Sobrevivir a una anomalía: lo que sucedió en el sexto vuelo de Ingenuity

En el día marciano, o sol, número 91 de la misión Mars 2020 Perseverance rover de la NASA, el helicóptero Ingenuity Mars realizó su sexto vuelo. El vuelo fue planificado para expandir la envolvente de vuelo y demostrar la capacidad de imagen aérea, realizando imágenes estéreo de una región de interés al oeste. Se le ordenó a Ingenuity que ascendiera a una altitud de 10 metros antes de desplazarse 150 metros al suroeste, a una velocidad sobre el suelo de 4 metros por segundo. En ese punto, debía moverse 15 metros hacia el sur mientras tomaba imágenes del oeste, luego volar otros 50 metros hacia el noreste y aterrizar.

La telemetría del sexto vuelo muestra que el primer tramo de 150 metros se realizó sin problemas. Pero hacia el final de esa etapa, sucedió algo: Ingenuity comenzó a ajustar su velocidad y a inclinarse hacia adelante y hacia atrás en un patrón oscilante. Este comportamiento persistió durante el resto del vuelo. Antes de aterrizar de manera segura, los sensores de a bordo indicaron que el helicóptero experimentó balanceos y cabeceos de más de 20 grados, grandes entradas de control y picos en el consumo de energía.


Secuencia de imágenes, tomada el 22 de mayo de 2021 por la cámara de navegación a bordo del helicóptero Ingenuity Mars de la NASA, muestra los últimos 29 segundos del sexto vuelo de la aeronave. Créditos: NASA JPL-Caltech.
Cómo calcula Ingenuity el movimiento

Mientras está en el aire, Ingenuity realiza un análisis de su movimiento utilizando la unidad de medición inercial (IMU) a bordo. La IMU mide las aceleraciones y las tasas de rotación de Ingenuity. Al integrar esta información en función del tiempo, es posible estimar la posición, velocidad y actitud del helicóptero. El sistema de control a bordo reacciona a los movimientos estimados, ajustando las actividades de control rápidamente (a una velocidad de 500 veces por segundo).

Si el sistema de navegación dependiera únicamente de la IMU, no sería muy preciso a largo plazo: los errores se acumularían rápidamente y el helicóptero perdería el rumbo. Para mantener una mayor precisión a lo largo del tiempo, las estimaciones basadas en IMU se corrigen nominalmente de forma regular, y aquí es donde entra en juego la cámara de navegación de Ingenuity. Durante la mayor parte del tiempo en el aire, las cámaras de navegación orientadas hacia abajo toman 30 fotografías por segundo de la superficie marciana e inmediatamente las introduce en el sistema de navegación. Cada vez que llega una imagen, el algoritmo del sistema de navegación realiza una serie de acciones:

  • examina la marca de tiempo que recibe junto con la imagen, para determinar cuándo se tomó la imagen.
  • Luego, el algoritmo hace una predicción sobre lo que la cámara debería haber estado captando en ese momento en particular, en términos de características de la superficie, que puede reconocer de imágenes anteriores tomadas momentos antes (generalmente debido a variaciones de color y protuberancias como rocas y ondas de arena).
  • Finalmente, el algoritmo observa dónde aparecen realmente esas características en la imagen. El algoritmo de navegación usa la diferencia entre las ubicaciones predichas y reales para corregir sus estimaciones de posición, velocidad y altitud.

Esta imagen de Ingenuity fue tomada el 23 de mayo de 2021, el día después de su sexto vuelo, con el instrumento Mastcam-Z a bordo del rover Perseverance Mars. Créditos: NASA/JPL-Caltech/ASU/MSSS.
Anomalía del sexto vuelo

A los 54 segundos de vuelo, se produjo un error en la canalización de las imágenes de la cámara de navegación. Este fallo hizo que se perdiera tan solo una imagen y supuso que todas las imágenes de navegación posteriores se entregaran con marcas de tiempo inexactas. A partir de ese momento, cada vez que el algoritmo de navegación realizaba una corrección basada en una imagen de navegación, estaba operando en base a información incorrecta sobre cuándo se tomó la imagen. Las inconsistencias resultantes degradaron significativamente la información utilizada para volar el helicóptero, lo que llevó a que las estimaciones se “corrigieran” constantemente para tener en cuenta los errores. Esto supuso que persistieran las grandes oscilaciones.

Sobreviviendo a la anomalía

A pesar de encontrar esta anomalía, Ingenuity pudo mantener el vuelo y aterrizar de manera segura en la superficie dentro de los 5 metros del lugar de aterrizaje previsto. Una de las razones por las que pudo hacerlo se debe al considerable esfuerzo que se realizó para garantizar que el sistema de control de vuelo del helicóptero tuviese un amplio “margen de estabilidad”: “diseñamos a Ingenuity para superar errores importantes sin volverse inestable, incluidos los errores de sincronización. Este margen incorporado no fue necesario en los vuelos anteriores de Ingenuity, pero en el Vuelo Seis este “margen de estabilidad” salvó al helicóptero”, dijo Håvard Grip, piloto jefe de helicópteros Ingenuity Mars en el Jet Propulsion Laboratory de la NASA

Otra decisión en el diseño también contribuyó a que Ingenuity aterrizara de forma segura. “Como he escrito antes, dejamos de usar imágenes de la cámara de navegación durante la fase final del descenso para garantizar estimaciones suaves y continuas del movimiento del helicóptero durante esta fase crítica. Esa decisión en el diseño también valió la pena durante el Vuelo Seis: Ingenuity ignoró las imágenes de la cámara en los momentos finales del vuelo, dejó de oscilar, niveló su posición y aterrizó a la velocidad planificada.

Mirando el panorama general, El sexto vuelo terminó con Ingenuity de manera segura en el suelo porque varios subsistemas (el sistema de rotor, los actuadores y el sistema de energía) respondieron a las crecientes demandas para mantener el helicóptero volando. Realmente, Ingenuity supeó la situación y, si bien el vuelo descubrió una vulnerabilidad de sincronización que ahora tendrá que abordarse, también confirmó la solidez del sistema de múltiples maneras. Aunque no planeáramos intencionalmente un vuelo tan estresante, el resultado del mismo otorga a la NASA datos de vuelo que testifican los alcances del rendimiento del helicóptero. Esos datos se analizarán cuidadosamente en el futuro y ampliarán nuestro conocimiento sobre los vuelos con helicópteros en Marte.

Edición: R. Castro.