Вопросы и ответы: как марсоход Perseverance установил рекорд по пройденному расстоянию на Марсе

Как менялось автономное вождение

Прежний рекорд принадлежал Opportunity. Марсоход прибыл на Марс в январе 2004 года для трёхмесячной миссии, но проработал там 15 лет — до февраля 2019-го. Видеоролик NASA сжимает всю его миссию до четырёх минут и показывает, какой путь аппарат прошёл, занимаясь научными исследованиями. Всего Opportunity проехал 45,16 километра. Его остановила планетарная пылевая буря — в Долине Perseverance.

18 февраля 2021 года на Марс прибыл Perseverance. Под корпусом он перевозил вертолёт Ingenuity и присоединился к Curiosity. Оба марсохода используют радиоизотопный термоэлектрический генератор вместо солнечных панелей Opportunity. Curiosity работает на Марсе с 2012 года.

Несмотря на преимущество Curiosity почти в десять лет, рекорд Opportunity первым побил Perseverance. Одной из причин стали усиленные колёса, но больше всего помогла изначальная ориентация аппарата на автономное вождение.

Чтобы выяснить, как специалисты Лаборатории реактивного движения NASA научили марсоход самостоятельно ехать по Марсу, находясь в 225 миллионах километров от Земли, IEEE Spectrum поговорил с Марком Маймоне.

Источник: spectrum.ieee.org

Анимация показывает путь Perseverance длиной 807 футов — 246 метров — вдоль края кратера Езеро 10 декабря 2025 года, на 1709-й марсианский день миссии. Запись охватывает два часа и 35 минут. Для реконструкции использовали 53 пары снимков навигационной камеры, данные об ориентации марсохода, скорости колёс и угле поворота, а также показания инерциального измерительного блока. Материалы поместили в трёхмерную виртуальную среду и добавили промежуточные кадры примерно через каждые четыре дюйма — 0,1 метра пути. JPL-Caltech/NASA

До Perseverance марсоходы уже умели ездить самостоятельно?

Марк Маймоне: Да. У Sojourner в 1997 году была ранняя система автономного поведения. Для оценки местности он проецировал на поверхность четыре лазерные полосы и измерял высоту в 20 точках перед собой. Марсоход мог объезжать крупные препятствия и даже протискиваться между двумя объектами. Это была настоящая система автономного управления, особенно впечатляющая с учётом того, что частота его процессора была ниже одного мегагерца.

Я разработал систему автономного вождения для Spirit и Opportunity. При каждой поездке они создавали карту рельефа по стереопарам размером 256 × 256 пикселей и искали безопасный маршрут. Spirit в итоге проезжал самостоятельно 23% пути. Меня это удивило: в автономном режиме он двигался заметно медленнее. Но благодаря автономному управлению Spirit преодолевал расстояние на 50% быстрее, чем смог бы без него. Opportunity и Curiosity использовали автономное вождение лишь примерно в 5% случаев. Perseverance — первый марсоход, который едет самостоятельно 90% времени. В его усовершенствованной системе есть второй процессор с программируемой пользователем вентильной матрицей, ускоряющий обработку изображений.

Что вы почувствовали, когда впервые позволили Perseverance ехать самостоятельно?

Маймоне: Perseverance стал результатом десятилетий работы над автономным управлением марсоходами. Было невероятно увидеть, как он использует AutoNav и движется почти на полной скорости — до 120 метров в час.

Источник: spectrum.ieee.org

На этих двух снимках с камер обхода препятствий и навигационных камер показаны первые поездки Perseverance с AutoNav. Слева марсоход самостоятельно остановился перед грудами камней, а справа во время второй поездки успешно объехал камень. JPL-Caltech/NASA

Маймоне: Научная команда задаёт цель, а группа стратегического планирования маршрута со стороны инженеров прокладывает путь к ней. Для этого специалисты по картам низкого разрешения, полученным с орбиты, оценивают, какой окажется местность. Затем каждый день группа тактических операций объединяет общий маршрут с научными задачами и выбирает путь на текущий день.

Мы хотим, чтобы люди продолжали планировать дальние маршруты: так аппарат не тратит время зря. Например, мы выяснили, что на песчаных участках с пересекающимися волнами или гребнями — не просто с рябью, вытянутой в одном направлении, а с бороздами в разных направлениях — марсоход часто начинает проваливаться. Поэтому мы указываем ему объезжать такие места. Автономная система на борту оценивает форму поверхности, но не определяет тип грунта, поэтому ей помогают отметки, которые специалисты добавляют для конкретных участков.

Мы уже несколько лет сопоставляем снимки с орбиты с изображениями, сделанными марсоходом, и изучаем, как разные типы местности влияют на движение. Нынешние орбитальные аппараты иногда получают снимки Марса с разрешением 25 сантиметров. Этого всё ещё недостаточно, чтобы заметить все препятствия: крупный камень может занимать всего один-два пикселя, и его трудно увидеть. Поэтому марсоходу нужна автономная система. Но чем больше подсказок о местности мы можем дать на высоком уровне, тем быстрее он достигнет цели и тем меньше будет задержек.

Источник: spectrum.ieee.org

На снимке с орбиты показан сложный участок Марса, который Perseverance не смог пройти самостоятельно. Синяя линия — маршрут, намеченный людьми, белая — фактический путь марсохода. Во вставке — кадр с камеры обхода препятствий: видны каменистая, песчаная и наклонная поверхность. Исходные изображения: Оливье Тупе, Масахиро Оно и другие; JPL-Caltech/Университет Аризоны/NASA

Что происходит, когда автономная система Perseverance не справляется?

Маймоне: На сложном участке мы около двух месяцев вообще не использовали автономное управление: настраивали систему и писали новое программное обеспечение для незнакомой местности. Одни изменения удалось внести быстро, на другие ушли месяцы изучения. Например, один из параметров задаёт максимальный уклон, на который марсоходу разрешено забираться: на крутом склоне аппарат может соскользнуть вбок.

Мы высадились на ровной поверхности кратера Езеро, поэтому первые три года большую часть маршрутов проходили по склонам с уклоном менее 14 градусов. Когда мы решили выбраться из кратера, стали встречать местность с более крутыми склонами и большим количеством камней. Полученный опыт позволил перенастроить параметры, чтобы марсоход мог преодолевать и такие участки — с уклоном до 24 градусов.

Марсоходы и ИИ

В конце прошлого года вы попросили Claude от Anthropic спланировать для Perseverance поездку на 400 метров. Как это прошло?

Маймоне: Мы попросили ИИ изучить снимки с орбиты и выбрать маршрут. Он стал отправной точкой для планирования поездки на день. Обычно такой маршрут предлагает команда планировщиков, но на этот раз его подготовил ИИ. Люди по-прежнему участвовали в работе: команда проверила результат и внесла несколько изменений. ИИ предложил надёжный исходный вариант, с которого можно было быстро начать: проверить готовый маршрут проще, чем прокладывать его с нуля.

Perseverance сделал это селфи 23 июля 2024 года. Оно составлено из 62 снимков, снятых камерой WATSON — широкоугольным топографическим датчиком для операций и инженерных задач, установленным на конце роботизированной руки. JPL-Caltech/MSSS/NASA

Как вы думаете, люди останутся необходимы для управления марсоходами или аппараты следующего поколения смогут неделями работать без помощи с Земли?

Маймоне: Одно из препятствий для автономных поездок на большие расстояния — накапливающаяся во время движения неопределённость в положении марсохода. Чем она выше, тем дальше аппарат должен держаться от участков, которые специалисты определили как потенциально опасные. Такие области называют запретными зонами. Иногда неопределённость становится настолько большой, что безопасный маршрут уже невозможно построить: вместе с ней растут и запретные зоны.

Для Perseverance мы добавили новую возможность — Mars Global Localization. Эта технология позволяет уменьшить неопределённость. Теоретически марсоход сможет безопасно ехать столько, сколько хватит ресурсов, сверяясь с картами и запретными зонами.

Но для работы миссии в течение нескольких недель мало просто преодолевать большие расстояния: нужно ещё и самостоятельно проводить научные операции. Мы также изучаем, как автоматизировать их: обрабатывать изображения прямо на борту, чтобы лучше понимать, что находится вокруг, и выбирать, на что направить приборы. Думаю, мы приближаемся к возможности поддерживать длительную автономную работу. Развитие шло постепенно, но сейчас у нас есть необходимые возможности и понимание того, что нужно для надёжной работы.

Вы участвовали в работе над всеми этими марсоходами, в том числе над одним, который застрял. Доверяете ли вы Perseverance самостоятельное управление?

Маймоне: Да. Мы создали программное обеспечение, проверили его, провели миллионы симуляций и много раз испытывали систему в полевых условиях — в разных средах. Пока она ни разу не подвела. Мы рассчитываем поставить ещё более крупные рекорды.