Среди технологий, которые проходят сейчас испытание на Марсе, — новации в области робототехники, а также операционная система для встроенных устройств, способных к самоуправлению

Кремниевую Долину отделяет от марсианского кратера Гусева, места посадки аппарата Spirit, огромное расстояние. Однако опыт его создателей может оказать значительное влияние на решение вполне земных проблем в области информационных технологий, полагают некоторые специалисты, участвующие в этом проекте.

При подготовке к экспедиции на Марс двух шестиколесных аппаратов, задача которых, двигаясь по поверхности Красной планеты, изучить ее строение и обнаружить на ней признаки воды, инженеры столкнулись со множеством сложных задач. Не последней из них было расстояние в 170 млн. км, которое необходимо преодолеть и обеспечить связь между марсоходами и центром управления на Земле. Впрочем, решения, найденные в особых условиях многомесячного перелета и последующего путешествия по поверхности Марса, могут быть полезными и в более привычных областях применения.

Как подчеркивают ученые — участники проекта, среди технологий, которые проходят сейчас испытание на Марсе, — новации в области робототехники, а также операционная система для встроенных устройств, способных к самоуправлению.

По словам Эрика Баумгартнера, руководителя группы робототехники Лаборатории реактивных двигателей NASA, разработка марсоходов способствовала развитию методов создания «земных» роботов.

Как отметил Баумгартнер, большинство обычных роботов рассчитано на функционирование в искусственных средах, например на промышленных предприятиях. Такие роботы можно запрограммировать на распознавание набора предопределенных сцен и выполнение одной из известных операций в известное время. Например, робот на конвейере автозавода «знает», откуда появляются на сборочной линии двигатели или кузова и куда их необходимо поместить.

Между тем марсоходы Spirit и Opportunity путешествуют в совершенно новом мире.

«Эти условия коренным образом отличаются от режима, в котором используются промышленные роботы. Мы работаем в абсолютно неструктурированном и неизвестном окружении, — сказал Баумгартнер. — На Марсе у нас нет возможности полагаться на известные нам сценарии и быть уверенными в том, что все развивается, как предсказывалось».

Марсоходы изучают окружающую их местность с помощью многочисленных датчиков. Каждый аппарат снабжен двумя навигационными камерами для трехмерного отображения поверхности, двумя камерами, задача которых обнаруживать препятствия, а также несколькими панорамными камерами, которые начали исследовать общий вид места посадки на поверхности планеты с того момента, когда марсоходы еще только готовились покинуть спускаемые аппараты.

По словам Баумгартнера, марсоходы не могут просто осматриваться вокруг себя, обрабатывать полученные изображения и решать, куда надо двигаться. Но у операторов на Земле также нет возможности, получив изображения с Марса, взяться за рычаги и напрямую управлять марсоходом. Главным сдерживающим фактором является вычислительная мощность управляющего компьютера. Центральный процессор в каждом марсоходе, рассчитанный на то, чтобы выдержать холод и радиацию Марса, обладает тактовой частотой всего 20 МГц. Поэтому, когда на Марсе наступает ночь и аппарат «засыпает», на Земле более мощные компьютеры обрабатывают результаты его деятельности за прошедший день и направляют новые инструкции относительно того, что делать дальше.

Однако локальные решения (например, как обогнуть небольшое препятствие) марсоход способен принять сам. Информация, поступающая от камер по мере продвижения, помогает ему анализировать местность. Максимальная скорость составляет 5 сантиметров в секунду, при этом марсоход регулярно останавливается, чтобы изучить особенности местности.

Но робот не только «смотрит»; он может исследовать планету посредством искусственной руки, сконструированной коллегами Баумгартнера. «Руки» робота, имеют «плечевые суставы», «локти» и «кисти», что позволяет манипулировать ими. Они также снабжены четырьмя датчиками: микроскопической камерой для съемки объектов на минимальном расстоянии, двумя спектрометрами для минералогического исследования поверхности, а также специальным устройством для того, чтобы делать пробы соскобов. Искусственные руки подчиняются командам операторов, однако небольшие движения осуществляются аппаратом самостоятельно.

Еще одна технология, которая помогает роботам действовать за миллионы километров от центра управления, — это специально доработанная операционная система. Компания Wind River Systems адаптировала VxWorks, свою операционную систему реального времени для встроенных устройств, к требованиям, которые предъявлял проект NASA. В конце концов, как подчеркнул Майк Делиман из Wind River, во время космического полета или на Марсе, невозможно просто нажать на кнопку рестарта, если какая-либо нештатная ситуация завела операционную систему в тупик.

«Космос полон неожиданностей, — говорит Делиман, главный инженер операционной системы для марсоходов. — Когда Microsoft Windows сталкивается с чем-то непредвиденным, вы получаете большой голубой экран. Мы не могли допустить, чтобы происходило что-то подобное».

Первую проверку операционная система, разработанная Wind River для космической экспедиции, прошла еще по пути на Марс, когда в октябре произошла серия сильных вспышек на Солнце. Корабль был снабжен специальными камерами, которые «следят» за звездами, позволяя ему автоматически ориентироваться в космическом пространстве. Вспышки «ослепили» камеры и временно вывели систему ориентации корабля из строя. ОС сумела прервать работу камер, пока солнечный шторм не закончился, а потом вновь дала команду на их включение и корректировку курса космического корабля.

«Аппарат оказался в неожиданных условиях, но поскольку мы знали, как компьютер будет реагировать на них, то определили точно команды, которые ему надо послать в сложившейся ситуации», — сказал Делиман.

Программное обеспечение космического аппарата должно быть устроено очень интеллектуально, особенно в части обработки различных сбоев, поскольку не вполне работоспособное оборудование нет возможности заменить.

По словам Делимана, благодаря гибкости операционной системы NASA удалось диагностировать ошибку в памяти Spirit и после серии неудачных попыток все же перезапустить управляющий компьютер марсохода. ОС оказалась настолько гибкой, что стало возможно опробовать несколько сценариев развития событий.

Многие результаты, полученные Wind River в рамках исследовательского проекта NASA, найдут применение на Земле, где большая часть оборота компании приходится на решения для сетевого оборудования, основанные на операционной системе для встроенных устройств.

«Каждое усовершенствование, которое нам удается сделать в рамках проектов наподобие марсианского, находит затем отражение в коде нашего главного продукта», — сказал Делиман.

К примеру, системным администраторам проще добраться до маршрутизатора, чем до космического корабля. Однако, если этот маршрутизатор отвечает за коммуникации в центральном офисе компании, любой его простой может разрушить функционирование сети, а потому обходится очень дорого. Разработчики операционной системы, поняв, как сохранить работоспособность марсохода при выходе из строя датчика, сумеют в дальнейшем улучшить программное обеспечение маршрутизатора, сделав его устойчивым к сбоям микросхем памяти. Поэтому в таких ситуациях маршрутизатор не будет отказывать, а значит, сети будут простаивать реже.

Космические программы заставляют Wind River работать над тем, чтобы операционная система становилась более надежной и эффективной. В рамках данного проекта программисты компании оптимизировали ряд математических процедур, которые позволили космическому кораблю точно выполнять корректировки курса на пути к Марсу. Как следствие, удалось значительно сэкономить ракетное топливо.

Для ученых и инженеров, участвующих в проекте исследования Марса, каждый рабочий день полон неизведанного. Будто в благодарность за квалифицированную работу, Красная планета каждый день дарит исследователям 39 минут: дни здесь немного длиннее, чем на Земле.

Поделитесь материалом с коллегами и друзьями