¿Por qué los rovers de Marte son tan lentos?

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Los rovers de Marte son típicamente muy lentos. La curiosidad, por ejemplo, tiene una velocidad promedio de aproximadamente 30 metros por hora.

¿Por qué está diseñado tan lento? ¿Es por algunas restricciones de energía específicas o por otras razones? ¿Cuál es la razón principal por la que es tan lento?

mobile-robot design

— diente filoso
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Hay restricciones físicas que se analizan a continuación, pero considere esto también: ¿a dónde iría a velocidades tan vertiginosas?

Una cosa es que si va a 45 mph, parece mucho más probable que se voltee cuando golpee una roca, y si diseñara su rumbo y velocidad, no querría que me despidieran cuando accidentalmente arruine un multimillonario / dispositivo de mil millones de dólares que está muy lejos. :)

— Anonymous Penguin

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Tiene más que ver con la suspensión rocker bogie que con cualquier otra cosa.

El sistema está diseñado para usarse a una velocidad lenta de alrededor de 10 cm / s, a fin de minimizar los choques dinámicos y el daño consecuente al vehículo al superar obstáculos considerables.

A cambio de moverse lentamente, el rover puede escalar rocas que son el doble del diámetro de la rueda (la suspensión normal tiene problemas con algo más de la mitad del diámetro de la rueda). Esto es importante cuando se viaja, literalmente, en un paisaje extraño.

Alpinismo

(imagen a través de http://en.smath.info/forum/yaf_postst995p2_Animation-of-mechanisms.aspx )

Hay otros beneficios que vienen con la velocidad lenta: mejor correlación entre cuadros sucesivos capturados por sus cámaras de navegación , más tiempo para planificar su ruta y ahorro de energía. Sin embargo, sin las capacidades proporcionadas por el sistema de suspensión, superando los obstáculos presentes en la superficie marciana sin atascarse o causar daños , los otros beneficios son discutibles.

— Ian
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¡Correcto! Esa es la razón principal, y se deriva de la necesidad de seguridad y capacidad de predicción. Es muy caro llevar un rover a Marte, y no tiene precio una vez allí. La energía es un factor para la distancia por sol, pero no tanto para la distancia por hora. Podrías imaginar un rover más rápido que tenga más tiempo en el día para otras actividades (no tan intensivas en energía). Las limitaciones de comunicación no son un factor tan importante, ya que la autonomía podría permitir un buen recorrido en un sol si la suspensión y la energía no fueran un factor. El procesador Curiosity es mucho más rápido que en Spirit y Opportunity.

— Mark Adler

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@MarkAdler Es cierto, pero cualquier vehículo diseñado para ahorrar energía para usar en una explosión rápida tendría que llevar una batería muy fuerte para ese propósito, por lo que una suspensión de alta calidad no es el único impedimento.

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Como sucede, en Curiosity, la principal limitación de energía en la movilidad por sol no es la energía para hacer funcionar los motores, sino más bien la energía para calentar los motores y las cajas de engranajes hasta su temperatura de funcionamiento en la mañana. Lo que realmente necesitamos son motores y cajas de engranajes que puedan funcionar a temperaturas ambiente de Marte. El proyecto MSL trató de desarrollarlos, pero tuvo problemas y recurrió a la tecnología existente.

— Mark Adler

¿Qué problemas son causados por temperaturas muy bajas?

— Ansis Māliņš

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Espera, EL @MarkAdler?

— Ian

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Esto parece una pregunta de softbol pero es sorprendentemente sutil. Aquí hay algunas respuestas excelentes, pero puedo agregar un poco de rigor básico.

La razón por la que los rovers se mueven tan lentamente es esencialmente la necesidad de ser cautelosos con un equipo de varios millones de dólares. Pero hay otras restricciones de diseño que vale la 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: LIDAR se usa ampliamente en vehículos autónomos y sin conductor, como Google Car . Lo que me lleva a ...
$O(r^3)$ $r$
Retraso en la comunicación . Como se mencionó, el robot es i) autónomo, y ii), limitado por detección. Los humanos tienen que "registrarse" constantemente para asegurarse de que el robot no esté haciendo algo estúpido (a pesar de sus algoritmos de planificación de última generación). Esto significa que el robot esperará muchas instrucciones , por lo tanto, el progreso promedio lento hacia una meta. Las referencias anteriores abordan esto.
Estabilidad . Para lograr estabilidad / robustez, los rovers utilizan el sistema rocker-bogie. ver esto . Este sistema está diseñado para funcionar a bajas velocidades. Si vas rápido y golpeas una roca, rompes tu vehículo. Trate de imaginarse haciendo esa planificación de movimiento basada en sensores. Ahora intente hacerlo cuando todos sus sensores relevantes estén en un mástil conectado a la parte superior de su robot , y verá que es muy importante mantener estable la carga útil de detección.

— Josh Vander Hook
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¡Esto es genial! Es como mi publicación, pero en términos científicos. Eliminaría mi publicación a favor de esto, pero la reputación en este punto es demasiado tentadora: D Estoy seguro de que, sin embargo, esto obtendría puntos más altos al final.

— Shahbaz

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: D Por favor, no lo borre. Tienes una bonita foto sobre el tema para los analfabetos.

— rics

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No soy tan experto en física, pero puedo pensar en algunas razones:

Poder . La cantidad de energía que necesita para realizar una tarea es inversamente proporcional al tiempo que lleva realizar esa tarea. Creo que es bien sabido que hacer algo más rápido requiere más potencia, de lo contrario, podría hacer todo infinitamente rápido sin costo alguno.
Velocidad de cálculo . La declaración sobre el poder (arriba) no se limita a los movimientos. También es cierto para el cálculo. ¿Ha notado que cuando su computadora portátil está en modo de ahorro de energía, funciona más lentamente? Con los procesadores, si calcula algo dos veces más rápido, necesita cuatro veces más energía para hacerlo. Como resultado, lo más probable es que la CPU de los mars rovers tampoco funcione a alta velocidad. Por lo tanto, si el móvil necesita tiempo para procesar algo antes de continuar (por ejemplo, imágenes del entorno), debe moverse más lentamente para recibir datos a una velocidad menor. Suficientemente lento para que pueda procesarlos.
Estabilidad . Creo que no necesito darle fórmulas para este fenómeno:

En pocas palabras, cuanto más lento vaya, menor será la posibilidad de despegar sobre una cresta y posiblemente perder su estabilidad cuando aterrice.
Maniobrabilidad . Si va a una velocidad razonablemente lenta, no tendría ningún problema para conducir. Por otro lado, a altas velocidades, necesita una curvatura más grande para girar, así como más presión sobre las ruedas en el lado exterior.

Tenga en cuenta que algunos de estos problemas, como la estabilidad, también son ciertos para los robots en la Tierra. Sin embargo, aquí en la tierra siempre podemos voltear el vehículo si se volcó, pero en Marte no podemos confiar en los marcianos (puede que les guste el rover pegado a su espalda y comenzar a adorarlo, lo que no es nada bueno para nosotros) .

— Shahbaz
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La energía es probablemente el principal factor limitante. La curiosidad pesa casi una tonelada (similar a un subcompacto), pero su fuente de energía solo produce 125W de potencia. Si toda la potencia estuviera disponible para el tren de transmisión, eso sería solo .16HP; la cantidad real disponible es menor ya que las computadoras, los instrumentos y las radios también participan.

— Dan Neely

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Dudo en considerar su necesidad de bala como una razón fuerte. Obtener la potencia suficiente para una alta velocidad y una larga duración, el rover no es posible con la tecnología actual, por lo que todas las misiones propuestas se diseñaron para una velocidad de viaje lenta y un estudio en profundidad de un área relativamente pequeña. Si un rover con un alcance de 10-100 km / día fuera posible, un conjunto completamente diferente de propuestas de investigación habría sido posible. ex Explore la longitud de Valles Marineris para determinar cómo fue tallado.

— Dan Neely

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+1 La estabilidad puede ser un problema grave teniendo en cuenta la diferencia de gravedad.

— Sulthan

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"La cantidad de energía que usas para una tarea es inversamente proporcional al cuadrado del tiempo que lleva hacer esa tarea". - Esto no es realmente cierto. Hacer algo dos veces más rápido requiere el doble de fuerza, pero la misma cantidad de energía. A menos que el factor limitante sea algo que se escala con el cuadrado por sí mismo (como la resistencia a los fluidos se escala con el cuadrado de su velocidad), pero para aplicar eso al rover de Marte, tendría que explicar qué factores limitantes específicos hay.

— MatsT

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Todas estas son buenas razones por las cuales un robot en general iría lento, pero la razón por la cual la curiosidad va lenta es el resultado de su diseño de suspensión.

— Ian

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Una razón es el retraso de las comunicaciones entre la Tierra y Marte.

El tiempo de ida y vuelta para las señales de la Tierra a Marte es de varios minutos, lo que significa que no puede teleoperar el robot en tiempo real. Eso significa que el robot necesita alguna capacidad autónoma para evitar obstáculos para ayudar a evitar que se atasque o tenga problemas.

El equipo para evitar peligros en los mars rovers generalmente está diseñado de una manera muy conservadora, lo que significa conducir despacio y detenerse con frecuencia para verificar su entorno.

De Wikipedia, para los Mars Exploration Rovers (Spirit and Opportunity):

... el software de prevención de riesgos hace que se detenga cada 10 segundos durante 20 segundos para observar y comprender el terreno al que se ha conducido.

— Crustáceo Salvaje
fuente

exactamente. los procesadores y el software disponibles en el momento del diseño / construcción / lanzamiento / actualización remota del vehículo no pueden ir más rápido que eso.

— Hobs

Parece que este hazard avoidancees el paradigma equivocado. El robot debe actuar como una cucaracha después de un aterrizaje forzoso después de 50 m de vuelo vertical hacia abajo: levántate y haz boogie. Puedes probar eso incluso en la Tierra, no a minutos de luz en Marte.

— ott--