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.
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.
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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