Perché i rover su Marte sono così lenti?

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I rover su Marte sono in genere molto lenti. La curiosità, ad esempio, ha una velocità media di circa 30 metri all'ora.

Perché è progettato così lentamente? È a causa di alcune restrizioni di alimentazione specifiche o per altri motivi? Qual è il motivo principale per cui è così lento?

mobile-robot design

— sharptooth
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Di seguito vengono discusse le restrizioni fisiche, ma considera anche questo: dove andresti a velocità così elevate?

Una cosa è se andare a 45 miglia orarie, sembra molto più probabile che si ribalti quando colpisce una roccia, e se ho progettato la rotta e la velocità, non vorrei essere licenziato quando rovino accidentalmente un milione / dispositivo da miliardi di dollari molto lontano. :)

— Pinguino anonimo il

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Ha più a che fare con la sospensione del carrello a bilanciere di ogni altra cosa.

Il sistema è progettato per essere utilizzato a bassa velocità di circa 10 cm / s, in modo da ridurre al minimo gli urti dinamici e i conseguenti danni al veicolo quando si superano ostacoli considerevoli.

In cambio di muoversi lentamente, il rover è in grado di arrampicarsi su rocce che sono il doppio del diametro della ruota (la sospensione normale ha problemi con qualcosa che supera la metà del diametro della ruota). Questo è importante quando si viaggia in - letteralmente - un paesaggio alieno.

arrampicata

(immagine via http://en.smath.info/forum/yaf_postst995p2_Animation-of-mechanisms.aspx )

Ci sono altri vantaggi che derivano dalla bassa velocità: migliore correlazione tra i frame successivi acquisiti dalle telecamere di navigazione , più tempo per pianificare il suo percorso e risparmio energetico. Tuttavia, senza le funzionalità fornite dal sistema di sospensione - il superamento degli ostacoli presenti sulla superficie marziana senza rimanere bloccati o causare danni - gli altri vantaggi sono discutibili.

— Ian
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Corretta! Questo è il motivo principale e deriva dalla necessità di sicurezza e prevedibilità. È molto costoso ottenere un rover su Marte, ed è impagabile una volta lì. L'energia è un fattore per la distanza per sol, ma non tanto per la distanza all'ora. Potresti immaginare un rover più veloce che ha più tempo del giorno per altre attività (non così energeticamente energetiche). Le limitazioni della comunicazione non sono altrettanto importanti, poiché l'autonomia potrebbe consentire un po 'di roving in un sol se la sospensione e l'energia non fossero un fattore. Il processore Curiosity è molto più veloce rispetto a Spirit e Opportunity.

— Mark Adler,

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@MarkAdler Tutto vero, ma qualsiasi rover progettato per risparmiare energia da utilizzare in un rapido scoppio dovrebbe portare con sé una batteria molto pesante a tale scopo, quindi una sospensione di alta qualità non è l'unico ostacolo.

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Come accade, su Curiosity, la principale limitazione energetica sulla mobilità per sol non è l'energia per far funzionare i motori, ma piuttosto l'energia per riscaldare i motori e le scatole del cambio fino alla loro temperatura di funzionamento al mattino. Ciò di cui abbiamo davvero bisogno sono i motori e le scatole del cambio che possono funzionare a temperature ambiente di Marte. Il progetto MSL ha cercato di svilupparli, ma ha riscontrato problemi e ricadde sulla tecnologia esistente.

— Mark Adler,

Quali problemi sono causati da temperature molto basse?

— Ansis Māliņš,

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Aspetta, THE @MarkAdler?

— Ian,

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Sembra una domanda da softball ma è sorprendentemente sottile. Ci sono alcune risposte eccellenti qui, ma posso aggiungere un po 'di rigore di base.

Il motivo per cui i rover si muovono così lentamente è essenzialmente la necessità di essere cauti con un equipaggiamento da molti milioni di dollari. Ma ci sono alcuni altri vincoli di progettazione che vale la pena menzionare.

$\int_{T_{i n i t i a l}}^{T_{f i n a l}} [c_{0} v (t)^{2} + c_{1} a (t)^{2} + c_{3} v (t) + c_{4} a (t) + c_{5} v (t) * a (t) + C] d t$ $\int^{T_{final}}_{T_{initial}} [ c_0 v(t)^2 + c_1 a(t)^2 + c_3v(t) + c_4a(t) + c_5v(t)*a(t) + C ]dt$ $c_0...c_6$ . Nota LIDAR è ampiamente utilizzato in veicoli autonomi e senza conducente come Google Car . Il che mi porta a ...
$O(r^3)$ $r$
Ritardi di comunicazione . Come accennato, il robot è i) autonomo e ii), sensibile al rilevamento. Gli umani devono costantemente "fare il check-in" per assicurarsi che il robot non stia facendo qualcosa di stupido (nonostante i suoi algoritmi di pianificazione all'avanguardia). Ciò significa che il robot attenderà molto le istruzioni , quindi rallenterà il progresso medio verso un obiettivo. I riferimenti precedenti affrontano questo.
Stabilità . Per ottenere stabilità / robustezza, i rover utilizzano il sistema bilanciere a bilanciere. vedi questo . Questo sistema è progettato per funzionare a basse velocità. Se vai veloce e colpisci un sasso, rompi il tuo rover. Prova a immaginare di fare quella pianificazione del movimento basata su sensori. Ora prova a farlo quando tutti i tuoi sensori rilevanti sono su un albero attaccato alla parte superiore del robot e vedrai che mantenere stabile il carico utile di rilevamento è molto importante.

— Josh Vander Hook
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Questo è fantastico! È come il mio post, ma in termini scientifici. Vorrei eliminare il mio post a favore di questo, ma la reputazione a questo punto è troppo allettante: D Sono certo però, alla fine otterrebbe punti più alti.

— Shahbaz,

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: D Per favore, non cancellarlo. Hai una bella foto in tema per gli analfabeti.

— rics

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Non sono un tale esperto di fisica, ma posso pensare ad alcuni motivi:

Potenza . La quantità di energia necessaria per eseguire un'attività è inversamente proporzionale al tempo necessario per eseguire tale attività. Penso che sia ben noto che fare qualcosa di più veloce richiede più potenza, altrimenti potresti fare tutto all'infinitamente veloce e gratuitamente.
Velocità di calcolo . L'affermazione sul potere (sopra) non si limita ai movimenti. È vero anche per il calcolo. Hai notato che quando il tuo laptop è in modalità di risparmio energetico, funziona più lentamente? Con i processori, se calcoli qualcosa due volte più velocemente, hai bisogno di quattro volte più energia per farlo. Di conseguenza, molto probabilmente, anche la CPU dei rover Mars non funziona ad alta velocità. Pertanto, se il rover ha bisogno di tempo per elaborare qualcosa prima di andare avanti (ad esempio immagini dell'ambiente), deve spostarsi più lentamente in modo da ricevere i dati a una velocità inferiore. Abbastanza lento in modo che possa elaborarli.
Stabilità . Credo di non aver bisogno di darti formule per questo fenomeno:

In poche parole, più lentamente vai, minore è la possibilità di sollevarti su una cresta e possibilmente perdere la stabilità quando atterri.
Manovrabilità . Se vai a una velocità ragionevolmente bassa, non avrai problemi a guidare. D'altra parte, alle alte velocità, è necessaria una maggiore curvatura per girare, oltre a una maggiore pressione sulle ruote sul lato esterno.

Nota che alcuni di questi problemi, come la stabilità, sono veri anche per i robot sulla terra. Tuttavia, qui sulla terra possiamo sempre capovolgere il veicolo se si capovolge, ma su Marte non possiamo fidarci di Marziani su di esso (a loro potrebbe piacere il rover bloccato sulla sua schiena e iniziare ad adorarlo, il che non è assolutamente bello per noi) .

— Shahbaz
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L'energia è probabilmente il principale fattore limitante. La curiosità pesa quasi una tonnellata (simile a un subcompatto), ma la sua fonte di energia produce solo 125 W di potenza. Se tutta la potenza fosse disponibile per la trasmissione che sarebbe solo .16HP; la quantità effettiva disponibile è inferiore poiché anche i computer, gli strumenti e le radio condividono una quota.

— Dan Neely,

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Sono titubante nel considerare il tuo proiettile necessario come una ragione forte. Ottenere potenza sufficiente per una velocità elevata, una lunga durata, il rover non è possibile con la tecnologia attuale, quindi tutte le missioni proposte sono state progettate per un ritmo lento di viaggio e uno studio approfondito di un'area relativamente piccola. Se fosse possibile un rover con un raggio di 10-100 km / giorno, sarebbe stato possibile un insieme completamente diverso di proposte di ricerca. ex Esplora la lunghezza di Valles Marineris per determinare come è stata scolpita.

— Dan Neely,

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+1 La stabilità può essere un problema serio considerando la differenza di gravità.

— Sulthan,

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"La quantità di energia che usi per un'attività è inversamente proporzionale al quadrato del tempo impiegato per svolgere tale attività." - Questo non è proprio vero. Fare qualcosa due volte più veloce richiede il doppio della forza, ma la stessa quantità di energia. A meno che il fattore limitante non sia qualcosa che si scala con il quadrato da solo (come la resistenza ai fluidi scala con il quadrato della tua velocità), ma per applicarlo al rover su Marte dovresti spiegare quali specifici fattori limitanti ci sono.

— MatsT

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Questi sono tutti buoni motivi per cui un robot in generale andrebbe lento, ma perché Curiosity va lentamente è il risultato del suo design delle sospensioni.

— Ian,

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Uno dei motivi è a causa del ritardo nelle comunicazioni tra Terra e Marte.

Il tempo di andata e ritorno per i segnali dalla Terra a Marte è di diversi minuti, il che significa che non è possibile teleoperare il robot in tempo reale. Ciò significa che il robot ha bisogno di alcune capacità autonome di evitamento degli ostacoli per evitare che si blocchi o altrimenti nei guai.

L'attrezzatura per la prevenzione dei rischi sui rover su Marte è generalmente progettata in modo molto conservativo, il che significa guidare lentamente e fermarsi frequentemente per controllare l'ambiente.

Da Wikipedia, per Mars Exploration Rovers (Spirito e opportunità):

... il software di prevenzione dei pericoli lo fa arrestare ogni 10 secondi per 20 secondi per osservare e comprendere il terreno in cui ha guidato.

— WildCrustacean
fonte

Esattamente. i processori e il software disponibili al momento della progettazione / costruzione / lancio / aggiornamento remoto del veicolo non possono andare più veloci di così.

— Piani cottura

Sembra che questo hazard avoidancesia il paradigma sbagliato. Il robot dovrebbe comportarsi come uno scarafaggio dopo un atterraggio di fortuna dopo 50 m di volo verticale in discesa: alzati e boogie. Puoi provarlo anche sulla terra, non a pochi minuti di distanza su Marte.

— ott--