Дрон Qualcomm долетел до Марса

Компания Qualcomm известна как разработчик полупроводниковых технологий для мобильной связи (прежде всего для смартфонов). Однако в апреле-мае 2021 года пять полетов на Марсе совершил вертолет-беспилотник Ingenuity ("Изобретательность"), созданный на базе коммерческих технологий Qualcomm для дронов. Ingenuity расположен на борту американского марсохода Preservance и исследует районы, недоступные для марсохода. О предыстории и деталях этого уникального проекта в интервью главному редактору ComNews Леониду Конику рассказали Дев Сингх, старший директор по развитию бизнеса и руководитель отдела автономной робототехники, беспилотных летательных аппаратов и интеллектуальных машин Qualcomm Technologies, и Крис Прюттинг, руководитель отдела по разработке технологий для государственного сектора Qualcomm Inc.

Еще в 2014 году Лаборатория реактивного движения NASA (Jet Propulsion Laboratory) пригласила Qualcomm принять участие в проекте разработки автономного вертолета для полета на Марс. Почему NASA обратилось в Qualcomm, у которого на тот момент не было опыта ни в космосе, ни в воздушных полетах? Даже платформу для летательных аппаратов (Qualcomm Flight platform), если не ошибаюсь, ваша компания представила ​​двумя годами позже, в 2016-м.

Дев Сингх (ДС): Исследования в области дронов Qualcomm начал примерно в 2012 году. Многие люди знают Qualcomm как поставщика мобильных технологий или платформы для мобильных решений, большинство смартфонов работают на чипах Qualcomm. Но Qualcomm сознательно диверсифицирует портфель продуктов, потому что те же технологии применимы на смежных рынках, будь то автомобильная промышленность или интернет вещей (IoT). У нас есть подразделение, специализирующееся на интернете вещей, а внутри него - много отраслевых сегментов.

Qualcomm имеет опыт в сфере вычислений с использованием технологий искусственного интеллекта (ИИ). И я предложил создать в одном из бизнес-подразделений направление робототехники - со своей продуктовой линейкой. К этому времени Qualcomm уже занимался дронами и роботами в рамках научно-исследовательской активности. В 2014 году мы показали первые разработки, хотя тогда дроны были еще только зарождающимся рынком. Первые дроны были очень массивны и сложны, на их борту размещалось по семь-восемь разных плат - для работы GPS, видеокамеры, полетного контроллера и др. Мы предложили концепцию единой платы размером с кредитную карту как решение, которое обеспечит всю автономность, необходимую для использования дрона. Так появилась наша первая платформа Snapdragon Flight 801. В тот момент Лаборатория реактивного движения NASA находилась в начальной стадии разработки программы полета, и они хотели максимально использовать коммерчески готовую технологию. Они увидели демо Qualcomm и обратились к нам - так все и началось.

Крис Прюттинг, руководитель отдела по разработке технологий для государственного сектора Qualcomm Inc.Крис Прюттинг (КП): В свое время платформа на базе сотового телефона была привлекательной благодаря небольшим размерам, весу и мощности. Вертолет должен был иметь определенный размер, чтобы он мог уместиться под марсоходом Perseverance. К тому же его мощность должна быть очень низкой, потому что емкость батареи нужна прежде всего для поддержания тепла в ночное время. Традиционные технологии NASA для этого не годились - на помощь пришли наработки, которые Qualcomm совершенствовал с точки зрения времени автономной работы платформ. Но нам потребовалось адаптировать мобильную платформу для ее использования в космосе.

Расширение основного бизнеса Qualcomm в сторону автономных транспортных средств - будь то автомобильная технология C-V2X или дроны - выглядит логичным, потому что все эти варианты использования основаны на технологиях 3GPP, в том числе и 5G. С чем связан интерес Qualcomm к космосу, где сети 5G, вероятно, никогда не появятся?

ДС: Qualcomm занимается не только связью, но и обработкой данных, а также разработкой ИИ и компьютерного видения. Наш чипсет состоит из двух компонентов. Один из них - это модем, который обеспечивает связь по стандартам 3GPP, но второй - это очень мощный процессор приложений. В мире IoT 50-60% применений нашего решения связаны именно с процессором приложений, например в IP-камерах с чипом Qualcomm, которые применяются повсеместно - от роботов-пылесосов iRobot Roomba до заводских роботов. Связь - это важный элемент, но кроме обеспечения связи нужно, чтобы робот выполнял и другие функции.

Попросту говоря, робот, дрон или интеллектуальная машина должны уметь считывать, думать, действовать и общаться. Qualcomm разработал мощный процессор Snapdragon, который представляет собой гетерогенное вычислительное устройство: это и центральный процессорный элемент (CPU), и графический процессор-ускоритель (GPU), и цифровой сигнальный процессор (DSP), цифровой процессор обработки сигналов изображения (ISP) для встроенной камеры, в котором реализованы компьютерное видение и ИИ. И все эти функции востребованы в дронах, особенно если речь идет об автономном полете.

Вы упомянули 5G в контексте Марса. Я думаю, что в будущем технологии 5G будут использоваться и в космосе: в формате частных сетей, что-то вроде V2X. Но даже сейчас, если вы посмотрите на марсианский вертолет Ingenuity, то не увидите ни одного провода. Он полностью автономен, все работа с данными происходит на борту.

Первоначально NASA планировало провести первый полет вертолета Ingenuity над Красной планетой 11 апреля. Но запуск был перенесен на 14 апреля, а по факту вертолет впервые взлетел 19 апреля 2021 года. Каковы причины задержки?

КП: Лаборатория реактивного движения NASA провела серию испытаний, прибегнув к определенной методологии. Каждый день добавляется что-то новое, например, камера, снимающая с дрона и дающая обратную связь на платформе Qualcomm Flight platform - продукт, который команда Дева разработала для Perseverance, для отправки информации в Ingenuity и обратно. Итак, они проверили всю связь. Первое испытание роторов на низкой скорости прошло нормально. В последних испытаниях на высокой скорости - при 2000 об./мин., система мониторинга обнаружила аномалию, и над этим Jet Propulsion Laboratory работала всю неделю накануне первого полета. Коллеги все проанализировали и определили логику, которая позволила им дойти до того, что они называют режимом полета - когда работают высокоскоростные роторы. Они успешно провели это испытание, после чего дали добро на первый полет.

ДС: Я бы просто назвал это дополнительными мерами предосторожности. Сотрудники NASA увидели какую-то аномалию и хотели убедиться, что все нормально, обновили программное обеспечение, что-то сделали еще, я думаю.

Есть ли какие-то особенности навигации в космосе и в атмосфере Марса, с которыми вы столкнулись в проекте Ingenuity?

ДС: Отличия, конечно, есть, однако в основном принцип тот же, что и в атмосфере Земли. Я имею в виду, что физика другая, механика тоже должна быть другой, чтобы осуществить то же самое, но принцип тот же. На Земле для управления дроном нужны роторы, которые создадут достаточную тягу, чтобы взлететь и удерживать его в воздухе. А в воздухе навигационная составляющая практически аналогична при планировании маршрута, препятствий, уклонений - все то же самое, поэтому принципы схожи, однако условия разные, потому что они экстремальны. Меньше 1% атмосферного давления, гравитационной силы, иной уровень радиации и, конечно, холод: Марс очень холодный (средняя температура Красной планеты составляет −55°C, а на ее полюсах зимой она опускается до −153°C - прим. ComNews). Поэтому нужно адаптировать механику и физику: если у дрона ротор вращается со скоростью менее 200-300 об./мин., то в случае вертолета Ingenuity для сохранения тех же характеристик полета ротор аналогичного размера должен вращаться уже со скоростью 2000-3000 об./мин. И это касается всего остального. Навигационная составляющая практически та же: камеры, направленные вниз, снимают поверхность, препятствия, давая сигнал дрону, на какой высоте он должен быть.

КП: Хочу подчеркнуть, что сама платформа Qualcomm, которая использована в вертолете Ingenuity, - та же самая, которую мы использовали бы здесь, на Земле. Мы не собирались делать новую версию или каким-то образом изменять ее для космической среды. Внутри компании мы ежедневно адаптируем наши технологии к смежным потребностям и рынкам. Таким образом, несмотря на то что Qualcomm не занимается космическим бизнесом, наши продукты можно использовать для целого ряда внеземных проектов. Проект помог и нам, и NASA лучше понять, каким образом ведут себя технологии в пограничных условиях, например температурных. Очевидно, что ночная температура, доходящая до минус 90 градусов по Цельсию, не подходит практически для любой электроники. Но если речь идет о подогреве, то необязательно разогревать систему до нуля градусов: нужно подняться до приемлемой температуры. Мы столкнулись с такими вещами, как ударная нагрузка и вибрация, которые происходят при приземлении на поверхности Марса и при которых компоненты системы не держат номинальные уровни. И это было не просто демонстрацией новой технологии: мы показали готовую коммерческую технологию. Развитие космоса, вероятно, выиграет от этих автомобильных и мобильных технологий, потому что все больше и больше они пытаются решить эти действительно сложные проблемы, связанные с автономией.

Изначально планировалось, что Ingenuity совершит пять полетов не более 90 секунд каждый. 30 апреля Ingenuity совершил четвертый полет над поверхностью Марса, а 7 мая - пятый. Сохраняются ли планы ограничиться пятью полетами вертолета?

КП: Мы ничего не слышали о планах шестого полета. В миссии Perseverance было четко обозначено окно длительностью 30 дней. Очевидно, у Perseverance много задач, над которыми нужно работать, и он постоянно занят. Я думаю, NASA будет держаться в обозначенных временных рамках. Jet Propulsion Laboratory может лучше рассказать, что они думают и как все видят, какой будет оценка первых пяти полетов.

ДС: NASA в самом начале упомянуло, что основная цель - демонстрация технологий. Поэтому после пяти первых успешных полетов, они, вероятно, попробуют более смелые вещи, вне зависимости от Perseverance. Я думаю, они будут двигаться дальше и делать свое дело.

Расстояние от Марса до поверхности Земли составляет от 55 млн до 400 млн километров. И круговая задержка при передаче данных, исходя из этого, должна исчисляться минутами.

КП: Да, она составляет 15 минут в одну сторону.

Как осуществляется удаленное управление в таких условиях, ведь вертолетом невозможно управлять в режиме онлайн?

ДС: Никакого удаленного управления в таких условиях быть не может. Управление заключается лишь в постановке задач заранее. Вертолет выполняет миссию и то, что было запланировано в рамках этой миссии. Миссия была полностью спланирована, во время ее реализации устройство полностью автономно. Все происходит автоматически на устройстве, оборудованном процессором Snapdragon и прочими смарт-системами. Полная автономия.

Сколько процессоров Snapdragon находится на борту Ingenuity? Есть ли на борту еще какие-либо чипы от Qualcomm или других поставщиков?

КП: Важно понимать, что в основе этого лежит Snapdragon, но используемый продукт называется Qualcomm Flight: все, что Дев описывал как комплексный пакет, который мы разработали для рынка дронов и робототехники. Еще в 2014-2015 годах мы применили на Qualcomm Flight platform четыре видеокамеры, хотя в мобильных телефонах того времени этого не было. Так что на борту Ingenuity только один Qualcomm Flight. На Perseverance - один Qualcomm Flight и что-то, что можно назвать базовой станцией. Она делает снимки, сохраняет эти изображения, считывает данные датчиков, отправляет данные датчиков обратно, а также принимает командные сигналы (инструкции), обычно в ночь перед полетом. Еще есть плата, которая управляет вращением самого вертолета, есть система мониторинга работоспособности системы. Всего в этом маленьком модуле, который вы видите на Ingenuity, пять карт. И когда мы говорим, что они нагреваются, это означает, что нагревается вся система, а не только одна конкретная карта или чип, но сердце платформы Flight - это процессор Snapdragon, который вы можете найти в своем сотовом телефоне.

ДС: Крис затронул важную тему. Qualcomm - не поставщик чипсетов. Мы занимаемся платформами и интегрированными системами. Так что дело не в процессоре Snapdragon, который, конечно же, является сердцем и мозгом этой штуки. Это платформа для осуществления полета, которая представляет собой плату размером с кредитку, с процессором Qualcomm на ней. Там есть несколько других плат, но это не просто набор микросхем, а именно платформа, которая включает в себя операционную систему и специальное программное обеспечение. Все эти вещи обеспечивают автономную работу Ingenuity.

NASA оплачивает участие Qualcomm в миссии на Марсе или вы это все делаете из научно-филантропических побуждений?

КП: Мы сотрудничаем, у нас есть договор с NASA и с Лабораторией реактивного движения, по которому мы оказываем консультационные услуги относительно их деятельности.