Attraverso programmi avanzati di testbed di autonomia, la NASA sta gettando le basi per una delle sue massime priorità: la ricerca di segni di vita e corpi potenzialmente abitabili nel nostro sistema solare e oltre. Le destinazioni principali per tale esplorazione sono corpi contenenti acqua liquida, come la luna di Giove Europa e la luna di Saturno Encelado. Le missioni iniziali sulle superfici di questi “mondi oceanici” saranno robotiche e richiederanno un alto grado di autonomia a bordo a causa dei lunghi ritardi e blackout nelle comunicazioni con la Terra, degli ambienti di superficie difficili e della durata limitata della batteria:
Le tecnologie che possono abilitare l’autonomia dei veicoli spaziali rientrano generalmente nell’ambito dell’intelligenza artificiale (IA) e si sono evolute rapidamente negli ultimi anni. Molte di queste tecnologie, tra cui l’apprendimento automatico, il ragionamento causale e l’IA generativa, vengono sviluppate presso istituzioni non NASA. La NASA ha avviato un programma nel 2018 per sfruttare questi progressi per abilitare future missioni sui mondi ghiacciati. Ha sponsorizzato lo sviluppo dell’Ocean Worlds Lander Autonomy Testbed (OWLAT) fisico presso il Jet Propulsion Laboratory della NASA nella California meridionale e dell’Ocean Worlds Autonomy Testbed for Exploration, Research, and Simulation (OceanWATERS) virtuale presso l’Ames Research Center della NASA nella Silicon Valley, California.
La NASA ha sollecitato candidature per il suo programma Autonomous Robotics Research for Ocean Worlds (ARROW) nel 2020 e per il programma Concepts for Ocean worlds Life Detection Technology (COLDTech) nel 2021. Sei team di ricerca, con sede presso università e aziende in tutti gli Stati Uniti, sono stati scelti per sviluppare e dimostrare soluzioni di autonomia su OWLAT e OceanWATERS. Questi progetti di due o tre anni sono ora completi e hanno affrontato un’ampia varietà di sfide di autonomia affrontate dalle potenziali missioni di superficie oceaniche.
GUFO
OWLAT è progettato per simulare un lander spaziale con un braccio robotico per operazioni scientifiche su un corpo oceanico. L’architettura complessiva di OWLAT, inclusi i componenti hardware e software, è mostrata nella Figura 1. Ciascuno dei componenti di OWLAT è dettagliato di seguito.
La versione hardware di OWLAT (mostrata nella Figura 2) è progettata per simulare fisicamente i movimenti di un lander mentre le operazioni vengono eseguite in un ambiente a bassa gravità utilizzando una piattaforma Stewart a sei gradi di libertà (DOF). Un braccio robotico a sette DOF è montato sul lander per eseguire il campionamento e altre operazioni scientifiche che interagiscono con l’ambiente. Una telecamera montata su un’unità pan-and-tilt è utilizzata per la percezione. Il banco di prova ha anche una serie di sensori di forza/coppia di bordo per misurare le forze di movimento e reazione mentre il lander interagisce con l’ambiente. Gli algoritmi di controllo implementati sul banco di prova gli consentono di mostrare un comportamento dinamico come se fosse un braccio leggero su un lander che opera in diversi ambienti gravitazionali.
Il team ha anche sviluppato un set di strumenti e utensili (mostrati nella Figura 3) per consentire l’esecuzione di operazioni scientifiche utilizzando il banco di prova. Questi vari utensili possono essere montati all’estremità del braccio robotico tramite un meccanismo di collegamento-disconnessione rapida. L’area di lavoro del banco di prova in cui vengono condotti il campionamento e altre operazioni scientifiche incorpora un ambiente progettato per rappresentare la scena e il materiale simulante di superficie potenzialmente trovato sui mondi oceanici.
La versione solo software di OWLAT modella, visualizza e fornisce telemetria da un simulatore dinamico ad alta fedeltà basato sul motore fisico Dynamics And Real-Time Simulation (DARTS) sviluppato presso JPL. Replica il comportamento del banco di prova fisico in risposta ai comandi e fornisce telemetria al software di autonomia. Una visualizzazione dal simulatore è mostrata nella Figura 4.
Il modulo software di autonomia mostrato in alto nella Figura 1 interagisce con il testbed tramite un’interfaccia basata su Robot Operating System (ROS) per emettere comandi e ricevere telemetria. Questa interfaccia è definita identica all’interfaccia OceanWATERS. I comandi ricevuti dal modulo di autonomia vengono elaborati tramite il modulo dispatcher/scheduler/controller (riquadro blu nella Figura 1) e utilizzati per comandare la versione hardware fisica del testbed o la simulazione dinamica (versione software) del testbed. Le informazioni dei sensori dal funzionamento del testbed solo software o fisico vengono segnalate al modulo di autonomia tramite un’interfaccia di telemetria definita. Un modulo software di monitoraggio e valutazione della sicurezza e delle prestazioni (riquadro rosso nella Figura 1) garantisce che il testbed venga mantenuto entro i suoi limiti operativi. Tutti i comandi che causano comportamenti fuori dai limiti e anomalie vengono segnalati come guasti al modulo software di autonomia.
ACQUE DELL’oceano
Al momento dell’inizio del progetto OceanWATERS, la luna di Giove Europa era la prima scelta della scienza planetaria per la ricerca della vita. Basato su ROS, OceanWATERS è uno strumento software che fornisce una simulazione visiva e fisica di un lander robotico sulla superficie di Europa (vedere Figura 6). OceanWATERS simula in modo realistico la sfera celeste e la luce solare di Europa, sia diretta che indiretta. Poiché non abbiamo ancora informazioni dettagliate sulla superficie di Europa, gli utenti possono scegliere tra modelli di terreno con una varietà di proprietà di superficie e materiali. Uno di questi modelli è una replica digitale di una porzione del deserto di Atacama in Cile, un’area considerata un potenziale analogo della Terra per alcune superfici extraterrestri. Lo studio del 2016 del JPL sull’Europa Lander , un documento guida per lo sviluppo di OceanWATERS, descrive un lander planetario il cui scopo è raccogliere campioni di regolite/ghiaccio dal sottosuolo, analizzarli con gli strumenti scientifici di bordo e trasmettere i risultati dell’analisi alla Terra.
Il lander simulato in OceanWATERS ha un albero antenna che si muove e si inclina; vi sono attaccate telecamere stereo e riflettori. Ha un braccio a 6 gradi di libertà con due effettori terminali intercambiabili: una smerigliatrice progettata per scavare trincee e una paletta per raccogliere materiale dal terreno. Il lander è alimentato da un pacco batteria non ricaricabile simulato. Il consumo energetico, lo stato della batteria e la sua durata residua vengono regolarmente previsti con lo strumento Generic Software Architecture for Prognostics (GSAP). Per simulare sottosistemi degradati o rotti, l’utente può “iniettare” nella simulazione una serie di guasti (ad esempio, un giunto del braccio congelato o una batteria surriscaldata); alcuni guasti possono anche verificarsi “naturalmente” man mano che la simulazione procede, ad esempio, se i componenti diventano eccessivamente sollecitati. Tutte le operazioni e la telemetria (misurazioni dei dati) del lander sono accessibili tramite un’interfaccia che i moduli software di autonomia esterni possono utilizzare per comandare il lander e comprenderne lo stato. (OceanWATERS e OWLAT condividono un’interfaccia di autonomia unificata basata su ROS.) Il pacchetto OceanWATERS include un modulo di autonomia di base, una struttura per l’esecuzione di piani (specifiche di autonomia) scritti nel linguaggio PLan EXecution Interchange Language, o PLEXIL. PLEXIL e GSAP sono entrambi pacchetti software open source sviluppati presso Ames e disponibili su GitHub, così come OceanWATERS.
Le operazioni di missione che possono essere simulate da OceanWATERS includono il rilevamento visivo del sito di atterraggio, la palpazione del terreno per determinarne la durezza, lo scavo di una trincea e la raccolta di materiale dal terreno che può essere scartato o depositato in un contenitore di raccolta campioni. La comunicazione con la Terra, l’analisi dei campioni e altre operazioni di una vera missione di atterraggio non sono attualmente modellate in OceanWATERS, fatta eccezione per il loro consumo energetico stimato. La Figura 7 è un video di OceanWATERS che esegue uno scenario di missione campione utilizzando il modello del terreno basato su Atacama.
A causa della distanza della Terra dai mondi oceanici e del conseguente ritardo di comunicazione, un lander planetario dovrebbe essere programmato con almeno informazioni sufficienti per iniziare la sua missione. Ma ci saranno sfide specifiche per ogni situazione che richiederanno intelligence a bordo, come decidere esattamente dove e come raccogliere campioni, gestire problemi imprevisti e guasti hardware e dare priorità alle operazioni in base alla potenza rimanente.
Risultati
Tutti e sei i team di ricerca finanziati dai programmi ARROW e COLDTech hanno utilizzato OceanWATERS per sviluppare la tecnologia di autonomia del lander oceanico e tre di questi team hanno anche utilizzato OWLAT. I prodotti di questi sforzi sono stati pubblicati in documenti tecnici e hanno portato allo sviluppo di software che potrebbe essere utilizzato o adattato per missioni effettive del lander oceanico in futuro. La seguente tabella riassume gli sforzi di ARROW e COLDTech.
Ringraziamenti: La parte della ricerca svolta presso il Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology è stata eseguita nell’ambito di un contratto con la National Aeronautics and Space Administration (80NM0018D0004). La parte della ricerca svolta dai dipendenti di KBR Wyle Services LLC presso il NASA Ames Research Center è stata eseguita nell’ambito di un contratto con la National Aeronautics and Space Administration (80ARC020D0010 ). Entrambe sono state finanziate dai programmi ARROW e COLDTech della Planetary Science Division.
Responsabili del progetto: Hari Nayar (NASA Jet Propulsion Laboratory, California Institute of Technology), K. Michael Dalal (KBR, Inc. presso il NASA Ames Research Center)
Organizzazioni sponsor: NASA SMD PESTO
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