Что внутри марсохода Curiosity

Робототехника, Железо 6 августа 2012 года на поверхность Марса десантировался аппарат ?Любопытство? (Curiosity). В следующие 23 месяца марсоход будет изучать поверхность планеты, её минералогический состав и спектр излучения, искать следы жизни, а также оценит возможность высадки человека. Основная тактика исследований состоит в поиске интересных пород камерами высокого разрешения. Если таковые появляются, то марсоход издалека облучает лазером исследуемую породу. Результат спектрального анализа определяет, нужно ли доставать манипулятор с микроскопом и рентгеновским спектрометром. Далее ?Кьюриосити? может извлечь и загрузить образец во одну из 74 чашечек внутренней лаборатории для дальнейшего анализа.
При всем своем большом обвесе и внешней легкости аппарат имеет массу легкового автомобиля (900 кг) и весит на поверхности Марса 340 кг. Для запитывания всего оборудоваения используется энергия распада плутония-238 от радиоизотопного термоэлектрического генератора компании ?Боинг?, ресурс которого составляет как минимум 14 лет. На данный момент он вырабатывает 2,5 квт·ч тепловой энергии и 125 Вт электрической, со временем выход электричества будет снижаться до 100 Вт.
На марсоходе установлено сразу несколько различных типов камер. Mast Camera ? это система из двух неодинаковых камер обычной цветопередачи, которые могут делать снимки (в том числе стереоскопические) разрешением 1600?1200 пикселов и, что ново для марсоходов, записывать аппаратно сжатый 720p- видеопоток (1280?720). Для хранения полученного материала система имеет 8 гигабайт флэш-памяти для каждой из камер ? этого достаточно, чтобы уместить несколько тысяч снимков и пару часов видеозаписи. Обработка фотографий и видеороликов идет без нагрузки на управляющую электронику ?Кьюриосити?. Несмотря на наличие у производителя конфигурации с трансфокатором, камеры не имеют зума, поскольку времени для тестирования не оставалось.
 

Иллюстрация изображений от MastCam. Красочные панорамы поверхности Марса получаются путем склейки уже нескольких изображений. Камеры MastCam будут использоваться не только для развлечения публики погодой красной планеты, но и в качестве помощи при извлечении образцов манипулятором и при перемещении.
 

Также на мачте закреплена часть системы ChemCam. Это лазерно-искровой эмиссионный спектрометр и блок формирования изображения, которые работают в паре: после испарения крошечного количества исследуемой породы 5- наносекундным импульсом лазера производится анализ спектра полученного плазменного излучения, что позволит определить элементный состав образца. При этом не нужно выдвигать манипулятор.
Разрешающая способность оборудования в 5-10 раз выше, чем у установленного на предыдущие марсоходы. С 7 метров ChemCam может определить тип изучаемой породы (например, вулканическая или осадочная), структуру грунта и камней, отследить преобладающие элементы, распознать лед и минералы с водными молекулами в кристаллической структуре, измерить следы эрозии на камнях и визуально помочь при исследовании пород манипулятором.
 

Стоимость ChemCam составила 10 млн. долларов (менее полупроцента всей стоимости экспедиции). Система состоит из лазера на мачте и трех спектрографов внутри корпуса, излучение к которым подводится по оптоволоконному световоду.
На манипуляторе марсохода установлена Mars Hand Lens Imager, способная получать снимки размером в 1600?1200 пикселов, на которых могут быть видны детали в 12,5 микрометров. Камера имеет белую подсветку для работы как днем, так и ночью. Ультрафиолетовая подсветка необходима для вызова излучения карбонатных и эвапоритных минералов, наличие которых позволяет говорить о том, что в формировании поверхности Марса принимала участие вода.
 

Для целей картографирования использовалась камера Mars Descent Imager (MARDI), которая во время спуска аппарата записывала снимки размером 1600?1200 пикселов на 8 гигабайт флэш-памяти. Как только до поверхности осталось несколько километров, камера начала делать пять цветных фотографий в секунду. Полученные данные позволят составить карту ареала обитания ?Кьюриосити?.
 

По бокам марсохода установлены две пары черно-белых камер с углом обзора 120 градусов. Система Hazcams используется при выполнении маневров и выдвижении манипулятора. На мачте расположена система Navcams, которая представляют из себя две черно-белые камеры с углом обзора 45 градусов. Программы марсохода постоянно строят клиновидную 3D-карту на основе данных этих камер, что позволяет избегать столкновений с неожиданными препятствиями. Один из первых снимков с ?Кьюриосити? ? это картинка именно с камеры Hazcam.
Для измерения погодных условий на марсоходе установлена станция мониторинга окружающей среды (Rover Environmental Monitoring Station), которая измеряет давление, температуры атмосферы и поверхности, скорость ветра и ультрафиолетовое излучение. REMS защищена от марсианской пыли.
CheMin (Chemistry and Mineralogy) ? это прибор для исследования химического и минералогического состава с помощью рентгеновского флуоресценцного инструмента и рентгеновской дифракциии. Грубо говоря, он поможет найти минералы, которыми богат Марс, что покажет, каковы были условия на планете.
 

Основным инструментом для исследования полученных образцов является Sample Analysis at Mars, масса которого составляет половину от массы всей научной аппаратуры. В SAM включен масс-спектрометр, газовый хроматограф и настраиваемый лазерный спектрометр. Также в работе используется рентгеновский спектрометр альфа-частиц. Образцы будут облучаться альфа- частицами, и за два-три часа будет получен их полный элементный состав, а десяти минут хватит для обзора основных составляющих.
Внутри марсохода установлен детектор радиации для оценки возможности посещения Марса людьми и прибор обнаружения водорода. Интересно, что научная аппаратура была разработана не только в США, это проекты организаций из Франции, Канады, России и ряда других стран.
Всей этой аппаратурой управляет небольшой дублированный компьютер с 256 МБ ОЗУ, 2 ГБ ПЗУ в форме флэш-памяти и процессором RAD750, который способен выполнять 400 миллионов операций в секунду, что, грубо говоря, сопоставимо с обычным смартфоном. Мощности системы хватает на генерацию 15-40 тыс. 3D- точек со стереоизображения. Память ?Кьюриосити? примерно в восемь раз производительней памяти марсоходов предыдущих поколений. Хотя конфигурация системы похожа на начинку дешевого одноплатного компьютера, следует учесть условия работы электроники и испытываемые ею излучения, защитой от которых клоны Raspberry Pi не обладают.
В качестве операционной системы используется VxWorks. Это проприетарная операционная система реального времени, которая управляла тремя предыдущими марсоходами ? ?Спирит?, ?Оппортьюнити? и ?Марс Пасфайндер?, а также кораблем ?Дракон? компании SpaceX. Кроме космических аппаратов VxWorks используется в авиалайнерах, робототехнике, медицинской технике и других встраиваемых высоконадежных системах (например, в роутерах Apple та же операционная система, что и в марсоходах).
Управляющие программы разделены на 150 модулей, каждый из которых отвечает за отдельную функцию. Связанные модули объединяются в компоненты, которые организуют совместную работу включенных в них модулей. Всего существует менее 10 компонентов высокого уровня. Большая часть кода сгенерирована автоматически или наследована от предыдущих марсоходов.
Но в этих 3,5 миллионах строчек кода на C реализовано автономное управление множеством систем лишь с редкими вмешательствами человека ? сигнал от Земли идет несколько минут. На основе показаний нескольких камер и датчиков компьютер сам управляет вождением аппарата, фотографированием и видеосъемкой, системой охлаждения, извлечением образцов и работой научного оборудования.
Код, разумеется, недоступен публике, а данные о программном обеспечении марсохода скудны. Но кто знает, чего стоит ждать от НАСА: у них уже давно есть аккаунт на Github.
 

Источник: 
Хабрахабр