Стандартная шариковая ручка не пишет в космосе. Без гравитации чернила отказываются течь. Этот простой сбой иллюстрирует серьёзную проблему в освоении космоса: инструменты, разработанные для использования на Земле, часто становятся бесполезными в условиях микрогравитации. Роботы, несмотря на всю свою технологическую сложность, не являются исключением.
Автономные свободно летающие роботы на Международной космической станции (МКС) часто теряют ориентацию. Без гравитации, которая помогает отличить верх от низа, даже прецизионные датчики страдают от накапливающихся ошибок, из-за чего машины сбиваются с курса. До недавнего времени астронавтам иногда приходилось вмешиваться вручную, прерывая свою плотно расписанный график работы.
Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства (NASA) решило эту постоянную проблему благодаря сотрудничеству с профессором Пёджин Ким и его командой из Института науки и технологий в Кванджу (GIST). Эксперт в области навигационных технологий, профессор Ким предложил алгоритм для значительного подавления этих ошибок. Уменьшив ‘абсолютную ошибку вращения’ примерно до 1–2 градусов в среднем, команда позволила роботам выполнять долгосрочные миссии без необходимости вмешательства человека.
Мы поговорили с профессором Ким, чтобы обсудить, как он адаптировал технологии для космоса и прорыв, который позволяет роботам NASA оставаться на правильном пути.
Сохранение космических роботов с помощью навигации по цифровым двойникам
Международная космическая станция — это колоссальная орбитальная лаборатория, размером примерно с футбольное поле. Она была построена путём соединения модулей, разработанных разными странами. Внутри японского экспериментального модуля ‘Кибо’ усердно работает свободно летающий робот NASA по имени Астроби. Его миссия — взять на себя рутинные обязанности, освободив астронавтов для концентрации на исследованиях. При поминутном расписании любое время, потраченное на техническое обслуживание, является дорогостоящим отвлечением для экипажа.
Однако на практике Астроби не работал так безупречно, как ожидалось. Он часто терял ориентацию, требуя от астронавтов вмешательства для повторной калибровки. Инженеры NASA и команда профессора Кима сотрудничали, чтобы найти способ надёжной работы робота без присмотра, чтобы астронавты могли сосредоточиться на своих критически важных исследованиях.
Корень дезориентации — отсутствие отчётливой гравитации. Наземные роботы полагаются на блок инерциальных измерений (IMU) для определения наклона и ориентации относительно вектора гравитации. Профессор Ким отмечает, что ‘Наземные алгоритмы навигации разработаны на основе гравитации, что затрудняет их применение непосредственно в космосе, где отсутствуют ориентиры’. В результате крошечные ошибки накапливаются со временем, из-за чего робот полностью теряет чувство направления.
Чтобы противостоять этому, команда обратилась к навигации на основе изображений (VBN), позволяя роботу определять свою ориентацию, видя своё окружение через камеры. Сначала команда предполагала, что простого внедрения устоявшейся технологии будет достаточно. Они ошибались.
Внутренняя часть станции представляет собой хаотичное нагромождение кабелей, экспериментальных установок и плавающих личных вещей. Вид, доступный в одну минуту, может быть заблокирован дрейфующим планшетом в следующую. Эта непредсказуемость сбивала с толку стандартные системы навигации. ‘Мы думали, что сможем применить земные технологии’, — вспоминает профессор Ким. ‘Они не работали надёжно в условиях МКС’.
В отличие от хаотичной реальности Международной космической станции (слева), цифровой двойник (справа) свободен от визуальных отвлекающих факторов. Изображение: KimPyoJin. GIST
Прорыв произошёл в виде ‘цифровых двойников’, точных трёхмерных копий физического пространства. Используя чертежи NASA, команда построила очищенную виртуальную модель МКС, лишённую всего временного беспорядка. Робот был запрограммирован сверять нечёткий видеопоток в реальном времени со своих камер с чистыми изображениями, полученными из цифрового двойника.
Профессор Ким объясняет: ‘Цифровой двойник служит основой истины, позволяя роботу отфильтровывать визуальный шум и перекалибровать своё положение’. С этими исправленными данными робот интерпретирует своё окружение как совокупность линий и плоскостей. Эти извлечённые геометрические особенности служат ‘визуальным компасом’, обеспечивая абсолютную направленность. Система использует ‘Принцип мира Манхэттена’, принцип, утверждающий, что искусственная среда состоит в основном из ортогональных поверхностей, таких как стены и полы, встречающиеся под прямыми углами. Модули МКС в форме коробок являются идеальным испытательным стендом для этого подхода. Зацепившись за эти структурные геометрии, робот может триангулировать своё положение с минимальной ошибкой.
Команда достигла возможности навигации без дрейфа. Применив новую технологию, средняя ошибка вращения была снижена до 1,43 градуса — цифра, которая не увеличивается со временем. Роботу больше не нужна человеческая рука, чтобы направлять его.
Профессор Ким предполагает, что эта технология будет полезна на Земле, а не только в космосе. Она может служить руководством для дронов и роботов в помещениях, где сигналы GPS недостижимы. Система полагается на визуальные данные для обнаружения структурных закономерностей, что делает её идеальной для зданий, заполненных линиями и плоскостями. Профессор Ким отмечает, что ‘методы ориентации, основанные на этих структурных особенностях, применимы не только к космическим станциям, но и к типичным городским условиям’.
Идеи из сотрудничества с NASA
Спросите профессора Кима, почему человечество должно стремиться в космос, и его ответ будет поразительно прямолинейным: ‘Потому что космос теперь имеет реальную экономическую и промышленную ценность, показывая коммерческий потенциал’.
С появлением SpaceX, доказавшей, что космос может быть бизнесом, а не просто границей, появилась волна стартапов, нацеленных на всё: от лунного майнинга до сборки спутников. Тем не менее NASA остаётся молчаливым партнёром этого взрыва в частном секторе. Его накопленные за десятилетия технологии и таланты формируют основу, на которой строятся эти новые предприятия.
Именно эта экосистема привлекла профессора Кима, изначально специалиста по дронам, в этот круг. Его путь начался со стажировки в Исследовательском центре NASA Ames во время его докторских исследований. Центр тогда активно занимался разработкой Астроби. Чтобы имитировать микрогравитацию, исследователи запускали робота на столах с воздушными подшипниками, используя струи углекислого газа, манипулируя освещением, чтобы тщательно проверить его способность ориентироваться.
Профессор Ким Пёджин из GIST сотрудничал с NASA для разработки технологии навигации для Астроби, автономного свободно летающего робота на Международной космической станции. Изображение: Popular Science Korea
Это исследование было естественным для опыта профессора Кима. Его время в агентстве показало, что наземные дроны и космические роботы имеют одинаковую теоретическую основу, несмотря на их совершенно разные среды. Логика построения карты окружающей среды и определения местоположения универсальна, различаясь в своём применении.
Связи, установленные тогда, длились почти десятилетие, эволюционировав в текущее совместное исследование. Ким выразил свою благодарность: ‘Это исследование было бы невозможно без помощи моего наставника в то время, доктора Брайана Колтина, моих коллег из NASA, моего нынешнего соисследователя доктора Райана Саусана и доктора Терри Фонга, которые предоставили возможности для стажировки и совместных исследований’.
Профессор Ким был особенно поражён отношением агентства к неудачам. Во время своего пребывания там он стал свидетелем того, как NASA проводит смелые эксперименты, поддерживаемые значительными бюджетами и исключительными талантами. ‘Потому что только успешные проекты публикуются, кажется, что они никогда не терпят неудач’, — сказал профессор Ким. ‘Но за каждым публичным триумфом стоят десятки тихих неудач’. Он отмечает, что сила агентства заключается в готовности терпеть эти неудачи для достижения одного прорыва.
Этот акцент на реальном воздействии сформировал их стандарты оценки. Помимо традиционных академических показателей, NASA уделяло особое внимание реальному влиянию и практической значимости исследований. Хотя обычной практикой является представление двух статей после получения докторской степени, некоторые исследователи представили только одну или решили поделиться своими результатами на серверах препринтов, таких как arXiv, а не в официальных журналах.
‘Несмотря на свой консервативный характер как государственного агентства, NASA удивительно открыто в своём подходе к исследованиям’, — вспоминает Ким. ‘Я был впечатлён культурой оценки внутренней ценности и вклада исследований, а не просто результатов’.
Устойчивые инвестиции в науку проложили путь к созданию обширной промышленной инфраструктуры и бесчисленным космическим стартапам, возглавляемым выпускниками NASA. Профессор Ким указывает на устойчивую экосистему США производителей, специализирующихся на компонентах ‘космического класса’, способных выдерживать экстремальные условия. Это создало virtuous cycle, где государственные инвестиции взращивают таланты и технологии, подпитывая волну стартапов, которые движут частным сектором.
Для тех, кто стремится присоединиться к агентству, профессор Ким даёт совет, основанный на реализме.