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揭中国月球车新特性 将实现自动导航与路线选择

http://www.kexue.com 2013-10-17 10:37:07 科技日报  发表评论


目前,为我国首台月球车起名的活动正在火热进行,已有超百万网友参与其中

  嫦娥三号任务计划于今年12月实施,实现我国航天器第一次在地外天体软着陆和巡视探测。备受外界瞩目的我国自主研制月球车,将首次实现与月球的零距离接触。

  据了解,月球表面巡视的3个月中,月球车将依靠各种先进设备对月表进行三维光学成像、红外光谱分析,开展月壤厚度和结构的科学探测,对月表物质主要元素进行现场分析。它传回来的数据,将帮助人们更直接、更准确地了解神秘的月亮。

  核心关注

  我国月球车140公斤寿命3个月

  “月球软着陆器通过反推火箭缓冲,在月面上徐徐降落,舱门打开,自动弹出斜梯。月球车缓舒展开蜷缩的身体,调整好姿态,走出舱门,滑下斜梯,开始漫步月球……”

  被誉为“嫦娥之父”的中国科学院院士、中国月球探测工程首席科学家欧阳自远,曾这样描述中国月球车将来登临月球的场景。

  将随嫦娥三号探月的我国自主研制的首台月球车为三轴六轮结构,设计质量140公斤,寿命为3个月,可在月球上3公里范围内连续行走10公里。北京航空航天大学机器人所丁希仑教授在接受科技日报记者采访时表示,在月球上它将实现自动导航和选择路线,自动拐弯、爬坡、避障等功能,然后自己或经着陆器把数据传输回地球。

  测月雷达将首次实测月壤月岩

  头顶定向天线,脚踩“风火轮”,两侧伸出太阳能帆板,身后“背着”导航及全景相机,“肚子”里还装着红外成像光谱仪、避障相机、机械臂、激光点阵器……

  虽被称为月球车,但实际上它是一个“小型化、低功耗、高集成”的探月机器人。丁希仑告诉科技日报记者,我国月球车底部安装有一台测月雷达,将在国际上首次实测1到30米深的月壤厚度以及1到3000米深度的月壳岩石结构。 此外它还有一条机械臂,能在月壤、月岩中勘探取样,供现场检测。

  月球表面松软,崎岖不平,障碍物多,月球车在月面巡视时采取自主导航和地面遥控的组合模式。

  探月工程副总指挥、探月与航天工程中心主任李本正介绍,月球车的导航相机等设备能够对月面环境和障碍进行感知和识别,然后对巡视的路径进行规划。

  “包裹式睡眠”应对14天长夜考验

  月球昼夜间隔大约相当于地球上的14天,昼夜温差大,白天温度高达130—150摄氏度,夜间可下降到零下160—零下180摄氏度。“长夜难熬”是月球车必须面对的考验。

  为解决这一问题,技术人员为月球车设计了可以伸缩的太阳能帆板,白天发电时展开,夜晚则收起来,“正好将仪器设备包在里面”。这种“包裹式睡眠”,有助于保证仪器不会失温,保障各种仪器不被冻坏,并且有剩余电力在月球上的第二天早晨“自主醒来”,展开太阳能帆板迎接新一天的阳光。此外,白天时,帆板还可以调整角度,避免被阳光照射得太热。

  对话专家

  40年,月球车的“前世今生”

  科技日报:月球车经历了40年的发展,有哪些技术上的飞跃?

  丁希仑(北京航空航天大学机器人研究所教授):“月球17号”探测器所搭载的“月球车1号”于1970年11月17日在月面雨海地区着陆,这是人类第一次在地球上对发送到另外一个星球上的机器人进行远程控制。这台月球车上的装备包括一架锥形天线、一个高精度定向的螺旋天线、四台电视摄像机,以及一些用来测量月壤密度和物理、化学特征的设备。限于当时的技术条件,车上所搭载的有效载荷偏少,在月面移动以远程遥控操作为主,不能自主避障行走。

  40年过去了,由于材料、能源和人工智能等技术的发展,无人月球车在轻量化结构设计、热控、导航控制等方面取得了很大的进步,月面存活工作时间越来越长,自主导航和避障能力越来越强,所搭载的有效载荷也越来越多,越来越精密。

  月球车还需突破能源材料等瓶颈

  科技日报:目前最核心的技术是什么?还需要攻克的难题有哪些?

  丁希仑:单纯对月球车本身而言,目前最核心的技术之一是能源与热控,保障其在高低温差大和真空等苛刻的月面环境下存活工作时间足够长,核心技术之二是高性能的移动机构设计,使其在月球表面月壤非常松软且崎岖不平等恶劣情况下具有很好的爬坡、越障和抗倾覆能力。

  月球表面温度在零下170摄氏度到零上130摄氏度之间, 还需要攻克的难题主要是:如何研究开发新型材料,使月球车的结构在月面温差较大的恶劣环境下长期保持坚固耐用;如何研究开发超强持久的小型高效能源装置,满足月球车在月面过夜、大范围巡视和有效载荷工作等能耗需求。

  未来机器人或将“组团”完成星球探测

  科技日报:目前您的研究中,与月球车相关的工作能否介绍一下?

  丁希仑:从2002年开始我带领北航空间机器人研究团队开展轮腿复合式星球探测机器人的研究,2004年北京航空航天大学与意大利米兰理工大学联合设计了一种融合腿式优越地形适应能力和轮式高速高效优点的新型腿轮式六足变结构星球探测机器人。具有轮腿复合的行走机构和半球形的模块化本体结构,能够实现多种行走模式。机器人样机在2006年第8届国际月球探测与利用大会上展示,广受国内外专家赞誉。

  目前,我们对星球探测机器人样机又进行了多次改进设计,现在的新型机器人样机功能更为强大,除了具有灵活多变的步态外,还具有翻倒自恢复能力和腿臂融合操作的能力。

  同时,我们也在研究多机器人团队协作——这一新型的星球探测模式。通过群体行为的协调优化控制,能够高效探测未知环境,完成单个机器人无法完成的复杂任务。另外,系统具有容错性,机器人之间可以相互协助和维修,即使其中的某个机器人发生故障,也不会影响整个探测任务的完成,提高了探测作业的安全性和可靠性。

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