Warum sind Marsrover so langsam?

Marsrover sind normalerweise sehr langsam. Neugier hat zum Beispiel eine Durchschnittsgeschwindigkeit von etwa 30 Metern pro Stunde.

Warum ist es so langsam gestaltet? Liegt es an bestimmten Leistungsbeschränkungen oder aus anderen Gründen? Was ist der Hauptgrund, warum es so langsam ist?

Es hat mehr mit der Drehgestellfederung zu tun als mit allem anderen.

Das System ist für langsame Geschwindigkeiten von ca. 10 cm / s ausgelegt, um dynamische Erschütterungen und Folgeschäden am Fahrzeug beim Überwinden größerer Hindernisse zu minimieren.

Im Gegenzug für langsame Bewegungen kann der Rover auf Felsen klettern, die doppelt so groß sind wie der Raddurchmesser (normale Federung hat Probleme mit mehr als der Hälfte des Raddurchmessers). Dies ist wichtig, wenn Sie buchstäblich in einer fremden Landschaft unterwegs sind.

(Bild über http://en.smath.info/forum/yaf_postst995p2_Animation-of-mechanisms.aspx )

Es gibt weitere Vorteile, die mit langsamer Geschwindigkeit einhergehen: bessere Korrelation zwischen aufeinanderfolgenden Bildern, die von den Navigationskameras erfasst wurden , mehr Zeit für die Planung des Pfades und Energieeinsparungen. Ohne die Fähigkeiten des Aufhängungssystems - das Überwinden der Hindernisse auf der Marsoberfläche, ohne festzuklemmen oder Schaden zu verursachen - stehen die anderen Vorteile jedoch außer Frage.

Dies scheint eine Softball-Frage zu sein, ist aber überraschend subtil. Hier gibt es einige ausgezeichnete Antworten, aber ich kann einige grundlegende Genauigkeit hinzufügen.

Der Grund, warum sich die Rover so langsam bewegen, ist im Wesentlichen die Notwendigkeit, mit einem Gerät im Wert von mehreren Millionen Dollar vorsichtig umzugehen. Es gibt jedoch einige andere Konstruktionsbeschränkungen, die erwähnenswert sind.

• Energie ist einfach der schlimmste Engpass für mobile, autonome Systeme. Die Energiekosten für eine Verlagerung eines Systems über eine Oberfläche können typischerweise als wobei Konstanten sind, die die Motorparameter darstellen (siehe hier und hier)c 0 . . . c

  $$\int^{T_{final}}_{T_{initial}} [ c_0 v(t)^2 + c_1 a(t)^2 + c_3v(t) + c_4a(t) + c_5v(t)*a(t) + C ]dt$$ $c_0...c_6$). Die Kosten für die Reise zu einem nahe gelegenen Krater sind also proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit und zum Quadrat der Beschleunigung. Langsamer kostet also insgesamt weniger Strom. Es gibt normalerweise eine "Kippgeschwindigkeit", bei der der Stromverbrauch ansteigt, und dies ist normalerweise eine sehr langsame Geschwindigkeit. Daher bewegen sich Roboter langsam, um Energie zu sparen. Dies bedeutet außerdem, dass ein Roboter keine energieintensiven Sensoren wie LIDAR tragen kann . Hinweis LIDAR wird häufig in autonomen, fahrerlosen Fahrzeugen wie dem Google Car verwendet . Welches bringt mich zu ...

• Computational Sensing . Beachten Sie, dass wir keine Stromversorgung in Betracht ziehen. Jetzt müssen wir erkennen, dass der Roboter autonom ist (dh ohne Fahrer). Aufgrund der reduzierten Sensoren kann ein Roboter nicht seine gesamte Umgebung modellieren und eine große Route planen. Stellen Sie sich das so vor, würden Sie im Dunkeln durch den Wald rennen? Nicht, wenn du nicht müsstest. Der Roboter ist ständig "im Dunkeln", da er nicht weit voraussehen kann. Daher bewegt er sich langsam und plant jeden Schritt sorgfältig. Der Speicher und die CPU, die erforderlich sind, um diese Dinge zu planen, sind oder schlechter, wobei der Planungsradius ist. siehe hier und hier$O(r^3)$$r$

• Verzögerungen bei der Kommunikation . Wie erwähnt, ist der Roboter i) autonom und ii) sensorisch begrenzt. Die Menschen müssen ständig "einchecken", um sicherzustellen, dass der Roboter nichts Dummes tut (trotz seiner hochmodernen Planungsalgorithmen). Dies bedeutet, dass der Roboter viel auf Anweisungen wartet und sich so nur langsam auf ein Ziel zubewegt. Die bisherigen Referenzen sprechen dies an.

• Stabilität . Um Stabilität / Robustheit zu erreichen, verwenden die Rover das Rocker-Bogie-System. sieh das . Dieses System ist für langsame Geschwindigkeiten ausgelegt. Wenn Sie schnell fahren und auf einen Felsen schlagen, brechen Sie Ihren Rover. Versuchen Sie sich diese sensorgestützte Bewegungsplanung vorzustellen. Versuchen Sie dies jetzt, wenn sich alle relevanten Sensoren an einem Mast befinden, der an der Oberseite Ihres Roboters angebracht ist , und Sie sehen, dass es sehr wichtig ist, die Erfassungsnutzlast stabil zu halten.

Ich bin kein Experte für Physik, aber ich kann mir ein paar Gründe vorstellen:

• Macht . Die Menge an Energie, die Sie für eine Aufgabe benötigen, ist umgekehrt proportional zu der Zeit, die Sie für diese Aufgabe benötigen. Ich denke, es ist bekannt, dass etwas Schnelleres mehr Kraft erfordert, sonst könnte man alles unendlich schnell und kostenlos erledigen.
• Rechengeschwindigkeit . Die Aussage zur Kraft (oben) ist nicht auf Bewegungen beschränkt. Dies gilt auch für die Berechnung. Ist Ihnen aufgefallen, dass Ihr Laptop im Energiesparmodus langsamer läuft? Wenn Sie mit Prozessoren etwas doppelt so schnell berechnen, benötigen Sie dafür viermal mehr Energie. Infolgedessen arbeitet die CPU von Mars Rovers höchstwahrscheinlich auch nicht mit hoher Geschwindigkeit. Wenn der Rover Zeit benötigt, um etwas zu verarbeiten, bevor er sich fortbewegt (z. B. Bilder der Umgebung), muss er sich daher langsamer fortbewegen, damit Daten langsamer empfangen werden. Langsam genug, damit es sie verarbeiten kann.

• Stabilität . Ich glaube, ich muss Ihnen keine Formeln für dieses Phänomen geben:

  

  Einfach ausgedrückt, je langsamer Sie fahren, desto geringer ist die Chance, über einen Kamm abzuheben und möglicherweise Ihre Stabilität zu verlieren, wenn Sie landen.

• Wendigkeit . Wenn Sie mit einer einigermaßen langsamen Geschwindigkeit fahren, haben Sie keine Probleme beim Lenken. Andererseits benötigen Sie bei hohen Geschwindigkeiten eine größere Krümmung zum Drehen sowie mehr Druck auf die Räder an der Außenseite.

Beachten Sie, dass einige dieser Probleme, wie z. B. die Stabilität, auch für Roboter auf der Erde zutreffen. Hier auf der Erde können wir das Fahrzeug jedoch immer umdrehen, wenn es umgekippt ist, aber auf dem Mars können wir den Marsianern nicht vertrauen (sie mögen vielleicht den Rover, der auf dem Rücken klebt und ihn verehrt, was für uns absolut nicht cool ist). .

Ein Grund ist die Kommunikationsverzögerung zwischen Erde und Mars.

Die Umlaufzeit für Signale von der Erde zum Mars beträgt einige Minuten, was bedeutet, dass Sie den Roboter nicht in Echtzeit fernsteuern können. Dies bedeutet, dass der Roboter eine autonome Fähigkeit zur Vermeidung von Hindernissen benötigt, um zu verhindern, dass er stecken bleibt oder auf andere Weise in Schwierigkeiten gerät.

Die Ausrüstungen zur Gefahrenvermeidung bei Mars Rovers sind im Allgemeinen sehr konservativ gestaltet, dh, Sie müssen langsam fahren und häufig anhalten, um Ihre Umgebung zu überprüfen.

Aus Wikipedia für die Mars Exploration Rovers (Spirit and Opportunity):

Durch die Gefahrenvermeidungssoftware stoppt sie 20 Sekunden lang alle 10 Sekunden, um das Terrain zu beobachten und zu verstehen, in das sie gefahren ist.