Баланс между риском и вознаграждением при исследовании планет

Марсоходы НАСА стремятся к революционным научным открытиям, путешествуя по марсианскому ландшафту. В то же время экипажи, управляющие роверами, делают все возможное, чтобы защитить их и миллиарды долларов, вложенные в миссию. Этот баланс между риском и вознаграждением определяет решения о том, куда направятся марсоходы, какими путями они туда доберутся и какие научные открытия они сделают.

Исследователи из Института робототехники (RI) Школы компьютерных наук разработали новый подход к балансированию рисков и научной ценности отправки планетарных роверов в опасные ситуации.

Дэвид Веттергрин, профессор-исследователь из Род-Айленда, и Альберто Кандела, получивший докторскую степень. в робототехнике и в настоящее время является специалистом по данным в Лаборатории реактивного движения НАСА, представит свою работу «Подход к науке и исследованию планетарных вездеходов с учетом рисков» на Международной конференции IEEE и RSJ по интеллектуальным роботам и системам в конце этого месяца в Киото, Япония. Статья также опубликована в IEEE Robotics and Automation Letters. «Мы рассмотрели, как сбалансировать риск, связанный с посещением сложных мест, и ценность того, что вы можете там обнаружить», — сказал Веттергрин, который десятилетиями работал над автономными исследованиями планет в Университете Карнеги-Меллона. «Это следующий шаг в автономной навигации и в получении большего количества более качественных данных в помощь ученым».

В своем подходе Веттергрин и Кандела объединили модель, используемую для оценки научной ценности, с моделью, которая оценивает риск. Научная ценность оценивается с помощью уверенности робота в его интерпретации минерального состава горных пород. Если робот считает, что он правильно идентифицировал камни, не нуждаясь в дополнительных измерениях, он может выбрать новое место. Однако, если уверенность робота низка, он может решить продолжить изучение текущей области и улучшить свою минералогическую модель. Ровер Zoe, который десятилетиями тестировал технологии на предмет автономности, использовал предыдущую версию этой модели во время экспериментов в 2019 году в пустыне Невада.

Исследователи определили риск с помощью модели, которая использует топографию местности и типы материалов, составляющих местность, чтобы оценить, насколько сложно будет марсоходу добраться до определенного места. Крутой холм с рыхлым песком может помешать миссии марсохода — настоящая проблема на Марсе. В 2004 году НАСА высадило на Марс два марсохода Spirit и Opportunity. Миссия Spirit закончилась в 2009 году, когда он застрял в песчаной дюне, а его колеса пробуксовывали при попытке двигаться. Opportunity продолжался и работал до 2018 года. Веттергрин и Кандела протестировали свою структуру, используя реальные данные о поверхности Марса. Пара отправила смоделированный марсоход, снующий по Марсу, используя эти данные, наметив различные пути в зависимости от различного риска, а затем оценила научные данные, полученные в результате этих миссий.

«Марсоход сам по себе отлично справился», — сказал Кандела, описывая смоделированные миссии на Марс. «Даже при моделировании высокого риска марсоход все еще мог исследовать множество областей, и мы обнаружили, что все еще делаем интересные открытия». Это исследование основано на десятилетиях работы RI по автономному исследованию планет. Документы, относящиеся к 1980-м годам, предлагают и демонстрируют методы, которые позволили бы марсоходам автономно перемещаться по поверхности других планет, а технологии, разработанные в ходе этого исследования, использовались в последних марсоходах.

Пионерские исследователи автономных технологий в CMU предложили Ambler, самостоятельного шестиногого робота, который может расставлять приоритеты для своих целей и прокладывать собственный путь в таких местах, как Марс. Команда протестировала шестиметрового робота в начале 1990-х годов. Затем последовали другие марсоходы, в том числе «Ратлер», «Номад» и «Гиперион» — марсоход, предназначенный для того, чтобы следовать за солнцем, когда оно путешествует для зарядки своих батарей.

Zoe начала свою работу в суровых условиях в 2004 году и преодолела сотни миль в пустыне Атакама в Чили, среде, во многом похожей на Марс. К 2012 году миссии Зои в пустыне сместились, чтобы сосредоточиться на автономном исследовании и решениях, лежащих в основе того, куда идти и какие образцы собирать. Год спустя марсоход самостоятельно решил пробурить почву пустыни и обнаружил то, что оказалось необычными, узкоспециализированными микробами, продемонстрировав, что автоматизированная наука может привести к ценным открытиям.

Кандела и Веттергрин надеются проверить свою недавнюю работу над Зоей во время предстоящей поездки в пустыню Юты. Пара также считает, что их исследования вносят ценный вклад в будущие исследования Луны. Их подход может быть использован учеными в качестве инструмента для предварительного изучения потенциальных маршрутов и уравновешивания риска этих маршрутов с научными знаниями, которые могут быть получены. Этот подход также может помочь поколению автономных вездеходов, отправленных на поверхность планет для проведения научных экспериментов без необходимости постоянного участия человека. Ровер мог оценить риск и вознаграждение, прежде чем прокладывать собственный курс. «Наша цель — не устранить ученых, не исключить человека из расследования», — сказал Веттергрин. «На самом деле, цель состоит в том, чтобы сделать роботизированную систему более продуктивной для ученых. Наша цель — собрать больше и лучше данных, чтобы ученые могли использовать их в своих исследованиях».

Источник

На этой карте показаны возможные маршруты, спланированные с помощью нового подхода к моделированию, позволяющего сбалансировать риски отправки автономных роботов в новые места с ценностью того, что там может быть обнаружено. Кредит: Университет Карнеги-Меллон