Ingenuity sobrevive a una anomalía en su sexto vuelo en Marte

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En el 91º día marciano, o sol, de la misión del rover Perseverance de la NASA en Marte, el helicóptero Ingenuity realizó su sexto vuelo.

El vuelo fue diseñado para expandir la envolvente de vuelo y demostrar las capacidades de imágenes aéreas al tomar imágenes estéreo de una región de interés al oeste.

Se le ordenó a Ingenuity que subiera a una altitud de 10 metros antes de desplazarse 150 metros al suroeste a una velocidad sobre el suelo de 4 metros por segundo.

En ese punto, debía moverse 15 metros hacia el sur mientras tomaba imágenes hacia el oeste, luego volar otros 50 metros hacia el noreste y aterrizar.

La telemetría del sexto vuelo muestra que el primer tramo de 150 metros del vuelo se realizó sin problemas. Pero hacia el final de esa etapa, sucedió algo: Ingenuity comenzó a ajustar su velocidad y a inclinarse hacia adelante y hacia atrás en un patrón oscilante. Este comportamiento persistió durante el resto del vuelo.

Antes de aterrizar de manera segura, los sensores a bordo indicaron que el helicóptero experimentó movimientos de balanceo y cabeceo de más de 20 grados, grandes entradas de control y picos en el consumo de energía.

La siguiente secuencia de imágenes – tomadas el 22 de Mayo de 2021 por la cámara de navegación a bordo del helicóptero Ingenuity de la NASA – representa los últimos 29 segundos del sexto vuelo del helicóptero.

Mientras está en el aire, Ingenuity realiza un seguimiento de su movimiento utilizando una unidad de medición inercial (IMU) a bordo. La IMU mide las aceleraciones y las tasas de rotación de Ingenuity. Al integrar esta información a lo largo del tiempo, es posible estimar la posición, velocidad y actitud del helicóptero (dónde está, lo rápido que se mueve y cómo está orientado en el espacio).

El sistema de control a bordo reacciona a los movimientos estimados ajustando las entradas de control rápidamente (a una velocidad de 500 veces por segundo).

Si el sistema de navegación dependiera únicamente de la IMU, no sería muy preciso a largo plazo: los errores se acumularían rápidamente y el helicóptero eventualmente perdería el rumbo. Para mantener una mejor precisión a lo largo del tiempo, las estimaciones basadas en IMU se corrigen nominalmente de forma regular, y aquí es donde entra en juego la cámara de navegación de Ingenuity.

Durante la mayor parte del tiempo en el aire, las cámaras de navegación que miran hacia abajo toman 30 fotografías por segundo de la superficie marciana e inmediatamente alimentan al sistema de navegación del helicóptero.

Cada vez que llega una imagen, el algoritmo del sistema de navegación realiza una serie de acciones: Primero, examina la marca de tiempo que recibe junto con la imagen para determinar cuándo se tomó la imagen. Luego, el algoritmo hace una predicción sobre lo que la cámara debería haber estado viendo en ese momento en particular, en términos de características de la superficie que puede reconocer de imágenes anteriores tomadas momentos antes (generalmente debido a variaciones de color y protuberancias como rocas y ondas de arena).

Finalmente, el algoritmo observa dónde aparecen realmente esas características en la imagen. El algoritmo de navegación usa la diferencia entre las ubicaciones predichas y reales de estas características para corregir sus estimaciones de posición, velocidad y actitud.

Aproximadamente a los 54 segundos de vuelo, se produjo un error en la canalización de imágenes entregadas por la cámara de navegación. Este fallo hizo que se perdiera una sola imagen, pero lo que es más importante, provocó que todas las imágenes de navegación posteriores se entregaran con marcas de tiempo inexactas.

A partir de este momento, cada vez que el algoritmo de navegación realizaba una corrección basada en una imagen de navegación, estaba operando en base a información incorrecta sobre cuándo se tomó la imagen.

Las inconsistencias resultantes degradaron significativamente la información utilizada para volar el helicóptero, lo que llevó a que las estimaciones se “corrigieran” constantemente para tener en cuenta los errores fantasmas. Siguieron grandes oscilaciones.

A pesar de encontrar esta anomalía, Ingenuity pudo mantener el vuelo y aterrizar de manera segura en la superficie dentro de aproximadamente 5 metros del lugar de aterrizaje previsto. Una de las razones por las que pudo hacerlo es el considerable esfuerzo que se ha realizado para garantizar que el sistema de control de vuelo del helicóptero tenga un amplio “margen de estabilidad”: Ingenuity fue diseñado para tolerar errores importantes sin volverse inestable, incluidos los errores de sincronización.

Este margen incorporado no era completamente necesario en los vuelos anteriores de Ingenuity, porque el comportamiento del vehículo no coincidía con las expectativas, pero este margen vino al rescate en el sexto vuelo.

Otra decisión de diseño también contribuyó a que Ingenuity aterrizara de forma segura. Como hemos dicho antes, se dejaron de usar imágenes de la cámara de navegación durante la fase final del descenso al aterrizaje para garantizar estimaciones suaves y continuas del movimiento del helicóptero durante esta fase crítica.

Esa decisión de diseño también valió la pena durante el sexto vuelo: Ingenuity ignoró las imágenes de la cámara en los momentos finales del vuelo, dejó de oscilar, niveló su actitud y aterrizó a la velocidad diseñada.

Mirando el panorama general, el sexto vuelo terminó con Ingenuity de manera segura en el suelo porque varios subsistemas (el sistema de rotor, los actuadores y el sistema de energía) respondieron a las crecientes demandas para mantener al helicóptero volando.

En un sentido muy real, Ingenuity superó la situación y, si bien el vuelo descubrió una vulnerabilidad de sincronización que ahora tendrá que abordarse, también confirmó la solidez del sistema de múltiples maneras.

Si bien no se había planeado intencionalmente un vuelo tan estresante, la NASA ahora tiene datos de vuelo que sondean los alcances externos de la envolvente de rendimiento del helicóptero. Esos datos se analizarán cuidadosamente en el futuro, ampliando las reservas del conocimiento sobre el vuelo de helicópteros en Marte.

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