אתגרים הנדסיים בפיתוח מערכות נחיתה אוטונומיות עבור פני פלנטרי

הקונטקסט של Landing פלנטרי

כל משימת נחיתה פלנטרית מייצגת הימור מונומנטלי שבו הצלחה או כישלון נשענים על כמה דקות של קבלת החלטות אוטונומית.ההיסטוריה של חקר החלל מוכלת בשני הניצחונות כמו המגעים הבלתי הפיכים של מאדים וכישלונות קטסטרופליים כמו ה- Schiaparelli Lander של הנדסת קרקע, מה שמפריד את התוצאות הללו הוא ה תחכום של מערכת הנחיתה האוטונומית.

פיתוח מערכות אלה דורש היתוך של הנדסה אווירית, רובוטיקה, ראיית מחשב, ותאוריה של שליטה בזמן אמת.הרכב חייב לנווט בשטח לא ידוע, להתאים את מסלולו בזמן אמת, ולבצע רצף די זמן של כיפוף, פריסה משתק, רטרופרופורציה — כל ללא התערבות אנושית.

הכניסה, הדהמה ונחתה של נבואות

הבנת האתגרים ההנדסיים מחייבת הבנה ראשונה של רצף EDL שכל פלנטה חייבת לבצע.בעוד שהפרטים משתנים על ידי תכנון היעד והרכב, השלבים הבסיסיים נשארים עקביים.שלב הכניסה מתחיל כאשר החללית מכה את החלק העליון של האווירה, שופכת מהירות מסלול דרך אווירודינמיקה שלב הירידה לאחר, באמצעות מצנחים או דחף להאט את הרכב קדימה.

כל שלב מטיל דרישות נפרדות על המערכת האוטונומית.במהלך הכניסה, על הרכב לנהל חימום אווירודינמי קיצוני ודה-הפצה. במהלך הירידה, עליו לפרוס מצנחים בדיוק בגובה הנכון ומהירות. במהלך הנחיתה, עליו לבצע גילוי סיכונים ולהימנע תוך ניהול צריכת דלק.הרווח לשגיאה בכל שלב זה הוא razorthin, והמערכת האוטונומית חייבת לטפל בכל תרחיש יכול לזרוק אותו.

אתגרים הנדסיים מרכזיים

1.השכנות סביבתיות

פני השטח הפלנטאריים מציגים תנאים סביבתיים העוינים הן לחומרה והן בתוכנה. על מאדים, טמפרטורות על פני השטח יכולות להתנדנד מ-140°C במהלך הלילה עד 20°C במהלך היום ליד המשווה.האווירה היא דקת ונשע; פחות מאחוז אחד של לחץ כדור הארץ ומצמץ; אך עדיין מסוגל לייצר סערות פלנטריות רחבות שיכולות לחשוף את השמש ב-230, כלומר, לא ניתן ל-x, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, לפחות מהשפעות של קרינה ישירה של אור השמש, לא ממתכת, ממתכת ישירה, עד ל-C, ממתכת, עד ל-C, עד ל-C, עד ל- C-C, רק ממתכת, עד ל- 26% ממתכת, עד ל- 26% ממתכת, עד ל-C, עד ל-C, עד ל-C, ל-C, עד ל-C, עד ל- 26% מהשפעת, עד ל- 26% מהשפעת, בטמפרטורות ישירות, אך עדיין מסוגלות, עד ל- 26% מהשפעת, עד ל- C- C-C, בטמפרטורות ישירות, רק ל- 26% מה

(FLT:0) ניהול טמפרטורי (Temperature ManagementFLT:1) הוא דאגה עיקרית.אלקטרוניקה שפועלת באופן אמין במעבדה בטמפרטורת החדר יכולה להיכשל באופן קטסטרופלי כאשר נתון לרכיבה תרמית של לילה מאדים או לקור של צל הירח.מהנדסים חייבים לתכנן מערכות חימום, בידוד תרמי ואלקטרוניקה מדורגים עבור מגוון רחב של יחידות חום (RHU) שימשו על משימות חימום כמו מאדים ומעבדות דם, חומרים קריטיים עבור חומרים מורדים.

(FLT:0) Dust ו-regolithFLT:1) מציג אתגר משמעותי נוסף.אבק מאדים הוא טעון אלקטרוסטטי, טעונה היטב, ומוחש מאוד.זה יכול לחבוש לוחות סולאריים, צמצום פלט חשמל, וזיהוי מפרקים מכניים מבודדים וחותמות. במהלך הנחיתה, הצנרת של המנוע יכול לבעוט כמויות עצומות של אבק, שעלולות להיות מובנים להחדיר את החיישנים של אבק הצמיגים של המערכת האוטונומית של המקררים למנגנוני הניווט.

(FLT:0)RadiationFLT:1 הוא איום פחות גלוי אך חמור באותה מידה.ללא אווירה עבה או מגנטית, פני השטח של מאדים והירח מקבל מינונים משמעותיים של קרניים גלקטיות ואירועים חלקיקים סולאריים.קרינה זו עלולה לגרום לטרפדות חד-אפילוות באלקטרוניקה, משחית זיכרון או גרימת מעבדים לקרוסה.

2.עדיף ניווט והדרכה

בעיית הניווט לנחיתות פלנטרית שונה באופן יסודי מנחת GPS-מכוון על פני כדור הארץ, מזל"ט או מטוס יודעים את עמדתה בתוך מטרים הודות לניווט לווייני.על מאדים או לירח, אין רשת GPS.הרכב חייב לקבוע את עמדתו ואת מהירותו באמצעות חיישנים על הסיפון, ולאחר מכן לחשב את המסלול הנדרש כדי להגיע לאתר נחיתה בטוח.

(FLT:0) המדינה estimationFLT:1 משלב נתונים מסוגים מרובים של חיישן יחידות מדידה אינרטית (IMUs) לספק נתוני האצה וקצב זוויתי, אך הם נסחפו לאורך זמן.מצלמות אופטיות יכולות לעקוב אחר תכונות פני השטח כדי להעריך תנועה, אבל הם דורשים מספיק תאורה ותכונות נפרדות. Radar altimes לספק מדידות גישה ישירות, אך רק בכיוון אחד.

(FLT:0)Terrain יחסית ניווט (TRN)BuildFLT:1) צמח כטכנולוגיה קריטית לנחיתות דיוק. TRN פועל על ידי השוואת תמונות מצלמה בזמן אמת של פני השטח עם מפות מסלול מופרש מראש.המערכת מזהה מעבדים, רכסים, או אלגוריתמים אחרים הנדסה זמן רב יותר ומצמידה את המיקום של המכונית ביחס להם.

(FLT:0) זיהוי והימנעות מ- 1FLT מוסיף שכבה נוספת של מורכבות.הרכב חייב לזהות סלעים, מדרונות, וסיכוןים אחרים באזור הנחיתה ולתאם את מסלולו כדי להימנע מהם.זה דורש עיבוד תמונות במהירות גבוהה, זיהוי אזורי שטח, ובחירת אתר נחיתה בטוח ו- TRIEXSEDASTSET, תוך נפילה של מאות מטרים לשנייה.

תקשורת מוגבלת עם כדור הארץ

אולי ההקצאה הבסיסית ביותר במערכות נחיתה אוטונומיות היא עיכוב התקשורת בין כדור הארץ לבין כוכב הלכת היעד.עבור מאדים, עיכוב זה נע בין 4 ל-24 דקות בהתאם לעמדות היחסיות של כוכבי הלכת.עבור משימות לכוכבי הלכת החיצוניים או לאסטרואידים, העיכוב יכול להיות שעות.זה אומר ששליטה אנושית בזמן אמת היא בלתי אפשרית.מערכת הנחיתה חייבת לקבל החלטות קריטיות באופן אוטונומי, ללא אפשרות של התערבות אנושית או עקשן.

(FLT:0) קבלת החלטות אוטונומית (FLT:1) דורש המערכת לטפל בכל רצף שניתן לצפות בו, כמו גם אלה שאינם יכולים.התוכנה על הסיפון חייב לכלול עצי החלטות עבור תרחישים מבורכים, תנאי כניסה למצב בטוח, ואפקט חיישן מחוספס, אם חיישן נכשל במהלך הירידה, המערכת חייבת להיות מסוגלת לשנות את פתרון הניווט שלה באמצעות חיישנים ולהמשיך את הרצף הנחיתה, אם יש צורך לבצע את האפשרות לא לבצע בדיקה יסודית, אם אין צורך להפעיל את האפשרות להפעיל את האפשרות להפעיל את ה-ה באופן יסודית, אם אין צורך להפעיל את האפשרות להפעיל את האפשרות להפעיל את ה-ה.

עיכוב התקשורת משפיע גם על ארכיטקטורת הנתונים ואדריכלות של הנתונים (FLT:1) של החללית. Commands שנשלחו מכדור הארץ חייב להיות ארוז כרצףים שהרכב מבצע באופן אוטונומי.הטלמטרי של הרכב נרשם ומועבר חזרה לאחר הנחיתה לניתוח.מהנדסים על פני כדור הארץ לא יכולים לראות מה המכונית רואה בזמן אמת.

למשימות לירח, זמן האור חד-צדדי הוא רק כ-1.3 שניות, אשר פותח את האפשרות של פיקוח אנושי קרוב-מציאותי.עם זאת, משימות הירח עדיין דורשות מערכות אוטונומיות משום שקשר התקשורת יכול להיקטע על ידי גיאומטריה או צלליזציה.תוכנית ארטמיס המתקרבת לשימוש בשילוב של מערכות אוטונומיות וניטור אנושי מרחוק, עם מערכת על הסיפון שמירה על יכולת השלמת הקשר האוטונומי אם הקשר שאבד.

טכנולוגיות טכנולוגיות ופתרונות הנדסה

חיישנים מתקדמים ו- Sensor Fusion

איכות מערכת נחיתה אוטונומית מוגבלת ביסודה על ידי איכות החיישנים שלה.ההתפתחויות האחרונות בטכנולוגיית החיישן שיפרו באופן דרמטי את הדיוק והאמינות של מערכות ניווט על הסיפון.פלאש LIDAR, אשר ללכוד תמונה מלאה 3D של השטח ב דופק אחד, מפותחים לאיתור סיכונים.חיישנים אלה יכולים לפתור תכונות קטנות כמו כמה סנטימטרים מגובה של כמה קילומטרים, מתן המערכת האוטונומית עם גבהים מפורטים של אזור הנחיתה.

(FLT:0) מצלמות ספקטרום רחבות-ספקטרליות יכולות לזהות סוגים של שטח שלא ניתן לראות באור גלוי.לדוגמה, אזורים עם regolith רופפת עשויים להופיע בטוחים בתמונות גלויות אך להיות בלתי מתאימים לנטישה.ניתוח רב-ספקטרום יכול להבחין בין סלע מוצק, אדמה קומפקטית ואבק רופף, המאפשר למערכת לבחור אתר נחיתה בטוח יותר.

(FLT:0 אלגוריתמי היתוך היתוך 1FLT) משלבים נתונים מ-LIDAR, מצלמות, מכ"ם אלטרים, ו- IMUs לפתרון ניווט משותף יחיד. Kalman filters ופילטרים חלקיקים משמשים בדרך כלל, מורחבים כדי להתמודד עם הדינמיקה הלא ליניארית של ירידות פלנטרית.ה, האתגר ההנדסי הוא ליישם אלגוריתמים אלה על מעבדים עם מעבדים מוגבלים ועוצמה בזמן אמתי עבודה קשה יותר (GA) יש צורך בביצועים חזקים יותר של פעילות משמעותית של לוחות זמנים אלה.

אינטליגנציה מלאכותית ולמידה של מכונות

למידת מכונה הופכת את היכולות של מערכות נחיתה אוטונומיות, במיוחד באזורים של סיווג קרקע וגילוי סיכונים. גישות ראיית מחשב מסורתיות נדרשות גלאי תכונה בעבודת יד שעובדת היטב בתנאים ספציפיים, אבל יכול להיכשל תאורה בלתי צפויה או תנאי פני השטח.מודלים למידה עמוקה, מאומן על נתונים גדולים של תמונות פני כדור הארץ, יכול ללמוד לזהות סיכונים עם דיוק גבוה יותר ועוצמה.

(FLT:0) רשתות עצביות מהפכתיות (CNN) ⁇ 1) הוחלו על הבעיה של זיהוי סכנות נחיתה בזמן אמת.רשתות אלה יכולות להיות מאומן על תמונות מסלול ממשימות קודמות לזהות סלעים, מכתשים ומדרונות.האתגר הוא להפוך את הרשתות הקטנות מספיק ומהירות מספיק כדי להפעיל על חומרה.

(FLT:0) Reinforcement LearningFLT:1 מציע דרך לעבר מערכות שיכולות להתאים את אסטרטגיות הנחיתה שלהם בזמן אמת בהתבסס על תנאים שנפגשו במהלך הירידה. סוכן למידה חיזוק יכול להיות מאומן בסימולציה כדי לבחור את אתר הנחיתה הבטוח ביותר, לייעל צריכת דלק, או לנהל כשלי חיישן.הסוכן לומד באופן פעיל באמצעות ניסוי וטעמה, בהדרגה לשפר את מדיניות קבלת ההחלטות שלו, בעוד סוכן חיזוק עדיין לא היה פרוס על גישה פלנטרית של סוכנות החלל האירופית, תוכניות מחקר של נאס"א.

עיצוב Robust Hardware

החומרה שבה בתים ומעצמות מערכת הנחיתה האוטונומית חייבת להיות מיועדת לשרוד את התנאים הקיצוניים של כניסה פלנטרית ונחתה. מעבר לאתגרים התרמית והקרינה שכבר נדונו, החומרה חייבת לעמוד בזעזועים המכניים של פריסה טמאטית, סטיות רטרופולציה, ואפקט הקרקעי.התתתת של מערכת הנחיתה של פרנסור, למשל, נועדה להתמודד עם עיוותים של עד 10 גרם במהלך שלב ההשתקה ו-3 המופעל במהלך ה-ה.

(FLT:0) מנגנונים בטוחים וכשלים (Feloph:1) הם חיוניים.מערכת תת-מערכת קריטית משוכפלת בדרך כלל, עם מערכת הגיבוי המסוגלת להשתלט על המערכת הראשית, ההחלטה של מה לשכפל ומה לקבל כשלים חד-נקודות הוא אחד ממערכות המסחר המהנדסות המאתגרות ביותר.

(FLT:0) כישורים מוסמך של FLT:1 הוא תהליך קפדני.כל רכיב אלקטרוני המשמש במערכת נחיתה פלנטרית חייב להיות מוסמך עבור סביבת קרינה ספציפית, טווח טמפרטורה ופרופיל רטט זה יפגוש לעתים קרובות באמצעות רכיבים ישנים, מוכחים ולא הרכיבים האחרונים של מסחר-off-the-shelf. הפער בין היכולות חישוביות של חומרה כדור הארץ וטיסה-qualated הוא אתגר מתמשך עבור פלטפורמות חומרה יעילה וחדשנית.

בדיקה ואימות: הדרך לקראות טיסה

בדיקת מערכת נחיתה אוטונומית היא קשה במיוחד משום שהמערכת המלאה יכולה רק לבחון בתנאים הדומים לסביבה היעד. על פני כדור הארץ, איננו יכולים לשחזר את האווירה הדקה של מאדים או את הריק של הירח באופן שמאפשר לאנדר בקנה מידה מלא לבצע רצף EDL מלא. מהנדסים חייבים להסתמך על שילוב של בדיקות, בדיקות תת-מערכת, וסימולציה משולבת.

(FLT:0)Hardware-in-the-loop (HIL) בודק את ה-HIL) 1 מחבר את חומרת הטיסה בפועל לסביבות סימולציה המספקות חיישן קלט מציאותי.תהליכי המחשב לטיסה סימולציה של IMU, מצלמה ונתונים מכ"ם כאילו ירד על מאדים.הסימולציות מגיבות לפקודות מחשב הטיסה מייצרות, יצירת לולאה סגורה.

(FLT:0Drop בדיקות ובדיקות טיסה 1FLT) מספקים את התוספת הקרובה ביותר לתנאי נחיתה בפועל.נאס"א ביצעה בדיקות טיפה רבות של מערכות נחיתה באמצעות מסוקים וכלי רכב אוטומטיים המופעלים על ידי טילים.הפרויקט של Morpheus הדגים זיהוי סיכונים אוטונומיים ונחתה באמצעות השתלטות אנכית ומטוס הנחיתה, ומספק אימות של אלגוריתמים אשר מאוחר יותר על SpaceX ביצע בדיקות נרחבות של סטארביטלומיים באמצעות מערכת בקרת מטוסים אוטונומית באמצעות מערכת בקרת מטוסים אוטונומית.

(FLT:0) מודלים מבוססי מערכות הנדסה מבוססת-Model (Model-based Systems EngineeringFLT:103) משמש יותר ויותר לניהול המורכבות של פיתוח מערכת נחיתה אוטונומית.מודלים פורמאליים של התנהגות המערכת מפותחים וניתחו כדי לזהות מצבי כישלונ פוטנציאליים ולאמת תכונות בטיחות.מודלים אלה יכולים לשמש כדי ליצור באופן אוטומטי מקרים של מבחן, להבטיח כי תהליך הבדיקה הוא מקיף ועקבי לדרישות המערכת.

כיוונים עתידיים וסיכויים מתעוררים

העשור הבא יראה התרחבות דרמטית ביכולות הנחיתה האוטונומיות, המונעת על ידי תוכניות המחקר השאפתני של נאס"א, ESA, CNSA וגופים מסחריים.תוכנית ארטמיס שואפת להקים נוכחות אנושית מתמשכת על הירח, הדורשת מערכות נחיתה שיכולות לספק בני אדם ומטענים למקומות מגוונים עם דיוק גבוה ואמינות.קמפיין החזרה של מאדים ידרוש מערכות נחיתה שיכולות לאתר דגימות איסוף ובדיקה על ידי Perseverance, דיוק ברמה גבוהה של סנטימטר.

(FLT:0) מערכות נחיתה מתקדמות (FLT:1) יעברו מעבר לטרזרקות מתוכננות מראש כדי לייעל את גישת הנחיתה שלהם באופן דינמי בהתבסס על תנאים בזמן אמת. ארצ'ר עתידי עשוי לשנות את פרופיל הירידה שלו כדי למנוע סופה אבק, לבחור אתר נחיתה שונה בהתבסס על גילוי סיכונים מעודכנים, או להתאים את צריכת הדלק שלה לחשבון צפיפות אטמוספריאלית בלתי צפויה.

(FLT:0) מסולטי-אנטר תיאום:1 יאפשר ארכיטקטורות משימה חדשה. אם חללית יכולה לפרוס מספר רב של ארצים קטנים שמתקשרים אחד עם השני במהלך הירידה, שיתוף נתונים של חיישן ותיאום של מקומות הנחיתה שלהם. גישה זו יכולה לאפשר את חקר אתרים מרובים במשימה אחת, כגון פריסת רשת של סממטרים על פני פני כדור הארץ או הפצת כלי מדעי לדגימות שונות.

(FLT:0) ניצול משאבים חלופי (ISRU)BuildFLT:1) יעמיד דרישות חדשות על מערכות הנחיתה. Missions אשר מתכננים להשתמש במשאבים מקומיים לייצור או בנייה ידרוש מערכות נחיתה שיכולות לפעול ליד נכסים שנקבעו מראש.זה מוסיף דרישות לנחיתות דיוק ביחס לתכונות ידועות על פני השטח ועל מערכות שיכולות לפעול באופן אוטונומי בסביבות מורכבות עם אלמנטים מרובים.

האתגרים ההנדסיים של מערכות נחיתה אוטונומיות אינם רק בעיות טכניות שיש לפתור פעם אחת ואז לשכוח כל יעד חדש, כל עיצוב רכב חדש, וכל מטרה מדעית חדשה דוחפת את הגבולות של מה מערכות אלה חייב להשיג.השדה ממשיך להתפתח במהירות, עם התקדמות בטכנולוגיית החיישן, בינה מלאכותית וחומרים שפותחים אפשרויות חדשות.התוצאה תהיה מסוגלת ואמינה יותר ויותר, אשר יכול לספק בבטחה תשלומים למעניין ומאתגרים ביותר בעולם השמש, כדי להמשיך לחקור מקומות אחרים.