NASA testa capacidades avançadas para Rovers lunares e de Marte

Num trecho desolado do deserto do Colorado, no sul da Califórnia, um veículo espacial compacto de quatro rodas percorreu recentemente cerca de 26 quilômetros com intervenção mínima da equipe de engenheiros que o acompanhava. Chamado ERNEST (Exploration Rover for Navigating Extreme Sloped Terrain), este protótipo está sendo usado pela NASA para promover a autonomia robótica e a capacidade de atravessar paisagens desafiadoras.

Desenvolvido no Laboratório de Propulsão a Jato da NASA no sul da Califórnia, o ERNEST tem 1,2 metros de comprimento. Ele não só pode levantar cada uma de suas rodas de malha para superar obstáculos que impediriam o Curiosity e o Perseverance, os rovers de Marte de seis rodas da NASA, mas o protótipo também melhorou as capacidades independentes de tomada de decisão. Estes avanços em termos de mobilidade e autonomia poderão ser integrados em futuras missões que se aventurarão em áreas anteriormente inacessíveis do Planeta Vermelho ou da Lua.

No terreno, o ERNEST serviu de teste para uma potencial futura missão lunar que exigiria velocidades mais elevadas e uma quilometragem muito maior do que a que pode ser alcançada pelos rovers actuais. Esta tecnologia poderia ser usada para informar projetos futuros para esforços de exploração na Lua e além.

“Estes testes estão a ajudar-nos a refinar o hardware de mobilidade e o software de autonomia para navegar distâncias extremas através de uma vasta gama de terrenos e condições de iluminação previstas na Lua”, disse Issa Nesnas, principal tecnólogo do JPL que liderou os recentes testes como chefe de autonomia de um conceito de missão da NASA para um potencial futuro rover lunar de longo alcance.

A equipe de Nesnas está usando o ERNEST para demonstrar que é possível construir um rover que seja duas vezes maior que o protótipo e capaz de realizar uma missão lunar de longa distância. Durante a campanha recente, a ERNEST viajou a velocidades de até 1 km/h (0,6 mph) durante 37 horas de condução, durante sete dias de testes intermitentes. Isso é uma ordem de magnitude acima da velocidade máxima que o Perseverance e o Curiosity podem navegar.

“Você poderia fazer uma viagem científica pela Lua – ou Marte – com este veículo”, disse James Keane, cientista planetário do JPL que trabalha em missões lunares.

O objetivo inicial da equipe que desenvolveu o ERNEST era mecânico: projetar um rover relativamente simples e de baixo custo que avançasse no confiável sistema de suspensão rocker-bogie apresentado em todos os rovers de Marte desde o Sojourner da NASA. Este sistema passivo mantém um peso relativamente constante em todas as seis rodas, graças aos pontos de articulação e escoras que permitem que cada uma delas se adapte às mudanças na superfície.

No ERNEST, o suspensão ativa permite que o rover gerencie a distribuição de peso entre suas rodas. Duas juntas motorizadas na frente articulam um gimbal que permite ao rover dirigir usando diferentes marchas, como contorcer-se, andar sobre rodas e escalar obstáculos. Com um mecanismo de embreagem, ele pode alternar entre suspensão ativa e passiva, que é menos capaz de terreno, mas mais eficiente em termos energéticos. Com quatro rodas direcionáveis, ele pode dirigir em qualquer direção, inclusive lateralmente.

“Começamos postulando que poderíamos fazer melhor no projeto de um sistema de mobilidade robótica de superfície planetária”, disse Hari Nayar, principal tecnólogo do JPL que lidera a equipe ERNEST. “Embora o sistema rocker-bogie tenha tido muito sucesso nos últimos 30 anos, houve muitas pesquisas nessa época sobre mobilidade e compreensão da interação com o terreno.”

Antes de chegar à versão atual do ERNEST, a equipe construiu dois protótipos anteriorescada um com cerca de 0,6 metros de comprimento, para testar 11 configurações de suspensão ativa. Em um trailer cheio de simulador de regolito lunar, eles realizaram experimentos em diferentes ângulos de inclinação durante vários meses antes de chegarem a um projeto final.

Em seguida, a equipe aumentou, incluindo a adição de uma cabeça retangular montada em um mastro de 1,4 metros de altura. O hardware foi concluído em setembro de 2024, mas o rover ainda precisava de um operador humano para controlá-lo, enviando comandos para instruir o rover sobre como passar por cima de obstáculos.

Para treinar o rover para pensar por conta própria, a equipe ERNEST recorreu ao aprendizado por reforço, um tipo de inteligência artificial onde o robô aprende interagindo com o ambiente. O Laboratório de Dinâmica e Simulação em Tempo Real no JPL desenvolveu um ambiente de teste virtual de alta fidelidade que replica o comportamento do rover. A equipe alimentou os dados do simulador coletados por engenheiros que documentaram a resposta do hardware real do rover a uma variedade de tipos de terreno. Em um cluster de computação de alto desempenho, a equipe executou muitas simulações ao mesmo tempo, às vezes completando milhares de horas de testes em um único fim de semana.

Após meses de treino virtual, a equipa ERNEST estava pronta para ver se o rover conseguiria usar os seus novos algoritmos autónomos para descobrir como passar por características do terreno que parariam um rover de suspensão passiva. Eles montaram uma pista de obstáculos com ondulações de areia, pilhas de entulho, degraus e encostas íngremes no Mars Yard do JPL, um campo de testes ao ar livre. Então eles observaram enquanto o veículo espacial manobrava o terreno sozinho. Desde então, a ERNEST completou muitos desses cursos.

A equipe de Nayar está iniciando um novo projeto de autonomia que envolve a integração da capacidade do rover de determinar quando e como usar sua suspensão ativa com navegação inteligente de longo alcance. O objetivo é permitir que a ERNEST planeje um caminho eficiente para que possa enfrentar obstáculos superáveis ​​e circunavegar os perigosos. Estas capacidades poderão contribuir para potenciais futuras missões de rover que encontrem paisagens formidáveis ​​em Marte ou em áreas mais acidentadas da Lua.

O trabalho no ERNEST começou em 2022 e foi inicialmente apoiado por fundos internos de pesquisa e desenvolvimento do JPL. Atualmente é financiado por O Programa de Exploração de Marte da NASA e o Escritório de Integração e Estratégia Científica de Exploração da agência em sua Diretoria de Missão Científica na sede da NASA em Washington. Caltech em Pasadena, Califórnia, gerencia o JPL para a NASA.

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