é projetado para ficar à frente do rover – para apoiar seus objetivos científicos futuros na região de Sita do Sul, capturando imagens aéreas em apoio às futuras operações do Perseverance ”, twittou o projeto.
O plano foi publicado com antecedência: “O Ingenuity vai acordar do sono e começar uma série programada de verificações pré-voo. Em três minutos, começaremos a 12 m (39 pés) e, em seguida, desceremos rapidamente a rota a 5 m / s (11 mph). E embora o 11º voo se destine principalmente a transferir o helicóptero de um local para outro, não perderemos a oportunidade de fazer algumas fotos coloridas ao longo do caminho … No final do voo, perto do nosso novo campo de aviação, iremos duas imagens para criar um par estereoscópico 3D. O vôo 11 – da decolagem ao pouso – deve levar cerca de 130 segundos. “
O helicóptero deveria pousar aproximadamente 385 m a noroeste de sua posição atual. O novo local foi considerado “uma base de transbordo para pelo menos uma missão de reconhecimento à região geologicamente intrigante de Sita do Sul”.
Tudo correu conforme o planejado. O helicóptero escalou os prometidos 12 me em 163 s percorreu 383 m, pousando próximo ao ponto calculado. Pela primeira vez, o sistema de navegação inercial operou na posição “para trás” do helicóptero. Ao mesmo tempo, as duas câmeras – tanto de navegação quanto de levantamento – estavam disparando contra a direção do vôo, graças ao qual foi possível capturar o rover novamente (como no terceiro vôo).
Imagem da região de Sita Sul da cratera de Jezero tirada pelo helicóptero Ingenuity durante seu 11º voo, em 4 de agosto de 2021. Abaixo está a sombra do helicóptero. Foto da NASA / JPL-Caltech
O décimo segundo vôo, realizado em 16 de agosto, tornou-se o recorde de duração do vôo. Movendo-se a uma altura de 10 m, em 169,5 s o aparelho percorreu cerca de 450 m para frente e para trás e executou a fotografia pseudo-estéreo (pseudo – como as fotos não foram tiradas ao mesmo tempo, o segundo quadro foi gravado após um deslocamento de 5 m) em um dos pontos da pista. Dez imagens coloridas foram transmitidas ao rover para retransmissão para a Terra.
Este vôo estava repleto de riscos significativos: o sistema de navegação do helicóptero foi projetado para se mover sobre terreno nivelado (ou quase nivelado), e a presença de dobras significativas (rochas, dunas, cumes de pedra) podem levar a erros na determinação da inclinação e rotação. “Quando decidimos correr o risco de tal vôo, estamos prevendo um alto retorno científico”, explicou Teddy Tzanetos, líder da equipe de operações da superfície de Marte, Teddy Tzanetos, e o piloto-chefe de helicóptero Håvard F. Grip. … “A constatação de que temos a capacidade de ajudar a equipe do Perseverance com o planejamento científico, fornecendo imagens aéreas exclusivas, é uma motivação mais do que suficiente.”
Seis meses após a implantação, o helicóptero encontra-se em excelentes condições, tendo percorrido um total de 2.670 m em 12 voos com duração total de 22 minutos. Isso é visivelmente mais do que a Perseverança impulsionou. Nota: para a equipe Ingenuity, mesmo um voo bem-sucedido significa o sucesso de toda a missão. O máximo com que contavam era três ou quatro voos. Mas o helicóptero dominou uma dúzia de voos e parece que isso está longe de ser o limite.
Traços do rover Perseverance (linha branca) e voos da Ingenuity (linha verde) desde sua chegada a Marte. A elipse amarela superior é a região de South Sita que o Ingenuity sobrevoou em seu 12º vôo. Imagem da NASA / JPL-Caltech
⇡#Como você administra isso?
Assistir aos voos da Inventividade é extremamente interessante e informativo, mas ainda mais interessante é a pergunta: como esse aparelho é controlado?
Existem vários conceitos para o controle de veículos aéreos não tripulados. A primeira é a pilotagem remota: o operador fica à distância, no posto de comando em frente à tela, “segurando as mãos nas alavancas” (agora geralmente basta um joystick), e através do canal de rádio transmite os comandos de controle para o bordo, usando informações de sensores – câmeras, radares para feedback, medidores de velocidade e ângulo – o próprio drone. Todas as decisões são tomadas pelo operador.
Na Terra, a implementação desse conceito não causa problemas: o atraso do sinal de rádio para qualquer ponto do planeta, mesmo com o uso de satélites retransmissores no geoestacionário, é de uma fração de segundo. Isso é o suficiente para controlar um veículo não tripulado em tempo quase real. No entanto, para Marte, este conceito pode ser realizado somente após o início da colonização do Planeta Vermelho. É impossível controlar o helicóptero diretamente da Terra: o atraso do sinal de rádio (levando em consideração o tempo de transmissão da informação no canal Terra-Marte-Terra) é de 6 a 40 minutos, dependendo da distância entre os planetas . Durante este tempo, qualquer veículo pilotado remotamente, sem dúvida, irá colidir, colidindo com alguma “característica” do terreno marciano.
O segundo conceito é o controle autônomo: não há operador humano (mais precisamente, seu papel é geralmente reduzido a entrar em uma tarefa de vôo), e todos os comandos de controle são formados a bordo do veículo. Por exemplo, nos primeiros mísseis guiados com plataforma inercial, um programa para alterar a velocidade, bem como os ângulos de inclinação, guinada e rotação, foi rigidamente definido. O sistema de orientação deveria fornecer um vôo estável de acordo com um programa predeterminado.
Matt Keennon com o helicóptero Ingenuity, que o JPL ajudou a projetar, construir e testar a AeroVironment, Inc. (Simi Valley, Califórnia).
O advento dos computadores de bordo de alta velocidade, giroscópios a laser, sensores de orientação compactos de alta sensibilidade e sistemas de navegação por satélite possibilitaram passar de algoritmos de controle rígidos a algoritmos de controle flexíveis – adaptativos, que permitem corrigir erros na determinação da velocidade e posição no espaço diretamente a bordo. Por exemplo, um mapa digital do terreno, embutido no “cérebro” do veículo, pode ser comparado a cada segundo com o relevo real, o que permite corrigir a trajetória de vôo. Esses algoritmos foram implementados, por exemplo, em mísseis de cruzeiro de longo alcance.
Em teoria, a inteligência artificial deveria se tornar um desenvolvimento adicional do controle adaptativo. Nesse caso, basta que a aeronave estabeleça uma tarefa geral: “Vá até a área A, tire N fotos e volte ao ponto B”. A própria aeronave determinará a rota ideal e a velocidade de voo (por exemplo, em termos de consumo mínimo de energia ou tempo de conclusão da tarefa). Ao se mover, os sensores rastrearão obstáculos perigosos, como rochas ou vórtices de ar, dando comandos para evitá-los. Isso provavelmente exigirá sensores ópticos, incluindo infravermelho, radar ou telêmetro a laser, ou ambos.
Como o senso comum sugere, o controle autônomo é a melhor opção do ponto de vista do desempenho de tarefas de alta qualidade sem a intervenção do operador. No entanto, tanto um poderoso computador de bordo quanto vários sensores precisam não apenas caber em um dispositivo pesando apenas alguns quilos, mas também funcionar em todos os modos com antecedência – e é exatamente para isso que os desenvolvedores não tiveram tempo. Obviamente, algum tipo de compromisso é necessário para dividir as tarefas de maneira ideal entre métodos remotos e autônomos. E para o Ingenuity foi encontrado, e os especialistas conseguiram se manter dentro do mínimo possível de dimensões e peso.
Selfie de helicóptero e rover tirada em 7 de abril de 2021. Imagem da NASA / JPL-Caltech
⇡#Caixa de sapato voadora
Os principais problemas de controle do helicóptero marciano – a impossibilidade de “dirigir um joystick” ou colocar uma variedade de equipamentos poderosos em um helicóptero compacto e leve – forçaram a encontrar uma solução menos direta. E os desenvolvedores descobriram ao escolher um princípio combinado: a tarefa de voo é transmitida da Terra (que recebe todos os dados acumulados após o voo, incluindo imagens das câmeras a bordo) para o rover, e já controlará o helicóptero.
Em condições terrestres, existem sistemas semelhantes para controlar pequenos veículos de reconhecimento de grandes: a parte principal (navegação) está na plataforma de base (neste caso, no rover), e a parte acrobática no helicóptero. Ou seja, este não sabe para onde está voando, mas entende perfeitamente como o faz (através dos parâmetros de alteração do ângulo de ataque das pás, modos de operação do motor, etc.). Não adianta tentar encaixar um sistema de navegação completo em uma aeronave marciana devido ao curto alcance prático e ao curto tempo de vôo do veículo. Portanto, tudo o que é transmitido do solo é processado pelo rover: ele constrói diagramas de operação do motor (ou seleciona um de algumas dezenas de modelos prontos) e envia um pacote de instruções ao helicóptero. A engenhosidade obtém todos os comandos da Perseverança.
O obstáculo (e não apenas em Marte, mas em geral em qualquer outro corpo celeste que não seja a Terra) é a incapacidade de determinar com segurança sua posição no solo para traçar um plano de vôo: não há torres de células ao redor (também como mapas detalhados prontos), satélites como GPS ou GLONASS não entram em órbita, a orientação solar / estelar não é totalmente compreendida e nem sempre está disponível. Ainda existem características desconhecidas do campo gravitacional, montanhas, aterros de pedra, vento, poeira e outras interferências. Resta voar na zona de um sinal de rádio estável da plataforma de base ou usar um sistema inercial que memoriza a posição de onde a aeronave foi lançada.
A aeronave voa dentro da linha de visão e sinal de rádio estável do rover. Imagem da NASA / JPL-Caltech
Para se manter dentro dos limites estabelecidos (e, como parece agora, a limitação não era tanto o peso do helicóptero, mas a falta de tempo para desenvolvimento e depuração), o helicóptero se comunica com o rover por meio de um canal de rádio usando protocolos de baixa potência (dados a uma distância de até 1000 m podem ser transmitidos a uma velocidade de 250 kbps), que, juntamente com as restrições acima, levaram ao fato de que dois robôs – um helicóptero e um rover – devem ser constantemente em relativa proximidade.
A troca de dados entre o helicóptero e a Terra tornou-se possível graças a dois repetidores – o rover Perseverance e o orbitador MRO. A posição relativa dos planetas e repetidores ditava os momentos de abertura e a duração das “janelas” pelas quais era possível se comunicar.
Para entender como o controle era realizado diretamente, vamos relembrar o dispositivo do helicóptero. A engenhosidade é um pouco grande para os padrões dos helicópteros de brinquedo vendidos nas lojas – seu peso é de 1,8 kg. O corpo com todo o “enchimento” tem a forma de um paralelepípedo com dimensões de 136 × 195 × 163 mm e está equipado com quatro “pernas” compostas de 384 mm de comprimento. A força de levantamento e os momentos aerodinâmicos para o controle da trajetória são fornecidos por um sistema de transporte de duas hélices coaxiais de duas pás com diâmetro de 1,21 m, girando uma em direção à outra. Os rolamentos e conjuntos da placa oscilante são protegidos da poeira marciana por vedações macias e tampas contra poeira. Os drives de controle em miniatura integrados com unidades eletrônicas incluem três micromotores de escova acionados por uma caixa de engrenagens de quatro estágios. Eles regulam o funcionamento do swashplate.
Apesar do tamanho em miniatura, os rotores coaxiais do helicóptero têm um conjunto completo de drives de controle, incluindo um swashplate. Uma fonte
A rotação do rotor a uma frequência de 2.400 rpm (ligeiramente mais rápida do que os helicópteros terrestres comparáveis em tamanho e peso) é fornecida por um motor elétrico sem escova de 46 pólos com uma potência de 350 watts. Antes do vôo, todos os motores são autoaquecidos.
Fonte de alimentação – seis células Sony de íon-lítio com capacidade de 35-40 Wh (capacidade nominal 2 Ah) pesando 273 g, recarregáveis a partir de um painel solar, que é montado fixamente acima da coluna de rotores. Como você pode ver, as baterias são capazes de fornecer um vôo completo (incluindo decolagem, movimento vertical e pouso vertical controlado) com duração de mais de 2,5 minutos.
O helicóptero foi projetado de acordo com as especificações da espaçonave, o que significa a capacidade de suportar sobrecarga e vibração durante o lançamento, vôo no espaço (contém elementos de rádio resistentes à radiação) e trabalhar no frio marciano. Ao mesmo tempo, os desenvolvedores estabeleceram a vida útil estimada de cinco voos do dispositivo por 30 dias marcianos, com base no desgaste esperado das peças mecânicas devido à poeira.
O cérebro do helicóptero é um computador de bordo, montado no processador Qualcomm Snapdragon 801 (chip ARM para tablets e smartphones de última geração de 2014-2015) e rodando no sistema operacional Linux. O processador é conectado a dois microcontroladores de controle de vôo.
O fraco campo magnético de Marte não permite o uso de uma bússola para navegação – ele é substituído por uma câmera de rastreamento solar integrada ao sistema de navegação visual inercial junto com giroscópios, um altímetro a laser Garmin LIDAR Lite v3, sensores de inclinação e proximidade. Além de controlar outras funções, o computador utiliza um algoritmo de navegação visual, avaliando a velocidade de movimento dos objetos em relevo a partir de imagens obtidas por uma câmera de navegação preto e branco (com resolução VGA). A carga útil principal do drone é uma câmera colorida de alta resolução.
Duas câmeras estão instaladas na “parte inferior” do helicóptero. No octógono preto há um de navegação preto e branco (um círculo entre as duas grandes lentes do altímetro laser e logo abaixo delas), ainda mais baixo – um colorido. O vidro transparente de borosilicato protege o altímetro e a câmera de navegação da poeira, e o vidro safira transparente protege o colorido. Foto NASA / JPL-Caltech
A julgar pelas histórias dos desenvolvedores, a base elementar do helicóptero contém muitas inovações: baterias recarregáveis e solares avançadas, sensores e eletrônicos. Devido aos tempos de desenvolvimento e teste extremamente curtos, os criadores do helicóptero inicialmente se concentraram em componentes disponíveis comercialmente no mundo dos smartphones (como processadores, câmeras, unidade de medição inercial, altitude e detectores de posição angular).
Os conhecedores entendem que um “smartphone” moderno é uma coisa muito complexa com pequenas reservas (e não estamos falando apenas de durabilidade, mas também de tolerância a falhas e uma gama de condições de uso). Pelo contrário, a “cosmonáutica real” opera com uma base de componentes resistentes à radiação e soluções de software especialmente desenvolvidas. Tudo isso é muito caro, tanto pela complexidade da tecnologia quanto pelos baixos volumes de produção. Ao contrário, a eletrônica comercial é um produto de massa no qual é fornecido alto desempenho, suficiente – para as condições terrestres – confiabilidade e baixo custo.
A arquitetura aerotransportada foi desenvolvida por Tim Canham, Gerente de Operações de Helicópteros da Mars no JPL, que agora se concentra no planejamento de voo e na coordenação com a equipe do Perseverance. “Alguns dos aviônicos da aeronave são muito robustos e resistentes à radiação, mas a maioria está disponível comercialmente. Por exemplo, o Snapdragon 801 é essencialmente um processador para telefones celulares, o que torna as taxas muito baixas. Mas, ironicamente, ele é construído com tecnologia relativamente moderna, e é por isso que seu desempenho é algumas ordens de magnitude maior do que o dos processadores instalados no rover. “
Membros da equipe Mars Helicopter e Mars 2020 no local de montagem da espaçonave no JPL, 30 de julho de 2019. Foto NASA / JPL-Caltech
Para que serve? Os contornos do sistema de orientação, que garantem um vôo estável na atmosfera rarefeita de Marte, operam a uma frequência de 500 Hz. Além disso, é necessário processar os dados da câmera de navegação. “Tiramos fotos, analisamos as características do relevo e as rastreamos quadro a quadro a uma frequência de 30 Hz”, explicou o engenheiro. – Isso requer algum poder de computação bastante sério. Nenhum processador que a NASA usa atualmente tem. Nossa filosofia era colocar esse equipamento comercial em teste e, se funcionar bem, continuaremos a usá-lo depois. ” (A propósito, o computador de bordo roda em uma das versões do Linux, roda em cubosats; esta é a primeira vez que este sistema operacional foi usado em Marte!)
Quão autônomo é o Mars Helicopter Scout? As missões são muito específicas e detalhadas com antecedência na Terra. Não se trata de inteligência artificial e nem mesmo da autonomia de que se costuma falar: o arquivo com o programa de vôo na forma de um conjunto de waypoints, compilado pelos especialistas do grupo de controle, é carregado no computador de bordo de o rover por meio de um repetidor orbital. “Quando queremos que o drone decole, enviamos um software para o rover assumir o controle e decolar, viajar para vários pontos de referência e pousar”, disse Canham. Ou seja, o próprio helicóptero não conduz nenhum diálogo interno e não fala sobre a missão que se aproxima. No entanto, durante o vôo, ele tenta autonomamente determinar se permanece dentro de uma determinada trajetória na presença de rajadas de vento ou outros distúrbios.
O helicóptero Mars Scout na posição dobrada (transporte). Foto NASA / JPL-Caltech
A escolha dos locais sobre os quais o Ingenuity voa não é acidental e – ai de mim! – provavelmente o menos dependente do valor científico das informações recebidas pelo helicóptero. O processo de seleção começou com a análise de imagens da área de pouso do rover tiradas de órbita pela estação de MRO. Assim, é possível, em uma primeira aproximação, determinar os potenciais locais de decolagem e pouso, aos quais o Perseverance pode se aproximar e fazer um levantamento mais detalhado do terreno. “Dependendo da rocha, inclinação e até mesmo quão plana ou irregular a superfície, escolheremos um local para o helicóptero”, disse Canham. “Existem algumas desvantagens aqui: o terreno mais seguro é uma superfície lisa como uma tábua sem pedras, mas esta é a pior opção em termos de ser capaz de rastrear mudanças na localização de objetos nele. Então precisamos de equilíbrio por exemplo, um monte de pequenas pedras que podem ser bem vigiadas. Mas o tamanho deles não deve dificultar o pouso. “
Então, a trajetória de vôo é calculada em relação aos elementos do terreno ao redor do rover. No mapa, criado a partir dos resultados do levantamento orbital, o operador do grupo de controle no solo conta a distância de movimento entre os pontos desejados. Para otimizar o tempo de preparação, apenas os objetos que estão diretamente na trajetória de vôo são selecionados nas imagens. O principal requisito para o ponto de aterrissagem é uma superfície relativamente plana com ângulos de inclinação muito pequenos, sem pedras e orifícios.
O processo de seleção de uma rota de voo com base em imagens de satélite e mapas de superfície. Imagem da NASA / JPL-Caltech
Por si só, o método de processamento da trajetória levando em consideração o mapa de altura não é muito caro: o sistema rover não determina as curvas de vôo, mas realiza um cálculo vetorial de cada ponto em relação à posição atual do veículo. Para completar a rota com sucesso, você precisa de uma margem de distância entre os pontos mais altos do mapa e as dimensões extremas da aeronave. Os especialistas acreditam que, como a tarefa de voar por cavernas e desfiladeiros, neste caso, não vale a pena, é automaticamente assumido que todo o espaço acima do dispositivo está livre.
Perserverance over the air alimenta o computador de bordo Ingenuity com um programa para a operação do motor de acionamento baseado no vôo na direção certa no momento certo, antes de mudar de direção. Como tal, o helicóptero não possui um plano de vôo e opera de acordo com o esquema de consumo de energia para valores críticos. Ou seja, ele tem a função de decolar, sobrevoando os pontos de controle da rota de qualquer forma, e os pontos são comparados com os elementos do relevo previamente indicados no mapa da área e do solo.
A carga principal em vôo recai sobre a unidade de medição inercial do helicóptero, que é assistida por uma câmera de navegação e um lidar. A câmera tira fotos das áreas da superfície sob o helicóptero e o computador de bordo compara várias dezenas de objetos quadro a quadro em um quadro para determinar a direção e a velocidade da aeronave. Um altímetro a laser é usado para determinar a distância até a superfície e para alertar sobre uma abordagem perigosa de objetos sobre ela (e, possivelmente, com nuvens de poeira, embora calmo, o tempo sem vento é geralmente selecionado para voos), e o sensor de posição angular detecta a inclinação do veículo durante a decolagem e durante o movimento.
O piloto-chefe Howard Grip documenta os detalhes de cada missão em um diário de bordo. Esta ilustração mostra as páginas do diário do nono e décimo voos. Foto NASA / JPL-Caltech
Acontece que os especialistas têm um mapa de elevação em grande escala do terreno em que o rover e o helicóptero estão localizados, mas não há esquemas de movimentação entre objetos convencionalmente pequenos. Segundo especialistas, a navegação quadro a quadro é apenas uma das formas possíveis de solucionar o problema. Funciona apenas em baixas velocidades, mas permite que você faça uma estimativa aproximada da localização, sem memorizar os objetos ao redor ou criar um mapa ultra-detalhado da área com indicação de alturas.
O software do helicóptero monitora constantemente a integridade de todos os sensores; se em vôo qualquer um dos sensores começa a falhar, o helicóptero, como um computador congelado, “assume o último estado estável” e apenas tenta pousar. Em seguida, ele informa o rover sobre o que aconteceu e aguarda novas instruções. Ele não tentará continuar voando se pelo menos um sensor falhar: para a conclusão bem-sucedida da missão, todas as leituras são necessárias, já que para análise elas se fundem em um único array de dados.
Segundo o engenheiro, a arquitetura de controle implementada está longe da “autonomia avançada”: o helicóptero ainda não pode ser comandado “Voe e tire uma foto daquela rocha ali”, ele precisa anotar detalhadamente todo o cenário de vôo. No entanto, se considerarmos que a principal tarefa do projeto Mars Helicopter Scout é provar a própria possibilidade de um vôo aerodinâmico controlado estável na atmosfera de Marte, esta é a abordagem correta. Isso mesmo: de acordo com especialistas externos, a Ingenuity não apresenta nenhuma inovação especial nos princípios de operação dos sistemas de controle. A principal inovação é o próprio voo na atmosfera extremamente rarefeita de outro planeta e a alteração de quase todos os elementos do rotor para funcionarem em condições fundamentalmente diferentes das “terrestres”.
O sucesso da missão Ingenuity permitirá a transição para aeronaves mais avançadas. O JPL já está trabalhando em futuras missões a Marte usando helicópteros maiores e mais pesados com muito mais autonomia.
Uma das variantes de um helicóptero marciano de seis parafusos com um peso de decolagem de cerca de 5 kg. Uma fonte
Fontes:
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