Управлять марсоходами с Земли начали еще с первых миссий, но расстояние до Марса сильно ограничивает возможности операторов. Проблема в том, что сигналу нужно порой более 20 минут, чтобы преодолеть путь в одну сторону, в зависимости от взаимного расположения планет. Поэтому со временем инженеры начали передавать часть навигационных задач самому аппарату.
Первые системы автономного движения были не слишком функциональными. Все, что они могли — обнаруживать препятствия непосредственно перед колесами. Шло время, марсоходы «учились» строить карту окружающей местности, выбирать безопасный путь, отслеживать проскальзывание колес, а затем и планировать маршрут прямо во время движения. Сейчас прогресс весьма заметный. Разберем, как развивались эти технологии от Sojourner до Perseverance.
Зачем марсоходу самостоятельность
Все дело в качестве связи Земли с Марсом, точнее, с роботами на Красной планете. Минимальная задержка сигнала в одну сторону составляет около четырех минут, максимальная превышает 20. Поэтому марсоходами управляют не в реальном времени: на Земле заранее составляют программу движения и других действий, отправляют ее на Марс, а после выполнения получают снимки и телеметрию и готовят следующий план. Такой подход использовался и в ранних миссиях, и позже на Curiosity. Неудобства очевидны: инженер с Земли отправил команду, но о результате ее выполнения узнал лишь спустя 40 с лишним минут.
Не решают проблему и орбитальные снимки, пускай даже и очень качественные. На них видны крупные особенности рельефа, но небольшие камни, ямы и участки рыхлого грунта становятся заметны только с поверхности. Поэтому специалисты пришли к выводу — марсоход должен уметь самостоятельно оценивать ближайший участок пути и определять, где он сможет безопасно проехать. Постепенно идею реализовали. Ну а по мере развития техники эта способность усложнялась — от простого обнаружения препятствия перед колесами до построения трехмерной карты местности и выбора оптимальной траектории.
Есть и другое ограничение — время. На каждый сол (марсианские сутки, 24 часа 39 минут и 35,24409 секунд) операторы составляют программу работы: переезды, съемку, исследования пород и другие операции. Чем медленнее ровер проходит запланированный маршрут, тем меньше времени остается на научные задачи. Поэтому автономная навигация должна не только безопасно провести аппарат между препятствиями, но и сделать это достаточно быстро. Именно скорость принятия решений стала одной из главных проблем первых систем AutoNav.
Sojourner: лазерные полосы и остановки каждые 13 сантиметров
Первым успешным марсоходом стал Sojourner с массой чуть больше 10 килограммов. Он прибыл в 1997 году в составе миссии Pathfinder и проработал почти три месяца вместо планируемой недели. За это время аппарат проехал чуть больше 100 метров, оставаясь в пределах 10 метров от посадочной платформы.
Как он работал? Система обнаружения препятствий состояла из пяти инфракрасных лазеров и двух камер в передней части марсохода. Лазеры направляли перед Sojourner несколько полос света. На ровной поверхности камеры должны были видеть их в заранее известных местах. Если впереди находился камень, яма или другая неровность, положение полос на изображении менялось. По величине этого смещения компьютер определял высоту или глубину препятствия и решал, можно ли двигаться дальше. Такую проверку Sojourner выполнял после каждых 13 сантиметров пути — примерно одного оборота колеса.
В Sojourner стоял 8-битный Intel 80C85 с частотой 2 МГц. На борту было всего 64 КБ оперативной памяти и 512 КБ энергонезависимой. Сложные маршруты такой компьютер, конечно, не рассчитывал. Оператор задавал точку назначения, Sojourner двигался к ней небольшими отрезками и периодически сканировал пространство впереди. Если обнаруживал препятствие, поворачивал в противоположную сторону небольшими шагами, пока не находил свободный проход достаточной ширины. Затем проезжал мимо препятствия и снова начинал поворачивать в сторону заданной точки.
Свое перемещение Sojourner оценивал по оборотам колес и показаниям гироскопа, но по мере движения ошибка в координатах накапливалась. Поэтому точное положение ровера определяли с Земли по снимкам камер посадочного аппарата Pathfinder. В итоге автономность Sojourner оставалась очень локальной: он мог самостоятельно объехать оказавшийся перед ним камень, но маршрут и конечную точку движения по-прежнему задавали операторы.
ТехноДень — 8 октября
Флагманская конференция про технологии и бизнес. 20+ докладов, воркшопов и дискуссий, 20 интерактивных стендов, мерч и афтепати. Участие бесплатное: нужна только регистрация.
Spirit и Opportunity: от обхода препятствий к выбору маршрута
В 2004 году на Марс прибыли Spirit и Opportunity. Их бортовые компьютеры были намного производительнее, чем у Sojourner: разработчики поставили 32-битный RAD6000 с частотой 20 МГц, 128 МБ оперативной и 256 МБ флеш-памяти. Но главное изменение касалось навигации. Вместо простой реакции на препятствие непосредственно перед собой роверы могли оценивать окружающий рельеф и выбирать, по какой траектории двигаться дальше. Для этого использовалась система AutoNav с алгоритмом GESTALT (Grid-based Estimation of Surface Traversability Applied to Local Terrain).
Для оценки дороги Spirit и Opportunity использовали пары камер, которые снимали один участок с двух немного разных точек — примерно так же глубину (ну, если упрощенно) воспринимают человеческие глаза. По этим снимкам компьютер определял расстояние до элементов рельефа и получал трехмерную модель пространства перед ровером. После этого GESTALT делил ее на участки размером примерно 20 × 20 сантиметров и оценивал каждый из них: насколько сильно он наклонен, ровная ли там поверхность, нет ли камня, ямы или слишком высокого уступа. В результате получалась карта проходимости, по которой AutoNav мог определить, куда ехать безопасно, а какие участки лучше объехать.
По готовой карте система выбирала следующее действие. Компьютер рассчитывал сразу несколько десятков вариантов движения: примерно 23 траектории вперед, столько же назад и несколько поворотов на месте. Эти траектории представляли собой дуги разной кривизны — от движения почти по прямой до достаточно резкого поворота. Каждый вариант оценивался по нескольким параметрам: не проходит ли он через опасный участок, насколько приближает ровер к заданной точке и сколько времени потребуется на поворот колес. Выбрав лучший вариант, марсоход проезжал примерно полметра, снова снимал местность и повторял расчет.
Позже навигацию Spirit и Opportunity доработали, на что у разработчиков хватало времени (вы же помните расчетный и реальный срок эксплуатации этих ветеранов на Марсе?). Изначально AutoNav выбирал лучший вариант движения только в пределах участка, который ровер видел перед собой. Из-за этого большое препятствие он мог обходить не самым удачным путем или долго искать проход. Добавленный позднее планировщик Field D* позволял учитывать уже построенную карту и прокладывать более длинный маршрут вокруг таких препятствий.
Еще одним важным дополнением стала визуальная одометрия. По оборотам колес не всегда можно понять, какое расстояние ровер действительно проехал: на песке колеса могли вращаться почти на месте. Поэтому компьютер сравнивал последовательные снимки камер, находил на них одни и те же детали рельефа и по их смещению определял реальное движение аппарата. Интересное решение, которое стало крайне полезным.
В итоге, все получилось, причем Spirit проехал 7,7 км, а Opportunity — целых 45,2 км. Большую часть маршрутов по-прежнему планировали с Земли, но на сложных участках AutoNav уже позволял роверам самостоятельно выбирать безопасный путь к заданной операторами точке.
Curiosity: усовершенствованный, но все еще ограниченный AutoNav
Curiosity, севший на Марс в 2012 году, унаследовал многие принципы навигации Spirit и Opportunity. На борту стоял радиационно-стойкий процессор RAD750 с частотой 200 МГц, 256 МБ оперативной памяти и 2 ГБ флеш-памяти. По земным меркам характеристики были скромными, но по сравнению с 20-мегагерцевым RAD6000 предыдущих роверов вычислительная мощность заметно выросла.
Маршрут по-прежнему готовили на Земле. По полученным от Curiosity снимкам операторы выбирали цель и задавали точки, через которые аппарат должен был пройти. Хорошо изученный и безопасный участок ровер мог проехать по заранее заданной траектории без постоянного анализа окружающей местности. Когда такой маршрут заканчивался, Curiosity мог перейти на AutoNav и продолжить движение к указанной цели уже самостоятельно.
В автономном режиме камеры снимали пространство перед ровером, компьютер строил трехмерную модель поверхности и оценивал возможные варианты движения. После короткого проезда процедуру приходилось повторять: остановиться, сделать новые снимки, обработать их, выбрать следующий безопасный участок и только потом продолжить движение. Поэтому AutoNav заметно уступал в скорости движения по заранее заданному операторами маршруту.
Важную роль играла и визуальная одометрия, унаследованная со Spirit и Opportunity. Это ну очень сильно пригодилось на песке и склонах, где по одним оборотам колес нельзя было точно определить пройденное расстояние. Если проскальзывание становилось слишком большим, ровер мог остановить движение, не дожидаясь команды с Земли. И технологии постоянно совершенствовались.
Так, в 2023 году Curiosity получил крупное обновление программного обеспечения, затронувшее в том числе AutoNav. Раньше во время автономного движения ровер проезжал небольшой отрезок, останавливался, снимал местность и мог около минуты ждать, пока компьютер обработает изображения и выберет дальнейший путь. После обновления обработка стала быстрее, остановки сократились до нескольких секунд. Правда, сам принцип не изменился: Curiosity все равно приходилось периодически останавливаться для обработки снимков и расчёта следующего участка.
Perseverance: ну наконец-то навигация без постоянных остановок
У Perseverance, прибывшего на Марс в 2021 году, появилась отдельная вычислительная система для работы с изображениями — Vision Compute Element (VCE). В ее основе лежит еще один процессор RAD750 и программируемая матрица Xilinx Virtex-5QV. На VCE перенесли обработку стереоизображений и часть вычислений визуальной одометрии, которые раньше выполнял основной бортовой компьютер.
Изменилась и система камер. Они получили угол обзора около 90 градусов и разрешение 1280 × 960 пикселей. За один снимок Perseverance видит больший участок местности и получает больше данных о рельефе. При этом VCE может обрабатывать изображения параллельно с работой основного компьютера.
Для автономного движения используется алгоритм ENav (Enhanced Autonomous Navigation). По стереоснимкам он строит карту высот с шагом около 10 сантиметров и отмечает участки, которые могут оказаться опасными для ровера. Затем компьютер просчитывает около 1 700 вариантов движения на расстоянии примерно до шести метров. Из них выбираются наиболее подходящие по направлению, состоянию поверхности и времени прохождения.
После этого несколько лучших вариантов проверяются уже с учетом размеров самого ровера: хватит ли места между камнями, не заденет ли корпус поверхность и сможет ли подвеска пройти выбранный участок. Благодаря всему этому роверу стало проще жить и работать. Его компьютер может не выполнять наиболее сложные расчеты для всех 1 700 вариантов, а подробно проверять только те, по которым действительно имеет смысл ехать.
Главное отличие от Curiosity в том, что Perseverance не нужно останавливаться после каждого короткого отрезка, чтобы рассчитать дальнейший путь. Пока ровер едет по уже выбранной траектории, компьютер обрабатывает новые снимки и заранее рассчитывает, куда двигаться дальше. В NASA такой режим называют thinking while driving — «думать во время движения». Благодаря этому в автономном режиме Perseverance может проходить около 100 метров в час. Для сравнения, максимальная скорость самого ровера составляет примерно 150 метров в час.
К концу 2025 года более 90% пути Perseverance прошел самостоятельно. В июне того же года ровер установил новый рекорд, преодолев 411,7 метра за один сол. А вообще самый большой пройденный самостоятельно путь — 699,9 метра. В декабре 2025 года NASA впервые попробовало использовать для планирования маршрута генеративный ИИ: модель анализировала орбитальные снимки и данные о рельефе и расставляла путевые точки, которые обычно выбирают специалисты на Земле. Perseverance получил готовый набор таких точек, а уже его собственная AutoNav выбирала безопасный путь между ними. В двух экспериментальных проездах аппарат преодолел 210 и 246 метров.
Следующий этап — передать аппаратам больше задач, которые пока выполняются на Земле. Эксперименты с Perseverance уже показали, что ИИ можно использовать для подготовки маршрута, а в будущем бортовые системы смогут учитывать запас энергии, состояние оборудования и научную ценность разных участков. Чем дальше аппарат находится от Земли и чем реже с ним можно связаться, тем больше таких решений ему придется принимать самостоятельно. И это правильно.