Что произошло при шестом полёте дрона на Марсе

Что произошло во время шестого испытания вертолёта на Марсе



В 91-й сол (марсианский день) миссии марсохода Perseverance ("Настойчивость") вертолёт Ingenuity ("Изобретательность") совершил свой шестой полёт, который был разработан для расширения лётного диапазона и демонстрации возможностей аэрофотосъемки путём получения стереоизображений интересующего региона на западе.
"Изобретательность" получил команду подняться на высоту 10 метров, а потом пролететь 150 метров на юго-запад со скоростью 4 метра в секунду. После этого дрон должен был переместиться на 15 метров к югу, делая снимки западной стороны, затем пролететь ещё 50 метров на северо-восток и приземлиться.

Телеметрия шестого полёта показывает, что первый 150-метровый отрезок пути прошёл без сучка и задоринки.
Но ближе к концу полёта что-то произошло: вертолёт пытался скорректировать свою скорость и стал совершать колебательные движения вперёд и назад. Такое поведение сохранялось на протяжении всего остатка пути.
Перед благополучной посадкой бортовые датчики показали, что винтокрылый аппарат испытывает отклонения по крену и тангажу более чем на 20 градусов, большие управляющие воздействия и скачки потребления энергии.


Как вертолёт Ingenuity оценивает движение

Находясь в воздухе, Ingenuity отслеживает своё движение с помощью бортового инерциального измерительного блока (IMU).
IMU измеряет ускорение и скорость вращения роторов вертолёта. Прослеживая эту информацию во времени, можно оценить положение, скорость и ориентацию вертолета (где он находится, с какой скоростью он движется и как ориентирован в пространстве).
Бортовая система управления реагирует на предполагаемые движения, быстро изменяя управляющие сигналы (со скоростью 500 раз в секунду).

Если бы навигационная система полагалась только на блок IMU, в долгосрочной перспективе она была бы не очень точной: произошло бы быстрое накопление погрешностей, и вертолёт в конечном итоге сбился бы с пути.
Чтобы с течением времени поддерживать лучшую точность, оценки, основанные на IMU, номинально корректируются на регулярной основе, и именно здесь помогает навигационная камера Ingenuity.
Большую часть времени в воздухе навигационные камеры, направленные вниз, производят снимки поверхности Марса со скоростью 30 кадров в секунду и немедленно передают их в навигационную систему вертолёта.
Каждый раз при поступлении изображения алгоритм навигационной системы выполняет ряд действий: сначала он проверяет метку времени, которую получает вместе с изображением, чтобы определить, когда был сделан снимок.
Затем алгоритм выдаёт прогноз, что камера должна была видеть в этот конкретный момент времени, с точки зрения особенностей поверхности, которые она может распознавать по предыдущим изображениям, полученным за несколько мгновений до этого (как правило, это цветовые переходы и выступы, такие как камни или песчаная рябь).
Наконец, алгоритм проверяет, где эти особенности фактически расположены на изображении. Навигационный алгоритм использует разницу между прогнозируемым и фактическим местоположением этих объектов для корректировки своих оценок положения, скорости и ориентации.


Аномалия полёта номер шесть

Примерно через 54 секунды полёта произошел сбой в последовательности изображений, передаваемых навигационной камерой.
Этот сбой вызвал потерю одного изображения, но, что более важно, он привёл к тому, что все последующие навигационные снимки были переданы с неточными временными метками.
С этого момента каждый раз, когда алгоритм навигации выполнял коррекцию, опираясь на навигационные изображения, он работал на основе неверной информации о том, когда был произведён снимок.
В результате эти несоответствия значительно повлияли на информацию, используемую для управления вертолётом, что привело к постоянным попыткам корректировки оценок для учета фантомных ошибок. Последовали большие колебания.


Преодолеть аномалию

Несмотря на возникновение аномалии, Ingenuity смог удержаться в воздухе и безопасно приземлиться на поверхности в пределах примерно 5 метров от предполагаемого места посадки.
Одна из причин, по которой удалось это сделать, заключается в изначальном обеспечении системы управления полётом достаточным "запасом устойчивости".
Ingenuity был разработан так, чтобы даже значительные ошибки не приводили к его нестабильности, включая ошибки во времени.
Этот встроенный запас не понадобился при предыдущих испытаниях, поскольку поведение дрона соответствовало ожиданиям, но своевременно пришёл на помощь в ходе шестого полёта.

Другое конструкционное решение помогло вертолёту безопасно приземлиться. Дело в том, что на заключительном этапе спуска перед посадкой изображения с навигационных камер не используются, чтобы обеспечить плавную и непрерывную оценку движения вертолёта на этой критической стадии.
Это конструкторское решение очень пригодилось во время полёта номер шесть: аппарат игнорировал изображения камеры в последние моменты полёта, перестал колебаться, выровнял свое положение и приземлился на заданной скорости.

Если посмотреть на картину в целом, шестой полёт завершился благополучной посадкой благодаря тому, что ряд подсистем - роторов, приводов и питания - отреагировали на повышенные требования, удерживая вертолёт в воздухе.
Ingenuity справился с ситуацией, и, хотя полёт выявил уязвимость в синхронизации, которую теперь необходимо устранить, он также подтвердил и общую надежность системы.

Конечно, никто намеренно не планировал таких напряжённых испытаний, но зато были получены полётные данные, позволяющие оценить внешние пределы диапазона рабочих характеристик вертолёта.
Тщательный анализ этих данных расширит знания об использовании винтокрылых аппаратов на Марсе.



Изображение получено 22 мая 2021 года, когда марсианский вертолёт Ingenuity находился на высоте 10 метров над поверхностью Красной планеты во время шестого полёта.



Источник: https:// mars.nasa.gov/ technology/ helicopter/ status/ 305/ surviving-an-in-flight- anomaly-what-happened-on- ingenuitys-sixth-flight/