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Tecnología

Cómo la NASA construyó un automóvil autónomo para su próxima misión a Marte


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Ya es bastante difícil conseguir que un vehículo autónomo funcione en la Tierra. Es aún más difícil en otro planeta.

A finales de este mes, se espera que la NASA lance su último rover de Marte, Perseverance, en una misión única en su tipo al Planeta Rojo. Su trabajo es recolectar y almacenar muestras geológicas para que eventualmente puedan ser devueltas a la Tierra. Perseverance pasará sus días hurgando en el cráter Jezero, un antiguo delta del río marciano, y las muestras que recolecte pueden contener la primera evidencia de vida extraterrestre. Pero primero tiene que encontrarlas. Para eso, necesita algunas computadoras muy buenas, al menos para los estándares marcianos.

Perseverance es significativamente más autónomo que cualquiera de los cuatro rovers anteriores de la NASA y está diseñado para ser lo que Philip Twu, un ingeniero de sistemas robóticos del Laboratorio de Propulsión de la NASA, llama a un “automóvil autónomo en Marte”. Al igual que los de la Tierra, Perseverance navegará utilizando una serie de sensores que alimentan datos a algoritmos de visión artificial. Pero mientras que los vehículos terrestres autónomos están equipados con las mejores computadoras que el dinero puede comprar, la computadora principal de Perseverance es tan rápida como una PC de alta gama … de 1997. La única forma en que el diminuto cerebro de Perseverance es capaz de manejar toda esta conducción autónoma es porque la NASA le dio una segunda computadora que actúa como un controlador robótico.

En rovers anteriores, el software de navegación tenía que compartir recursos informáticos limitados con todos los demás sistemas. Entonces, para ir de un punto a otro, el rover tomaría una foto para tener una idea de su entorno, conduciría un poco y luego se detendría durante unos minutos para determinar su próximo movimiento. Pero dado que Perseverance puede descargar muchos de sus procesos de navegación visual a una computadora dedicada, no tendrá que adoptar este enfoque intermitente para la exploración marciana. En cambio, su computadora principal puede descubrir cómo llevar a Perseverance a donde se supone que debe ir, y su computadora de visión artificial puede asegurarse de que no golpee ninguna piedra en el camino. “Nos estamos acercando cada vez más a poder conducir y pensar continuamente”, dice Twu.

La autonomía es fundamental para la misión de Perseverance. La distancia entre la Tierra y Marte es tan grande que una señal de radio que viaja a la velocidad de la luz puede tardar hasta 22 minutos en hacer un viaje de ida. La gran demora hace que sea imposible controlar un rover en tiempo real, y esperar casi una hora por un comando para hacer un viaje de ida y vuelta entre Marte y la Tierra tampoco es práctico. Perseverance tiene un programa abarrotado: necesita dejar un pequeño helicóptero para las pruebas de vuelo, luego recolectar docenas de muestras de rocas y encontrar un lugar en la superficie para almacenarlas. (Una misión posterior traerá el caché de regreso a la Tierra para que pueda ser estudiado en busca de signos de vida). Si el rover tiene alguna esperanza de lograr todo esto en el año asignado para su misión principal, debe poder hacer muchas decisiones de navegación por sí mismo.

Los vehículos autónomos terrestres suelen utilizar láseres para determinar dónde está un objeto y qué tan lejos puede estar, pero estos sistemas Lidar son voluminosos, consumen mucha energía y son propensos a fallas mecánicas. En cambio, Perseverance utilizará la visión estereoscópica y la odometría visual para averiguar dónde está en el planeta rojo. La visión estéreo combina dos imágenes de una “cámara izquierda” y una “cámara derecha” para crear una imagen en 3D de los alrededores del rover, mientras que el software de odometría visual analiza imágenes separadas en el tiempo para estimar qué tan lejos se ha movido el rover.

“Estábamos preocupados por la confiabilidad mecánica de Lidar para una misión espacial”, dice Larry Matthies, científico investigador senior y supervisor del grupo de visión por computadora en el Laboratorio de Propulsión de la NASA. “Empezamos a utilizar la visión estéreo para la percepción 3D en el JPL hace décadas, cuando los Lidars eran mucho menos maduros, y ha funcionado bastante bien”.

Matthies ha ayudado a construir los sistemas de navegación visual para todos los rover que alguna vez han viajado a Marte. Aparte de Sojourner, el primer rover de la NASA en el Planeta Rojo, todos sus exploradores móviles han utilizado una combinación de visión estéreo y odometría visual para moverse. Pero lo que hace que Perseverance sea especial es que tiene hardware dedicado y un conjunto de nuevos y sofisticados algoritmos para la visión artificial.

Las nuevas gafas digitales de Perseverance le permitirán navegar de forma autónoma por su entorno varias veces más rápido que sus predecesores, lo que significa que el rover tiene más tiempo para concentrarse en sus principales objetivos científicos. Aun así, a Perseverancia le tomará un día completo recorrer la misma distancia que un perezoso puede cubrir en una hora. Pero en comparación con los exploradores de Marte anteriores de la NASA, Perseverance es un hot rod. “El recorrido más largo que haya hecho un vehículo de exploración marciana en un día es de 219 metros”, dice Twu. “Somos capaces de conducir alrededor de 200 metros por día, por lo que, en promedio, la perseverancia alcanzará o superará el récord actual de los rovers de Marte”.
No es culpa de Perseverance que piense lentamente; culpemos a la radiación. Marte no tiene un campo magnético o una atmósfera espesa para protegerlo de las partículas cargadas que fluyen del sol, y estas partículas pueden causar estragos en una computadora. Pueden hacer que los transistores se enciendan y apaguen cuando no se supone que deben hacerlo, y si se acumulan suficientes de estos errores, pueden hacer que una computadora falle. Esto podría causar una pérdida de datos valiosos, o el fracaso de toda la misión, por lo que los ingenieros de la NASA hacen todo lo posible para evitar que ocurran choques en primer lugar.

Existen muchas técnicas para hacer que una computadora sea inmune a la radiación. Por ejemplo, es posible agregar transistores adicionales que son más difíciles de encender y apagar, lo que los hace menos propensos a ser volteados por un ion rebelde. Minal Sawant, el arquitecto de sistemas espaciales de Xilinx, una compañía de tecnología de California que diseñó y construyó el chip de visión artificial para Perseverance, dice que el chip está endurecido por radiación por diseño. Según las pruebas de calificación realizadas por la empresa, el chip no debería experimentar más de dos errores de volteo de bits (en los que un ion hace que un poco de información almacenada en la memoria cambie de uno a cero o viceversa) por año.

Pero, en términos generales, proteger un procesador de la radiación requiere comprometer su rendimiento. Esto tiene que ver en parte con el diseño del procesador y en parte con el hecho de que simplemente lleva mucho tiempo probar la inmunidad de un componente a la radiación. Cuando se califica un componente, el rendimiento de los procesadores de última generación se ha adelantado. Los ingenieros de la NASA no quieren utilizar tecnología antigua; pero quieren utilizar tecnología que saben que funcionará. El tipo de chip Xilinx que usa Perseverance ha volado en varias misiones espaciales anteriores y tiene casi una década de datos de rendimiento para respaldarlo.

“La industria espacial estadounidense es tradicionalmente renuente al riesgo, y eso tiene una lógica”, dice Sawant. “Un pequeño error puede hacer que toda una misión se vaya al sur, por lo que quieren usar un componente que ya ha estado en el espacio en lugar de probar nueva tecnología. La confiabilidad es clave”.

La computadora de visión artificial de Xilinx ejecutará nuevos algoritmos de visión desarrollados por Twu, Matthies y sus colegas en la NASA. A diferencia de los autos autónomos en la Tierra, Perseverance no tiene el lujo de un banco de computadoras poderosas en su maletero para el procesamiento de imágenes. La energía y la potencia de procesamiento son recursos valiosos en el planeta rojo, lo que significa que los algoritmos que utiliza Perseverance para navegar deben ser lo más ajustados y eficientes posible, sin comprometer su precisión.

“El algoritmo siempre puede cometer un error, incluso si el hardware es perfecto”, dice Matthies. “En la visión por computadora, hay valores atípicos que hacen que el algoritmo cometa errores. Y entonces tenemos que superar esa posibilidad “. Los valores atípicos pueden incluir una situación en la que el rover no puede ver un objeto o lo confunde con otra cosa. Una solución a este problema es alimentar los datos del sistema de navegación del rover desde otros sensores para que no se dependa solo de la vista para moverse. Por ejemplo, los giroscopios y acelerómetros ayudan al rover a comprender la pendiente y la rugosidad de la superficie.

La otra solución es exponer los algoritmos del rover a tantos escenarios como sea posible antes de su lanzamiento para que no haya sorpresas cuando llegue a Marte. En el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA en Pasadena, hay un gran campo al aire libre sembrado de rocas y tierra roja que simula un paisaje marciano. Este es el Mars Yard, y durante los últimos años ha servido como campo de pruebas para los algoritmos que guiarán a Perseverance. Twu y sus colegas han llevado regularmente una réplica del rover al Mars Yard y han construido escenarios deliberadamente que pensaban que confundirían al rover. Por ejemplo, si el rover llegara a un callejón sin salida, ¿podría dar marcha atrás y probar una nueva ruta?

“Cuanto más complicado es el sistema, más tipos de decisiones podría tomar”, dice Twu. “Asegurarse de haber cubierto todos los escenarios posibles con los que podría encontrarse el rover ha sido un gran desafío. Pero es al hacer muchas pruebas realmente prácticas como esta que encontramos peculiaridades en el algoritmo”.

Pero hay tantas formas diferentes de colocar rocas en una caja de arena gigante. La mayoría de las pruebas de los algoritmos de navegación de Perseverance se probaron en simulaciones virtuales, donde el equipo del rover arrojó todos los escenarios imaginables al software del rover para tener una idea de cómo funcionaría en esas situaciones. Esto todavía consistía principalmente en mezclar rocas (virtuales), pero en realidad no había un límite para los tipos de paisajes y escenarios que se podían modelar. Twu dice que esta prueba exhaustiva de los algoritmos visuales combinada con todos los datos de los sensores extraídos por el rover permitirá a Perseverance navegar por terrenos mucho más difíciles que cualquiera de los otros rovers de Marte.

Pero incluso las simulaciones más perfectas palidecen en comparación con las reales. El rover se someterá a su prueba de mayor riesgo cuando aterrice en el Planeta Rojo el próximo febrero. Si todo va bien, el camino que traza puede llevarnos a evidencia de vida más allá de la Tierra.

Artículo por GQ Magazine

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