Загадка одной фотографии

Георгий Буйволов

Мельком взглянув на помещенную на этой странице фотографию, можно подумать, что на ней изображен американский марсоход, доставленный на Марс 4 июня 1997 г. Сходство поразительное! Однако надпись “Кентавр” на борту аппарата, выполненная кириллицей, сразу вызывает многочисленные вопросы. Не меньшую загадку представляет и почтенный возраст снимка — он сделан более 20 лет тому назад!

Для разгадки тайны старой фотографии перенесемся в 1970 год. На поверхность Луны доставлена советская передвижная автоматическая лаборатория “Луноход-1”. Это стало началом нового этапа космических исследований.

Необходимость применения подвижных планетных комплексов возникла при экзобиологических исследованиях для обеспечения выхода за границы зоны, загрязненной органическими остатками продуктов сгорания топлива двигателей спускаемого отсека. Эту задачу можно решить, используя аппараты сравнительно малых размеров. Однако для того, чтобы приблизиться к интересующим объектам на поверхности планеты в случаях, когда точная посадка в непосредственной близости от них невозможна, а также для проведения целенаправленного изучения обширных районов, сохраняя все преимущества контакта с изучаемой поверхностью, потребовались более крупные подвижные аппараты.

Успех луноходов инициировал разработку подвижных роботов для исследования Марса, причем предполагалось, что марсоходы не будут существенно отличаться от своих предшественников. Но задача оказалась принципиально новой с точки зрения управления движением.

Управление луноходами осуществлялось с Земли специально подготовленным экипажем, состоящим из командира, водителя, штурмана, бортинженера и оператора остронаправленной антенны. Задержка управляющих сигналов с учетом времени на обработку поступающей информации и на синтез команд управления составляла 4-6 с, что наряду с низкой разрешающей способностью передаваемых телевизионных изображений уже создавало определенные трудности для экипажа. Критические ситуации, требующие отхода лунохода назад, возникали в среднем 16 раз на километр пройденного пути.

Для радиолинии Марс — Земля запаздывание может составлять от нескольких минут до десятков минут, в зависимости от взаимного расположения планет на своих орбитах. Серьезным препятствием стал также небольшой период радиовидимости и недостаточная пропускная способность канала связи. В этих условиях успех всей миссии определяется способностью робота активно функционировать в течение длительного времени при отсутствии исчерпывающих указаний с Земли.

Таким образом, в ходе развития космических исследований возникла задача создания автономных устройств (роботов), способных целенаправленно передвигаться по местности со сложным рельефом, идентифицировать препятствия и обходить их, незначительно отклоняясь при этом от ранее выбранной траектории. Такой робот уже должен был обладать не только системами сбора и обработки информации, но и достаточно сложной планирующей системой с элементами искусственного интеллекта.

К середине 70-х годов были разработаны теоретические основы построения автономных систем управления движением планетоходов, созданы соответствующие алгоритмы и пакет компьютерных программ, проведено их исследование методами математического моделирования.

Необходимо было подтвердить их работоспособность в реальном физическом мире. Для этих целей и был создан интегральный робот “Кентавр”.

Робот управлялся вычислительным комплексом М-6000. Связь с ЭВМ и источниками питания осуществлялась через кабель. Синтез системы управления движением был произведен в соответствии с принципом переменной иерархии. Работа управляющей ЭВМ М-6000, являющейся машиной последовательного типа действия и имеющей строго иерархическую систему организации, при помощи программных механизмов была перестроена таким образом, что порядок вызова программ и их ранг в иерархической структуре не были предопределены заранее, а диктовались ходом взаимодействия робота со средой в процессе целенаправленного движения.

Колесная формула шасси — 6в6. Электрический привод каждого колеса имел индивидуальный электродвигатель постоянного тока, планетарный редуктор и механический тормоз с электромагнитным управлением, встроенные в ступицы колес. Размеры шасси в плане — 0,9в0,7 м. То есть “Кентавр” представлял собой макет (коэффициент уменьшения 1:3) колесно-шагающей машины, спроектированной для исследования Марса.

Навигационная система аппарата состояла из гироскопической системы ориентации, включающей курсовой гироскоп и гировертикаль с маятниковой коррекцией, и системы счисления пути с одометром в виде седьмого свободного колеса, подвеска которого позволяла ему перемещаться без отрыва от поверхности при любых допустимых эволюциях робота.

Информация о внешней среде поступала от обзорно-информационной системы, базирующейся на лазерном фазоимпульсном сканирующем измерителе расстояний, и тактильной системы, построенной с использованием контактных микровыключателей и упругих чувствительных элементов. Зона обзора лазерного измерителя — сектор с углом раскрытия 60 градусов в горизонтальной плоскости и сектор с углом раскрытия 110 градусов в вертикальной плоскости. Максимальная измеряемая дальность — до 7 м; число точек измерения в зоне обзора — около 500. Дополнительно робот был оборудован телевизионной камерой, которая использовалась для контроля видимой зоны или в режиме дистанционного управления.

Защита двигателей от перегрузки и перегрева обеспечивалась блоком измерения и ограничения токов. Блок автоматики шасси управлял приводами колес по командам от ЭВМ. Поворот осуществлялся вращением в противоположных направлениях колес левого и правого бортов.

Испытания робота проходили на имитирующем поверхность Марса полигоне: на нем имелись ямы, эскарпы, трещины и камни, а также протяженные склоны и практически любые плавные изменения поверхности. Именно на этом полигоне и был сделан снимок, помещенный в начале статьи. В ходе испытаний исследовалась способность робота к достижению заданных целей в различных режимах движения: в старт-стопном — с проведением обзора и принятием решений во время остановок (10-15 с), в непрерывном — с использованием обзорно-информационной системы в качестве однострочного оптического бампера (56 точек измерения) или по “слепому” методу с идентификацией препятствий с помощью тактильной системы.

На полигоне были полно и всесторонне проверены алгоритмы восприятия и построения локальной модели проблемной среды, планирования и управления движением в сложной обстановке с большим числом препятствий на единицу площади. Испытания показали, что система управления обеспечивает надежное определение опасных зон на рельефе любого класса, построение и реализацию траекторий их обхода и в конечном счете достижение заданных целей без возникновения критических ситуаций. Суммарная длина пройденного по полигону пути достигла 2,5 км.

Изучить поведение робота в критических ситуациях из-за крайне низкой частоты их возникновения оказалось возможным только после их искусственного создания. Несмотря на жесткую методику испытаний система управления, как правило, находила оптимальные пути выхода из критических ситуаций без участия человека-оператора. Аварийных ситуаций (падение с обрыва, опрокидывание, заклинивание между камнями) не было зарегистрировано вообще.

При отсутствии трещин и ям (местность типа “каменистая пустыня” с редко расположенными камнями) достаточно эффективным оказался и непрерывный режим движения с оптическим бампером. “Слепой” метод, как и ожидалось, не позволял обеспечить надежного решения поставленных перед роботом задач.

В целом испытания показали высокую эффективность предложенных методов и алгоритмов управления и подтвердили правильность выбранного направления исследований.

Итак, робот “Кентавр” был создан для наземных исследований. И он свою задачу выполнил. Фотографии этого робота не попали на первые страницы ежедневных газет, но результаты исследований докладывались на всесоюзных совещаниях и международных конференциях по роботототехнике и искусственному интеллекту, на международных симпозиумах по космическим исследованиям и автоматическому управлению в пространстве. Был снят фильм, который смогли посмотреть не только советские, но и зарубежные специалисты. Можно сказать, что робот “Кентавр”, его внешний облик и внутреннее содержание навсегда вошли во всемирную базу знаний. И нет ничего удивительного, что американский марсоход оказался таким похожим на своего российского собрата, который старше его на 20 лет. И, естественно, грустно, что неоднократные попытки доставить подвижные комплексы на поверхность Марса и Фобоса, предпринятые Советским Союзом, а затем и Россией, закончились неудачно. Но это уже совсем другая история.

Статья опубликована в PC Week/RE № (116) 42 от 10/28/97, стр. 57.