XI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Селеноход на базе конструктора LEGO Mindstorms
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Космос всегда интересовал людей, ведь с ним связана и наша жизнь. Открытия космоса и его исследования настолько увлекательны, что хочется узнавать все больше нового. На сегодняшний день космос является самой обсуждаемой темой. Тайны космоса не перестают поражать взор людей. Космос — это то загадочное, которое хочется изучать.
Луна — пока что единственное небесное тело, на котором побывал человек, и о ней мы знаем очень многое. Исследование спутника Земли происходит с помощью космических аппаратов, многие из которых нам известны, а о некоторых можно услышать впервые.
Актуальность:
Семнадцатого ноября текущего года исполнится ровно 50 лет с даты первого касания лунного реголита колесами аппарата «Луноход-1». Впервые Впервые в истории человечества по поверхности другого небесного тела начал движение самоходный аппарат, управляемый по радиоканалу с Земли.
Именно 50 летнему Юбилею, наша команда решила посвятить работу в данном конкурсе. Мы решили рассмотреть Эволюцию Луноходов и современные аналоги.
Цель проекта: изучение проекта «Селеноход» и создание его модели на базе конструктора Lego Mindstorms
Задачи проекта:
- расширить знания о луноходах;
- изучить устройство Селенохода;
- создать модель Селенохода и привести ее в движение;
Мы наметили следующие этапы работы:
1 этап. Поиск информации о проекте «Селеноход»
2 этап. Cоздание модели из деталей конструктора LEGO Mindstorms
3 этап. Создание программы
4 этап. Демонстрация проекта
В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: Научная Россия (https://scientificrussia.ru/) ; Википедия (https://ru.wikipedia.org). При оформлении проекта мы использовали идеи из большой книги LEGO MINDSTORMS EV3 [2], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [1], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [3]
Глава 1. Эволюция Луноходов
Первые луноходы, реализованные в рамках Советской Лунно-посадочной программы пилотируемых полетов (1969–1977 г), должны были обеспечить астронавтам мощную техническую поддержку. Луноходы предназначались для предварительного обследования предполагаемого места посадки жилого модуля, автоматического сбора; могли использоваться как личный транспорт и как передвижной посадочный радиомаяк.
Технически, первый луноход, который должен был опуститься на Лунную поверхность в 1969 г, не выполнил задачу из-за аварии ракеты-носителя.
Аппарату был присвоен «испытательный» статус и номер «ноль», а «первенцами» проекта – стали фото с Советского «Лунохода-1» запущенного 10 ноября 1970 года. (Рисунок 1.1, Приложение)
Окончательная конструкция лунохода была утверждена только через полгода после получения информации с первой (из тринадцати выведенных на орбиту Луны) успешно прилунившейся автоматической станции («Луна-9»). (Рисунок 1.2, Приложение) Управлялся Луноход дистанционно, через сеть приемно-передающих (ретрансляционных) станций. На территории военной части в сентябре 1968 года был организован также и полигон для обкатки первых планетоходов. Первыми фото и телеизображениями переданными с «Лунохода-1» стали виды аппарели платформы и места посадки в районе Моря Дождей 17.11.1970 г. (Рисунок 1.3, Приложение)
Космическая смена «исследователя» официально завершилась 4 октября 1971 года. После выполнения программы, планетоход остался на Луне.
Луноход-2: Второй планетоход серии конструктивно практически не отличался от своего предшественника (вес был чуть ниже – 836 кг) и предназначался для дальнейшего изучения особенностей строения и химического состава поверхности (реголита) лунных «морей» и «материков». Посадка АМС «Луна-25» состоялась 15 января 1973 года.
Запуск и эксплуатация Лунохода-2 прошли штатно. (Рисунок 1.4, Приложение) Официально проект был остановлен 4 июня 1973 года, когда из-за попадания лунной пыли под крышку солнечной панели, температура внутри герметичного отсека поднялась выше расчетной и оборудование перегрелось.
Луноход 3: Созданный на базе предыдущих платформ, самоходный аппарат должен был нести на себе самые перспективные разработки, включая поворотную стереоскопическую телекамеру, упакованную в гермоблок на отдельном штативе. (Рисунок 1.5, Приложение) Однако, к моменту его постройки в 1977 году, программа «Луна-25» была свернута и запуск лунохода не состоялся.
Роверы: При высадке американских космонавтов на Луну (проект «Аполлон-15») и в двух последующих экспедициях (1971–1972 г) использовались «лунные автомобили» (роверы). Все три аппарата были идентичны по основным параметрам, менялось только навесное оборудование. Облегчавшие астронавтам передвижение в условиях открытого космоса, четырехколесные двухместные открытые платформы были разработаны компанией Boeing. Они выглядели как современные «багги». (Рисунок 1.6, Приложение)
Китайский луноход Юйту: Третьей державой, отправившей автономный передвижной комплекс на Луну, стал Китай: автоматическая межпланетная станция «Чаньэ-3» доставила шестой по счету луноход на поверхность спутника Земли 14 декабря 2013 года. (Рисунок 1.7, Приложение) 22 февраля 2014 года луноход полностью застрял и стал посылать лишь отрывочные сигналы. Официально миссия «Чаньэ-3» закончилась 3 августа 2016 г [4].
Глава 2. Проект «Селеноход»
Селеноход» — проект изучения Луны при помощи посадочного модуля и лунохода, разрабатывавшийся российской командой в рамках конкурса Google Lunar X PRIZE с октября 2007 года.
В команде проекта были молодые российские конструкторы, инженеры, физики и программисты, а также ветераны советской космонавтики, в том числе, создатели «Лунохода-1»
2.1 Устройство и принцип работы
Отличительная особенность российского лунохода - лыжно-шагающий механизм. Он был разработан еще для советских марсоходов ПрОП-М. Такая система необходима, поскольку лунный грунт по структуре напоминает рыхлый снег. Колесный робот может просто забуксовать.
Также луноход оснащен опорно-поворотная платформой, которая обеспечивает вращение вокруг своей оси.
Изначально вес лунохода составлял 15 кг, но в процессе разработки снизился до небольшого размера 5 кг. Сейчас готовы почти все детали для макета российского лунохода. В качестве основного материала используется углепластик. Он в разы легче металла и при этом невероятно прочный. [5]
Верхняя часть селенохода, его «голова» состоит из следующих элементов:
Фары, предназначенные для исследования теневых областей, где мало света;
Видеокамеры, для наблюдения и записи лунной действительности;
Приёмопередатчик
Токосъемник
Электронная начинка состоит из аккумулятора, а также платы управления с микроконтроллером и приставки для управления моторами. Так же под крышкой селенохода находится приводы лыж, ковша и системы разворота.
Для доставки грунта к посадочному модулю из отдаленных мест специально сконструирован ковш для забора грунта. (Рисунок 2.1.1, Приложения)
2.2. Этапы миссий Селеноход
Миссия «Селенохода» должна была состоять из нескольких этапов:
Запуск ракеты-носителя с луноходом: (Рисунок 2.2.1, Приложение)
Пуск «Селенохода» к Луне с помощью ракеты-носителя «Днепр», — транспортной модификации тяжелой межконтитентальной баллистической ракеты РС-20 (SS-18 по классификации НАТО). (Рисунок 3.2, Приложение)
Перелёт к Луне
После старта корабль в течение нескольких дней должен был находится на орбите Земли. Задачей двигательной установки было разгон «Селенохода» до скорости, достаточной для преодоления земной гравитации. Затем двигательная установка будет отброшена. В конце этой траектории, уже в зоне преобладания гравитационного поля Луны, посадочная платформа затормозит, чтобы выйти на орбиту спутника. Там будут произведены последние проверки и приготовления для посадки на лунную поверхность. (Рисунок 2.2.2, Приложение)
Посадка на Луну
Отделившись от перелётного модуля, посадочный модуль с луноходами на борту начнёт спуск на поверхность. Снижение будет продолжаться всего несколько минут, во время которых посадочный модуль должен правильно сориентировать себя в пространстве, чтобы в последние секунды включить тормозные двигатели ровно над тем местом посадки, которое было заранее выбрано. (Рисунок 2.2.3, Приложение)
Работы на поверхности Луны
Когда связь с посадочным модулем будет установлена, опустятся боковые стенки, защищавшие в полете луноходы. Они будут выполнять функции солнечных батарей и аппарелей для съезда луноходов. Роботы активируют свои системы и спустятся на поверхность Луны.
Для достижения целей будет использовано на Луне один или два подвижных колесных робота-ровера. Они будут передвигаться по лунному реголиту.
Затем луноходы прекратят все операции, чтобы пережить двухнедельную лунную ночь, при которой температура может опускаться до −200 градусов. После восхода солнца они снова приступят к работе [6].
2.3. Закрытие проекта
В конце 2013 года команда «Селеноход» объявила о выходе из международного конкурса Google Lunar X PRIZE по запуску первого частного лунохода.
Причина выхода – не нашли инвесторов, спонсоров и покровителей; такие дела сейчас не в моде.
Проект вскрыл целый пласт соотечественников, молодых и не очень, искренних, неравнодушных и целеустремленных. Они работали по ночам, чтобы прикоснуться к мечте, и мечтали они не о дележе природной ренты.
Несмотря на закрытие команды у Селенохода есть бедующее. Из него вышла робототехническая компания RoboCV, Стартап года’2013 и сам Селеноход продолжает свою деятельность по разработке космической техники, занимаясь системами стыковки и технического зрения, как сколковский резидент.
Глава 3. Практическая часть
3.1 Селеноход на базе конструктора LegoMindstorms
Наша команда собрала модель Селенохода на базе конструктора Lego Mindstorms. (Рисунок 3.1.1, Приложения) В модели задействовано два больших мотора, средний мотор и инфракрасный датчик.
В модели три подвижных части:
«Голова» селенохода;
Лыжно-шагающий механизм;
Опорно-поворотная платформа.
«Голова» селенохода приводится в движении с помощью большого мотора 1. Мотор приводит в движение понижающую зубчатую передачу, которая опускает и поднимает инфракрасный датчик, который исследует лунную действительность. (Рисунок 3.1.2, Приложения)
Перемещается робот при помощи лыжно-шагающего механизма, который обладает хорошей проходимостью. Работает он следующим образом: большой мотор 2 вращает маленькое зубчатое колесо, то приходит в зацепление с средней шестеренкой, тем самым понижая скорость и приводя в движение систему рычагов. Всего в шагающем механизме используется 8 рычагов. (Рисунок 3.1.3, Приложения)
Поворачивается робот, используя средний мотор, который запускает опорно-поворотную платформу. В механизме используется ведущая малая шестерёнка, две промежуточных больших шестеренки и ведомый шарнир.
(Рисунок 3.1.4, Приложения)
Для имитации солнечной батареи я использовал крышку от батарейного отсека модуля EV3. (Рисунок 3.1.5, Приложения)
3.2 Управление Селеноходом с помощью программы
Для демонстрации Селенохода написана следующая программа (Рисунок 3.2.1, Приложения):
После включения мигает красная светодиодная подсветка. В это время нужно установить лыжи Селенохода сверху, регулируя их кнопками управления модуля (кнопки 4 и 5). После установки лыж или, если установка лыж не требуется, можно нажать на центральную кнопку, чтобы робот сложил «голову» и принял исходное положение.
После того как «голова» легла, начинает мигать оранжевая подсветка. Это значит, что Селеноход готов к «исследованию Луны». Нужно нажать центральную кнопку на модуле EV3, чтобы его разбудить. Центральную кнопку можно нажать, не поднимая «головы» Селенохода: нажимать можно прямо на «солнечную батарею» робота. После этого индикатор загорается зеленым цветом.
Далее Селеноход движется вперед, «исследуя лунную поверхность». Каждый шаг робот проверяет есть ли перед ним препятствие или обрыв:
Робот измеряет инфракрасным датчиком расстояние, если расстояние меньше 20, то индикатор загорается красным, робот разворачивается и продолжает свое путешествие.
Робот опускает сою «голову», чтобы измерить расстояние, если расстояние больше 20, значит впереди обрыв. Индикатор загорается красным, робот разворачивается.
Заключение
Полувековой юбилей «Лунохода-1»! Мы не смогли пройти мимо этой громкой даты и провели исследование на эту тему.
Изучая информацию о самом известном планетоходе, мы наткнулись на его потомка – проект «Селеноход», созданный командой молодых российских ученых, участвующий соревнованиях на приз Google Lunar X Prize.
Перед нами стояло множество задач. На протяжении месяца мы подробно изучали информацию, исследуя не только историю проекта, но и устройство самого лунохода.
Сконструировали свою демонстрационную модель, со сложными механическими передачами, моторами и датчиками. Запрограммировали Селенохода на безопасное перемещение и исследование поверхности Луны.
Значимость данной работы заключается в том, что собранные материалы могут быть использованы учениками и учителями для дополнительных занятий по робототехнике, а также на уроках астрономии.
Список использованных источников и литературы
1.Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школаинтеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа -https://vk.com/mrbrain_tmn;
2.Лоренс Валк: Большая книга LEGO MINDSTORMS EV3; [пер. с англ. Черников С.В]. Издательство «Эсмо», 2017. - 400 с.;
3.Корягин А.В, Образовательная робототехника. Сборник методических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016. – 252 с.
4. https://oplanetah.ru/kosmicheskie-apparaty/lunohody#_2
5. https://scientificrussia.ru/articles/selenohod
6. https://ru.wikipedia.org/wiki/Селеноход
Приложения
Рисунок 1.1, Луноход
Рисунок 1.2, «Луна-9» — советская автоматическая межпланетная станция для изучения Луны и космического пространства
Рисунок 1.3, Панорамный снимок поверхности Луны, переданный Луноходом-1
Рисунок 1.4, Луноход-2
Рисунок 1.5, Луноход-3
Рисунок 1.6, Лунный Ровер
Рисунок 1.7, Китайский луноход Юйту
Рисунок 1.2, Луноход-1
Рисунок 2.1.1, Устройство селенохода
Рисунок 2.2.1, Основные ракеты
Рисунок 2.2.2, Ракеты-носителя «Днепр»
Рисунок 2.2.3, Миссия посадки на луну
|
Рисунок 3.1.1, Селеноход на базе конструктора Lego Mindstorms |
Рисунок 3.1.2, «Голова» Селенохода |
|
Рисунок 3.1.3, Лыжно-шагающий механизм |
Рисунок 3.1.4, Опорно-поворотная платформа |
|
Рисунок 3.1.5, Солнечная батарея |
|
|
Рисунок 3.2.1, Программа |
|