אתגרים הנדסיים בפיתוח רכבי קרקע אוטונומיים למחקרי ירח וממאדים

פיתוח כלי רכב קרקעיים אוטונומיים (ASVs) עבור חקר הירח והמאדים מציג קבוצה ייחודית של אתגרים הנדסיים הדוחקים את גבולות הרובוטיקה, החומרים המדעיים והמערכות.כלי רכב אלה - החל מסקאנים קטנים ועד להובלת מטעני מטען גדולים - הם חיוניים לבדיקת שטח, ביצוע ניסויים מדעיים, איסוף דגימות, הכנת תשתיות הנדסיות עבור מערכות אוטונומיות מבוססות כדור הארץ, אל מחוץ לכדור הארץ חייב לפעול בטמפרטורות קיצוניות, פיתוח של 20 דקות של מערכות תקשורת מתקדמות.

המונחים:

פני השטח של הירח ומאדים הם בין המקומות הבלתי חוקיים ביותר במערכת השמש.מהנדסים חייבים לעצב כלי רכב לשרוד ולתפקד בתנאים שיערו במהירות ציוד מבוסס כדור הארץ.

שינויים בטמפרטורות קיצוניות

על הירח, טמפרטורות פני השטח נע בין -17 מעלות צלזיוס בלילה עד 127°C במהלך היום ליד המשווה.מאדים ממרחקים מעט יותר טוב, עם רמות יומיות בסביבות 20 מעלות צלזיוס ב equator ונמוכות ל -80 מעלות צלזיוס בלילה, אבל אזורי קוטב יכולים להגיע -125 מעלות צלזיוס, אלה מחזורים רחבים מתחים תרמיים, סוללות lubricants, חומרים מבניים כמו גם מערכות ניהול חום, לעתים קרובות, כמו גם בטווח הארוך, כמו גם חומרים גמישים.

קרינה ו-Vcuum

ללא אווירה מגן, פני השטח הירח מקבלים קרינה סולארית וקוסמולוגית לא מחוסנת.מאדים יש אווירה דקה המציעה כמה מגינים, אבל רמות הקרינה על פני השטח עדיין גבוהות משמעותית מאשר על כדור הארץ.במשך תקופות חיים נמדדות בשנים, קרינה מצטברת יכולה לקלקל אלקטרוניקה, לגרום לטרכיחות חד-אפילוט במעבדים, ולצמצם את התכונות החומריות הללו באמצעות רכיבי קרינה מחוסמת קרינה, מגן רגישה, ולהפחית את כל סוגי הקירור המופעלים על ידי קירור אוטומטיים (מדומים) ולהפחית את כל סוגי המשתנים (מתקני הקירור) ולהפחית את כל סוגי המשתנים) ולהפחית את המשתנים, ולהפחית את כל סוגי הדיכאון המופעלים על ידי קירור אוטומטיים (מתקני הקירור (מתקני הקירור) ולהפחית את כל סוגי הקירורציה).

אבק חמקמק ורטיאולית

regolith הוא חד, זכוכית כמו, אלקטרוסטטי טעון בשל אינטראקציות רוח השמש.אבק מאדים הוא בסדר, פחמן חד-חמצני עשיר, והוא יכול להיות באוויר בשדים אבק. שני סוגים של חלקיקים לגרום שחיקה חמורה על חלקים נעים, חותמות, לוחות סולאריים כדי לבנות "מכסות חשמליות" על בסיס משימות אפולו, מפרקי אבק ירח, מגרדים, וגרם יתר על פני ציוד חשמלי עבור סוללות מודרניות, כגון לחץ דם, עשוי ליצור סוללות מגנטיות, כולל סוללות מגנטיות, כגון לחץ דם מגנטיות, תכונות מכניות.

השפעות מיקרומטראוסטרואידים

הירח חסר אווירה, למאדים יש רק דקה אחת, כך שני פני השטח כפופים להשפעות מיקרומטרורואידיות. בעוד ההסתברות של להיט מזיק היא נמוכה על משימה טיפוסית, כלי רכב עם רכיבים חשופים - כגון רדיונים, מערך סולאריים, מכשירים מדעיים - צריך להיות מתוכנן עם השפעה סובלנות.רוב מהרובוטים משתמשים מגן כמו שריון על האזורים הפגיעים ביותר קריטיים מאחורי מבנים הגנה.

כוח אספקה וניהול אנרגיה

מקור כוח אמין הוא דם החיים של כל רכב אוטונומי.בחירת מערכת החשמל משפיעה על מסה, עלות, משך המשימה, ואת מגבלות התפעוליות.

אתגרים של כוח סולארי

לוחות סולאריים הם מקור הכוח הנפוץ ביותר עבור אלטרנטינים על פני השטח, אבל הם עומדים בפני מכשולים משמעותיים על הירח ועל מאדים. על פני הירח, הלילה הארוך 14.5 ימים אינו כוח סולארי למשך חצי מכל חודש. במכתשים קוטבים שהם מועמדים לקרח מים, צללים קבועים חוסמים אור שמש לחלוטין.על מאדים, סופות אבק גלובליות יכולות לחסום עד 99% של אור השמש למשך שבועות, תוך שיפור של כמעט ללא שינוי בלוחות אווירי אוויר חלש (R) וסיכויי אבק סולאריים) וסיכויי כדור הארץ, אך ורק לאחר כמה סערות אוויריות איטיות אוויריות, אך הן שרדו עד סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף סוף, על פני כדור הארץ, על פני מאדים, על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, על פני כדור הארץ, על פני מאדים, על

כוח גרעיני חלופי

עבור משימות הדורשות הפעלה רציפה לאורך לילות ארוכים או סופות אבק, מערכות חשמל רדיואיזוטופ (RPS) כגון גנרטורים תרמואלקטריים רדיואיזוטופים (RTGs) הן פתרון מוכח. RTGs להמיר את החום מ plutonium-238 להירקב לחשמל, מתן כוח יציב במשך עשרות שנים.הכוח העיקרי של ניהול כלי רכב מונע על ידי Multi-Mission RTGRT) המספק כ- 110 וואט, אך עשוי להיות פעיל יותר, אך כוח הגנה גבוה, אך עשוי לספק כוח אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי אווירי, אך ורק לאחר מכן, אך ורק יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 בטיחות לטווח ארוך, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 בטיחות לטווח ארוך, 000, אך עשוי להיות מופעל על ידי ניהול אוויר מהיר יותר, 000, 000, 000, 000, 000, 000, 000 כוח יציב, אך יכול להיות מופעל על

אחסון אנרגיה וניהול

גם עם מקור כוח יציב, אחסון אנרגיה הוא קריטי לטפל עומסי שיא במהלך פעילויות כוח גבוה כמו קידוח, נהיגה במעלה ההר, או תקשורת. סוללות ליתיום-יון הם סטנדרטיים, אבל הם חייבים להיות מותשים תרמי כדי למנוע כשלון בכימאמאמים קרים קיצוניים, כגון סוללות מוצקות-מדינה או סוללות ליתיום-סולפור, להבטיח משקעים אנרגיה גבוהה יותר רחב יותר וטמפרטורות טווח חכם על בסיס שיטות אנרגיה רבות, כדי לנבאדות, על ידי שיטות אנרגיה, כדי למחזור אנרגיה נמוכה, כדי לחיזוי של זמן רב של זמן רב של זמן רב של זמן רב של זמן רב של זמן רב של זמן קצר של זמן רב של זמן רב של זמן רב של סוללות מצב רוח, וחיזוי מערכת בריאותיחות אנרגיה, וחיזוי מערכת אנרגיה, ותוחלת גבוהה יותר, וחיזוי, ומערכת אנרגיה, ומערכת אנרגיה, כדי לחיזוי של זמן רב של זמן רב של זמן רב של זמן רב של זמן רב של אנרגיה נמוכה, וטמפרטורה גבוהה יותר, כדי לחיזוי מערכת אנרגיה, כדי לחיזוי מערכת אנרגיה, כדי למנוע את לוח זמנים של זמן רב של זמן רב של אנרגיה, וחיזוי מערכת בריאותי חירום, כדי לחיזוי מערכת אנרגיה, כדי למנוע את לוח זמנים של זמן רב של זמן רב של זמן רב של אנרגיה גבוהה

ניווט ותקשורת

ניווט אוטונומי על עולם אחר הוא שונה באופן יסודי מכדור הארץ ללא GPS, אישורים חייבים להסתמך על היתוך חיישן ועל עיבוד על הסיפון.

המונחים: Mapping

רוגרס קובע את עמדתם על ידי שילוב של אדמטריה גלגל, יחידות מדידה לא רצויות (IMUs), ודאומטריה חזותית באמצעות מצלמות. על מאדים, המיקום יכול להיות מעודן על ידי triangulating עם לווינים מתקדמים כמו מאדים Reconnaisance Orbiter (MRO) עם תכונות קו-of-of-of-of-sight ועיכובים.

עיכובים תקשורת ואוטונומיה

אותות רדיו לקחת בערך 2.5 שניות נסיעה מכדור הארץ לירח ו-4 עד 24 דקות להגיע למאדים, בהתאם לעמדות מסלוליות. שליטה מרחוק בזמן אמת היא בלתי אפשרית.לכן, ASVs חייב להיות בעל רמה גבוהה של אוטונומיה: הם חייבים להיות מסוגלים לתכנן מסלולים, לזהות סיכונים, לבצע רצף מדעי, ולהגיב לאשמה ללא ציפייה לשיטות אבטחה גבוהות של נאס"א, כאשר מטרות יומיומיות ופעולות אוטומטיות, הן עדיין אחראיות, אך ורק על ידי מפעילי אבטחה אוטונומיים, ישלחו, אך ורק על ידי מפעילי אבטחה, ישיגוי אבטחה, אך ורק בשלב מוקדם יותר, ללא דחיסות גבוהה, ללא הנחיות בטיחותיים, ישיגויים, אך ורק בשלב מוקדם יותר, יש צורך ברזולוציה גבוהה, כדי תמיכה ברזולוציה גבוהה, כדי תמיכה ברזולוציה גבוהה, אך ורק לאחר מכן, ללא דחיסות גבוהה של זמן קצר יותר, עם מגבלות אבטחה, עם מגבלות אבטחה, אך ורק לאחר מכן, כדי תמיכה ברזולוציה גבוהה של כלי רכב אוטונומיים, ללא דחיסות גבוהה, עם מגבלות אבטחה, ללא דחיסות גבוהה, ללא דחיסות גבוהה, עם מגבלות אבטחה, אך ורק לאחר מכן, ללא דחיסות גבוהה, עם מגבלות אבטחה, ללא דחיסות גבוהה של זמן קצרי אבטחה, יש צורך ברזולוציה גבוהה של זמן

הימנעות מוחלטת וטרה טרמפ

רוורס לנווט דרך סלעי, מדרדר ושטח רך.הם משתמשים במצלמות סטריאו, LiDAR (על כמה מושגים), ולפעמים מכ"ם קרקעיים כדי להעריך את השטח.מחשבים על גבי לוח נתונים אלה כדי לבנות מפת סיכונים ולבחור נתיב בטוח.מודלים למידה מכונה אפילו מאומנים על פני כדור הארץ כדי לסווג סוגים של אדמה (למשל, חול, מיטה רופפת, סלע, מערכת ניידות קומפקטית).

מערכות מכניות וניידות

העיצוב המכאני של ASV חייב לאזן משקל, כוח, אמינות ותחזוקתיות.כל מרכיב הוא סקרן לחיסכון המוני.

עיצוב גלגלים ו-Suspension Design

ממאדים משתמשים בגלגלי מתכת עם cleats עבור אחיזה, אבל רכב אפולו Lunar Roving (LRV) השתמש בגלגלים חוט-msh כי flexed כדי לספוג זעזועים. המודרנית עיצובים של הירח לעתים קרובות להשתמש גלגלים מורכבים עם אלמנטים אתרי elastomeric גמישים או השעיה אקספרס כי יכול להוריד את המכונית ליציבות או להעלות אותו עבור מכשולעת.

זרוע וחקירה

רבים ASVs לשאת נשק רובוטי לאיסוף דגימות, פריסת מכשירים, או ניקוי פסולת. הזרוע חייבת להיות קל משקל עדיין נוקשה מספיק כדי לפעול בכובד ראש נמוך.לצמצם את השליטה בכוח ואת גבולות מומנט נדרשים כדי למנוע מטרות מדעיות מזיקות. על מאדים, מערכת ההפעלה והקלינג על Perseverance משתמשת turt עם כלים מרובים.

הגנה על העברת חלקים

דבורי, הילוכים, ופועלים חייבים לפעול בטמפרטורות נמוכות שבו lubricants להיות מולקו או מוצקה. מהנדסים להשתמש ברווחים מיוחדים עם טווח טמפרטורה רחב, כגון Braycote, ולעתים לשלב תנורים לדיורים. Seals חייב למנוע אבק באגרסיביות תוך מתן אפשרות תנועה. כמה עיצובים להשתמש הפיכה מגנטית או מחלחלים מנועים כדי להימנע ממגע עם regtholitholith.

תוכנה ואוטונומיה

האינטליגנציה של ASV שוכן בתוכנה שלה. Reliability, בטיחות, והתאמה הם דבר חשוב.

עיבוד על גבי לוח ו-AI

רוג'רס נושאים מחשבים עתירי קרינה, שהם בדרך כלל כמה דורות מאחורי חומרה מסחרית.לדוגמה, Perseverance משתמשת מעבד RAD750 פועל ב 200 MHz.למרות ביצועים מוגבלים, מערכות אלה פועלות תוכנה מתוחכמת לעיבוד תמונות, תכנון נתיב, ומודלים מדעיים לפני ההקדמה.מודלים של למידת מכונה משמשים יותר ויותר לזיהוי סלעים, סיווג שטח, זיהוי עננים או ענני אבק.

גילוי לקוי, בידוד, ושיקום (FDIR)

בהתחשב במרחקים ארוכים ועיכובי תקשורת, אישורים חייבים להיות מסוגלים לזהות ולהיאושש מפגמים באופן אוטונומי.מצבי כישלון נפוצים כוללים גלגלים תקועים, טיפות תקשורת, תוכנה תלולים, או כישלונות חיישן. מערכות FDIR לפקח על מדדי בריאות ולבצע תגובות מוגדרות מראש, כגון הדבקה של חיישן, מעבר למערכת מחוסמת, או כניסה למצב בטוח.

זרימת עבודה אנושית-Robot

עבור משימות כמו ארטמיס, אסטרונאוטים יפעלו אישורים ישירות ומרוחק.התוכנה חייבת לתמוך בצורות מרובות: שיתוף פעולה ישיר (עם עיכובים), ניווט נקודתי, וממשקים אוטונומיים לחלוטין צריכים לספק מודעות מצבית באמצעות מציאות מוגברת המציגה מסלולים מתוכננים, סיכונים ומטרות מדעיות.הרכבים יצטרכו גם לעקוב אחר אסטרונאוטים, אולי באמצעות פס רחב (W) או מעקב אחר אוטונומיה משותפת.

בדיקות ואימות

לפני ההשקה, ASVs לעבור בדיקות נרחבות בסביבות אנלוגיות.המרכז לחקר גלן מרכז SLOPE של נאס"א משחזרת מפשטות אדמה הירח ומאדים של ג'ט Propulsion של Mars Yard מכיל סלעים, מדרונות, ובורות חול.חדרי ה-Rrmal-vacuum מדמיינים מדמיימים את הריק והטמפרטורות קיצוניות.

מסקנה

פיתוח כלי רכב אוטונומיים לירח וממאדים דורש גישה רב תחומית שמצטברת חומרים מדע, הנדסת חשמל, רובוטיקה, בינה מלאכותית וניהול תרמי - התנאים הסביבתיים הקיצוניים - תנודות זמניות, קרינה, אבק ואקום - מהנדסי כוח כדי לחדש מעבר לפתרונות קרקעיים - מערכות כוח מורדים -2 מטוסים מאתגרות - אם מערכות אנרגיה סולארית או גרעין, חייבים לקיים את הרכב לאורך לילות ארוכים וסערות ניווט - הכרחיות למניעה של מערכות הגנה מפני מכשולים, כמו גם ממין: