XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Марсоход ДРОН-ПАУК
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
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. И такие устройства должны преодолевать большие расстояния, двигаясь по планете, огибая препятствия и сохраняя целостность конструкции и функционал. Однако на планетах есть непроходимые поверхности – кратеры, моря, хребты, горы. обрывы и другое. В некоторые места существующие планетоходы добирались с трудом. Однако есть огромная часть поверхностей Луны и Марса, где ещё не побывали планетоходы из-за сложного рельефа.
Цель проекта: разработать марсоход для передвижения по поверхности планеты Марс с возможностью преодоления непроходимых участков по воздуху.
Задачи:
1. Изучить строение современных планетоходов и их ходовую часть;
2. Изучить особенности строения поверхности планеты Марс, непроходимые части;
3. Изучить конструкцию Марсоходов и искусственных спутников вокруг орбиты Марса;
4. Разработать модель марсохода для перемещения по поверхности со сложным рельефом и возможностью перелета;
5. Сконструировать и запрограммировать модель на базе набора LEGO Mindstorms EV3;
6. Продемонстрировать работу модели.
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты:. fb.ru, www.autonews.ru, o-kosmose.ru, rgantd.ru, sites.google.com, nauka.tass.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].
Глава 1. Конструкции планетоходов
1.1 Гусеничные или колесные планетоходы
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.
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.
1.2 Колесные иди шагающие планетоходы
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.
Какой планетоход лучше на колёсах или ногах?
На ногах, потому что при изучении планет появляются проблемы такие как непроходимость, горы, обрывы и прочее. Мы рассмотрели несколько шагающих планетоходов: существующих и в разработке (Приложение, Рисунок 1.2.1)
Марсоход СПИРИТ
Представленный здесь марсоход может иметь многофункциональные колеса всех типов и их сочетания, и нести мощный электронный интеллектуальный блок. Песок для марсоходов препятствий не представляет, если они сделаны и созданы достаточно надежно. Существует много аппаратов, которые в проекте могут использовать жесткие лучевые опоры и шасси и средства транскоммуникаций. Сиддхарт Шривастава, студент Технологического института Джорджии в США, построил модель марсохода "Спирит", дополнив ее функцией поднятия колес независимо друг от друга. Также он может вращать колеса и даже ходить по местности под наклоном до 28 градусов. Таким образом, марсоход может выполнять движения, очень схожие с процессом ходьбы у человека. Шривастава собирается продолжить работать над своей моделью и научить ее выполнять копательные движения, чтобы марсоход смог убирать песок со своего пути и продолжать движения, а также подниматься и опускаться на неровной местности. [3]
General Motors. Реальный проект, предназначенный для международной программы «Артемида». Первая высадка на Луну запланирована на 2024 год, а еще через четыре года, если все пойдет по намеченной траектории, начнется строительство стационарной базы. Первоначальную разведку должен будет провести беспилотный луноход VIPER, а вот для астронавтов готовится настоящий багги — занимаются им Lockheed Martin и General Motors.Для американского автомобильного концерна это логичное продолжение истории, ведь транспорт для миссий программы «Аполлон» тоже создавался при непосредственном участии GM. Правда, если те багги могли проехать лишь несколько миль на одной зарядке, то перспективная модель обладает намного большей «дальнобойностью» — точные значения, правда, не уточняются. Заявлено, что луноход сможет без проблем выдерживать как ночные морозы (на Луне это 14 земных суток с температурой до -173 градусов Цельсия), так и дневной нагрев до 126 градусов. А еще транспорт будет обладать гибкой модульной конструкцией, позволяющей адаптироваться к разным задачам — и, конечно же, сможет ездить без участия людей. [4]
Планетоход ATHLETE оснащен колесно-шагающим движителем, причем шагающий режим не является вспомогательным и может использоваться наряду с колесным. Аппарат имеет шесть колес, расположенных на концах рычажных ног. За счет своей длины ноги могут компенсировать значительные перепады высоты и обеспечивать устойчивость при движении по уклонам. Привод колес и ног независимый электромеханический, позволяет получить шесть степеней свободы для каждой ноги при заблокированных колесах. Конструкция планетохода позволяет использовать отдельные ноги как манипуляторы при выполнении различных работ. Также за счет высоты ног может быть использован в качестве подъемной платформы. [5]
Глава 2 Исследование планеты Марс
2.1 Особенности планеты
Размеры марса. Длина Марса ровна 10,6 тыс. км, а ширина ровна 8,5 тыс. км, что примерно в четыре раза больше, чем крупнейший ударный кратер Эллада, до того также обнаруженный на Марсе, вблизи его южного полюса. Площадь земного шара ровна 510 миллионов км в квадрате, а площадь Марса равна 144 млн км в квадрате, это почти в четыре раза меньше чем площадь земли.
Фото планеты и химический состав поверхности Марса представлены на Рисунке 2.1.1 Приложения.
Атмосфера Марса. Газовая оболочка, окружающая планету Марс. Существенно отличается от земной атмосферы как по химическому составу, так и по физическим параметрам. Давление у поверхности составляет в среднем 0,6 кПа или 6 мбар (1/170 от земного, или равно земному на высоте почти 35 км от поверхности Земли). Фото состава атмосферы представлено на Рисунке 2.1.1 Приложения.
Продолжительность суток на Марсе. Средняя продолжительность цикла день-ночь на Марсе — то есть марсианский день — составляет 24 часа 39 минут и 35,244 секунды, это на 39 минут больше чем обычный день на Земле . Год на марсе длится 687 дней.
Температура на Марсе. Средняя температура на Марсе значительно ниже, чем на Земле: −63 там очень холодно примерно столько же сколько на Антарктиде. Ученые выяснили, что времена года на Марсе есть, как и на нашей родной планете Земля. Их смена происходит, потому что ось вращения наклоняется к плоскости орбиты. Из-за чего северное полушарие может получать солнечного излучения на 40% больше. Поэтому на этой территории зима довольно короткая, при этом лето длинное и прохладное.
История Марса. Благодаря относительной близости к Земле Марс довольно рано попал в объективы телескопов, и за века наблюдений у астрономов сложилось заблуждение, что Марс пригоден для жизни и даже вполне обитаем Вместо инопланетной растительности окраску регулярно меняла поверхность планеты, а «марсианские каналы» оказались оптической иллюзией. Марс припас ещё немало испытаний для своих покорителей. Которые обязательно доберутся до Красной планеты и посадят там яблони. Точно неизвестно кто открыл Марс, но мы знаем, что первым в телескоп его наблюдал Галилео Галилей в 1610 году. Названа в честь Марса — древнеримского бога войны, соответствующего древнегреческому Аресу. Также Марс называют «красной планетой» из-за красноватого оттенка поверхности, придаваемого ей минералом маггемитом.
Интересные факты. Существует гипотеза, что когда-то на планете обитали древние цивилизации. Об этом свидетельствуют следующие интересные факты о Марсе:
• в почве были обнаружены органические вещества;
• кратер под названием Тейл напоминает высохшее озеро;
• были обнаружены большие ледяные глыбы;
• марсоходы нашли предметы, которые могли принадлежать древним цивилизациям;
• поверхность имеет береговые контуры и русла океанов.
Рельеф Марса напоминает земной, только геологические образования на его поверхности чаще всего имеют намного большую протяженность, глубину и высоту, чем аналогичные на Земле. Кроме того, рельеф красной планеты скалистый и сухой, полностью покрытый пылью, которая по консистенции напоминает тальк. Вся местность покрыта крупными и мелкими каменистыми образованиями. Особенностями поверхностного рельефа Марса можно считать ударные кратеры наподобие лунных, а также вулканы, долины, пустыни и полярные ледниковые шапки наподобие земных. [6]
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 2.1.2). Эта дихотомическая граница представляет собой узкую область, отделяющую покрытые кратерами нагорья, расположенные в основном в южном полушарии Марса, от равнинных равнин северного полушария. [7]
2.2 Знаменитые планетоходы и станции на Марсе
Мы рассмотрели несколько существующих технических устройств для изучения поверхности планеты Марс (Приложение, Рисунок 2.2.1).
28 мая 1971 г. с космодрома Байконур стартовала автоматическая межпланетная станция (АМС) «Марс-3», созданная специалистами НПО им. С.А. Лавочкина.
Станция стартовой массой 4625 кг состояла из орбитального отсека и спускаемого аппарата (СА). АМС оснащалась бортовыми автономными системами, двигательной установкой и комплексом научной аппаратуры для исследования Марса и околопланетного пространства.
Полет «Марса-3» до планеты продолжался чуть более шести месяцев. 2 декабря 1971 г. при подлете к Марсу СА отделился от орбитального отсека, вошел в атмосферу планеты и совершил снижение с помощью парашюта на ее поверхность. «Марс-3» стал первым в мире космическим аппаратом, совершившим мягкую посадку на эту планету.
Через 1.5 минуты после посадки аппарат начал передавать первый фотоснимок окружающей его поверхности, но спустя 14.5 секунд связь с ним внезапно прекратилась. [8]
«Викинг-1» после 10 месяцев пути вышел на орбиту вокруг Марса, а спустя ещё месяц, 20 июля 1976 года, совершил посадку в области Хриса. Приборы «Викинга-1» немедленно начали передачу панорамных снимков поверхности планеты. Район посадки имеет довольно ровный рельеф и представляет собой песчаную пустыню с большим количеством камней, наполовину занесённых слоем тонкой пыли. Условия в месте посадки блока оказались довольно суровыми. [9]
Следующую попытку изучить Марс с помощью подвижных спускаемых аппаратов предприняло NASA в рамках программы Mars Pathfinder. Основной целью первой миссии агентство ставило отработку мягкой посадки. Спускаемый модуль состоял из неподвижной станции и легкого марсохода «Соджорнер». Марсоход был рассчитан на работу в течение 7—30 сол (марсианские сутки — 24 часа 40 минут), однако смог проработать 83 сола, пока станция-ретранслятор не вышла из строя и он не потерял связь с Землей. За это время «Соджорнер» проехал всего 100 метров. [10]
Марсоходы второго поколения были доставлены на Марс в 2004 году в рамках программы Mars Exploration Rover. Аппараты «Спирит» и «Оппортьюнити» значительно переросли своего предшественника: они достигали 2 метров в длину и весили 185 кг. В ходе эксплуатации марсоходов оказалось, что марсианский ветер довольно эффективно очищает солнечные батареи от пыли, благодаря чему марсоходы проработали значительно дольше запланированных 90 сол. «Спирит» путешествовал по Марсу шесть лет, но потом увяз в песчаной дюне, а «Оппортьюнити» функционировал на Красной планете вплоть до лета 2018 года, проехав около 45 км. [11]
10 июня 2003 года с космодрома на мысе Канаверал стартовала ракета-носитель "Дельта II" (Delta II), на борту которой находился "Спирит". Основная задача «Спирита» заключалась в том, чтобы марсоход продержался 90 сол (92,5 земных суток), за это время проводя многочисленные исследования Марса. Миссия получила несколько расширений и продолжалась в течение ~2208 сол.
Curiosity (Кьюриосити; от англ. «любопытство») — мобильная химическая лаборатория, предназначенная для исследования состава марсианских почв и компонентов атмосферы. Это третий марсоход, запущенный NASA в рамках программы Mars Science Laboratory. В начале 2016 года Curiosity начал исследование песчаных дюн Марса. В NASA отмечают, что проводимая марсоходом работа стала первым крупным исследованием активных песчаных дюн вне Земли. Запуск Curiosity состоялся 26 ноября 2011 года, посадка на поверхность Марса в кратере Гейла была осуществлена 6 августа 2012 года. В 2013 году Curiosity обнаружил в кратере Гейла следы древнего озера, существовавшего около 3,6 млрд лет назад.
Ingenuity прибыл на Марс в феврале 2021 года вместе с марсоходом Perseverance. Основная миссия вертолета состояла в том, чтобы совершить пять тестовых полетов и продемонстрировать возможность использования в разреженной марсианской атмосфере летательных аппаратов. Эта задача давно выполнена, и зонд использовали в качестве разведчика для марсохода. В НАСА сообщают, что Perseverance уже успел удалиться от вертолета и добраться до русла древней реки. Но по мере улучшения погодных условий и, соответственно, зарядки батарей вертолет должен был догнать марсоход и помочь ученым выбрать лучшие места для изучения. Незадолго до остановки миссии Ingenuity установил рекорд, пролетев за один день более 700.
Глава 3. Проектирование и создание модели марсохода ДРОН-ПАУК на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3
3.1 Эскиз и конструкция робота
Изучив все особенности конструкций существующих марсоходов, опираясь на возможности образовательного набора LEGO MINDSTOMS EV3, мы поставили перед собой ряд задач по оснащению нашей модели марсоход ДРОН-ПАУК:
установить четыре пары ног-опор;
установить 4 пропеллера на верхней части робота
разместить датчик расстояния для обнаружения обрыва по ходу движения робота;
Мы нарисовали эскиз нашей модели (Приложение, Рисунок 3.1.1) и приступили к работе. В процессе конструирования внешний вид робота менялся (Приложение, Рисунок 3.1.2).
Наш робот состоит из двух частей, каждая часть запускается своим мотором или несколькими моторами и имеет свои механические передачи (Приложение, Рисунок 3.1.3).
Часть 1. Ходовая часть робота
Основные механизмы части 1 модели робота марсоход ДРОН-ПАУК:
Червячная передача. Этот механизм двигает рычаг, который поднимает и опускает ногу, поэтому нужно большое усилие, в чем и помогает червячная передача, сильная, прочная и способна зафиксировать положение. Ног в модели 8, поэтому червячных передач тоже 8: по 4 на каждую сторону, соединенные с помощью осевой передачи.
Система рычагов.
Поршневой механизм
Составные части робота: вся конструкция запускается в движение тремя средними моторами: по одному на каждую сторону ног и один на поршневой механизм.
Часть 2. Система 4 пропеллеров
Основной механизм части 2 модели робота марсоход ДРОН-ПАУК: ременная передача и осевая передача.
Составные части робота: средний мотор запускает вращение системы ременных передач, ультразвуковой датчик определяет есть ли обрыв по ходу движения, если есть, то включаются пропеллеры и предполагается движение по воздуху, если нет, то робот продолжает шагать.
3.2 Программа
Первая программа была создана для проверки ходовой части робота (Приложение, Рисунок 3.2.1). Одновременно по принципу многозадачности мы запускаем 3 мотора: два для правой и левой стороны ног, третий для поршневого механизма, который толкает ноги вперед и назад с помощью системы рычагов.
Итоговая программа построена с помощью переключателя, условием которого является реакция ультразвукового датчика: если есть ли обрыв по ходу движения, то включается четвертый мотор в модели, вращающий пропеллеры, а моторы на движение выключаются, если нет обрыва, то четвертый мотор выключается и включаются три мотора на движение (Приложение, Рисунок 3.2.2).
3.3 Презентация модели марсохода ДРОН-ПАУК
Перед запуском модели важно синхронизировать ноги по принципу фаза/противофаза, чтобы шаг был ровный. При запуске модели (Приложение, Рисунок 3.3.1) робот сразу начинает движение. В процессе движения ультразвуковой датчик все время сканирует пространство по направлению вниз. Если есть ли обрыв по ходу движения, то включаются пропеллеры и предполагается движение по воздуху, если нет, то робот продолжает шагать.
Заключение
Мы узнали новую информацию о строении поверхности планеты Марс, о существовании непроходимых мест. Изучили строение современных планетоходов и их ходовую часть, рассмотрели самые известные марсоходы. Подробно рассмотрели шагающие планетоходы в условии труднопроходимых мест и разработали модель робота-планетохода для изучения поверхности планеты Марс.
Мы создали эскиз желаемой модели робота марсоход ДРОН-ПАУК и по ней собрали демонстрационную модель. Наш робот может перемещаться по Марсу на 8 ногах и в процессе движения все время сканировать пространство. Если есть обрыв по ходу движения, то включатся пропеллеры, и робот полетит по воздуху, преодолевая препятствие, если нет обрыва, то робот продолжит шагать. Мы считаем, что наша идея поможет избежать поломки марсоходов в неожиданных ситуациях на поверхности Марса.
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://fb.ru/post/science/2019/3/15/69847
https://www.autonews.ru/news/62551db99a794720c64f2f45
https://studref.com/361490/tehnika/planetohod_perevozki_gruzov_athlete
https://o-kosmose.ru/solnechnaya-sistema/opisanie-i-relef-marsianskoj-poverhnosti
поверхность марса https://ria.ru/20120821/728186376.html
https://rgantd.ru/news/pamyatnye-daty/mars-3-pervaya-v-mire-posadka-na-krasnuyu-planetu/
https://sites.google.com/site/kosmoissled/viking
https://nauka.tass.ru/tech/6821213?utm_source=google.com&utm_medium=organic&utm_campaigc=google.com&utm_referrer=google.com
https://www.interfax.ru/world/650473
Приложение
-
Рисунок 1.2.1 Шагающие планетоходы: существующие и в разработке
Рисунок 2.1.1 Планета Марс: особенности и основные характеристики
Рисунок 2.1.2 Хребты формации Фосса — регион на Марсе, обнаруженный недалеко от границы между нагорьем
Рисунок 2.2.1 Планетоходы и станции на Марсе
Рисунок 3.1.1 Эскиз составных частей робота марсоход ДРОН-ПАУК.
Начало сборки модели по эскизу.Рисунок 3.1.2 Этапы создания модели марсоход ДРОН-ПАУК.
Система пропеллеров:
ременная передача,
рычагиХодовая часть:
система рычагов,
червячная передача,
поршневой механизмультразвуковой датчик
Рисунок 3.1.3 Основные сложные механические передачи модели марсоход ДРОН-ПАУК.
Рисунок 3.2.1 Первая программа для запуска ходовой части марсохода.
Рисунок 3.2.2 Итоговая программа для запуска модели марсоход ДРОН-ПАУК
Рисунок 3.3.1 Презентация работы модели марсоход ДРОН-ПАУК