Yeni algoritmalar otonom uzay aracının güvenliğini artırabilir

Tarih boyunca insanlar için gökyüzü, uçsuz bucaksız bir boşluk, gündüzleri güneşle, geceleri ise çok sayıda küçük ışık noktasıyla (ve periyodik olarak ay ile) noktalanan büyük, boş bir kubbe düşüncelerini çağrıştırmıştır. Hem fiziksel olarak uzay aracıyla hem de optik olarak çeşitli teleskopik teknolojilerle uzaya doğru ilerledikçe, artık orada epeyce şey olduğunu biliyoruz.

Bu keşif havacılık endüstrisi için derin sonuçlar doğuruyor. Örneğin, yıllarca dikkatlice tasarlanmış ve mühendisliği yapılmış, milyarlarca dolarlık otonom bir uzay aracının hassas hesaplamalarla uzaya fırlatıldığını ve iticilerinden birini kaybedip bir asteroide çarptığını hayal edin.

Tarihsel olarak, mühendisler uzay aracında ekipman arızası olasılığıyla iki ana yolla başa çıktılar: Birincisi, uzay aracının kendisine en az zararı verebileceği ve yerdeki bilim insanlarının verileri inceleyip, bir teşhis koyup bir çözüm geliştirebileceği “güvenli mod”a sahip olmak; ikincisi, otonom araçları yedekli sistemlerle donatmak. Bunlar, örneğin bir uzay aracının arızalı bir iticiyi kapatmasına ve yedek iticileri kullanmaya başlamasına olanak tanır.

Ancak, uzayda çok az uyarı ve uzay-yer iletişimleri için yeterli zaman olmadan tehlikeli durumlar ortaya çıkabilir. Yedekli sistemler oldukça etkili olsa da, otonom uzay araçlarının masrafına ve ağırlığına katkıda bulunurlar.

İşte bu yüzden, Caltech’in NASA için yönettiği JPL’de Kontrol ve Dinamik Sistemler Bren Profesörü ve kıdemli araştırma bilimcisi olan Soon-Jo Chung’un laboratuvarında, otonom araçlardaki acil durum özelliklerini, diğer nesnelerle gerçek zamanlı karşılaşmaları teşhis edip güvenli bir şekilde yanıt verebilecek şekilde düzenlemek için deneyler yürütülüyor. Gemideki yeni algoritmalarla, uzay aracı kendi ekipmanlarını test edebilir ve hangi gelecekteki eylemlerin onları güvenli bir şekilde çalışır durumda tutma olasılığının en yüksek olduğunu tahmin edebilir.

Bu projenin yöneticilerinden biri olan, Caltech’te havacılık alanında araştırma profesörü ve eski JPL baş teknoloji uzmanı Fred Hadaegh’in açıkladığı gibi, “Yedek sistemlere sahip olmak her zaman pratik değildir. Bu, uzay aracının normalde olduğundan daha büyük, daha ağır ve daha pahalı olması gerektiği anlamına gelir. Yani, buradaki fikir, bir uzay aracı bir sorunla karşılaştığında, neyin çalışmadığını anlayıp o belirli hatayı düzeltebilmesi veya ona uyum sağlayabilmesidir.”

Chung’un laboratuvarında, diğer şeylerin yanı sıra, gelişmiş bir çoklu uzay aracı dinamiği simülatörü tesisi de bulunuyor.

“Simülatör, gerçekten düz bir zemine sahip büyük bir odayı kaplıyor,” diye açıklıyor Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’nün (GALCIT) Lisansüstü Havacılık Laboratuvarları’nda doktora öğrencisi ve bu konu hakkında yeni bir makalenin baş yazarı olan James Ragan. “Model uzay aracı, zeminde neredeyse sıfır sürtünmeyle hareket edebilmesi için hava yatakları kullanıyor. Hareketsizken, yüzüyormuş gibi görünüyor ve onu bir yöne doğru iterseniz, bir şeye çarpana kadar gitmeye devam ediyor, uzay dinamikleri de böyledir.”

Ragan, robotik uzay aracı simülatörünü, kendisinin ve ortak yazarlarının s-FEAST: Aktif Algılama Ağacı Araması ile Güvenli Hata Tahmini adını verdiği şeyle programladı. Ragan, “s-FEAST algoritmamız, şu anda aldığı eylemlerden kaynaklanabilecek çok sayıda olası gelecek hakkında hızla ‘rüya görüyor’,” diyor.

“Sistem gürültülü olduğu için bu gelecekler belirsizdir. Birden fazla olası sonuç vardır ve bu da olası dallanan geleceklerin bir ağacına yol açar. Her dal, uzay aracının kontrol ettiği şeylere (seçtiği test eylemleri) ve ayrıca hatalı sensörlerden gelen gözlemler gibi kontrol etmediği şeylere dayanarak geleceğin gerçekleşebileceği olası bir yolu temsil eder.”

Chung şunları ekliyor: “s-FEAST yöntemimizin yenilikçi yanı, araç konumları ve hızları gibi araç durumlarını tahmin etme ve birbiriyle içsel olarak bağlantılı olan arızaları veya bozulmaları çıkarsama gibi tavuk-yumurta problemini sistematik olarak çözmemizdir.”

Ragan, uzay aracının beklenmedik bir veri tespit ettiğinde, “beklenmedik bir ağrı hissettiğinizde kaslarınızı dikkatlice test ettiğiniz ve tam olarak neyin acıdığını ve sizi daha fazla yaralayabilecek eylemlerden nasıl kaçınacağınızı anlamak istediğiniz gibi” test eylemleri gerçekleştiren s-FEAST algoritmasına yöneldiğini açıklıyor.

s-FEAST aynı anda olası gelecekler yelpazesini ortaya çıkarır ve bunlardan neyin yanlış gittiğini teşhis etmek ve ayrıca tehlikeden kaçınmak için en olası görünen eylem yolunu seçer. Bu model durumunda, tehlike bir asteroitle çarpışma rotasına denk gelir.

“Buradaki temel fikir, s-FEAST’in tüm uzay aracı operasyonlarını değiştirmemesidir. Bu sizin acil durum müdahalenizdir,” diyor Ragan. “Uzay aracı bir şeylerin yanlış olduğuna dair dahili bir sinyal alır, bu yüzden s-FEAST, neler olup bittiğini hızla değerlendirmek ve düzeltici eylemde bulunmak için uzay aracının tüm hesaplama gücünü devralır. Tehlike belirlenip ele alındığında, s-FEAST kontrolü uzay aracının olağan hesaplama ortamına geri verir.”

s-FEAST proaktif olarak da kullanılabilir. Diyelim ki otonom bir uzay aracı özellikle riskli veya görev açısından kritik bir eyleme girişmek üzere; s-FEAST bu eylemden önce tüm sistemlerin düzgün çalıştığından emin olmak için bir test döngüsü çalıştırabilir.

Chung ve ortak yazarları, önerilen yöntemin pahalı uzay araştırmalarını daha güvenli ve daha uygun maliyetli hale getirmenin yeni bir yolunu oluşturacağını öngörüyor. Chung, “Uzay sistemleri, bizden çok uzaktaki bir dünyada faaliyet gösteren uzay araçlarını ve Mars helikopterlerini yakalayıp tamir edemediğimiz için otonom operasyonları gerekli kılıyor,” diyor. “Uzay, Dünya tabanlı araç sistemleri için yaptığımız herhangi bir otonomi araştırması için nihai ‘deneme alanımız’.”

Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, uzay aracı simülatöründe çalışan s-FEAST algoritması ekip tarafından bir yer izleme aracında da çalışmak üzere uyarlandı. Her iki deney de başarılı oldu, bu nedenle s-FEAST teknolojisi Dünya’da ve uzayda otonom araçlar için büyük bir vaat taşıyor.

Araştırma şu şekildedir: yayınlandı dergide Bilim RobotikOrtak yazarlar Ragan, Caltech doktora sonrası araştırmacısı Benjamin Rivière, Hadaegh ve Chung’dur.