XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Планетоход для обнаружения, диагностики, обслуживания и ремонта марсоходов. Ходовая система планетохода.
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность проекта. Исследования космического пространства, планет и их спутников - одна из глобальных задач, решаемых современными наукой и техникой. Качество и достоверность информации возрастают, если она получена с помощью контактных методов посадочными космическими устройствами. А если космические устройства сломались, то передача данных о изучаемой планете прекращается. Задачей нашего проекта является разработка универсального диагностического и ремонтного комплекса, дающего возможность использовать его как для разведки методом 3D и обнаружения неработающих планетоходов, так и для осуществления диагностики поломок и небольшого ремонта.
Цель: разработать планетоход для обнаружения, диагностики целостности и работоспособности марсоходов и других планетоходов изучающих поверхности планет, а также возможного ремонта.
Задачи проекта:
1.Изучить строение современных планетоходов и их оборудование
2.Изучить особенности строения поверхности планеты Марс
3.Изучить особенности строения Марсоходов и искусственных спутников вокруг орбиты Марса, рассмотреть существующие поломки;
4. Разработать модель планетохода для диагностики, обслуживания и/или ремонта марсоходов, создать схему модели;
5. Сконструировать и запрограммировать модель на базе набора LEGO Mindstorms EV3;
6. Продемонстрировать работу модели.
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты: fishki.net, temadnya.com, multiurok.ru, starcatalog.ru, o-kosmose.ru. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2].
Мы перед собой поставили большое количество задач. Благодаря тому, что нас в команде 8 человек (Приложение, Рисунок 1.0), мы успешно справились со всеми задачами. Мы разделились на две команды по 4 человека и подробно изучили теорию. Описание системы оснащения планетоходов представлено в проекте других ребят из нашей команды - «Планетоход для обнаружения, диагностики, обслуживания и ремонта марсоходов. Система оснащения планетохода.». Эта работа также представлена в секции «Техническое творчество и изобретательство» на XVIII Международном конкурсе научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» Российской Академии Естествознания.
Глава 1 Исследование планетоходов
1.1 История планетоходов и спутников
Идея создания самоходных аппаратов-разведчиков для исследования космических объектов (планет и спутников) родилась в знаменитом ОКБ-1, которым руководил Сергей Павлович Королев, где в конце 1957 года приступили к разработке “лунной” серии космических аппаратов, известных под общим шифром «Е». [3]
К тому времени уже были разработаны проекты автоматических межпланетных станций, в задачу которых входила мягкая посадка на поверхность Луны, а также сбор и передача на Землю научных данных. Однако очевидным минусом таких устройств являлась их статичность. Естественным продолжением темы спускаемых аппаратов стала концепция самоходной исследовательской станции. Больше всего разногласий было именно по четвертому пункту. Требовалось выбрать оптимальный способ передвижения по лунной поверхности. Но, несмотря на большие успехи в изучении естественного спутника Земли при помощи радиолокации и фотографирования космическими аппаратами, один критически важный вопрос оставался неразрешенным. Какова структура лунного грунта?
Информация о его несущей способности и прочностных характеристиках была жизненно необходима для конструирования и испытаний шасси будущего «Лунохода». В конце концов, С. П. Королев решил проблему в приказном порядке: «Луну считать твердой!». [4]
Основным разработчиком шасси для планетоходов (колеса, двигатели, привод, подвеска, система управления ими) в СССР был (и остается до настоящего времени в России) Ленинградский ВНИИтрансМаш (ВНИИТМ).
«Лунохо́д-1» (Аппарат 8ЕЛ № 203, Приложение, Рисунок 1.1.1) — первый в мире планетоход, успешно работавший на поверхности другого небесного тела — Луны с 17 ноября 1970 по 14 сентября 1971 года. Луноход имел две скорости движения, 0,8 и 2,0 км/ч, позволяющих двигаться вперёд и назад. Тормозная система — электродинамические замедлители и механические однодисковые тормоза с электромагнитным приводом. Подвеска независимая, торсионная с качанием рычагов направляющего механизма в продольной плоскости. Луноход мог разворачиваться на месте с нулевым радиусом разворота, на ходу — с радиусом разворота 2,7 м (по центру опорного четырёхугольника). [5]
В декабре 1957 года в ОКБ-1 был готов эскизный проект аппаратов Е-1, Е-2, Е-З и Е-4. Космический аппарат типа Е-1 предназначался для исследований на трассе Земля-Луна при полете по траектории прямого попадания. [6]
В сентябре 1959 станция Е-1А (“Вторая космическая ракета”, позже – «Луна-2») с первой попытки попала в Луну.
1.2 Конструкция ходовой части планетоходов
Общее требование к планетоходам — обладание хорошей проходимостью, поэтому большое внимание уделяется конструкции подвески, колёс и привода. К примеру, все марсоходы НАСА использовали балансирные подвески типа Rocker-bogie. Особенности этих подвесок — способность преодолевать препятствия размером вдвое больше диаметра колёса, сохраняя контакт всех шести колёс с опорной поверхностью, и уменьшение угла наклона корпуса аппарата.
Гусеничные и колесные движители достаточно известны. Менее известны шагающие движители, хотя в наземной практике кое-где такой принцип используется (например, шагающие экскаваторы). Шагающему способу передвижения уделяется много внимания в исследовательских, поисковых работах.
Гусенично-модульные движители представляют собой движители, подобные овальному колесу (колесо приплюснуто для большего контакта с грунтом). Практически это два колеса, обтянутые гусеницей. Одно из них — мотор-колесо. Гусеничные модули могут быть легко сменными, или просто заменяться на колеса. При тяжелых строительных или буксировочных работах целесообразно устанавливать гусеничные модули, а при простой перевозке — колеса.
Глава 2 Исследование планеты Марс
2.1 О планете Марс
Марс называют «красной планетой» из-за красноватого оттенка поверхности, придаваемого ей минералом маггемитом — γ-оксидом железа (III). [7]
Марс — планета земной группы с разреженной атмосферой (давление на поверхности в 160 раз меньше земного). Особенностями поверхностного рельефа Марса можно считать ударные кратеры наподобие лунных, а также вулканы, долины, пустыни и полярные ледниковые шапки наподобие земных.
2.2 Труднодоступные места Марса, и их изучение
Когда дело доходит до отправки людей на поверхность Марса, немного информации о месте приземления лучше, чем ничего. [8]
Кратер Гейл
За несколько лет с тех пор, как марсоход НАСА Curiosity приземлился в этом бассейне шириной 154 км, он обнаружил доказательства наличия воды и древнего пресноводного озера, проанализировал ценные образцы почвы, отправил отчеты о погоде и сделал захватывающие селфи в кратере Гейла. Люди уже получили некоторое представление о том, чего ожидать от места посадки. Это делает кратер Гейла таким же хорошим выбором, как и любой другой.
Хребты Медузы Фосса
Хребты формации Фосса (Medusae Fossae) — регион на Марсе, обнаруженный недалеко от «дихотомической границы между нагорьями и низинами» Красной планеты между центрами вулканической активности Фарсис и Элизиум (Приложение, Рисунок 2.2.1). Эта дихотомическая граница представляет собой узкую область, отделяющую покрытые кратерами нагорья, расположенные в основном в южном полушарии Марса, от равнинных равнин северного полушария.
2.3 Поломки марсоходов
Первая группа поломоксвязана со сложными условиями доставки аппарата на планету.
Например, марсоход Curiosity (Приложение, Рисунок 2.3.1), приземлившийся на Марс в 2012 году, во время посадки потерял один из датчиков сенсора ветра REMS (Rover Environmental Monitoring Station), также была нарушена герметичность ёмкости прибора, предназначенного для анализа газов выделяемого почвой, что повлияло на результаты исследования. [9]
Вторая группа поломоксвязана непосредственно с эксплуатацией марсохода на планете в сложных условиях.
На Марсе очень много факторов, сказывающихся на работоспособности аппарата: бури, загрязняющие солнечные панели и датчики, экстремальный холод зимой, да и сама почва и камни действуют как абразив. Эксплуатация техники в таких условиях неизбежно приводит к поломкам аппаратуры. Кроме того, планетоход вынужден перемещаться по поверхности планеты, что увеличивает риски поломки в процессе эксплуатации.
Серьёзной проблемой миссии Curiosity стало сильное повреждение передних ходовых колёс произошедшее в следствии высокой твёрдости поверхности Марса и увеличенным по сравнению с Землёй весом. После очередной стоянки из-за излучения была повреждена матрица левой камеры марсохода увеличив шум изображения и протянув через весь снимок белую полосу. Одновременно с этим по той же причине выбыл из строя авто фокус лазерного спектрометра. Во время буровых работ особо крепкой породы в карусель инструментов залетел камешек застопорив её.
Имея запасные части, подобные поломки было бы довольно легко починить даже на Марсе.
Третья группа поломоксвязана с конструктивными дефектами и недостатками.
Один из примеров таких поломок дефект, связанный с недоработкой бура, при проведении бурения основная цепочка электроники вышла из строя.
Изучив опыт использования планетоходов на Марсе, мы поняли, что чаще всего у марсоходов отказывают различного рода приборы и сенсоры. Несмотря на сложность самих приборов большинство их поломок не значительны и их легко можно было бы починить, но на Марсе сделать это просто некому.
Глава 3. Проектирование и создание модели планетохода на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3
3.1 Ходовая часть модели
Проектирование и создание модели марсохода на базе конструктора LEVO MAINSTORMS EV3
Мы поставили перед началом конструирования следующие задачи:
1. Обеспечить высокую проходимость модели
2. Оснастить рулевым управлением
3. Установить видео камеру на механизме подъёма и опускания
4. Установить датчик для контроля поворота в полкости
Было принято решение о создании эскиза модели (Приложение, Рисунок 3.1.1). На модель был установлен гибридный ход, состоящий из гусеничных траков и 1 пары колёс. Гусеницы увеличивают проходимость данной модели, работают от одного большого мотора, а пара колёс помогает произвести поворот, и работают от 2 больших моторов.
Для колёсной пары мы установили два больших мотора, таким образом обеспечив рулевое управление модели планетохода. Гусеничный ход приводится в движение третьим большим мотором. Эта часть планетохода отвечает за высокую проходимость.
3.2 Оснащение модели марсохода оборудованием
В реальности планетоход для обнаружения, диагностики и ремонта марсоходов должен быть оснащён:
● гибридной движущей базой;
● камерой высокого разрешения;
● батареей с переходником, способных заряжаться от больших марсоходов;
● каруселью инструментов для обслуживания и мелкого ремонта марсоходов;
● и маленькой антенной передающей сигналы на землю через ретранслирующие марсоходы.
● специальным магнитным захватом для крепления зацепления за большие марсоходы;
● гироскопический датчик для ориентации в пространстве;
● датчик магнитного поля для ориентации по магнитному полю планеты;
В нашей модели мы установили гироскопический датчик для управления на поворотах. В качестве видеокамеры мы использовали камеру телефона. Для установки телефона на модель мы создали специальную рамку, которая может менять наклон с помощью среднего мотора и червячной передачи (Приложение, Рисунок 3.2.1).
3.3 Программный код
Наша программа линейная (Приложение, Рисунок 3.3.1) и состоит из:
1. движения вперёд по труднопроходимой поверхности марса,
2. поворот робота на более ровной поверхности,
3. обнаружение другого неисправного марсохода
4. сканирование камерой неисправностей этого марсохода.
В нашей программе мы создали три своих блока (Приложение, Рисунок 3.3.2):
Блок1 “Движение вперёд”
В этой подпрограмме мы включаем сразу 3 больших мотора, приводя в движение и гусеницы и колёсную пару. Так как моторы установлены в разные стороны, то мы используем математический блок, чтобы поменять у пары моторов направление вращения.
Блок2 “Поворот”
В этой подпрограмме два больших мотора запускаются в противоположные стороны, чтобы робот начал поворачивать, гусеничный ход продолжает движение вперед.
Блок3 “Поворот на градусы”
В этой подпрограмме мы используем данные от гироскопического датчика, сравниваем со значениями двух переменных, и робот поворачивает в определенных числовых границах.
3.4 Презентация проекта
Для демонстрации работы нашего планетохода мы создали марсоход из конструктора LegoDuplo, более крупного размера, чем наш планетоход (Приложение, Рисунок 3.4.1). В момент запуска планетоход выезжает на поверхность Марса с целью поиска марсохода и его диагностики. В момент приближения к марсоходу наш планетоход поворачивается к объекту под нужным углом и начинает сканирование марсохода с помощью наклонной видеокамеры. По итогам диагностики далее возможно необходимое обслуживание и/или ремонт марсохода.
Заключение
Мы подробно изучили строение современных планетоходов и их оборудование, узнали особенности строения поверхности планеты Марс, главные ходовые свойства и элементы оснащения отдельно марсоходов, а также существующие на сегодня поломки.
Мы разработали планетоход для обнаружения, диагностики целостности и работоспособности марсоходов и других планетоходов изучающих поверхности планет, а также возможного ремонта. Сконструировали и запрограммировали модель такого планетохода на базе набора LEGO Mindstorms EV3.
Мы думаем, что наша идея поможет в будущем успешно обслуживать существующие марсоходы и продлевать период их эксплуатации. Наш проект можно использовать на занятиях по робототехнике при изучении сложных механических передач, а также на факультативных уроках по изучению космоса.
Список используемой литературы:
Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.;
Курс «Робототехнический Центр», курс «Соревновательная робототехника», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни», - Режим доступа - https://mrbrainy.ru/;
Интернет-источники
https://fishki.net/1396250-lunohod-1-istorija-sozdanija-i-interesnye-fakty.html
История проекта «Луноход» (temadnya.com)
https://multiurok.ru/index.php/blog/pervyi-v-mire-lunokhod-lunokhod-1.html
https://starcatalog.ru/oborudovanie/istoriya-lunnoj-programmy-sssr-i-sozdaniya-sovetskih-lunohodov.html
https://o-kosmose.ru/solnechnaya-sistema/pochemu-mars-nazyvayut-krasnoj-planetoj
https://luckyea77.livejournal.com/3877307.html?utm_source=3userpost
https://ria.ru/20120821/728186376.html
Приложение
|
Рисунок 1.0 Команда SMARTgo Школы Мистер Брейни, г.Тюмень 2023 год. |
|
|
Рисунок 1.1.1 Первый планетоход Луноход 1 |
Рисунок 2.2.1 Хребты формации Фосса — регион на Марсе, обнаруженный недалеко от границы между нагорьем |
|
Рисунок 2.3.1 Марсоход Curiosity |
|
|
Рисунок 3.1.1 Эскиз планетохода |
|
|
Рисунок 3.2.1 Конструкция и основные механизмы модели планетохода для диагностики, обслуживания и/или ремонта марсоходов. |
|
|
Рисунок 3.3.1 Основная программа для запуска модели планетохода |
|
|
Блок 1 «Движение вперед» Блок2 “Поворот” Блок3 “Поворот на градусы” Рисунок 3.3.2 Свои программные блоки |
|
|
Рисунок 3.4.1 Демонстрация работы модели планетохода для диагностики, обслуживания и/или ремонта марсоходов. |
|