Marsovský vrtulník Ingenuity byste postavili za pár dolarů i ve své dílně

  • S Perseverance přistál na Marsu také vrtulník
  • NASA zjistí, jestli se dá na planetě létat s dronem
  • A také ověří, jestli lze v kosmu používat běžnou elektroniku

Přistání doposud nejpokročilejší robotické šestikolky Perseverance na povrchu Marsu bylo ostře sledovanou událostí na celém světě, slibujeme si od ní totiž mimo jiné zodpovězení otázky, jestli mohl na vzdálené planetě kdysi dávno existovat život.

Fanoušci létání a majitelé malých kvadrokoptér se ale stejně nejvíce těší na něco úplně jiného. Na jednu z dílčích misí Perseverance, která nastane snad v horizontu několika příštích týdnů a měsíců. Jakmile se totiž šestikolka rozjede do nivy kráteru Jezero a najde příhodné místo, vyklopí na marsovský povrch svého prozatím skrytého kolegu – maličkou helikoptéru Ingenuity, kterou celou dobu nosí na svém břiše.

Jediný úkol: Pokusit se vzlétnout

Zatímco Perseverance má před sebou stovky a možná i tisíce dílčích vědeckých experimentů, Ingenuity čeká jakožto první stroj svého druhu na Marsu jeden jediný úkol. Na pár desítek sekund vzlétnout. V ideálním případě opakovaně.

Let helikoptéry v představách ilustrátora NASA:

Abychom byli konkrétní, NASA si bude moci úkol odškrtnout v případě, že helikoptéra vystoupá do výšky zhruba 5 metrů, dokáže se zde stabilně vznášet 20-30 sekund, no a poté zase přistane. Šťáva v solárně dobíjených Li-ion bateriích a 350W příkon pro motory by měly vystačit alespoň na 90 sekund letu.

Vrtulník, který byste postavili i ve vlastní dílně

To, co je dnes v parku za domem naprostá samozřejmost i s tou nejlevnější kvadrokoptérou, kterou pořídíte na Aliexpressu za pár set korun, bude na Marsu mnohem větší oříšek. A to ještě z jednoho důvodu.

Zatímco šestikolka Perseverance je do posledního šroubu sestavená z odolných komponent navržených pro nehostinné podmínky vesmíru, Ingenuity používá z velké části běžně dostupné komerční prvky (PDF). Stručně řečeno, Ingenuity byste si s trochou nadsázky dokázali postavit i ve své dílně z komponent, které koupíte v některém z mnoha e-shopů pro modeláře a elektrokutily.

Klepněte pro větší obrázek
Základní komponenty letounu Ingenuity

Malým zázrakem tedy bude už jen to, jestli se řídící počítač vůbec probudí k životu. Mars je totiž docela nehostinné místo s nočními teplotami, které klesají i hluboko pod -100 °C.

Mozkem letounu je starší Snapdragon

Mozkem dronu je běžně dostupný armový procesor se čtyřmi jádry Snapdragon 801, který dnes tvoří základ komerční UAV platformy Qualcomm Snapdragon Flight. CPU doplňují 2 GB RAM a 32 GB flashového úložiště pro linuxový operační systém.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Co se skrývá uvnitř

Základní procesor řeší všechny vysokoúrovňové operace a ty nízkoúrovňové, které se starají o samotný let a real-time výpočty avioniky, pak zpracovává (opět komerčně dostupný) mikrokontroler TMS570LC43x (PDF) od Texas Instruments a konečně odolná FPGA jednotka ProASIC3L s armádní úrovní ochrany včetně jištění proti záření a velmi nízkým teplotám. I v tomto případě se ale jedná o komerčně dostupný kus křemíku, jehož hradlové obvody si budete muset jen ručně naprogramovat.

Test, jestli to zvládne běžná spotřební elektronika

V každém případě, na Marsu je právě teď mobilní čipset, který možná máte i ve svém starším telefonu. Třeba v LG G3, Galaxy S5 od Samsungu nebo v OnePlus One. Mimochodem, Timothy Canham z laboratoří NASA JPL pro magazín IEEE Spectrum vysvětluje, že je i tento stárnoucí Snapdragon vlastně mnohem výkonnější než jakýkoliv procesor přímo na Perseverance.

Šestikolka se totiž rodila dlouhá léta a má speciálně navržené obvody výhradně pro konkrétní účely, což kupodivu není streamování Netflixu jako u kdejakého mobilního telefonu. Na stranu druhou, pokud Ingenuity uspěje, jistě se v následujících letech dočkáme další a další běžné spotřební elektroniky i v ostatních misích, což může cestování na Mars výrazně zlevnit, zrychlit, a tak i rozšířit včetně případné kolonizace člověkem.

Pokud by naopak museli inženýři z NASA (nebo třeba SpaceX) navrhovat i ten poslední kus křemíku, dost možná bychom se něčeho takového přes veškeré plány a sliby nikdy nedočkali, protože by byl konečný účet pro daňového poplatníka jednoduše astronomický a politicky neprůchodný.

IMU jako z Aliexpressu

Marsovská helikoptéra je opravdu docela low-costová. Vedle mobilního čipsetu a FPGA používá také IMU stejné kategorie Bosch BMI160 a sklonoměr Murata SCA100T-D02. IMU – inerciální měřící jednotka – se zpravidla skládá z digitálního MEMS akcelerometru a gyroskopu a dnes ji najdete opravdu v každém telefonu ve formě maličkého čipu o velikosti několika milimetrů čtverečních. Na Aliexpressu seženete podobný prototypovací modul nejvýše za pár stovek.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
IMU čip Bosch BMI160 a pro srovnání jeho podobná varianta Bosch BNO055 na prototypovací destičce pro snadné experimentování

IMU jednotka je u každého dronu naprosto klíčová, slouží totiž k zajištění základní stability letu. V případě klasické kvadrokoptéry tedy pomáhá v rozhodnutí, který ze čtveřice motorů má během milisekundy zrychlit a který naopak zpomalit otáčky, aby letoun udržel vodorovnou a stabilní polohu nad terénem.

Dálkoměr od Garminu

Ingenuity má vedle inerciální jednotky ještě laserový dálkoměr, který měří vzdálenost k zemi. A opět se nejedná o žádné na míru navržené zařízení, ale o Garmin LIDAR-Lite v3, který podle Canhama NASA koupila prostě na SparkFunu, což je jeden z nejpopulárnějších e-shopů pro kutily. Zmíněný dálkoměr tam seženete za 130 amerických dolarů.  

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Inženýři použili kutilský laserový dálkoměr od Garminu. Koupili jej na SparkFunu. 

Modul má měřící rozsah od 5 centimetrů po 40 metrů, frekvenci měření až 500 Hz a přesnost okolo 2,5 centimetrů, což pro tyto účely bohatě stačí.

1 % pozemské hustoty vzduchu

Tolik tedy k elektronice, kterou doplňují ještě obvody pro solární dobíjení šesti Li-ion článků 18650 Sony/Murata VTC4 a 900MHz rádiový vysílač na protokolu COTS 802.15.4 (Zig-Bee) s dosahem do 1 000 metrů.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
O energii se postará šest Li-ion článků 18650 v nitru boxu. Podstatnou část šťávy spotřebují topná tělíska, která v noci ohřejí baterie dronu na snesitelných -15 °C.

Opravdovým oříškem bude až samotné vzlétnutí. Marsovská atmosféra má pouze 1 % hustoty té pozemské, roztočené rotory kdejakého běžného dronu by tedy nedokázaly vytvořit dostatečný vztlak.

Ingenuity ke všemu váží zhruba 1,8 kilogramů, což je 7,5× více než nejlehčí kvadrokoptéra střední třídy DJI Mini 2. Marsovská helikoptéra proto potřebuje obrovské listy rotoru. Dron má dvě karbonové vrtule s průměrem 120 centimetrů, které se točí proti sobě úctyhodnou rychlostí okolo 2 400 otáček za minutu – zhruba tak rychle jako zadní rotor pozemského vrtulníku.

Klepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázekKlepněte pro větší obrázek
Prototyp 1:1 a systém pohonu

Ani to by nejspíše nestačilo, Mars má ale naštěstí mnohem slabší gravitaci než Země, a tak se v podmínkách vzdálené planety z pozemských 1,8 kilogramů rázem stane marsovských 700 gramů.

Kamerové překážkoměry

Do třetice museli inženýři vyřešit ještě jeden problém. Kvůli vzdálenosti a zpoždění signálu samozřejmě nemohou Ingenuity pilotovat přímo ze Země. Ta si tedy bude muset do jisté míry poradit sama.

V pozemských zkouškách dostal palubní počítač dronu pokaždé seznam bodů – waypointů, kterými poté jeden po druhém prolétl. Dron ale není slepý a podobně jako každý dnešní komerční letoun je vedle dálkoměru vybavený i dalšími překážkoměry, které vyhodnocují, jestli je naplánovaný let bezpečný.

Klepněte pro větší obrázek
Navigační/flow kamery

U levnějších dronů tuto roli často plní nejrůznější optické flow senzory, které pomocí paprsku či jednodušší černobílé kamery detekují ubíhající terén pod letounem, ze kterého mohou vypočítat mnoho údajů včetně rychlosti. V případě Ingenuity tuto roli bude plnit základní VGA kamera, která bude rychlostí 30 Hz porovnávat scénu snímek po snímku, což ji pomůže vypočítat letovou rychlost a společně s IMU i základní orientaci.

Toto sice dělají i běžné komerční letouny střední třídy, ty však mají pod plastovým nebo karbonovým tělíčkem ještě jeden klíčový čip – přijímač satelitní navigace GPS, GLONASS nebo třeba Galilelo.

Navigační flow kameru nakonec doplní ještě běžný snímač s kvalitou laciného mobilu. Ten by se měl konečně postarat i o nějaký ten snímek z letu, který Perseverance později zveřejní na svém twitterovém profilu.

Demokratizace elektroniky ve vesmíru

Pokud se všechny plány podaří splnit na jedničku, přičemž NASA na to bude mít omezené třicetidenní okno, Ingenuity bude svým způsobem možná ještě důležitější než úkoly samotné šestikolky. Pootevře totiž vrátka spotřební elektronice v kosmu, což bylo doposud u podobně nákladných misí spíše tabu. 

Diskuze (30) Další článek: AMD může i na počítačích těžit z toho, že má hardware v novém Playstationu a Xboxu. Důkazem je hra Dirt 5

Témata článku: Hardware, Vesmír, SpaceX, NASA, FPGA, Země, Mars, Drony, Samsung, Netflix, PDF, GPS, Perseverance, Čipy, Sony, Bosch, Snapdragon, Marsa, Dálkoměr, Ingenuity, IEEE Spectrum, Galilelo, Dílna, Imo, Elektronika


Určitě si přečtěte

Finanční správa tento měsíc spustí Moje Daně. Přiznání má být hračka
Lukáš Václavík
eIdentitaČeskoeGovernment
Dostali jste nový počítač? Tohle s ním udělejte, než ho začnete používat

Dostali jste nový počítač? Tohle s ním udělejte, než ho začnete používat

** Každý nový počítač si zaslouží počáteční péči ** Odinstalujte bloatware a nezapomeňte na vhodné nastavení ** Poradíme, jak se o počítač s Windows 10 postarat

David Polesný, Stanislav Janů | 76

David PolesnýStanislav Janů
PočítačeNotebooky
Elon Musk už není nejbohatší na světě. Během jediného dne přišel o 324 miliard korun
Karel Kilián
Jeff BezosTesla MotorsElon Musk
Volitelná aktualizace Windows 10 opravila několik chyb, způsobila ale další problémy
Karel Kilián
Windows UpdateAktualizaceWindows 10
Messenger a Instagram přicházejí v Evropě o funkce. Kvůli nové směrnici o soukromí
Vladislav Kluska
EvropaInstagramFacebook Messenger
Čím nahradit WhatsApp: Vyberte si z 10 alternativních komunikátorů

Čím nahradit WhatsApp: Vyberte si z 10 alternativních komunikátorů

** Z WhatsAppu kvůli novým podmínkám utíkají tisíce uživatelů ** Čím nahradit populární aplikaci pro zasílání zpráv? ** Vybrali jsme pro vás 10 alternativních komunikátorů

Karel Kilián | 113

Karel Kilián
KomunikaceWhatsAppInstant Messaging
Nová volitelná aktualizace opravuje více než 40 chyb v operačním systému Windows 10
Karel Kilián
Windows UpdateAktualizaceWindows 10