A NASA miniatűr roverek hármasát küldi a Holdra, hogy demonstrálják, mennyire tudnak együttműködni egymással a Földön tartózkodó irányítók közvetlen közreműködése nélkül.
A CADRE-program
A CADRE-program (Cooperative Autonomous Distributed Robotic Exploration) egy új technológiát demonstráló, csapatmunkára törekvő kísérlet, amely egy újabb lépést jelent az olyan robotok kifejlesztése felé, amelyek autonóm működésükkel növelhetik a jövőbeli küldetések hatékonyságát.
A cipősdoboz méretű roverek képesek együttműködve, csapatban felfedezni egy bolygó, vagy egy hold felszínét. Mivel képesek egymást támogatni, nagymértékben autonóm módon működnének. Anélkül hoznának döntéseket és cselekednének, hogy állandó emberi beavatkozásra lenne szükségük. Ez lehetővé tenné számukra, hogy reagáljanak a kihívást jelentő kutatási célokra, és a potenciálisan nehezen megközelíthető kockázatos területeket, például kráterek és barlangok belsejét is felfedezzék. Az adatokat minden egyes rover külön-külön gyűjti, majd egy közös cél elérése érdekében kombinálja őket.
A dél-kaliforniai Jet Propulsion Laboratory (JPL) által kifejlesztett apró, négykerekű robotok mindegyike két sztereokamerával és olyan érzékelőkkel van felszerelve, amelyekkel 3D-ben térképezik fel a terepet, és érzékelik a környezetükben lévő más rovereket. Ha a Hold vagy a Mars felszínén vetnék be ezeket a független robotokat, egy csoportjuk rádión keresztül koordinálná egymást, hogy hatékonyan fedezzék fel a közeli terepet, vagy együtt végezzék el a különböző méréseket.
Azáltal, hogy a roverek egyidejűleg több helyen végeznek méréseket, azt hivatottak bemutatni, hogy a több robotot alkalmazó küldetések hogyan tehetnek lehetővé új tudományos eredményeket, illetve hogyan támogathatják az űrhajósok munkáját.
A jelenlegi tervek szerint a három apró rover 2024-ben, egy leszállóegység fedélzetén fog megérkezni a Holdra. A járműveket kötelek segítségével fogják a Reiner Gamma régión belül a felszínre ereszteni. A roverek ezt követően egy napos helyet keresnek majd, ahol kinyitják napelemtábláikat és teljesen feltöltődnek. Ezután körülbelül 14 földi napot töltenek majd el a képességeik tesztelésére szolgáló kísérletek elvégzésével.
„Küldetésünk annak demonstrálása, hogy mobil robotok hálózata képes együttműködni egy feladat elvégzése érdekében, emberi beavatkozás nélkül – autonóm módon” – mondta Subha Comandur, a CADRE projektvezetője.
A misszió földi irányítói általános utasításokat küldenek a roverek bázisállomására, amely a 4 méter magas leszállóegység fedélzetén található. Ezután a kis robotokból álló csapat kiválasztja saját „vezetőjét”, amelyik kiosztja a munkafeladatokat a közös cél elérése érdekében. Minden egyes rover kitalálja, hogyan tudja a legjobban és biztonságosan elvégezni a számára kijelölt feladatot.
„Az egyetlen utasítás például az, hogy „Menjetek, fedezzétek fel ezt a régiót”, minden mást a roverek találnak ki: mikor fognak mozogni, milyen utat fognak bejárni, hogyan manővereznek a lokálisan előforduló veszélyforrások körül” – mondta Jean-Pierre de la Croix, a JPL munkatársa, a CADRE vezető kutatója. „Csak a magasabb szintű célt mondjuk meg a rovereknek, és nekik kell meghatározniuk, hogyan érjék el azt.” – tette hozzá.
Kísérletek a csapatmunkára
A roverek számos tesztnek néznek majd elébe a Hold felszínén, mindezt a bázisállomásként funkcionáló leszállóegység tetején lévő megfigyelőkamera látóterében.
Az első célkitűzés az, hogy alakzatban haladjanak, és ultraszélessávú rádiókapcsolat segítségével tartsák az irányt, hogy megtartsák egymáshoz viszonyított pozíciójukat, miközben az akadályok elkerülésének érdekében az érzékelőikre támaszkodnak.
A második kísérlet során az egyes roverek a saját maguk által választott útvonalon haladnak majd egy kijelölt, körülbelül 400 négyzetméteres területet vizsgálva, ahol sztereokameráikkal 3D-s topográfiai térképet készítenek.
A projekt során azt is felmérik, hogy a robotcsapat mennyire tudna alkalmazkodni, ha egy rover valamilyen okból leállna. Az esetleges siker azt fogja jelezni, hogy a többrobotos küldetések jó választásnak bizonyulnak a veszélyes, de tudományosan kifizetődő terepek feltárására.
Bár a CADRE nem a tudományos kutatásra fog összpontosítani, a roverek multistatikus talajradarokkal lesznek felszerelve. Alakzatban haladva minden egyes jármű fogadni fogja a többi rover által küldött rádiójeleket, így 3D-s képet alkotva a felszín szerkezetéről akár 10 méter mélységig. Együtt teljesebb adatokat tudnak gyűjteni, mint a jelenlegi legmodernebb talajradarok, például a NASA Perseverance marsjáróján lévő RIMFAX (Radar Imager for Mars’ Subsurface Experiment) műszer.
A tervezés nehézségei
A CADRE többről szól, mint az autonóm működés és a csapatmunkára való képességek tesztelése, jelentős mérnöki kihívást is tartogatnak. A rovereknek túl kell élniük a Hold egyenlítőjéhez közeli környezetet, ami kihívást jelent az ilyen kis robotok számára. A perzselő napfényben a roverek akár 114 °C-os csúcshőmérséklettel is szembesülhetnek. A kereskedelmi forgalomban kapható-, és az egyedi alkatrészek kombinációjából készült járműveknek elég ellenállónak kell lenniük ahhoz, hogy a nappali hőséget is kibírják, ugyanakkor kompaktnak és könnyűnek kell lenniük.
Emellett a JPL által kifejlesztett kooperatív autonóm szoftver futtatásához elegendő számítási teljesítményre van szükségük. Ez egy nehéz egyensúly: a roverek és bázisállomás egy kis processzortól (az Ingenuity helikopternek mobiltelefon-osztályú processzorának következő generációjától) kapja a számítási teljesítményt, de a CPU terhelés alatt szintén hőt generál.
Hogy a roverek ne süljenek meg, a CADRE csapata kreatív megoldást talált ki: 30 perces ébredési-alvási ciklusokat alkalmaznak. Ez azt jelenti, hogy a roverek félóránként leállnak, hőelvezető radiátoraikon keresztül lehűlnek és feltöltik az akkumulátoraikat. Amikor egyszerre felébrednek, egy rádióhálózaton keresztül (hasonlóan az otthoni Wi-Fi hálózatokhoz) megosztják egymással az egészségi állapotukat, és ismét megválasztják a „vezetőt” aszerint, hogy melyikük a legalkalmasabb az adott feladatra. Aztán elindulnak egy újabb körre a Hold felfedezésére.
Jövőbeli alkalmazásuk
Az egyes égitestek felfedezésére napjainkban is számos remek példát láthatunk. Elég csak a Perseverance és Ingenuity párosára gondolni. A Marson tevékenykedő rover számára hasznos társnak bizonyult a felszín felett repkedő helikopter. Küldetéseket hajt végre a potenciális veszélyforrások felderítésének céljából, segítségével optimálisabb útvonal jelölhető ki a marsjáró számára, és még a kutatási célpontok meghatározásában is segítséget nyújt. Ezek az eszközök bár autonóm módon haladnak, beépített önvédelmi mechanizmusuk is van, és a célpontokat is bizonyos mértékig autonóm módon határozzák meg, számos ponton szükség van a földi csapat felügyeletére, döntéshozatalára. Ilyen például az úti cél, kiválasztása, a kutatni kívánt tudományos célpont meghatározása, a haladási irány kijelölése, stb.
A jelenlegi projekt a fentieket egy felsőbb szintre emelheti. Képzeljük el azt, hogy ezek a roverek felderítő helikopterekkel kiegészülve, csapatban dolgozva végeznek tudományos és felderítő munkákat egy kijelölt területen. A Perseverance és Ingenuity utódai ilyen képességekkel kiegészülve hatékonyabban és gyorsabban lesznek képesek a rájuk bízott feladatokat elvégezni, akár közvetlen emberi beavatkozások nélkül is.