NASA tận dụng chip Snapdragon cũ của trực thăng Ingenuity để giúp xe tự hành Perseverance định vị như có “GPS” trên sao Hỏa

NASA vừa tiết lộ một bước nâng cấp đáng chú ý cho xe tự hành Perseverance trên sao Hỏa: tái sử dụng bộ xử lý từng phục vụ liên lạc với trực thăng Ingenuity để hỗ trợ rover tự định vị và di chuyển xa hơn mà không phải liên tục chờ hướng dẫn từ Trái Đất. Bộ phận được tận dụng là Helicopter Base Station, viết tắt HBS, vốn là trạm nền dùng để giao tiếp với Ingenuity. Sau khi chiếc trực thăng này kết thúc sứ mệnh và không còn bay được nữa sau 72 chuyến, phần cứng HBS gần như rơi vào trạng thái nhàn rỗi. Thay vì để lãng phí, các kỹ sư tại Phòng thí nghiệm Sức đẩy Phản lực, hay JPL, đã biến nó thành bộ não phụ cho Perseverance.

Điểm đặc biệt nằm ở chỗ HBS sử dụng Qualcomm Snapdragon 801, một hệ thống trên chip, thường gọi là SoC, tức loại chip tích hợp nhiều thành phần xử lý trong cùng một gói như CPU, GPU và bộ xử lý tín hiệu. Dù Snapdragon 801 là nền tảng từng xuất hiện trên smartphone từ nhiều năm trước, NASA cho biết bộ xử lý này vẫn nhanh hơn khoảng 100 lần so với một số phần cứng tính toán khác đang gánh nhiệm vụ điều hướng trên rover. Theo các thông tin từng được công bố, phiên bản dùng trên sao Hỏa chạy ở xung nhịp 2,26 GHz, có 2 GB RAM, 32 GB bộ nhớ flash và vận hành với Linux. Bên trong chip là bốn lõi Krait tương thích kiến trúc Arm, đi kèm GPU Adreno 330 và DSP Hexagon, tức bộ xử lý tín hiệu số chuyên tăng tốc các tác vụ như xử lý hình ảnh và dữ liệu cảm biến.

Khối lượng công việc mới mà NASA giao cho con chip này được gọi là Mars Global Localization. Đây là hệ thống định vị toàn cục cho sao Hỏa, hoạt động bằng cách so khớp nhanh các ảnh toàn cảnh từ camera dẫn đường của Perseverance với bản đồ địa hình chụp từ quỹ đạo đã lưu sẵn trên xe. Nói đơn giản, rover sẽ nhìn cảnh vật xung quanh, đối chiếu với bản đồ từ trên cao và tự suy ra mình đang ở đâu. NASA cho biết thuật toán này chỉ mất khoảng hai phút để xác định vị trí của xe với sai số khoảng 25 cm, tương đương gần 10 inch. Công nghệ này đã không còn ở giai đoạn thử nghiệm trong phòng lab mà đã được đưa vào vận hành thực tế trong các ngày 2 và 16 tháng 2.

Kỹ sư trưởng phụ trách vận hành robot của JPL, Vandi Verma, mô tả nâng cấp này như việc “trao GPS cho rover”. Cách ví von đó khá dễ hiểu: trên Trái Đất, GPS là hệ thống định vị dùng tín hiệu từ vệ tinh để xác định vị trí; còn trên sao Hỏa không tồn tại hạ tầng như vậy, nên Perseverance phải tự suy luận vị trí của mình bằng cảm biến, camera và bản đồ. Trước đây, công cụ tự hành của rover có thể ngày càng thiếu chắc chắn về vị trí chính xác của nó và đôi khi sai lệch tới 35 mét. Khi tin rằng mình đang ở quá gần địa hình nguy hiểm, xe có thể tự dừng sớm hơn cần thiết rồi chờ chỉ thị mới từ Trái Đất. Với Mars Global Localization, NASA kỳ vọng Perseverance có thể tự lái quãng đường dài hơn nhiều, thậm chí ở mức “tiềm năng không giới hạn”, mà không phải thường xuyên “gọi về nhà” để xin trợ giúp.

Bất kỳ cải tiến nào giúp rover tự quyết định nhiều hơn đều mang ý nghĩa lớn, bởi liên lạc giữa sao Hỏa và Trái Đất vốn chậm và hạn chế. Độ trễ tín hiệu có thể lên tới khoảng 40 phút, nghĩa là việc điều khiển theo thời gian thực gần như bất khả thi. Thêm vào đó, tốc độ truyền radio nhanh nhất trên Perseverance cũng chỉ khoảng 2 Mbps, thấp hơn rất nhiều so với các chuẩn kết nối quen thuộc trên Trái Đất. Trong bối cảnh đó, khả năng tự xác định vị trí chính xác ngay trên xe sẽ giúp tiết kiệm thời gian, giảm số lần phải chờ lệnh và tăng đáng kể hiệu quả khám phá khoa học.

Dù ý tưởng tái sử dụng HBS nghe có vẻ gọn gàng, việc đưa nó vào vận hành thực tế không hề dễ. NASA cho biết nhóm phát triển đã phải xây dựng các cơ chế kiểm tra chéo để đảm bảo an toàn: thuật toán sẽ chạy nhiều lần trên HBS, sau đó một trong các máy tính chính của rover sẽ xác minh xem các kết quả có khớp nhau hay không. Trong quá trình thử nghiệm, nhóm liên tục phát hiện vị trí tính ra bị lệch 1 mm. Sau khi điều tra, họ xác định có khoảng 25 bit bộ nhớ bị hỏng, một phần cực nhỏ trong tổng dung lượng bộ nhớ, nhưng vẫn đủ để tạo ra sai số. Giải pháp được đưa ra là cô lập các bit lỗi đó khi thuật toán hoạt động, tránh để chúng ảnh hưởng đến kết quả. Đây là ví dụ điển hình cho thấy trong môi trường không gian, ngay cả lỗi cực nhỏ ở phần cứng cũng có thể trở thành vấn đề lớn.

Câu chuyện Snapdragon 801 trên sao Hỏa còn phản ánh một xu hướng rộng hơn: ngành vũ trụ đang ngày càng quan tâm tới việc dùng silicon thương mại, tức các con chip vốn được thiết kế cho thị trường tiêu dùng đại trà, thay vì chỉ phụ thuộc vào phần cứng chuyên dụng đắt đỏ. Nếu được kiểm chứng kỹ lưỡng và triển khai đúng cách, những nền tảng thương mại như chip di động có thể mang lại hiệu năng cao hơn với chi phí hợp lý hơn. Theo NASA, kinh nghiệm từ Mars Global Localization không chỉ hữu ích cho sao Hỏa mà còn có thể phục vụ các sứ mệnh lên Mặt Trăng, nơi điều kiện chiếu sáng khắc nghiệt và những đêm lạnh kéo dài khiến việc biết chính xác vị trí của tàu hay robot trở nên đặc biệt quan trọng.