Новые алгоритмы могут повысить безопасность автономных космических аппаратов

Близкое приближение к модели кометы в Лаборатории автономной робототехники и управления Калтеха. Этот роботизированный симулятор космического корабля имитирует космическую среду, плавая на подушке из воздуха с низким трением и используя воздушные двигатели для маневрирования. В недавно опубликованном исследовании этот робот используется исследователями Калтеха для демонстрации новых возможностей для безопасной, автономной оценки неисправностей в реальном времени. Автор: Joshua Cho, Sorina Lupu, and James Ragan

Для людей на протяжении всей истории небо вызывало мысли об огромной пустоте, о большом пустом куполе, пронизываемом днем солнцем, а ночью многочисленными крошечными точками света (и периодически луной). Поскольку мы отправились в космос, как физически, с помощью космических кораблей, так и оптически, с помощью ряда телескопических технологий, теперь мы знаем, что там довольно много всего.

Это открытие имеет глубокие последствия для аэрокосмической промышленности. Представьте себе, например, многомиллиардный автономный космический корабль, который тщательно проектировался и конструировался в течение многих лет, был запущен в космос с точными расчетами, но затем потерял один из своих двигателей и врезался в астероид.

Исторически инженеры справлялись с возможностью отказа оборудования на борту космических аппаратов двумя основными способами: во-первых, используя «безопасный режим», в котором космический аппарат может нанести себе минимальный ущерб, пока ученые на Земле изучают данные, проводят диагностику и разрабатывают решение; и, во-вторых, оснащая автономные аппараты резервными системами. Они позволяют космическому аппарату, например, отключить неисправный двигатель и начать использовать резервные двигатели.

Однако опасные ситуации могут возникнуть в космосе без предупреждения и с недостаточным временем для связи между космосом и землей. И хотя избыточные системы были довольно эффективны, они увеличивают стоимость и вес автономных космических аппаратов.

Как объясняет один из руководителей этого проекта, профессор-исследователь в области аэрокосмической техники в Калифорнийском технологическом институте и бывший главный технолог JPL Фред Хадаег: «Наличие избыточных систем не всегда практично. Это означает, что космический корабль должен быть больше, тяжелее и дороже, чем он был бы в противном случае. Поэтому идея здесь заключается в том, что когда космический корабль сталкивается с проблемой, он может выяснить, что именно не работает, и исправить или адаптироваться к этой конкретной ошибке».

В лаборатории Чунга, помимо прочего, имеется современный комплекс для моделирования динамики многоцелевых космических аппаратов.

«Симулятор занимает большую комнату с действительно ровным полом», — объясняет Джеймс Раган, аспирант Высшей аэрокосмической лаборатории Калифорнийского технологического института (GALCIT) и ведущий автор новой статьи по этой теме. «Модель космического корабля использует воздушные подшипники, так что он движется по полу с почти нулевым трением. В состоянии покоя он кажется парящим, и если вы толкнете его в одном направлении, он будет продолжать движение, пока не ударится обо что-то, что и является космической динамикой».

Раган запрограммировал роботизированный симулятор космического корабля с помощью того, что он и его соавторы называют s-FEAST: безопасная оценка неисправностей с помощью активного поиска по дереву зондирования. «Наш алгоритм s-FEAST быстро «мечтает» о многочисленных возможных вариантах будущего, которые могут возникнуть в результате действий, предпринимаемых им сейчас», — говорит Раган.

«Поскольку система шумная, эти будущие неопределенны. Существует множество возможных результатов, что приводит к дереву возможных ветвящихся будущих. Каждая ветвь представляет собой один возможный способ, которым может произойти будущее, основанный на вещах, которые контролирует космический корабль — тестовых действиях, которые он выбирает, — а также на вещах, которые он не контролирует, например, наблюдениях, поступающих от неисправных датчиков».

Чунг добавляет: «Инновационность нашего метода s-FEAST заключается в том, что мы систематически решаем проблему курицы и яйца, оценивая состояния транспортного средства, такие как положение и скорость, а также выявляя неисправности или ухудшения, которые неразрывно связаны друг с другом».

Когда космический аппарат обнаруживает неожиданные данные, он обращается к алгоритму s-FEAST, который запускает тестовые действия, «похожие на то, как вы тщательно проверяете свои мышцы, когда чувствуете неожиданную боль и хотите выяснить, что именно болит и как избежать действий, которые могут нанести вам еще большую травму», — объясняет Раган.

s-FEAST одновременно вытягивает ряд возможных вариантов будущего и из них выбирает тот курс действий, который кажется наиболее вероятным для диагностики того, что пошло не так, а также для избежания опасности. В случае этой модели опасность сводится к курсу столкновения с астероидом.

«Главная идея здесь в том, что s-FEAST не заменяет все операции космического корабля. Это ваш экстренный ответ», — говорит Раган. «Космический корабль получает внутренний сигнал о том, что что-то не так, поэтому s-FEAST берет на себя всю вычислительную мощность космического корабля, чтобы быстро оценить, что происходит, и предпринять меры по исправлению ситуации. Как только опасность обнаружена и устранена, s-FEAST возвращает управление обычной вычислительной среде космического корабля».

s-FEAST также может использоваться проактивно. Допустим, автономный космический корабль собирается предпринять особенно рискованное или критически важное для миссии действие; s-FEAST может запустить цикл тестирования, чтобы убедиться, что все системы работают правильно перед этим действием.

Неудивительно, что алгоритм s-FEAST, который работал на симуляторе космического корабля, был адаптирован командой для работы и на наземном гусеничном транспортном средстве. Оба эксперимента были успешными, поэтому технология s-FEAST имеет большие перспективы для автономных транспортных средств как на Земле, так и в космосе.

Исследование опубликовано в журнале Science Robotics. Соавторы — Раган, постдок Калтеха Бенджамин Ривьер, Хадаег и Чанг.

Больше информации: James Ragan et al, Online tree-based planning for active spacecraft fault estimation and collision avoidance, Science Robotics (2024). DOI: 10.1126/scirobotics.adn4722

Источник: California Institute of Technology