6 generacji łazików marsjańskich Scorpio

Przedstawiamy artykuł napisany przez Justynę Pelc i Sylwię Krzyżanowską, który pojawił się w marcowym wydaniu magazynu eXperyment.

Całe wydanie dostępne jest tutaj.

Łazik to mobilna platforma badawcza z ramieniem robotycznym, przystosowana do poruszania się po trudnym terenie. Ma za zadanie ułatwić pracę astronautów i pomagać w eksploracji trudnych i nieznanych terenów. Obecnie na Marsie znajdują się 3 łaziki – Mars Odyssey, Opportunity oraz Curiosity, z których działają dwa. Opportunity miał pracować tylko 90 dni, jednak pracuje już 14 lat! Jego zadaniem było badanie marsjańskich skał, na których naukowcy wykryli ślady istnienia oraz cyrkulacji wody, a także analizowanie także skład atmosfery Marsa. Curiosity bada warunki panujące w przeszłości geologicznej Marsa od 2012 roku. Jest bogato wyposażonym, samobieżnym laboratorium badawczym. Wykorzystuje radioizotopowy generator termoelektryczny zamiast paneli słonecznych. 

 

Łaziki marsjańskie tworzone przez nasze koło – Koło Naukowe Pojazdów Niekonwencjonalnych – wcale nie odbiegają od łazików budowanych przez NASA. Biorą udział w międzynarodowych konkursach – nie tylko tych w Europie, ale także i w Stanach Zjednoczonych, od 2011 roku. Odnoszą na nich sukcesy: II miejsce w 2013 roku oraz III miejsce w 2015 roku na University Rover Challenge w USA, I miejsce na European Rover Challenge w 2014 roku, Europejski odpowiednik URC. Uzyskaliśmy tytuł Naukowego Projektu Roku w konkursie ProJuvenes w 2014 roku, III miejsce w finałach Phobos na University Rover Challenge w 2016 roku. W 2017 roku udało nam się zdobyć tytuł Koła Strategicznego Politechniki Wrocławskiej, tytuł Konstrukcyjnego Projektu Roku w Konkursie Kół Naukowych KOKON, I miejsce w kategorii „Studenckie innowacje” oraz miejsce w finałowej piątce w kategorii „Koło Naukowe Roku” w konkursie ProJuvenes, II miejsce w kategorii Freestyle i Nagroda Publiczności w konkursie Robotic Arena.

Scorpio I

Scorpio I to pierwsza nasza konstrukcja, powstała w 2011 roku. Był to zdalnie sterowny łazik o wielofunkcyjnym manipulatorze posiadającym system wizyjny i system do zdalnych pomiarów. Scorpio I, aby mógł wziąć udział w konkursie, swoją budową musiał wpisać się w wymogi stawiane przez organizatorów konkursu University Rover Challenge 2011. 

 

 Model łazika Scorpio I zmierzył się z konstrukcjami z całego świata na międzynarodowym konkursie University Rover Challenge, który odbył się 2-4 czerwca 2011r. Łazik zaprezentował swoje zdolności w następujących konkurencjach: – zadanie naukowe, związane z poszukiwaniem i analizą próbek gleby interesujących pod względem biologicznym, – zadanie geodezyjne, gdzie łazik miał sprecyzować położenie określonych obiektów w terenie, – zadanie konserwacyjne, mające na celu zdalne obsłużenie innego urządzenia za pomocą łazika – zadanie nawigacyjne w sytuacji zagrożenia, podczas którego należało dostarczyć wsparcie astronaucie będącemu w nieznanej lokalizacji Ogromnym sukcesem drużyny pracującej nad tworzeniem Scorpio I było zdobycie 4 miejsca na zawodach w Hanksville w Stanach Zjednoczonych. Pomimo tego, że był to debiutancki występ w konkursie, udało się zająć tak wysoką pozycję. Osiągnięcie zespołu Scorpio docenił Premier Rzeczpospolitej Polskiej Donald Tusk, który tuż po przyjeździe zespołu do kraju zaprosił całą drużynę na wspólne spotkanie. Dobry wynik, jaki drużyna projektu Scorpio I uzyskała podczas konkursu URC w 2011 roku, zwiększył apetyt całego zespołu na osiągnięcie jeszcze większego sukcesu. Z ogromnym zaangażowaniem i zapałem zabrali się do pracy nad udoskonalaniem modelu łazika. Było oczywiste, że powstanie kolejna ulepszona wersja Scorpio, która znów będzie brać udział w konkursie oraz walczyć o zdobycie lepszego wyniku niż ten, jakim wyróżniono pierwowzór łazika marsjańskiego Politechniki Wrocławskiej.

Scorpio II

Zgodnie z planem, po pierwszym modelu Scorpio drużyna rozpoczęła pracę nad następną wersją łazika marsjańskiego – Scorpio II. Wszystkie ulepszenia miały za zadanie zwiększyć szansę nowego projektu robota na zwycięstwo w konkursie University Rover Challenge 2012. 

 

Innowacje, jakie pojawiły się w Scorpio II, dotyczyły przede wszystkim zupełnie nowego podwozia. Zrezygnowano z czterokołowej konstrukcji oraz skrętnych kół na rzecz niezależnego sześciokołowego zawieszenia opartego na podwójnych wahaczach. Dwuosiowy przegub Cardana znajdujący się pomiędzy pierwszą a drugą osią umożliwiał skręcenie przodu pojazdu oraz jego podniesienie lub opuszczenie. W ten sposób zwiększono możliwości terenowe robota. 

 

Główne założenia dotyczące budowy i funkcjonalności ramienia pozostały bez zmian w stosunku do poprzedniej konstrukcji, ale skupiono się na obniżeniu masy ramienia przy zachowaniu jego wielkości. Zmianie uległ również środek ciężkości, który został obniżony poprzez przeniesienie silników napędowych na dół łańcucha kinematycznego, co wpłynęło na zwiększenie stabilności pojazdu i udźwigu ramienia.

Elektronika odpowiadająca za sterowanie pojazdem składała się z kilku modułów. Bazowała na 32 bitowych procesorach STM32 oraz Freescale. Na system wizyjny składały się trzy kamery umieszczone w różnych częściach pojazdu. Obraz przesyłany był sygnałem analogowym, a nie cyfrowym, tak jak to było w poprzedniej edycji łazika. Pozwoliło to na zminimalizowanie opóźnień transmisji sygnału, co miało ogromny wpływ na precyzję sterowania pojazdem. System komunikacyjny składał się z dwóch niezależnych kanałów transmisji. Był to system telemetryczny pracujący w paśmie 2,4Ghz oraz wspomniana wcześniej transmisja obrazu. Pracował w paśmie 5,8Ghz i umożliwiał przesyłanie obrazu ze wszystkich trzech kamer jednocześnie.

Scorpio III

Scorpio III był to wielofunkcyjny łazik skonstruowany do udziału w międzynarodowym konkursie University Rover Challenge 2013. Główną ideą tworzenia Scorpio było wspomaganie człowieka podczas eksploracji Czerwonej Planety. Scorpio III to rozwinięcie konstrukcji z 2011 r. Pojazd był przegubowy i posiada sześciokołowy napęd. Został wyposażony w wielofunkcyjny manipulator o sześciu stopniach swobody oraz system wizyjny i pomiarowy. W stosunku do Scorpio II najmniejsze zmiany zostały wprowadzone w układzie jezdnym i ramie. Nasze wysiłki skupiły się na zmniejszeniu masy tych elementów. Zawieszenie zostało wyregulowane, aby lepiej współpracować z łazikiem, lżejszym o ponad 5 kg. Stworzony został zupełnie nowy manipulator – bardziej precyzyjny i lżejszy. 

 

Elektronika sterująca pojazdem również została wymieniona. Nowa była mniej zawodna, mogła też obsługiwać większą liczbę czujników jednocześnie. Czujniki pozwalały na pomiar ciśnienia, temperatury i wilgotności otoczenia. Elektronika odpowiadająca za sterowanie pojazdem składała się z kilku modułów. Bazuje na nowoczesnych 32 bitowych procesorach STM32 oraz Freescale. Do komunikacji z centrum kontroli, przesyłania danych sterujących oraz obrazu służył moduł komunikujący się za pomocą fal radiowych o częstotliwości 2,4 GHz. Na system wizyjny składały się trzy kamery umieszczone w różnych częściach pojazdu. Obraz przesyłany był sygnałem analogowym o częstotliwości 5,8 GHz. Pozwalało to na zminimalizowanie opóźnień transmisji sygnału, co miało ogromny wpływ na precyzję sterowania pojazdem. 

 

Projekt był finansowany w ramach projektu Generacja Przyszłości, który był organizowany przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

Scorpio IV

Scorpio IV to czwarta wersja łazika marsjańskiego Scorpio, który został zaprezentowany na konkursie European Rover Challenge – pierwszej edycji europejskiego konkursu bliźniaczego do URC. ERC odbył się 4-6 września 2014 roku w Podzamczu pod Kielcami. 

 

W tym roku założenia konstrukcji zostały przemyślane na nowo, przez co Scorpio IV całkowicie różnił się od swoich poprzedników. Podstawowym założeniem, na którym opierała się nowa konstrukcja, była jej całkowita modułowość. Pozwalała ona na niezależne projektowanie poszczególnych elementów i testowanie ich bez przymusu angażowania całego robota. Niezależne zawieszenie, które okazało się nieefektywne w ciężkim terenie, zastąpione zostało zmodyfikowaną wersją zawieszenia rocker-bogie, znanego z łazików NASA. Modyfikacje polegały na przystosowaniu konstrukcji do wyższych prędkości oraz zastosowaniu tylko czterech kół. Powstałe zawieszenie działało na podobnej zasadzie co system Curiosity, było jednak w stanie działać efektywniej przy wyższych prędkościach.

Scorpio N

Scorpio N to piąta konstrukcja projektu, czerpiąca to co najlepsze ze swojego poprzednika. Jego nazwa została zainspirowana „Scorpio Infinity” – propozycją jednego z fanów . Mimo że na pierwszy rzut oka konstrukcja nie różni się zbytnio od Scorpio IV, to zostały w nim wprowadzone znaczne ulepszenia. Aby ułatwić manewrowanie mechanicznym ramieniem, dodaliśmy do niego ostatni, szósty stopień swobody – obrót w podstawie. Zadbaliśmy także o zasilanie i stworzyliśmy Power Manager kontrolujący stan baterii. Oprócz tego wzmocniliśmy wahacze i zaprojektowaliśmy nową, bardziej pojemną puszkę na elektronikę. Powstało również całkiem nowe wiertło do zadań badawczych. Wszystko to zostało zrealizowane utrzymując modułowość łazika.

Scorpio X

Nad Scorpio X pracowaliśmy od października 2016 roku. W efekcie powstał łazik świetnie przystosowany do zadań University Rover Challenge. Łazik posiada modułową budowę, a konstrukcja wykonana jest w większości z aluminium lotniczego i poliamidu – lekkich materiałów, ale o bardzo dobrych własnościach mechanicznych. 

 

Moduł jezdny został zainspirowany 4-kołowym systemem roocker-boogie, który został przystosowany do naszych potrzeb. Dla zapewnienia dobrej przyczepności opony zostały wykonane z materiału wojskowego – Cordury, który wypełniliśmy styropianowym granulatem, dzięki temu została zwiększona stabilność i amortyzacja. Jest to nasze autorskie rozwiązanie, które się świetnie sprawdza. Nasz łazik ma napęd na cztery kola, a każde koło jest zasilane przez osobny silnik BLDC 250 watów. Dzięki temu zapewniliśmy wystarczająca moc, by pokonać nawet najbardziej wymagający teren oraz przeszkody, takie jak dziury i strome podejścia. 

 

Wszystkie moduły, włączając w to moduł jezdny, będą kontrolowane przez komputer pokładowy NVIDIA Jackson TX2. Wszystkie podzespoły są połączone przez magistralę CAN oraz Ethernet, które zapewniają niezawodną komunikację. Komendy oraz obraz z kamer są przekazywane na częstotliwościach 900MHz oraz 2.4GHz. Układ zasilania łazika został zaprojektowany w sposób zapewniający najbardziej efektywne i zarazem bezpieczne wykorzystanie baterii. Zaawansowane sterowniki silników umożliwiają sterowanie każdym kołem z osobna w pętli zamkniętej, co zapewnia możliwość dokładnego poruszania łazikiem. 

 

Jednym z największych wyzwań, jakie czekają nas w tym roku na zawodach, jest przejazd autonomiczny. By zapewnić pomyślne ukończenie przejazdu, został zaprojektowany specjalny moduł zawierający GPS, akcelerometr, żyroskop i magnetometr. Dodatkowo na pokładzie łazika znajduje się moduł z dalekomierzem Lidar Lite v-3 oraz zestawem sensorów, aby zapobiec kolizjom z przeszkodami. Obraz z kamer został wykorzystany do rozpoznawania markerów przy bramkach na drodze łazika. Został zastosowany machine learning – dzięki temu na podstawie obrazu z kamer łazik zyskuje autonomię. 

 

Kolejnym zadaniem, z jakim musimy się zmierzyć, jest zadanie naukowe. Musimy pobrać próbki gleby z wyznaczonego miejsca, dlatego zaprojektowaliśmy specjalny moduł wiertniczy. Podczas wiercenia, które może być wykonane na każdej głębokości do 20 cm, gleba jest transportowana w rękawie wiertniczym i wyrzucana poza łazik. Kiedy wiertło osiągnie wyznaczoną głębokość, moduł zostaje obniżony, by pozwolić na pobranie próbki, która zostaje następnie zamknięta w pojemniku wydrukowanym na drukarce 3D. Oprzyrządowanie na pokładzie łazika pozwala na przeprowadzenie analizy temperatury oraz wilgotności zarówno otoczenia, jak i gleby. Dodatkowo zaprojektowaliśmy specjalny moduł do pomiaru promieniowania, zawierający licznik Geigera. Aktualnie zespół pracuje nad oprogramowaniem do spektrometru. Dalsza analiza laboratoryjna jest przeprowadzana w bazie, gdzie zespół skupia się na wykrywaniu związków i pierwiastków chemicznych, które pozwalają na rozwijanie się form życia. 

 

Do zadań związanych z transportem zaprojektowaliśmy manipulator. Posiada on sześć stopni swobody, które umożliwiają zachowanie zdolności operacyjnych w szerokim zakresie ruchowym. Enkodery zamontowane w osiach obrotu ramienia zapewniają możliwość dokładnego ustawienia chwytaka. Każdy niepożądany czy nieoczekiwany ruch zostaje korygowany przez silniki lub siłowniki. Zastosowaliśmy również metodę odwrotnej kinematyki w celu poprawienia jakości ruchu manipulatora i ułatwieniu zadania osobie sterującej. W zrealizowaniu zadania „extreme delivery” na zawodach, pomaga nam stworzona przez nas aplikacja umożliwiająca zaprogramowanie ruchu manipulatora i wyświetlająca możliwy jego zakres. Aby lepiej poradzić sobie ze stawianymi nam wyzwaniami, rozwiązaliśmy problem z algorytmem komiwojażera. Obecnie najkrótsza trasa dla Scorpio jest szybko wyznaczana, dzięki czemu jesteśmy w stanie poradzić sobie z zadaniem.

Dzięki takim robotom, jakimi są łaziki marsjańskie, jesteśmy w stanie eksplorować inne planety, nie tylko Marsa. Potrafią zrobić takie rzeczy, których nie są w stanie zrobić astronauci, co znacznie ułatwia im pracę, a ich misje stają się znacznie bezpieczniejsze. Naszym głównym celem jest rozwinięcie tej technologii. Już wkrótce rozpoczniemy prace nad następnymi łazikami, które przybliżą nas do kolejnych sukcesów!