Dlaczego łaziki marsjańskie są tak wolne?

Łaziki marsjańskie są zwykle bardzo wolne. Na przykład ciekawość ma średnią prędkość około 30 metrów na godzinę.

Dlaczego jest tak wolno zaprojektowany? Czy to z powodu pewnych szczególnych ograniczeń zasilania, czy z innych powodów? Jaki jest główny powód, dla którego jest tak wolny?

Ma on więcej wspólnego z zawieszeniem wahacza niż czymkolwiek innym.

System zaprojektowano do pracy z małą prędkością około 10 cm / s, aby zminimalizować wstrząsy dynamiczne i wynikające z tego uszkodzenia pojazdu podczas pokonywania dużych przeszkód.

W zamian za powolne poruszanie się łazik jest w stanie wspinać się po skałach, które mają podwójną średnicę koła (normalne zawieszenie ma problemy z czymkolwiek, co przekracza połowę średnicy koła). Jest to ważne podczas podróży w - dosłownie - obcym krajobrazie.

(zdjęcie za pośrednictwem http://en.smath.info/forum/yaf_postst995p2_Animation-of-mechanisms.aspx )

Istnieją inne korzyści związane z niską prędkością: lepsza korelacja między kolejnymi ramkami zarejestrowanymi przez kamery nawigacyjne , więcej czasu na zaplanowanie ścieżki i oszczędność energii. Jednak bez możliwości systemu zawieszenia - pokonania przeszkód znajdujących się na powierzchni Marsa bez utknięcia lub uszkodzenia - pozostałe korzyści są sporne.

To wydaje się być pytaniem typu softball, ale jest zaskakująco subtelne. Jest tu kilka doskonałych odpowiedzi, ale mogę dodać podstawowy rygor.

Powodem, dla którego łaziki poruszają się tak wolno, jest przede wszystkim konieczność zachowania ostrożności w przypadku sprzętu wartego wiele milionów dolarów. Warto jednak wspomnieć o innych ograniczeniach projektowych.

• Energia jest po prostu najgorszym wąskim gardłem dla mobilnych, autonomicznych systemów. Koszt energii przeniesienia systemu przez powierzchnię można zwykle modelować jako gdzie są stałymi reprezentującymi parametry silnika (patrz tutaj i tutajc 0 . . . c

  $$\int^{T_{final}}_{T_{initial}} [ c_0 v(t)^2 + c_1 a(t)^2 + c_3v(t) + c_4a(t) + c_5v(t)*a(t) + C ]dt$$ $c_0...c_6$). Koszt podróży do pobliskiego krateru jest więc proporcjonalny do kwadratu prędkości i kwadratu przyspieszenia. Tak więc wolniej kosztuje mniej energii ogółem. Zwykle występuje „prędkość przechylania”, przy której zużycie energii wzrasta, i zwykle jest to bardzo wolna prędkość. Dlatego roboty poruszają się wolno, aby oszczędzać energię. Dodatkowo oznacza to, że robot nie może nosić energochłonnych czujników, takich jak LIDAR . Uwaga LIDAR jest szeroko stosowany w autonomicznych pojazdach bez kierowcy, takich jak Google Car . Co prowadzi mnie do ...

• Wykrywanie obliczeniowe . Uwaga: nie bierzemy pod uwagę mocy. Teraz musimy zdać sobie sprawę, że robot jest autonomiczny (tzn. Bez kierowcy). Biorąc pod uwagę zredukowane czujniki, robot nie może modelować całego środowiska i planować dużej trasy. Pomyśl o tym w ten sposób, czy pobiegniesz przez las w ciemności? Nie, jeśli nie musisz. Robot jest stale „w ciemności”, ponieważ nie widzi daleko, więc porusza się powoli, starannie planując każdy krok. Pamięć i procesor wymagany do planowania tych rzeczy to lub gorzej, gdzie jest promieniem planowania. patrz tutaj i tutaj$O(r^3)$$r$

• Opóźnienia w komunikacji . Jak wspomniano, robot jest i) autonomiczny, i ii) ma ograniczone wykrywanie. Ludzie muszą stale „odprawiać się”, aby upewnić się, że robot nie robi czegoś głupiego (pomimo najnowocześniejszych algorytmów planowania). Oznacza to, że robot będzie dużo czekał na instrukcje , co spowolni średni postęp w kierunku celu. Poprzednie odniesienia odnoszą się do tego.

• Stabilność . Aby osiągnąć stabilność / wytrzymałość, łaziki wykorzystują układ wahacza. zobacz to . Ten system jest zaprojektowany do pracy przy niskich prędkościach. Jeśli idziesz szybko i uderzasz w kamień, łamiesz łazik. Spróbuj wyobrazić sobie planowanie oparte na czujnikach. Teraz spróbuj to zrobić, gdy wszystkie odpowiednie czujniki znajdują się na maszcie przymocowanym do górnej części robota , a zobaczysz, że utrzymanie stabilności ładunku wykrywającego jest bardzo ważne.

Nie jestem ekspertem w dziedzinie fizyki, ale mogę wymyślić kilka powodów:

• Moc . Ilość mocy potrzebnej do wykonania zadania jest odwrotnie proporcjonalna do czasu potrzebnego na wykonanie tego zadania. Wydaje mi się, że dobrze wiadomo, że robienie czegoś szybciej wymaga więcej mocy, w przeciwnym razie możesz zrobić wszystko nieskończenie szybko i bez żadnych kosztów.
• Szybkość obliczeń . Stwierdzenie o mocy (powyżej) nie ogranicza się do ruchów. Dotyczy to również obliczeń. Czy zauważyłeś, że laptop jest w trybie oszczędzania energii, działa wolniej? W przypadku procesorów, jeśli obliczasz coś dwa razy szybciej, potrzebujesz do tego czterokrotnie więcej energii. W rezultacie najprawdopodobniej procesor łazików marsjańskich również nie pracuje z dużą prędkością. Dlatego jeśli łazik potrzebuje czasu na przetworzenie czegoś przed przejściem (na przykład obrazy otoczenia), musi poruszać się wolniej, aby otrzymywać dane z mniejszą szybkością. Powolny, aby mógł je przetworzyć.

• Stabilność . Uważam, że nie muszę podawać wzorów na to zjawisko:

  

  Mówiąc najprościej, im wolniej jedziesz, tym mniejsza jest szansa na zjechanie z grzbietu i utratę stabilności podczas lądowania.

• Zwrotność . Jeśli poruszasz się z dość małą prędkością, nie będziesz miał problemów ze sterowaniem. Z drugiej strony przy dużych prędkościach potrzebna jest większa krzywizna do skrętu, a także większy nacisk na koła po zewnętrznej stronie.

Pamiętaj, że niektóre z tych problemów, takie jak stabilność, dotyczą również robotów na ziemi. Jednak tutaj, na ziemi, zawsze możemy przewrócić pojazd, jeśli się przewróci, ale na Marsie nie możemy ufać Marsjanom (mogą podobać się łazikowi przyczepionemu na grzbiecie i zacząć go czcić, co nie jest dla nas fajne) .

Jednym z powodów jest opóźnienie w komunikacji między Ziemią a Marsem.

Czas podróży w obie strony dla sygnałów z Ziemi na Marsa wynosi kilka minut, co oznacza, że ​​nie można teleoperować robota w czasie rzeczywistym. Oznacza to, że robot potrzebuje pewnej autonomicznej możliwości unikania przeszkód, aby zapobiec jego zablokowaniu lub innym problemom.

Sprzęt do unikania zagrożeń w łazikach marsjańskich jest na ogół zaprojektowany w bardzo konserwatywny sposób, co oznacza, że ​​należy jechać powoli i często zatrzymywać się, aby sprawdzić otoczenie.

Z Wikipedii, dla Mars Exploration Rovers (Spirit and Opportunity):

... oprogramowanie do unikania zagrożeń powoduje zatrzymywanie się co 10 sekund przez 20 sekund, aby obserwować i zrozumieć teren, na który wjechał.