Dragan KOSOVAC

1. april 2023.

Još pre nego što je postao homo sapiens, čovek je stvarao alatke, predmete koji će mu olakšati kako svakodnevne poslove, tako i specijalne delatnosti koje se obavljaju retko. Vremenom, kompleksnost ovih pomagala je rasla, prvo u vidu jednostavnih, a zatim i postepeno naprednijih mašina, sve do moderne elektronike. Dok danas gotovo svako u džepu ima neverovatno moćan i svestran lični kompjuter, koji je u stanju da obavlja funkcije za koje je nekome pre samo četvrt veka trebalo petnaestak zasebnih uređaja, njegove mogućnosti i dalje nisu dovoljne da pomognu kada se radi o nekim usko specijalizovanim i izrazito naprednim ljudskim delatnostima, kao što je, naše omiljeno, istraživanje svemira.

Daljinsko upravljanje

Dubine kosmosa veoma su negostoljubive za ljude i ako je moguće poslati robota da obavi neki zadatak, to je mnogo pragmatičnije i bezbednije nego slanje ljudi. Sovjetski Lunohod 1 vozio je po Mesecu pre više od pola veka, istina, direktno daljinski upravljan iz kontrolnog centra na Zemlji. Danas, najnoviji svemirski roveri, koji su stigli na Mars tokom poslednjih nekoliko godina, kao što su Perseverance (NASA) i Zhurong (CNSA) takođe prate komande njihovih ljudskih kontrolora iz zemaljskih kontrolnih centara. Ipak, udaljenost do Marsa toliko je velika da direktno daljinsko upravljanje nije moguće, već se komande ispunjavaju automatizovano, sa vremenskom zadrškom od pet do 20 minuta, u zavisnosti od trenutne udaljenosti između Marsa i Zemlje.

Pored toga što udaljenost između nebeskih tela predstavlja izazov prilikom komunikacije i upravljanja roverima, činjenica je da su neka nebeska tela u našem solarnom sistemu veoma negostoljubiva, te da bi slanje ljudi u takve uslove, sa današnjim stepenom tehnološkog razvoja, predstavljalo nesmotreno kockanje sa njihovim životima. Zbog toga je neophodna konstrukcija robota koji mogu da funkcionišu relativno samostalno i pomognu u istraživanju dalekih, opasnih planeta i njihovih satelita. Sa druge strane, čak i u uslovima kada okolina nije negostoljubiva za ljude, a i moguća je laka daljinska kontrola rovera (kao što je, na primer, površina Meseca), opet su autonomni kosmo-roboti najbolje rešenje, kako za dugotrajne istraživačke misije, tako i kao „radna snaga” koja bi se koristila prilikom pripreme terena i konstrukcije trajnih baza na nebeskim telima.

ARCHES

Sve navedeno samo je deo razloga zašto je pod okriljem nemačke svemirske agencije DLR (Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt, doslovno Nemački centar za putovanje vazduhom i svemirom) pokrenut program ARCHES (Autonomne robotske mreže za pomaganje u modernom društvu). Naime, pošto je rad u negostoljubivim uslovima dubokog svemira, sa tehničke strane, prilično sličan radu u okeanskim dubinama, robotski sistemi koji se razvijaju istovremeno će moći da se primene i pri istraživanju kosmosa i pri radu u morskim dubinama. Projekat se, tako, odvija u saradnji sa evropskom svemirskom agencijom ESA, kao i u okvirima Helmholcove asocijacije, organizacije koja povezuje više naučnih ustanova u Nemačkoj, kao što su KIT (Institut tehnologije u Karlsrueu), AWI (Institut Alfred Vagner za polarna istraživanja u Bremerhafenu), GEOMAR (centar za istraživanje okeana u Kielu) i Institut za robotiku i mehatroniku, pri sedištu DLR-a u Minhenu.

Cilj ovog programa je stvaranje modularnog računarskog sistema, čije su robotske komponente dovoljno robusne da se nose sa izazovima ekstremnih okruženja u kojima moraju da funkcionišu, ali da su u prvom planu lakoća konfigurisanja elemenata celog sistema, kao i izmenjivost komponenata na samim robotima, bilo da se radi o delovima senzorskog sistema, robotizovanim hvataljkama za manipulaciju svime, od osetljivih uzoraka do velikih građevinskih elemenata ili, pak, sistemu za kretanje samog robota. Takođe, u okviru sistema koji je podešen po želji korisnika i potrebama projekta, neophodno je da svaki pojedinačni robot bude u stanju da autonomno donosi širok spektar odluka vezanih za njegove pojedinačne dužnosti, kao i da centralni računar bude u stanju da na osnovu parametara misije određuje značaj svake neophodne operacije i raspoređuje zadatke robotima ili senzorskim baterijama. Konačni cilj je stvaranje kompleksne alatke koju može da koristi i opslužuje naučno osoblje čija specijalizacija nije iz domena robotike ili programiranja.

Komponente

U okviru projekta ARCHES razvijeno je pet specijalizovanih komponenata. Na prvom mestu je prosto nazvani Lander, najveći deo sistema koji je, naravno, sonda za spuštanje ostalih komponenata na površinu drugog nebeskog tela, a njegova konstrukcija je u formi manje-više klasične „velike kutije”. Sastavni delovi Landera su centralni računar za kontrolu celog sistema, antene za komunikaciju sa bazom na Zemlji, kao i sa ostalim članovima ARCHES familije, solarni paneli i baterije za vlastite potrebe napajanja strujom, kao i dopunjavanje ostalih robota. Lander je zamišljen kao baza sistema, čija je najbitnija funkcija prikupljanje podataka od svih ostalih delova, njihova obrada na licu mesta za potrebe izvršavanja misije i upravljanja robotima, a zatim i slanje ka Zemlji radi detaljne analize.

Sledi ARDEA, izviđački sistem u vidu micro-quadcopter drona sa stereo ultrawide kamerom (vidno polje od 240 stepeni horizontalno i 90 stepeni vertikalno) i baterijom od 104 vat-časa koja mu omogućava autonomiju od 10 minuta leta. Tokom tog vremena ARDEA je u stanju da automatizovano mapira željeni deo terena i samostalno obavi preliminarnu analizu snimljene mape i odredi zone u kojima mogu da se nađu objekti od značaja za misiju. Da bi mogao da obavlja sve svoje funkcije, ARDEA koristi tri procesora. Na prvom mestu, glavni kompjuter drona pokreće dvojezgarni Core-i7 na 3,0 gigaherca,zatim, kontrolnu jedinicu pokreće BeagleBone ARM procesor, a, na kraju, tu je i Spartan 6LX75 FPGA. Takođe, ovaj dron može da se koristi kao pokretni komunikacioni relej, za slučaj da se neki od rovera udalji van komunikacionog dometa Landera.

Što se samih rovera tiče, za potrebe programa ARCHES konstruisana su dva modela, sa istom osnovom, ali različitim dodacima. Prvi je LRU1 (Lightweight Rover Unit, engl. lagani roverski uređaj), a drugi, pogađate LRU2. Oba rovera dele više zajedničkih karakteristika. Na prvom mestu su oblik i veličina centralnog „tela”, kao i nekolicina navigacionih modula, kao onaj sa osnovnom stereo-kamerom. Identičan im je i sistem za kretanje koji se sastoji od četiri pomične noge na čijim su krajevima, umesto stopala, nezavisno pokretni metalni točkovi. Roveri koriste iste baterije - dve od po 208 vati-sati, što je dovoljno za više od 90 minuta autonomije. Na kraju, identične su im i računarske komponente, koje čine četvorojezgarni Core-i7 na 2,7 gigaherca u ulozi srca centralnog kompjutera rovera pa Intelov Atom na mestu kontrolnog računara i programabilni Spartan 6LX75 za posebne funkcije.

Glavne razlike između ova dva rovera ogledaju se u njihovoj primarnoj nameni. Naime, LRU1 je „posmatrač”, a LRU2 funkcioniše kao „sakupljač i nosač”. Tako se na LRU1 nalazi dockingbay za dron ARDEA i sa njim može da razmenjuje podatke koje koristi pri stvaranju vlastitih mapa terena. Takođe, sam rover ima mnogo veću „glavu” od svog brata, jer nosi napredni sistem stereo i uskougaonih kamera sa spektralnim i termalnim senzorima i nizom filtera koji mogu da se smenjuju po potrebi. LRU2, sa druge strane, takođe raspolaže sa softverom za mapiranje, ali njegova specijalnost je robotizovana ruka koja može da obavlja širok spektar funkcija. Na prvom mestu je postavljanje infrastrukture: što duže misija traje, to su roveri dalje od Landera, pa je potrebno postaviti statične odašiljače. Sledeće je pomeranje instrumenata. Kako bi se vreme rovera iskoristilo što bolje, razvijeni su nezavisni senzorski moduli koji se postavljaju na željenu lokaciju da obavljaju svoja merenja i analize, a rover ide dalje „svojim poslom”, a to može da bude sve, od sakupljanja uzoraka, do organizacije specijalnih paketa iz Landerovog „kargo” odeljenja, takozvanih Payload Boxova. Radi se o uniformnim pravougaonim prizmama sa specijalnom „drškom”, koju hvataljka na LRU2 lako može da uhvati. Svaka kutija opremljena je QR markerima za laku identifikaciju, kao i radio-CPT lokatorom. Među kutijama sa naučnom opremom, izdvajaju se moduli LOFAR i LIBS. LOFAR je radio-antena niske frekvencije za praćenje lokacija svih elemenata sistema, dok je LIBS laserski spektroskop za analizu uzoraka tla.

• • •

Svi navedeni elementi projekta ARCHES testirani su prošle godine tokom mesec dana u „uslovima sličnim vanzemaljskim” - na obroncima vulkana Etna na Siciliji. Ova lokacija izabrana je zbog specifičnih svojstava tla, a to je kombinacija vulkanskog peska, šljunka i čvrstih ploča nastalih od tokova lave. Tokom testiranja, uspešno su obavljena tri eksperimenta. Prvi je bio polu-autonomno prikupljanje geoloških uzoraka. Drugi eksperiment je pokrio postavljanje mini-telekomunikacione mreže i otkrivanje i sakupljanje paketa sa uzorcima koje je „ostavila prethodna misija”. Treći eksperiment pokrio je autonomno širenje radio-mreže, u skladu sa promenjivim parametrima „misije koju istovremeno obavlja grupa astronauta”. Zadovoljni uspešnim ispunjenjem svih eksperimenata, razvojni timovi vratili su se u svoje laboratorije da nastave sa prilagođavanjem i unapređivanjem svojih konstrukcija, kako za sledeće testiranje na dnu mora, tako i za potencijalne misije na površini Meseca.