Warum sind Marsrover so langsam?

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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?

mobile-robot design

— scharfer Zahn
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Im Folgenden werden physikalische Einschränkungen erörtert. Beachten Sie jedoch auch Folgendes: Wohin würden Sie mit solch halsbrecherischen Geschwindigkeiten fahren?

Eine Sache ist, wenn man 45 Meilen pro Stunde fährt, es viel wahrscheinlicher ist, dass es umkippt, wenn es auf einen Felsen trifft, und wenn ich Kurs und Geschwindigkeit bestimmen würde, würde ich nicht gefeuert werden wollen, wenn ich versehentlich eine Million ruiniere. Milliarden-Dollar-Gerät, das sehr weit weg ist. :)

— Anonymous Penguin

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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.

Klettern

(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.

— Ian
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Richtig! Dies ist der Hauptgrund und ergibt sich aus dem Bedürfnis nach Sicherheit und Berechenbarkeit. Es ist sehr teuer, einen Rover zum Mars zu bringen, und dort ist es von unschätzbarem Wert. Energie ist ein Faktor für die Entfernung pro Sol, aber nicht so sehr für die Entfernung pro Stunde. Sie können sich einen schnelleren Rover vorstellen, der am Tag mehr Zeit für andere (weniger energieintensive) Aktivitäten hat. Kommunikationseinschränkungen spielen keine so große Rolle, da die Autonomie einiges an Bewegung in einem Sol ermöglichen könnte, wenn Suspendierung und Energie keine Rolle spielen. Der Curiosity-Prozessor ist viel schneller als bei Spirit and Opportunity.

— Mark Adler

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@MarkAdler Alles wahr, aber jeder Rover, der so konstruiert ist, dass er Strom spart, um ihn in einem kurzen Moment nutzen zu können, müsste zu diesem Zweck eine sehr starke Batterie mit sich herumtragen. Eine hochwertige Federung ist also nicht das einzige Hindernis.

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Bei Curiosity ist die Hauptenergiebegrenzung für die Mobilität pro Sol nicht die Energie zum Antreiben der Motoren, sondern die Energie zum morgendlichen Aufheizen der Motoren und Getriebe auf ihre Betriebstemperatur. Was wir wirklich brauchen, sind Motoren und Getriebe, die bei Mars-Umgebungstemperaturen betrieben werden können. Das MSL-Projekt versuchte, diese zu entwickeln, stieß jedoch auf Probleme und griff auf die vorhandene Technologie zurück.

— Mark Adler

Welche Probleme verursachen sehr niedrige Temperaturen?

— Ansis Māliņš

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Warten Sie, der @ MarkAdler?

— Ian

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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)
$\int_{T_{i n i t i a l}}^{T_{f i n a l}} [c_{0} v (t)^{2} + c_{1} a (t)^{2} + c_{3} v (t) + c_{4} a (t) + c_{5} v (t) * a (t) + C] d t$ $\int^{T_{final}}_{T_{initial}} [ c_0 v(t)^2 + c_1 a(t)^2 + c_3v(t) + c_4a(t) + c_5v(t)*a(t) + C ]dt$ $c_0...c_6$ ). 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.

— Josh Vander Hook
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Das ist toll! Es ist wie mein Beitrag, aber in wissenschaftlichen Begriffen ausgedrückt. Ich würde meinen Beitrag dafür löschen, aber der Ruf an dieser Stelle ist zu verlockend: D Ich bin mir jedoch sicher, dass dies am Ende höhere Punkte bringen würde.

— Shahbaz

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: D Bitte nicht löschen. Sie haben ein schönes themenbezogenes Foto für die Analphabeten.

— Rics

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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). .

— Shahbaz
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Energie ist wahrscheinlich der wichtigste begrenzende Faktor. Die Neugier wiegt fast eine Tonne (ähnlich wie ein Kleinwagen), aber die Stromquelle erzeugt nur 125 W Leistung. Wenn die gesamte Leistung für den Antriebsstrang verfügbar wäre, wären es nur .16 PS. Die tatsächlich verfügbare Menge ist geringer, da auch Computer, Instrumente und Radios gemeinsam genutzt werden.

— Dan Neely

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Ich zögere, Ihre Notwendigkeit Kugel als starken Grund zu betrachten. Mit der derzeitigen Technologie ist es nicht möglich, einen Rover mit ausreichender Leistung für eine hohe Geschwindigkeit und eine lange Lebensdauer zu erhalten. Daher wurden alle vorgeschlagenen Missionen für eine langsame Reisegeschwindigkeit und eine eingehende Untersuchung eines relativ kleinen Gebiets konzipiert. Wenn ein Rover mit einer Reichweite von 10-100 km / Tag möglich gewesen wäre, wären völlig andere Forschungsvorschläge möglich gewesen. ex Erkunden Sie die Länge von Valles Marineris, um festzustellen, wie es geschnitzt wurde.

— Dan Neely

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+1 Die Stabilität kann angesichts des Unterschieds in der Schwerkraft ein ernstes Problem sein.

— Sulthan

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"Die Menge an Energie, die Sie für eine Aufgabe verbrauchen, ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Zeit, die Sie für diese Aufgabe benötigen." - Das stimmt nicht wirklich. Etwas doppelt so schnell zu machen erfordert die doppelte Kraft, aber die gleiche Energiemenge. Wenn der begrenzende Faktor nicht mit dem Quadrat selbst skaliert (wie der Flüssigkeitswiderstand mit dem Quadrat Ihrer Geschwindigkeit), müssen Sie jedoch erklären, welche spezifischen begrenzenden Faktoren es für den Marsrover gibt, um diesen Faktor anzuwenden.

— MatsT

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All dies sind gute Gründe, warum ein Roboter im Allgemeinen langsamer wird, aber warum die Neugierde langsamer wird, ist das Ergebnis seines Federungsdesigns.

— Ian

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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.

— WildCrustacean
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genau. Die Prozessoren und Software, die zum Zeitpunkt der Entwicklung / des Aufbaus / Starts / der Fernaktualisierung des Fahrzeugs verfügbar sind, können nicht schneller sein.

— Kochfelder

Es sieht so aus, als ob dies hazard avoidancedas falsche Paradigma ist. Der Roboter soll nach einer Bruchlandung nach 50 m Höhenflug wie eine Kakerlake wirken: Aufstehen und Boogie. Sie können das sogar auf der Erde testen, nicht nur wenige Minuten vom Mars entfernt.

— ott--