Будущие исследования Луны потребуют от роботизированных аппаратов гораздо большей самостоятельности, чем во времена первых лунных миссий. NASA готовит эксперимент, в котором сразу три небольших ровера должны будут работать как единая группа и самостоятельно решать, кто из них куда поедет, какие участки поверхности исследовать и как изменить план при возникновении проблем.
Эксперимент получил название CADRE — Cooperative Autonomous Distributed Robotic Exploration. В рамках миссии три аппарата должны быть доставлены на обращённую к Земле сторону Луны и развернуты там, и примерно две недели совместно исследовать выбранный участок поверхности. Главная особенность проекта заключается в том, что операторы на Земле не будут управлять каждым движением роверов вручную. Аппараты должны самостоятельно распределять задачи и координировать свои действия.
Это принципиально отличается от традиционной схемы управления планетными аппаратами. Обычно наземная команда определяет последовательность операций, передаёт команды космическому аппарату, получает результаты и затем составляет следующий набор инструкций. CADRE должен проверить другую модель: несколько роботов смогут самостоятельно принимать решения на поверхности другого небесного тела, действуя как распределённая система.
Три ровера вместо одного
Многие автоматические миссии к Луне, Марсу и другим небесным телам используют один основной исследовательский аппарат. Такая схема имеет очевидное преимущество: все вычислительные ресурсы, научные приборы и средства передвижения сосредоточены на одной платформе.
Но у одного ровера есть серьёзное ограничение. Если аппарат столкнётся с препятствием, потеряет связь, выйдет из строя или окажется в месте, откуда невозможно продолжить движение, вся миссия может существенно потерять научную ценность.
Группа небольших роверов позволяет распределить риски.
В случае CADRE каждый аппарат является частью общей системы. Роверы смогут обмениваться информацией, согласовывать действия и менять первоначальный план в зависимости от ситуации.
Именно способность работать совместно является главным объектом испытаний.
Роверам не дадут обычных пошаговых команд
Главное отличие CADRE заключается не столько в конструкции самих машин, сколько в принципе их управления.
NASA намерена передать группе общее задание — исследовать определённый участок лунной поверхности. После этого роверы должны самостоятельно определить, как выполнить поставленную задачу.
Один аппарат сможет отправиться к одному участку, другой — исследовать другой район, третий — выполнять отдельные измерения или собирать данные для всей группы.
При этом распределение ролей не будет раз и навсегда задано с Земли.
Роверы должны самостоятельно определять, кто возьмёт на себя роль лидера, какие задачи кому достанутся и как изменить план при изменении условий.
Лидер группы может меняться
Одна из особенностей CADRE заключается в распределённом принятии решений.
Роверы смогут выбирать лидера внутри своей группы. Это означает, что для выполнения конкретной задачи не требуется постоянно поддерживать единственный центральный аппарат, который руководит всеми остальными.
Такая архитектура особенно полезна для будущих экспедиций, где роботы могут находиться далеко друг от друга.
Если один аппарат выйдет из строя, остальные потенциально смогут продолжить работу.
Если один из роверов окажется в менее выгодном положении или столкнётся с техническим ограничением, система должна учитывать это при планировании дальнейших действий.
Что произойдёт, если у одного ровера закончится заряд
Лунные аппараты работают в условиях, сильно отличающихся от земных.
Энергия является одним из важнейших ограничений любой автономной миссии. Ровер должен не только перемещаться и проводить научные операции, но и сохранять достаточный запас энергии для связи, вычислений и других систем.
В CADRE предусмотрена ситуация, когда один из аппаратов начнёт испытывать проблемы с зарядом.
Группа должна будет учитывать это при перераспределении задач и изменять общий план.
Таким образом, эксперимент проверит не просто способность роботов выполнять заранее запрограммированный маршрут, а их способность принимать решения при изменении условий.
Почему самостоятельность особенно важна на Луне
Луна находится достаточно близко к Земле, чтобы связь с ней была относительно удобной по космическим меркам. Однако даже при такой близости управление ровером не может быть полностью аналогично дистанционному управлению земной машиной.
Команды необходимо подготовить, передать, дождаться выполнения и получить данные обратно.
Если каждый манёвр нескольких аппаратов будет требовать участия человека, скорость исследования поверхности будет ограничена работой наземной команды.
Автономность позволяет перенести часть принятия решений непосредственно на поверхность Луны.
Роботы смогут реагировать на окружающую обстановку без необходимости ждать отдельной команды на каждый шаг.
Лунная поверхность сложнее, чем кажется
На фотографиях поверхность Луны может выглядеть относительно гладкой, однако для небольшого ровера поверхность представляет собой сложную систему препятствий.
Камни, кратеры, склоны, участки рыхлого реголита и перепады высот могут сделать заранее рассчитанный маршрут непригодным.
Кроме того, небольшие аппараты обладают ограниченными возможностями передвижения.
Поэтому автономная система должна учитывать реальную геометрию поверхности и корректировать маршрут непосредственно во время работы.
Это особенно важно для будущих миссий, которые будут исследовать районы, где поверхность ещё недостаточно хорошо изучена.
Две недели автономной работы
По плану CADRE три ровера должны провести на поверхности Луны примерно две недели, самостоятельно выполняя совместную исследовательскую программу.
За это время они должны будут картографировать выбранный участок и продемонстрировать возможность совместной работы.
Продолжительность относительно небольшая, но задача эксперимента состоит не в том, чтобы установить рекорд продолжительности лунной экспедиции.
Главная цель — проверить технологию коллективной автономной работы.
Если три небольших робота смогут эффективно координироваться на Луне, такой принцип можно будет использовать в значительно более сложных будущих экспедициях.
Почему несколько роботов могут быть лучше одного
Группа роботов обладает несколькими потенциальными преимуществами.
Первое — параллельная работа. Несколько аппаратов могут одновременно исследовать разные участки.
Второе — взаимное резервирование. Потеря одного аппарата не обязательно означает прекращение всей миссии.
Третье — возможность получать данные с разных точек одновременно. Это особенно полезно при создании карт поверхности и изучении геологических особенностей.
Четвёртое — распределение задач. Один робот может заниматься картографированием, другой — наблюдением определённого объекта, третий — исследованием другой части района.
При этом система должна самостоятельно определять, как распределить доступные ресурсы.
Коллективная робототехника вместо одного сложного аппарата
CADRE представляет более общий подход к планетным исследованиям.
Вместо создания одного чрезвычайно сложного и дорогого робота можно использовать несколько сравнительно небольших аппаратов, каждый из которых имеет ограниченные возможности.
Сложность переносится с механической конструкции на программное обеспечение.
Главным становится вопрос о том, насколько хорошо аппараты могут взаимодействовать друг с другом.
Такая схема напоминает распределённую вычислительную систему: отдельные элементы обладают собственными ресурсами, но результат достигается за счёт их координации.
Чем это отличается от управления марсоходами
Марсоходы NASA, такие как Curiosity и Perseverance, обладают значительной автономностью. Они способны выполнять определённые операции без постоянного пошагового управления с Земли.
Однако CADRE добавляет ещё один уровень сложности.
Здесь автономным должен быть не один робот, а целая группа.
Каждый аппарат должен одновременно понимать собственную задачу и учитывать действия остальных.
Это уже задача многоагентной робототехники.
Почему эксперимент важен для будущих полётов
Луна рассматривается NASA как важный этап дальнейшего освоения космоса.
Следующие экспедиции будут значительно сложнее кратковременных посещений времён программы Apollo.
Планируется исследовать большие территории, работать вблизи южного полюса Луны, изучать залежи водяного льда и создавать инфраструктуру, которая сможет поддерживать дальнейшие миссии.
При таких условиях постоянное ручное управление каждым роботом станет всё менее эффективным.
Поэтому автономные системы могут оказаться одним из ключевых элементов будущих лунных экспедиций.
Особенно важен южный полюс Луны
Одна из причин интереса к автономным роботам связана с будущими исследованиями южного полюса Луны.
В полярных областях находятся кратеры, внутренние части которых могут практически не получать солнечного света на протяжении чрезвычайно длительного времени.
В таких постоянно затенённых областях обнаружены залежи водяного льда.
Именно наличие воды делает южный полюс одним из наиболее интересных районов для будущих исследований.
Но такие территории одновременно являются сложными для работы.
Вода на Луне может стать ресурсом
Лунный лёд представляет интерес не только как научный объект.
Если его удастся добывать и перерабатывать, воду можно будет использовать для различных нужд будущих экспедиций.
Из воды можно получать кислород, необходимый для дыхания, а водород и кислород могут использоваться как компоненты ракетного топлива.
Это означает, что наличие местных ресурсов потенциально позволит уменьшить количество материалов, которые необходимо доставлять с Земли.
Однако технологическая возможность промышленной добычи и переработки лунного льда пока ещё должна быть доказана.
Почему сначала нужны роботы
Исследование таких районов роботами позволяет получить информацию до прибытия людей.
Робот может обследовать поверхность, создать подробную карту, определить свойства грунта и помочь выбрать безопасные маршруты.
Несколько автономных аппаратов способны делать это параллельно.
Именно здесь технология CADRE может получить практическое значение.
Будущая группа роботов может прибыть в новый район раньше людей, самостоятельно провести первичное обследование и подготовить данные для последующей экспедиции.
Автономность снижает зависимость от операторов
В традиционной космической миссии значительная часть работы выполняется специалистами на Земле.
Операторы анализируют полученные изображения, выбирают маршрут, проверяют состояние аппарата и формируют новые команды.
Такой подход хорошо работает, когда речь идёт об одном аппарате и относительно ограниченной территории.
Но если одновременно работают десятки или сотни роботов, объём информации и количество возможных команд резко возрастают.
Автономные алгоритмы могут взять на себя часть рутинных решений.
Человек в таком случае задаёт более высокий уровень целей и ограничений, а роботизированная система самостоятельно решает, каким способом достичь результата.
Это не означает, что человек полностью исключается
Автономность CADRE не означает, что NASA передаст роботам полный контроль над миссией.
Операторы на Земле по-прежнему будут получать данные и контролировать общую работу системы.
Разница заключается в уровне управления.
Человек определяет научную задачу и общие параметры работы, а роботы самостоятельно выбирают конкретные действия внутри заданных ограничений.
Это важный принцип будущих автономных космических систем.
Почему такая технология пригодится не только на Луне
Принцип коллективной автономии особенно полезен для дальних экспедиций.
Чем дальше аппарат находится от Земли, тем менее эффективно непосредственное управление.
На Марсе задержка радиосигнала между планетами может составлять несколько минут в одну сторону, а не доли секунды, как в обычной земной связи.
Поэтому марсоход будущего должен уметь самостоятельно реагировать на препятствия и выбирать безопасный маршрут.
Если таких аппаратов будет несколько, им потребуется ещё и координация между собой.
CADRE позволяет проверить соответствующие технологии значительно ближе к Земле.
Для Марса такая система будет ещё важнее
Марсианские экспедиции могут охватывать гораздо большие территории, чем современные лунные миссии.
Один робот физически не сможет исследовать всё интересующее учёных пространство.
Группа специализированных аппаратов сможет работать одновременно.
Например, один робот может заниматься геологическими измерениями, другой — поиском потенциально интересных образцов, третий — созданием карты местности.
Вместо того чтобы постоянно ждать команд с Земли, роботы смогут самостоятельно согласовывать действия.
Автономные группы могут исследовать большие территории
Для научной экспедиции важен не только объём полученных данных, но и площадь исследованной территории.
Один аппарат ограничен запасом энергии, скоростью передвижения и продолжительностью миссии.
Несколько аппаратов могут распределить территорию между собой.
Если алгоритмы правильно определяют границы зон ответственности, роботы не будут бессмысленно повторять работу друг друга.
Именно такую координацию и должна продемонстрировать CADRE.
Самая сложная задача — не движение, а принятие решений
Переместить небольшой робот по поверхности Луны — относительно понятная техническая задача.
Гораздо сложнее определить, какое действие сейчас наиболее полезно для всей группы.
Например, один аппарат может обнаружить интересный объект, но для его исследования потребуется изменить маршрут всей команды.
В другой ситуации одному роверу может понадобиться вернуться к месту подзарядки.
Группа должна учитывать последствия такого решения для остальных аппаратов.
Это уже задача коллективного планирования.
Что будет, если роботы ошибутся
Любая автономная система может принимать неправильные решения.
Поэтому для космической робототехники недостаточно просто сделать алгоритм «умным».
Необходимо обеспечить предсказуемость его поведения и установить ограничения, за которые система не должна выходить.
Робот не может произвольно выбирать опасный маршрут только потому, что тот кажется ему наиболее коротким.
В автономном режиме аппарат должен постоянно учитывать технические ограничения, состояние батареи, возможность связи, особенности рельефа и задачи всей группы.
Надёжность важнее абсолютной автономности
В космической робототехнике автономность имеет смысл только тогда, когда она повышает надёжность.
Система, которая принимает много самостоятельных решений, но часто ошибается, может оказаться менее полезной, чем более простой робот с жёстко заданным маршрутом.
Поэтому CADRE — это не демонстрация «искусственного интеллекта» ради самого искусственного интеллекта.
Главный вопрос состоит в том, сможет ли распределённая группа роботов безопасно и эффективно выполнять научную задачу в реальной космической среде.
Луна становится полигоном для новых технологий
Лунные миссии в ближайшие годы будут испытывать большое количество технологий, необходимых для более продолжительных экспедиций.
К ним относятся новые посадочные системы, средства связи, энергетические установки, транспортные средства, методы использования местных ресурсов и роботизированные системы.
CADRE относится к последней категории.
Эксперимент позволит проверить, насколько хорошо несколько аппаратов смогут самостоятельно работать в условиях другого небесного тела.
От Apollo к постоянным исследованиям
Во времена программы Apollo основной задачей было доставить людей на Луну, обеспечить их безопасность и вернуть на Землю.
Современная стратегия существенно отличается.
Теперь речь идёт не только о повторном посещении Луны, но и о создании технологий для регулярных исследований и более продолжительного присутствия.
Для этого необходимо заранее изучать поверхность, находить ресурсы, строить карты и проверять оборудование.
Роботы могут выполнять значительную часть подготовительной работы.
CADRE как шаг к роботизированной инфраструктуре
Если эксперимент окажется успешным, следующий шаг может заключаться в увеличении числа автономных аппаратов.
Вместо трёх роботов будущая экспедиция сможет использовать значительно большее количество машин.
Они смогут работать на большой территории и обмениваться информацией.
Часть аппаратов может заниматься картографированием, часть — транспортировкой грузов, часть — научными исследованиями, а другие — контролем состояния инфраструктуры.
При этом человеку не потребуется вручную управлять каждым из них.
Возможная роль автономных роботов при создании лунной базы
Перед строительством постоянной базы необходимо подробно изучить район.
Нужно определить особенности грунта, рельеф, освещённость, наличие ресурсов и потенциально опасные участки.
Автономные роботы могут провести такую разведку заранее.
Они способны работать там, где человеку пока находиться сложно или опасно.
Кроме того, роботизированные аппараты могут доставлять оборудование и подготавливать площадки ещё до прибытия астронавтов.
Лунный юг требует особенно тщательного исследования
Южный полюс Луны интересен не только наличием льда.
Там необычные условия освещения и большие перепады между освещёнными и постоянно затенёнными участками.
Для будущих миссий важно понимать, где именно можно безопасно передвигаться и какие районы доступны для техники.
Автономные роверы способны строить карты непосредственно во время движения и корректировать маршрут по мере получения новой информации.
Почему три ровера лучше подходят для эксперимента, чем один
Если бы NASA просто отправила автономный ровер, можно было бы проверить его способность самостоятельно ориентироваться и планировать маршрут.
Но CADRE ставит более сложную задачу.
Три аппарата должны одновременно:
- ориентироваться на местности;
- обмениваться данными;
- распределять задачи;
- учитывать состояние друг друга;
- совместно планировать маршрут;
- реагировать на изменения;
- продолжать работу при возникновении проблем у одного из участников.
Именно взаимодействие между аппаратами делает эксперимент особенно важным.
Главным результатом будут не фотографии Луны
Для обычной планетной миссии главным результатом могут быть фотографии, геологические измерения или другие научные данные.
Для CADRE важен ещё один результат — проверка архитектуры управления.
NASA должна выяснить, действительно ли группа автономных роботов способна самостоятельно организовать исследование поверхности.
Если технология работает, её можно будет применять в последующих миссиях.
Если обнаружатся проблемы, результаты эксперимента позволят определить, какие алгоритмы и аппаратные системы необходимо изменить.
Когда состоится эксперимент
Миссию CADRE планируется отправить на Луну в составе посадочной миссии IM-3 компании Intuitive Machines. Запуск планируется на конец 2026 года. Роверы должны работать на обращённой к Земле стороне Луны примерно две недели.
Таким образом, эксперимент относится к ближайшим этапам развития лунной робототехники, а не к отдалённой концепции.
Что CADRE может изменить в исследовании Луны
Современная космонавтика постепенно переходит от одиночных аппаратов к распределённым системам.
Научная ценность такой архитектуры заключается в том, что несколько относительно небольших роботов могут исследовать разные участки одновременно, обмениваться данными и реагировать на изменения обстановки.
CADRE должен показать, насколько эффективно это можно реализовать непосредственно на поверхности Луны.
Если три ровера смогут самостоятельно координировать работу, перераспределять задачи и менять план в зависимости от ситуации, это станет важным технологическим шагом для будущих лунных и планетных экспедиций.
В более отдалённой перспективе подобный подход может использоваться при исследовании лунного южного полюса, где особенно важны подробная разведка местности и поиск водяного льда. Наличие доступной воды потенциально имеет значение и для научных исследований, и для будущего использования местных ресурсов, поскольку из неё можно получать кислород и компоненты ракетного топлива.
Главная идея CADRE заключается не в создании роботов, которые полностью заменят человека. Речь идёт о другом принципе: человек формулирует задачу, а группа машин самостоятельно определяет, как эффективнее её выполнить. Для будущих экспедиций к Луне и Марсу такая способность может оказаться не менее важной, чем увеличение дальности хода или совершенствование научных приборов.
Источники:
Статья создана по материалам Phys.Org
