Invaze na Mars

Author: Martin Dlouhý, 2004-01-28

prezentace v pražském Planetáriu

V lednu 2004 na Marsu přistálo hned několik sond, mezi kterými byla i americká sonda Spirit a Opportunity nesoucí na palubě MEA – Mars Exploration Rover. Bylo milým překvapením, že pražské Planetárium si nechalo postavit pohyblivou kopii vozítka (v měřítku 1:1), která je k vidění široké veřejnosti.

MER - pohled ze strany

Model robota

Pokud si ještě pamatujete na přistání sondy Pathfinder s robotem Sojourner v roce 1997, tak první co Vás v Planetáriu překvapí jsou rozměry nových robotů. Zatímco Sojourner vážil okolo 9kg a byl dlouhý 0.63m, tak dva noví roboti váží každý 174kg a rozměry jsou 1.49 x 2.29 x 1.58m. Ve srovnání se Sojournerem jsou to tedy obříci .

Dalším (milým) překvapením ohledně modelu byla skutečnost, že se pohyboval. Robot má mnoho stupňů volnosti – jednotlivá kola se mohou natáčet, vpředu je chapadlo na odebírání vzorků, kamery, anténa a vlastně i samotný mechanizmus rozbalení solarních panelů má na reálném robotu vlastní motory (na modelu jsou panely pouze přidělány pohyblivými panty). Vozítko není extra rychlé - 10mm/s už je pro ně vysoká rychlost. To ale odpovídá rychlosti, jakou se ve skutečnosti pohybují roboti na Marsu. Model je řízen z notebooku pomocí jednoduchých příkazů: zatoč doleva, jeď rovně, couvej, atd.

Technická data reálných robotů

Pohled z MERB - NASA

Informace, které máme k dispozici, byly převzaty z webových stránek NASA. Hovoří zde o robotu geologovi, který má stejně jako my tělo, mozek, regulaci teploty, krk a hlavu, oči a další smyslové orgány. Má sice pouze jednu ruku, ale šest kolo-noh, založní zdroje energie a prostředky ke komunikaci se Zemí.

Tělo

Tělo robota konstruktéři označují jako WEB - Warm Electronics Box, tedy vyhřívaná krabice s elektronikou. Stejně jako u automobilů je vnitřek chráněn pevnou karoserií. Krabice je vyhřívaná, protože teplota na Marsu může v noci klesnout až pod mínus 96 stupňů.

Mozek

Řídící počítač komunikuje s ostatními zařízeními a senzory pomocí VME sběrnice. VME (Versa Module Europa) sběrnice je průmyslový standard, který se používá k řízení motorů, vědeckých nástrojů a komunikačních zařízení. Počítač je podobný kvalitnímu notebooku. Obsahuje speciální pamět odolnou vůči extrémní radiaci a ochranu během vypnutí, aby se data s programem během noci nechtěně nesmazala. Velikost paměti DRAM je 128MB s chybovou detekcí a korekcí a EEPROM 3MB. Toto je zhruba 1000x více než kolik měl robot Sojourner.

Rover obsahuje IMU (Inertial Measurement Unit), které se stará o udržování 3D natočení ve všech třech osách. Jeho hlavní použití je pro bezpečnou jízdu, aby nedošlo k převrácení vozítka. Další z hlavních činností počítače je neustálá kontrola funkčnosti zařízení. Životně důležité je udržování teploty a komunikace se Zemí. Na druhou stranu operace jako fotografování, řízení jízdy či práce s vědeckými nástroji se provádí pouze na příkaz ze Země. Rover generuje jen hlášení o aktuálním stavu případně změnách od posledního spojení.

Hlava a krk

Pohled zepředu

To co vypada jako hlava a krk je ve skutečnosti Pancam Mast Assembly (panoramatická stožárová konstrukce). Zdvihá se až do výšky 1.4m nad základnu kol, čímž umožňuje dostatečně široký záběr. Zařízení má dva základní významy: funguje jako periskop pro výzkumné zařízení Mini-TES (Miniature Thermal Emission Spectrometer) a dáva dostatečnou výšku pro panoramatické a navigační kamery. Zkráceně umožňuje robotu vidět do dálky.

Mini-TES je miniaturní infračervený spektrometr, který je schopný na dálku detekovat složení kamenů a půdy podle vzorů tepelného vyzařování. Cílem studia jsou především minerály, které obsahují vodu. Mini-TES také měří změny v amosféře: teplotu, vodní páry a množství prachu. Mini-TES je umístěn v těle robota, kde vystupuje krk. Krk slouží tedy jako periskop a směruje světlo dolů do zařízení. Kamery a Mini-TES koukají různými směry, takže pokud je třeba udělat kompeltní pozorování daného místa, hlava se musí otočit.

Tři motory dovolují společně otáčet kamery a Mini-TES 360 stupňů ve vodorovné rovině, samostatně kamery 90 stupňů nad a 90 stupňů pod horizont a samostatně Mini-TES 30 stupňů nad a 50 stupňů pod horizont. Během přistání jsou hlava a krk těsně spojeny s tělem roveru. Po přistání se zvedne a zůstane vzpřímená po celý zbytek mise.

Senzory

Každé vozítko má devět „očí”. Šest jich je použito pro navigaci a tři pro vědecké účely. Čtyři černobílé kamery jsou namontovány v párech vpředu a vzadu vozítka. Označují se jako Hazcam (Hazard Avoidance Cameras) a mají zabránít neočekávaným kolizím. Kamery jsou pevné se šířkou záběru 120 stupňů. Stereo vidění je použito k mapování terénu do vzdálenosti tří metrů. Dvě navigační kamery (Navcam) jsou umístěny na stožárové konstrukci a umožňují 3D panoramatické pohledy okolí robota. Jedná se opět o černobílé kamery se šířkou záběru 45 stupňů. Hlavní účel je poskytování dat pro plánování a navigaci, která se provádí na Zemi.

Dvě Pancams (Panoramic Cameras) sbírají barevné panoramatické fotografie povrchu Marsu. S velmi vysokým rozlišením (0.3 miliradiánu) jsou srovnatelné s lidským okem. Obě kamery mají navíc osm možných filtrů. Pancams tak mohou pořizovat multispekrální 3D obrazy. Pancams jsou také součástí navigačního systému. Při použití slunečního filtru se pohledem na Slunce určuje absolutní směr vozítka. Tímto způsobem se získá velice přesný „kompas”. Devátá kamera je mikrospopický snímač obrazů. Je namontován v ruce a umožňuje monochromaticky fotografovat horninu z extémní blízkosti. Jedním z hlavních cílů je zjistit složení a jejich vliv na pohyb vozítka (jak moc se propadnou kola).

Kolo-nohy

Kolo robota

Vozítko má šest kol, z nichž každé ma svůj vlastní motor. Dvě přední a dvě zadní mají navíc možnost zatáčení. Toto uspořádání umožňuje robotu se otočit na místě, případně za jízdy ostře zatáčet. Design nosného systému je podobný jako u Sojourneru a má umožnit snadnou jízdu po kamenitém terénu. Nejdůležitější je, aby vozítko bylo neustále vyvážené, i když momentálně překonává nějaký kámen. Pokud se jedna strana zvedá, tak druhá automaticky jde dolů. Celkově se tedy každá noha pohybuje maximálně polovinu dráhy, než jak by se musela hýbat bez rocker-boggie (houpací podvozek).

Robot je navržen tak, aby vydržel náklon 45 stupňů v libovolném směru. Bezpečnostní softwarové limity jsou však nastaveny už na 30 stupňů. Robot by měl dále být schopen překonávat kameny a díry větší než jeho kola (25cm). Každé kolo má navíc vzorek pro snazší jízdu v písku a po kamenech.

Maximální rychlost vozítka na pevném a rovném povrchu je 5cm za sekundu. Z důvodu bezpečnosti však software každou chvilku zastaví a ujistí se o správné jízdě. Rychlost tedy potom v průměru vychází na 1cm/s. Rover je naprogramován tak, že se pohybuje zhruba 10sekund, potom se zastaví a studuje terén zhruba 20 sekund, a pak pokračuje v bezpečné jízdě dalších 10s.

Ruka robota

Manipulátor na odebírání vzorků

Rover je vybaven rukou, kterou může přímo manipulovat s horninami na Marsu. Ruka má tři klouby a simuluje tak rameno, loket a zápěstí. Se speciálními přistroji může obrušovat kameny, pořizovat mikroskopické snímky a analyzovat složení. Na ruce jsou čtyři přístroje, které se mohou snadno prohazovat. Jedná se o mikrospocký snímač obrazů, dva druhy spektrometrů a brusku. Nástavec také obsahuje malý kartáč, kterým lze obroušený vzorek očistit.

Ruka je vyrobena z titanu a tak 30% váhy tvoří zmíněné čtyři nástroje. Celková lehkost trošku komplikuje manipulaci s rukou, ale byla vyžadována v rámci minimalizace váhy celého robota. Ruka je během jízdy schovaná, aby nedošlo k jejímu poničení. Schránka vydrží nárazy do 6G, což je dostatečné pro jízdu po povrchu. Pro přistání modulu byla použita extra ochrana (retractable pin restraint) dovolující náraz až 42G.

Regulace teploty

Velká část zařízení robota by nefungovala v extrémních teplotách, a proto je třeba teplotu regulovat. K izolaci se používá zlatý nátěr a speciální aerogel. Krabice s elektronikou navíc obsahuje ohřívače, které mají zabránit poklesu teploty pod -40 stupňů. Vedle chladu je problémem i horko. Z tohoto důvodu jsou k dispozici i extra radiátory, podobné jako pro chlazení motoru aut.

Antény a komunikace

Komunikační anténa

Rover má jak nízko tak vysokovýkonové antény, které se nachází v jeho zadní části. Anténa s nízkým výkonem vysílá všemi směry radiové vlny, které jsou pak na Zemi zachyceny pomocí DSN (Deep Space Network). Anténa s vysokým výkonem je pohyblivá a může soustředit paprsek přímo na libovonou anténu na Zemi. Výhodou totoho uspořádání je, že se vozítko nemusí nutně otáčet, když chce komunikovat se Zemí, a zároveň spotřebuje méně energie.

Rover se může spojit se Zemí i s pomocí družic, které obíhají okolo Marsu. Družice mají daleko delší možnost doby spojení se Zemí než rover na povrchu. Také signál z vozítka nemusí být tak silný jako pro přímé spojení se Zemí. Spojení funguje oběma směry, tedy i rover může dostávat instrukce ze Země přes družici. Pro spojení s družicí se používá UHF antény s daleko menším dosahem. Jedna UHF anténa je též na slupce přistávacího modulu a byla použita při řízení přistávání.

Energie

Robot potřebuje pro svoji práci energii. Bez ní se nemůže pohybovat, používat vědecké přístroje ani komunikovat se Zemí. Hlavním zdrojem energie je rozkládací solární panel, který trošku připomíná křídla. Za plného osvětlení panel dodává 140 Wattů během marsovského dne (ten trvá asi čtyři hodiny). Z tohoto množství potřebuje rover 100 Wattů na samotnou jízdu. Jen pro porovnání: solární panely Sojourneru dodávaly pouze 16 Wattů v marsovkém poledni.

Rover má dva akumulátory, které dodávají energii pokud nesvítí slunce, především tedy v noci. Baterie, stejně jako solární panely, během několika měsíců začnou degradovat. Baterie nebude možné zcela dobít a panely se zanesou prachem, takže budou dodávat pouze 50W. Změní se také „roční období”, kdy se Mars bude vzdalovat od Slunce a množství světla tedy klesne.

Závěr

Planeta Mars je rozhodně velice náročné prostředí pro testování robotů. Nejedná se pouze o extrémní teplotní podmínky, ale hlavně o problémy s opravami. Spirit se pár dní po přistání odmlčel – jako závada se ukázalo otevření příliš mnoha souborů, což způsobovalo reboot řídícího počítače. Stejný problém by se býval projevil i u Opportunity, ale bylo tomu včas zabráněno. Mise bude trvat 90 dní, tak ještě uvidíme, jak to roboti zvládnou a co nového nám přinesou…

Zhruba ve stejnou dobu jako americké sondy se k Marsu vydaly i sonda evropská a japonská. Japonská sonda bohužel k Marsu nedorazila a evropskému vozítku se pravděpodobně nevydařil přistávací manévr. Díky tomu tyto sondy/roboti nevzbudily zdaleka takovou pozornost jako roboti Spirit a Oportunity. V plánu jsou další mise s mobilními roboty na palubě (pár náčrtů plánovaných robotů můžete vidět i v planetáriu), tak se máme na co těšit . Že by úsvit robotů?

Linky

Děti u modelu

Popiska u robota

Předvedení robota

Máte-li jakékoli dotazy, připomínky, či postřehy z výstavy – kontaktujte nás.