So bauen Sie ein selbstfahrendes Marsauto - mit weniger Rechenleistung als mit einem iPhone

  • 2019

NASA

Geben Sie die Wegbeschreibung ein. Tippen Sie auf "Enter". Der Code fliegt über den Kosmos in Richtung Mars. Minuten später erreicht das Signal den Rover, der auf der Oberfläche des Planeten in Alarmbereitschaft steht. Der mutige Bot entschlüsselt die Anweisungen, um einen oder zwei Meter in Richtung eines interessant aussehenden Felsens zu fahren. Angenehm rollt es. Und dann sitzt der Roboter genau dort, als würde er denken "was jetzt?" während es auf das nächste Signal von der Heimatbasis wartet.

Dies ist keine Möglichkeit zu fahren.

Langsam ist eine marsianische Lebensweise. Die NASA hat Jahre und Milliarden von Dollars investiert, um einen fragilen rollenden Roboter in eine andere Welt zu schicken, und beginnt nicht plötzlich, Donuts zu machen oder einen Staubsturm zu schleudern. Der Rover ist für sich allein - wenn etwas schief geht, ist kein Mechaniker in Sicht. Und dann gibt es noch eine Zeitverzögerung: Es dauert 5 bis 20 Minuten, um Richtungen von der Erde in eine Richtung zu senden, abhängig von der aktuellen Entfernung zum Mars. Die NASA fährt also wie eine Oma. In diesem Frühjahr absolvierte der Opportunity-Rover den ersten Marsmarathon. Es dauerte mehr als 11 Jahre, um diese 26,2 Meilen zu fahren.

Stellen Sie sich ein tolles zukünftiges Mars-Auto vor. Es strebt, anstatt zu putteln, und erkundet weite Teile des Roten Planeten. Es ist viel fähiger als jeder Rover, den wir je geschickt haben. Und ob es Menschen trägt oder nicht, das marsianische Traumauto fährt sich wahrscheinlich selbst.

Grundsätzlich haben Mars Rovers bereits eine begrenzte Autonomie, sagt Matt Heverly, der sowohl die Neugier als auch die Gelegenheiten beherrscht. Neugier kann einen grundlegenden Satz von Anweisungen verwenden und sie selbst ausführen. Es gibt jedoch wichtige Gründe, warum wir noch weit von einem schlechten Google-Auto entfernt sind, das um den Mars bombardiert und unbeschwert durch die Felsen, Krater und Dünen streift.

Wie Mars durch die Augen der Neugierde schaut

Neugier ist eigentlich mehr für sich, als Sie vielleicht denken. Der Grund ist zweifach. Eine ist die Zeitverzögerung beim Senden der Signale. Es ist verdammt viel weniger nervig, mehrere Anweisungen gleichzeitig zu senden, als mit einer minutenlangen Lücke zwischen Anruf und Antwort zu fahren. Der zweite Grund ist der Weg, auf dem die Tage der Erde und des Mars nicht ganz synchron sind. Der Mars-Tag ist 40 Minuten länger als bei uns, was bedeutet, dass die NASA-Leute ihren Tagesablauf um 40 Minuten vorrücken müssen, um mit den 9 bis 5 des Rovers synchron zu bleiben.

Aus Gründen der Vernunft der Angestellten geben Heverly und seine Kollegen dies nach den ersten drei Monaten der Mission von Curiosity auf. Jetzt schicken sie ihm zweimal täglich eine Liste mit Anweisungen, und der Rover arbeitet sich durch sie hindurch, während seine menschlichen Betreuer schlafen oder zu Mittag essen. So funktioniert das:

Die Neugier sieht die Oberfläche des Mars als eine Szene aus einem Atari-Spiel. Trotzdem hat der Rover eine erstaunliche Fähigkeit, die Welt um ihn herum zu analysieren - nicht durch das Scannen der Linien auf einer Autobahn, sondern durch das Verständnis des unvorhersehbaren Marslandes. Wenn die NASA alle Felsen vor einem Rover sehen kann, kann sie leicht einen Kurs um sie herum zeichnen. Aber, sagt Heverly, kommt die Zeit, wenn man einen Hügel überqueren muss und nicht weiß, was sich auf der anderen Seite befindet. Sie vertrauen also dem Rover und sagen ihm im Wesentlichen: Machen Sie weiter, aber behalten Sie sich in Sicherheit.

"Wenn es keinen Weg finden kann, sind es die Menschen, die helfen, den nächsten sicheren Ort zu erreichen."

Allerdings sagt Curiosity, dass er in regelmäßigen Abständen vor und an den Seiten des Bodens fotografieren kann, um ein 3D-Terrain-Mesh aufzubauen. Der Rover kann sich dann die von ihm erstellte Karte ansehen, sagt er. "Es kann sagen: 'Wenn ich hier fuhren würde, wäre da ein Stein unter meinen Rädern und wenn ja, wie groß ist dieser Stein und ist dieser für mich sicher?'"

Curiosity verwendet seine Karte, um mögliche Pfade auszuwerten, ihnen eine Art "Sicherheitsbewertung" zuzuweisen und denjenigen auszuwählen, der am wahrscheinlichsten aus dem Ärger gerät. Es geht einen Schritt in diese Richtung und wertet seine Position erneut aus. Für diese Pfade gibt es eine Mindestpunktzahl, die Heverly als "Gütepunktzahl" bezeichnet. Wenn nichts die Gütepunktzahl erfüllt, passiert nichts. "Wenn es keinen Weg findet", sagt er, "hält er an und ruft nach Hause an und sagt einfach: 'Hey, hier draußen scheint nichts sicheres zu sein.'"

Mit einem Zehntel der Leistung eines iPhones kann man die Welt nur so gut kartieren. "Wir erlauben Curiosity, viele Entscheidungen selbst zu treffen und autonom zu fahren. Aber wenn er keinen Weg finden kann, sind es die Menschen, die dazu beitragen, dass er zum nächsten sicheren Ort gelangt, an dem der Computer die Kontrolle übernehmen kann nochmal."

Eine Glühbirne für einen Motor

"Der gesamte Rover wird mit 100 Watt ausgeschaltet, was im Grunde eine Glühbirne in Ihrem Haus ist."

Neugier schleicht sich ein. Es bewegt sich mit etwa 0,1 Meilen pro Stunde, um sicherzustellen, dass es keine Probleme gibt. Dies ist ein wichtiger Grund dafür: Während dieses Roving-Gerät 2,5 Milliarden US-Dollar kostete, hat es etwa zehnmal weniger Rechenleistung als das Smartphone in Ihrer Tasche.

Vergleichen Sie diese sanfte Kraft mit dem, was für terrestrische autonome Fahrzeuge verfügbar ist. Die modernen Wunder setzen die Autoindustrie in den Vordergrund und machen menschliche Fahrer obsolet. Wenn Google ein Roboterauto baut, baut es eine Maschine mit der besten heute verfügbaren Computertechnologie. Überall im Fahrzeug werden Sensoren eingesetzt, die das Fahrzeug in die Lage versetzen, jede Fahrsituation, in der es sich möglicherweise befindet, zu verstehen und selbst bei sich schnell ändernden Umgebungen und vielen Bewegungsgefahren sicher zu fahren (siehe: Menschen am Steuer).

"Dieses Niveau an Raffinesse ist auf der Erde zwar auf dem neuesten Stand der Technik, aber es basiert auf den gleichen Prinzipien wie das, was wir auf dem Mars tun. Sie haben einfach mehr Rechenressourcen, sie haben viele verschiedene Sensoren", sagt Heverly. "Wir sind in Bezug auf Gewicht und Leistung enorm begrenzt, da wir nur 900 Kilogramm sicher auf der Marsoberfläche landen können und der gesamte Rover mit 100 Watt ausgeschaltet ist, was im Grunde eine Glühbirne in Ihrem Haus ist. Wir betreiben unseren gesamten Rover . "

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Warum so begrenzt? Zum einen ist das Design von Raumfahrzeugen eine lange Zeit. Es dauert Jahre, um von der Vorschlagseite zum Build zu gelangen - Jahre, in denen der Zustand der Rechenfähigkeit um einige Generationen voranschreitet. Dann gibt es Gewicht. Die NASA ist aus vielen Gründen besessen von Gewicht, angefangen mit der Tatsache, dass die Markteinführung umso teurer wird, je mehr Pfund Sie hinzufügen. Heverly arbeitet derzeit an dem Mars 2020 Rover, der auf demselben Chassis gebaut wird und auf die gleiche Größe und das gleiche Gewicht wie Curiosity beschränkt ist. Und da ist Energie. Die Neugier ist auf die Menge des thermoelektrischen Generators für Radioisotope beschränkt, der etwa 100 Watt kocht.

Bei all diesen Designfragen liegt die schiere Schwierigkeit darin, elektrische Komponenten zu bauen, die in feindlichen Umgebungen funktionieren und nicht versagen. "Es muss eine raue Strahlungsumgebung überleben", sagt Heverly. "Es muss die sehr kalten Temperaturen überstehen. Es muss äußerst zuverlässig sein, weil wir nur eine Chance haben. Wir möchten also sicherstellen, dass der Computer funktioniert und all diese Dinge zusammen bedeuten, dass wir nicht auf dem neuesten Stand sein können als Consumer-Technologie. Wir verwenden in der Regel bewährte und robuste Technologie, weil wir nur sicherstellen wollen, dass sie funktioniert. "

Ein echter Marsmensch Supercar

Mars-Autos könnten es so viel besser haben. Es gibt einen Punkt im neuen Film Der Marsmensch Dort beginnt Matt Damons gestrandeter Astronaut auf der schönen Fahrt, die Teil der Ares III-Mission ist, herumzuzoomen. Es ist wie ein riesiger solarbetriebener Weltraum-Truck, der ihn auf dem ganzen Planeten herumtragen muss, wenn er am Leben bleiben will.

Es ist eine hübsche Sternanlage. Andy Weir, Autor der Buchversion von Der Marsmensch, erklärte es mir so:

"Die Ares-Mission in dem Buch - die Art und Weise, wie es funktionierte, war, dass sie nur über einen riesigen Solarpark verfügten und eine Reichweite von etwa 20 km hatten. Der Rover konnte also rausgehen und zurückkommen, um sich aufzuladen. Aber wenn Sie wirklich einen völlig in sich geschlossenen Raum wollten Ein System, das sehr lange Strecken zurücklegen könnte, dann… Ich weiß nicht. Es ist eine lustige Sache, darüber nachzudenken. Ich würde extrem leichte Solarmodule verwenden, die sich abwickeln - so etwas. Sie würden in der Nacht fahren und Sie Ich würde tagsüber campen und einfach aufladen. Anstelle von Watneys Notlager, wo er mit einem Ladegerät nur etwa 2 bis 3 Stunden Fahrzeit haben könnte, würde man es so bekommen, dass es 8 bis 9 Stunden am Tag fahren könnte. "

Sei es durch aufgebrachte Solarenergie oder durch eine Art nuklearer Quelle wie Mark Watney, die in Buch und Film auftaucht, könnte bessere Energietechnologie dazu beitragen, dass Mars-Fahrzeuge robuster und leistungsfähiger werden. Die weltraumreifen Elektronik- und Computersysteme der NASA werden sich auch langsam verbessern. Marsrovers und Autos werden schneller, der Fahrer wird weiter und verstehen die Umgebung viel besser. Die Frage lautet dann: Was machen Sie mit ihnen?

"Kann ich irgendwohin gehen und mich dorthin fahren lassen, während ich schlafe?"

Im Der Marsmensch, Watneys Fahrt ist eher eine überwachsene Version der Apollo Lunar Rovers - ein Weltraumauto, das Menschen von Ort zu Ort fahren. Heverly sagt PM, dass er die Buchversion von liebte Der MarsmenschWenn er jedoch einen fortgeschrittenen Rover betrachtet, der in der Lage ist, Menschen auf der Oberfläche des Roten Planeten zu befördern, denkt er darüber nach, was möglich wäre, wenn ein solches Gerät ein viel fortschrittlicheres Computersystem als das von Curiosity tragen könnte.

Bei der heutigen NASA arbeiten die Ingenieure und ihre Rover zusammen, und die Menschen übernehmen die Kontrolle, wenn die Dinge steinig werden. "Menschen sind immer gut darin, Fahrzeuge aus unbekannten Situationen zu holen", sagt er. Wenn Sie von einem vom Menschen getragenen Mars-Rover sprechen, könnte die Zusammenarbeit zwischen Mensch und Maschine ebenso wichtig sein.

Vor einigen Jahren arbeitete Heverly an dem NASA-Konzept für ATHLETE, dem All-Terrain, Hex-Limbed und Extra-Terrestrial Explorer. Mit sechs Beinen, die sich bei Bedarf in Arme verwandeln können, sollte ATHLETE die Vision eines Supersportwagens für eine andere Welt sein. Es ist ein rollender Lebensraum, in dem sich Astronauten aufhalten könnten, aber auch, weil ein Bagger den Untergrund erforscht. Menschen könnten es von innen fahren, oder die NASA könnte es von der Erde aus fernsteuern. Oder, sagt Heverly, "Sie könnten es bitten, sein eigenes Ding zu machen, während Sie etwas anderes tun."

"Kann ich irgendwohin gehen und mich dorthin fahren lassen, während ich schlafe, damit ich an einem neuen Ort wach sein kann, um es zu wissen und meine Arbeit zu erledigen, wenn ich dort bin? Kann ich ein Graben für ein Fahrzeug graben oder? eine andere Art von Arbeit machen, während ich Messungen durchführe? " er sagt. "Ich denke, wenn wir uns in die Zukunft bewegen und wenn wir uns Menschen auf den Mars vorstellen wollen, kann es weniger um den reinen Transport von Punkt A nach Punkt B als um die Zusammenarbeit gehen."

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