Sobrevivendo a uma anomalia durante o voo: o que aconteceu no sexto voo do Ingenuity

Esta imagem de Marte foi tirada da altura de 33 pés (10 metros) pelo helicóptero Ingenuity Mars da NASA durante seu sexto vôo em 22 de maio de 2021. Crédito: NASA / JPL-Caltech.

No 91º dia marciano, ou sol, da missão Mars 2020 Perseverance rover da NASA, o Ingenuity Mars Helicopter realizou seu sexto vôo. O vôo foi projetado para expandir o envelope de vôo e demonstrar as capacidades de imagens aéreas, obtendo imagens estéreo de uma região de interesse a oeste. A engenhosidade foi ordenada a subir a uma altitude de 33 pés (10 metros) antes de transladar 492 pés (150 metros) para sudoeste a uma velocidade de solo de 9 mph (4 metros por segundo). Nesse ponto, era para traduzir 49 pés (15 metros) para o sul enquanto fazia imagens em direção ao oeste, então voar mais 164 pés (50 metros) para o nordeste e pousar.

Escrito por Havard Grip, Piloto-chefe de helicóptero da Ingenuity Mars no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA

A telemetria do vôo seis mostra que a primeira perna de 150 metros do vôo saiu sem problemas. Mas, no final daquela perna, algo aconteceu: O Ingenuity começou a ajustar sua velocidade e a se inclinar para frente e para trás em um padrão oscilante. Este comportamento persistiu durante o resto do vôo. Antes de pousar com segurança, os sensores a bordo indicaram que a aeronave de asas rotativas encontrou excursões de rotação e inclinação de mais de 20 graus, grandes entradas de controle e picos no consumo de energia.

Imagem Ingenuity Flight Six Navcam: Esta sequência de imagens – tirada em 22 de maio de 2021, pela câmera de navegação a bordo do Ingenuity Mars Helicopter da NASA – retrata os últimos 29 segundos do sexto vôo do helicóptero Créditos: NASA / JPL-Caltech. Baixar video >

Como o Ingenuity estima o movimento

Enquanto está no ar, o Ingenuity mantém o controle de seu movimento usando uma unidade de medição inercial (IMU) a bordo. O IMU mede as acelerações e taxas de rotação do Ingenuity. Ao integrar essas informações ao longo do tempo, é possível estimar a posição, velocidade e atitude do helicóptero (onde ele está, a que velocidade se move e como é orientado no espaço). O sistema de controle a bordo reage aos movimentos estimados ajustando as entradas de controle rapidamente (a uma taxa de 500 vezes por segundo).

Se o sistema de navegação dependesse apenas da IMU, não seria muito preciso a longo prazo: os erros se acumulariam rapidamente e o helicóptero acabaria perdendo seu caminho. Para manter uma melhor precisão ao longo do tempo, as estimativas baseadas em IMU são corrigidas nominalmente em uma base regular, e é aqui que a câmera de navegação da Ingenuity entra. Na maior parte do tempo no ar, as navcams voltadas para baixo tiram 30 fotos por segundo do marciano superfície e imediatamente os alimenta no sistema de navegação do helicóptero. Cada vez que uma imagem chega, o algoritmo do sistema de navegação executa uma série de ações: Primeiro, ele examina o carimbo de data / hora que recebe junto com a imagem, a fim de determinar quando a imagem foi tirada. Em seguida, o algoritmo faz uma previsão sobre o que a câmera deveria estar vendo naquele ponto específico no tempo, em termos de características de superfície que ela pode reconhecer de imagens anteriores tiradas momentos antes (normalmente devido a variações de cores e protuberâncias como rochas e ondulações de areia ) Finalmente, o algoritmo analisa onde esses recursos realmente aparecem na imagem. O algoritmo de navegação usa a diferença entre os locais previstos e reais desses recursos para corrigir suas estimativas de posição, velocidade e atitude.

Esta imagem do Ingenuity foi tirada em 23 de maio de 2021 – um dia após seu sexto vôo – pelo instrumento Mastcam-Z a bordo do Perseverance Mars rover. Créditos: NASA / JPL-Caltech / ASU / MSSS.

Anomalia do vôo seis

Aproximadamente 54 segundos após o início do vôo, ocorreu uma falha no pipeline de imagens entregues pela câmera de navegação. Essa falha causou a perda de uma única imagem, mas, mais importante, resultou na entrega de todas as imagens de navegação posteriores com carimbos de data / hora imprecisos. A partir daí, cada vez que o algoritmo de navegação realizava uma correção com base em uma imagem de navegação, estava operando com base em informações incorretas de quando a imagem foi obtida. As inconsistências resultantes degradaram significativamente as informações usadas para pilotar o helicóptero, fazendo com que as estimativas fossem constantemente “corrigidas” para contabilizar os erros fantasmas. Seguiram-se grandes oscilações.

Sobrevivendo à anomalia

Apesar de encontrar esta anomalia, o Ingenuity foi capaz de manter o vôo e pousar com segurança na superfície a aproximadamente 16 pés (5 metros) do local de pouso pretendido. Uma razão pela qual foi capaz de fazer isso é o esforço considerável que foi feito para garantir que o sistema de controle de vôo do helicóptero tenha uma ampla “margem de estabilidade”: Projetamos o Ingenuity para tolerar erros significativos sem se tornar instável, incluindo erros de cronometragem. Essa margem embutida não era totalmente necessária nos voos anteriores do Ingenuity, porque o comportamento do veículo era familiar com nossas expectativas, mas essa margem veio em nosso socorro no Voo Seis.

Outra decisão de projeto também desempenhou um papel em ajudar a Ingenuity a pousar com segurança. Como já escrevi antes, paramos de usar imagens de câmeras de navegação durante a fase final da descida para o pouso para garantir estimativas suaves e contínuas do movimento do helicóptero durante esta fase crítica. Essa decisão de design também valeu a pena durante o vôo seis: o engenho ignorou as imagens da câmera nos momentos finais do vôo, parou de oscilar, nivelou sua atitude e pousou na velocidade projetada.

Olhando para o panorama geral, o vôo seis terminou com o Ingenuity com segurança no solo porque vários subsistemas – o sistema de rotor, os atuadores e o sistema de energia – responderam às demandas crescentes para manter o helicóptero voando. Em um sentido muito real, o Ingenuity conseguiu superar a situação e, embora o vôo tenha descoberto uma vulnerabilidade de tempo que agora terá que ser resolvida, também confirmou a robustez do sistema de várias maneiras.

Embora não tenhamos planejado intencionalmente um voo tão estressante, a NASA agora tem dados de voo sondando os limites externos do envelope de desempenho do helicóptero. Esses dados serão analisados cuidadosamente no futuro, expandindo nosso reservatório de conhecimento sobre o vôo de helicópteros em Marte.


Publicado em 28/05/2021 06h37

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