Por que os rovers de Marte são tão lentos?

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Os rovers de Marte são tipicamente muito lentos. A curiosidade, por exemplo, tem velocidade média de cerca de 30 metros por hora.

Por que ele é projetado tão lento? É por causa de algumas restrições específicas de energia ou por outros motivos? Qual é a principal razão pela qual é tão lento?

mobile-robot design

— dente afiado
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Existem restrições físicas discutidas abaixo, mas considere isso também: para onde você iria em velocidades tão incríveis?

Uma coisa é que, se for a 90 km / h, parece muito mais provável que ele tombe quando atingir uma rocha. Se eu projetasse seu curso e velocidade, não gostaria de ser demitido quando acidentalmente arruinar um milhão de milhões / dispositivo de bilhões de dólares que está muito longe. :)

— Anonymous Penguin

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Tem mais a ver com a suspensão do roqueiro do que qualquer outra coisa.

O sistema foi projetado para ser usado em baixa velocidade em torno de 10 cm / s, de modo a minimizar choques dinâmicos e danos conseqüentes ao veículo ao superar obstáculos consideráveis.

Em troca do movimento lento, o rover é capaz de escalar rochas que têm o dobro do diâmetro da roda (a suspensão normal tem problemas com algo acima da metade do diâmetro da roda). Isso é importante quando se viaja - literalmente - em uma paisagem alienígena.

Escalada

(imagem via http://en.smath.info/forum/yaf_postst995p2_Animation-of-mechanisms.aspx )

Existem outros benefícios que vêm com velocidade lenta: melhor correlação entre os quadros sucessivos capturados por suas câmeras de navegação , mais tempo para planejar seu caminho e economia de energia. No entanto, sem as capacidades fornecidas pelo sistema de suspensão - superando os obstáculos presentes na superfície marciana sem ficar preso ou causar danos - os outros benefícios são discutíveis.

— Ian
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Corrigir! Essa é a principal razão e deriva da necessidade de segurança e previsibilidade. É muito caro levar um veículo espacial para Marte e não tem preço uma vez lá. A energia é um fator para a distância por sol, mas não tanto para a distância por hora. Você pode imaginar um veículo espacial mais rápido que tem mais tempo durante o dia para outras atividades (que não exigem muita energia). As limitações de comunicação não são um fator tão importante, já que a autonomia pode permitir um pouco de movimentação apenas se a suspensão e a energia não forem um fator. O processador Curiosity é muito mais rápido do que no Spirit e no Opportunity.

— Mark Adler

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@MarkAdler Tudo verdade, mas qualquer rover projetado para economizar energia para usar em uma explosão rápida teria que carregar uma bateria muito pesada para esse fim, portanto, uma suspensão de alta qualidade não é o único impedimento.

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Por acaso, no Curiosity, a principal limitação de energia na mobilidade por sol não é a energia para acionar os motores, mas a energia para aquecer os motores e as caixas de engrenagens até sua temperatura operacional pela manhã. O que realmente precisamos são motores e caixas de engrenagens que possam operar à temperatura ambiente de Marte. O projeto MSL tentou desenvolvê-los, mas teve problemas e voltou à tecnologia existente.

— Mark Adler

Que problemas são causados por temperaturas muito baixas?

— Ansis Māliņš

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Espere, o @MarkAdler?

— Ian

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Parece uma questão de softbol, mas é surpreendentemente sutil. Existem algumas respostas excelentes aqui, mas posso acrescentar algum rigor básico.

A razão pela qual os rovers se movem tão devagar é essencialmente a necessidade de ser cauteloso com um equipamento multimilionário. Mas existem outras restrições de design que vale a pena mencionar.

$\int_{T_{i n i t i a l}}^{T_{f i n a l}} [c_{0} v (t)^{2} + c_{1} a (t)^{2} + c_{3} v (t) + c_{4} a (t) + c_{5} v (t) * a (t) + C] d t$ $\int^{T_{final}}_{T_{initial}} [ c_0 v(t)^2 + c_1 a(t)^2 + c_3v(t) + c_4a(t) + c_5v(t)*a(t) + C ]dt$ $c_0...c_6$ . Nota O LIDAR é amplamente utilizado em veículos autônomos e sem motorista, como o Google Car . O que me leva a ...
$O(r^3)$ $r$
Atrasos na comunicação . Como mencionado, o robô é i) autônomo e ii) limitado por sensor. Os humanos precisam fazer o "check-in" constante para garantir que o robô não esteja fazendo algo estúpido (apesar dos algoritmos de planejamento de última geração). Isso significa que o robô aguardará muitas instruções , diminuindo assim o progresso médio em direção a uma meta. As referências anteriores tratam disso.
Estabilidade . Para alcançar estabilidade / robustez, os rovers usam o sistema roqueiro. veja isso . Este sistema foi projetado para ser operado em baixa velocidade. Se você for rápido e bater em uma pedra, você quebra seu veículo espacial. Tente imaginar fazer esse planejamento de movimento baseado em sensor. Agora tente fazer isso quando todos os seus sensores relevantes estiverem em um mastro conectado à parte superior do seu robô e você verá que manter a carga útil estável é muito importante.

— Josh Vander Hook
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Isso é ótimo! É como o meu post, mas em termos científicos. Eu excluiria meu post em favor disso, mas a reputação neste momento é muito tentadora: D Tenho certeza, porém, que isso obteria pontos mais altos no final.

— Shahbaz

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: D Por favor, não o apague. Você tem uma boa foto no tópico para os analfabetos.

— Ric

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Não sou especialista em física, mas posso pensar em algumas razões:

Poder . A quantidade de energia que você precisa para executar uma tarefa é inversamente proporcional ao tempo necessário para executar essa tarefa. Eu acho que é bem sabido que fazer algo mais rápido requer mais energia; caso contrário, você poderia fazer tudo infinitamente rápido, sem nenhum custo.
Velocidade de computação . A afirmação sobre poder (acima) não se limita a movimentos. Também é verdade para o cálculo. Você notou que quando o laptop está no modo de economia de energia, ele fica mais lento? Com os processadores, se você calcular algo duas vezes mais rápido, precisará de quatro vezes mais energia para fazer isso. Como resultado, muito provavelmente, a CPU dos mars rovers também não está funcionando em alta velocidade. Portanto, se o rover precisar de tempo para processar algo antes de prosseguir (por exemplo, imagens do ambiente), precisará se mover mais devagar para receber dados a uma taxa mais lenta. Lento o suficiente para poder processá-los.
Estabilidade . Acredito que não preciso fornecer fórmulas para esse fenômeno:

Simplificando, quanto mais lento você for, menor a chance de subir sobre uma cordilheira e possivelmente perder sua estabilidade ao pousar.
Manobrabilidade . Se você for a uma velocidade razoavelmente lenta, não terá problemas para dirigir. Por outro lado, em altas velocidades, você precisa de uma curvatura maior para girar, além de mais pressão nas rodas do lado externo.

Observe que alguns desses problemas, como estabilidade, também são verdadeiros para os robôs da Terra. No entanto, aqui na terra sempre podemos virar o veículo se ele virar, mas em Marte não podemos confiar em marcianos (eles podem gostar do veículo espacial preso nas costas e começar a adorá-lo, o que não é legal para nós) .

— Shahbaz
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A energia é provavelmente o principal fator limitante. A curiosidade pesa quase uma tonelada (semelhante a um subcompacto), mas sua fonte de energia produz apenas 125W de energia. Se toda a energia estivesse disponível para o trem de força, seria apenas 0,16HP; a quantidade real disponível é menor, pois os computadores, instrumentos e rádios também compartilham.

— 21412 Dan Neely

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Hesito em considerar sua bala de necessidade como um motivo forte. Conseguir energia suficiente para uma alta velocidade e longa duração, o rover não é possível com a tecnologia atual, portanto todas as missões propostas foram projetadas para uma taxa lenta de viagem e um estudo aprofundado de uma área relativamente pequena. Se um veículo espacial com alcance de 10 a 100 km / dia fosse possível, um conjunto totalmente diferente de propostas de pesquisa seria possível. ex Explore o comprimento de Valles Marineris para determinar como foi esculpido.

— Dan Neely

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+1 A estabilidade pode ser um problema sério, considerando a diferença de gravidade.

— Sulthan

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"A quantidade de energia que você usa para uma tarefa é inversamente proporcional ao quadrado do tempo necessário para realizar essa tarefa." - Isso não é verdade. Fazer algo duas vezes mais rápido requer o dobro da força, mas a mesma quantidade de energia. A menos que o fator limitante seja algo que dimensione o quadrado por si só (como a resistência do fluido dimensiona o quadrado da sua velocidade), mas para aplicá-lo ao rover de Marte, você precisará explicar quais fatores limitantes específicos existem.

— MatsT

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Todas essas são boas razões pelas quais um robô geralmente fica lento, mas o Curiosity fica lento devido ao seu design de suspensão.

— 31412 Ian

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Um dos motivos é o atraso nas comunicações entre a Terra e Marte.

O tempo de ida e volta dos sinais da Terra para Marte é de vários minutos, o que significa que você não pode teleoperar o robô em tempo real. Isso significa que o robô precisa de alguma capacidade autônoma de prevenção de obstáculos para ajudar a evitar que ele fique preso ou tenha problemas.

O equipamento de prevenção de riscos em mars rovers é geralmente projetado de uma maneira muito conservadora, o que significa dirigir devagar e parar frequentemente para verificar seu ambiente.

Da Wikipedia, para os Mars Exploration Rovers (Espírito e Oportunidade):

... o software de prevenção de riscos faz com que ele pare a cada 10 segundos por 20 segundos para observar e entender o terreno em que foi conduzido.

— SelvagemCrustáceo
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exatamente. os processadores e o software disponíveis no momento do design / construção / lançamento / atualização remota do veículo não podem ser mais rápidos do que isso.

— hobs

Parece que este hazard avoidanceé o paradigma errado. O robô deve agir como uma barata após um pouso forçado após 50 m de voo vertical: levante-se e dance. Você pode testar isso, mesmo na Terra, a alguns minutos de distância de Marte.

— ott--