Ny metod kan göra det möjligt för team med flera robotar att självständigt och tillförlitligt utforska andra planeter

by Albert
The rocker bogie runt rover has been selected as it has a small form factor and utilises off the shelf components. Credit: Sarah Swinton.

Robotforskare har utvecklat alltmer sofistikerade system under de senaste decennierna, men det är ofta en utmaning att säkerställa att dessa system kan arbeta autonomt i verkliga miljöer utan missöden. Detta är särskilt svårt när dessa robotar är utformade för att användas i komplexa miljöer, inklusive rymden och andra planeter.

Forskare vid University of Glasgow har nyligen utvecklat en ny metod som kan göra det möjligt för team med flera rovers att autonomt och tillförlitligt utforska andra planeter. Metoden, som presenteras i en artikel som förpublicerats på arXiv, bygger på data från olika källor, t.ex. bilddata, kartor och information som samlats in av sensorer, för att planera effektiva rutter för de olika robotarna i ett team.

”Att använda ett team av rovers för planetarisk utforskning för att utforska Mars yta, snarare än en enda rover, kan avsevärt utöka den vetenskapliga kapaciteten för ett uppdrag”, säger Sarah Swinton, försteförfattare till artikeln, till Tech Xplore. ”Alla rovers för planetarisk utforskning måste ha en viss grad av autonomi, eftersom kommunikationsfördröjningarna mellan jorden och Mars gör det extremt svårt och tidskrävande för människor att utföra drivåtgärder. Att använda ett team av rovers lägger ytterligare tonvikt på autonomi, eftersom svårigheten att samordna deras beteenden ökar för mänskliga operatörer.”

Det primära målet med den studie som Swinton och hennes medarbetare nyligen genomförde var att på ett effektivt sätt ta itu med ett gammalt forskningsproblem inom robotik: Att effektivt ta itu med autonoma planetariska utforskningsuppdrag med flera robotar. För att göra detta utvecklade teamet en uppdragsplanerare för flera rovers som gör det möjligt för ett team med flera rovers, små robotar avsedda för rymdutforskning, att autonomt, säkert och effektivt utforska ett område på Mars yta.

”Den metod vi föreslog gör det möjligt för ett robotteam att autonomt utforska Mars yta genom två viktiga steg: kartgenerering och uppdragsplanering”, förklarar Swinton. ”Först skapas en karta över miljön med hjälp av data från Mars Reconnaissance Orbiter. Vi använde särskilt data från Jezero-kratern, där NASA:s rover Perseverance för närvarande arbetar.”

Efter att ha skapat en karta över den miljö som rovern kommer att utforska på Mars analyserar teamets planerare kartan och delar upp den i olika regioner och markerar delar med terräng som rovern säkert kan ta sig igenom. Därefter lägger planeraren över en sannolikhetsfördelningskarta, som visar sannolikheten för att rovern ska stöta på platser av vetenskapligt intresse på specifika platser i den miljö som den utforskar.

”Dessa punkter kan representera stenar som vi vill att rovern ska ta prover från”, säger Swinton. ”När kartan har skapats söker vår uppdragsplanerare igenom miljön för att identifiera en effektiv rutt som ökar sannolikheten för att hitta de intressanta platserna. Därefter identifieras en samordnad uppsättning säkra vägar för varje medlem i roverteamet.”

Den uppdragsplanerare för flera rovers som Swinton och hennes kollegor har utvecklat har flera fördelar jämfört med tidigare utvecklade metoder. Förutom att avgränsa terrängen som rovern kan färdas i på ett säkert sätt och planera vägar för deras autonoma drift, ger planeraren också information om var platser av vetenskapligt intresse kan finnas.

”Vårt roverteam kan på ett säkert och effektivt sätt söka igenom en hel uppdragsplats som täcker 22500 m2 på relativt kort tid”, säger Swinton. ”Det är också värt att notera att varje rover täcker en autonom körsträcka som är jämförbar med det nuvarande rekordet för ’längsta körsträcka utan mänsklig kontroll’ av en rover för planetarisk utforskning. Vårt arbete visade också att effektiviteten i sökningen förbättrades genom att använda ett roverteam jämfört med en enda rover.”

Swinton och hennes kollegor utvärderade sin kartläggnings- och planeringsmetod i en serie tester och simuleringar som utfördes med hjälp av en uppsättning slumpmässigt genererade sannolikhetsfördelningskartor. Resultaten var mycket lovande och tyder på att metoden skulle kunna göra det möjligt för ett team med fem rovers att självständigt utforska ett område på 22500 m2 på Mars inom cirka 40 minuter.

Planeraren har hittills använts för utforskningen av Mars, men den kan även användas för andra uppdrag än utforskning av planeter. Den skulle till exempel kunna hjälpa till att samordna insatserna från flera markrobotar under sök- och räddningsoperationer genom att helt enkelt använda en karta över den intressanta miljön och en sannolikhetsfördelningskarta som visar var robotarna mest sannolikt kommer att stöta på människor som ska räddas eller som behöver hjälp.

I sina kommande studier planerar Swinton och hennes kollegor att vidareutveckla och testa sin metodik, samtidigt som de arbetar med andra beräkningsverktyg för att stödja den autonoma driften av flera robotar. Dessa verktyg kommer också att omfatta metoder för att förbättra feltoleransen hos multirobotteam.

”Effekterna av fel och misslyckanden är ett allvarligt problem i samband med roveruppdrag för planetarisk utforskning”, säger Swinton. ”För att ett team av robotar för planetutforskning ska anses vara pålitligt måste robotarna kunna diagnostisera fel hos sig själva och/eller hos sina lagkamrater. Först när felen har diagnostiserats kan åtgärder vidtas för att mildra den inverkan som felet har på uppdragets resultat.”

Ytterligare information: Sarah Swinton et al, A Novel Methodology for Autonomous Planetary Exploration Using Multi-Robot Teams, arXiv (2024). DOI: 10.48550/arxiv.2405.12790

Related Articles

Leave a Comment