Pourquoi les rovers martiens sont-ils si lents?

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Les rovers martiens sont généralement très lents. La curiosité, par exemple, a une vitesse moyenne d’environ 30 mètres par heure.

Pourquoi est-il conçu si lentement? Est-ce à cause de certaines restrictions de puissance ou pour d'autres raisons? Quelle est la principale raison pour laquelle il est si lent?

mobile-robot design

— en dents de scie
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Il y a des restrictions physiques discutées ci-dessous, mais considérez ceci aussi: où iriez-vous à une vitesse aussi vertigineuse?

Une chose est si aller 45 mph, il semble beaucoup plus probable qu'il va basculer quand il frappe un rocher, et si j'ai conçu son parcours et sa vitesse, je ne voudrais pas me faire virer quand je ruine accidentellement plusieurs millions de dollars / appareil de milliards de dollars qui est très loin. :)

— Penguin anonyme

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Cela a plus à voir avec la suspension du rocker bogie qu'autre chose.

Le système est conçu pour être utilisé à une vitesse lente d’environ 10 cm / s, de manière à minimiser les chocs dynamiques et les dommages consécutifs au véhicule lorsque des obstacles importants sont surmontés.

En échange d'un mouvement lent, le rover est capable de gravir des rochers dont le diamètre est le double de celui de la roue (la suspension normale a des problèmes avec tout ce qui dépasse la moitié du diamètre de la roue). Ceci est important lorsque vous voyagez - littéralement - dans un paysage étranger.

Escalade

(image via http://fr.smath.info/forum/yaf_postst995p2_Animation-of-mechanisms.aspx )

La vitesse lente apporte d’autres avantages: meilleure corrélation entre les images successives capturées par les caméras de navigation , plus de temps pour planifier son trajet et économies d’énergie. Cependant, sans les capacités offertes par le système de suspension - surmonter les obstacles présents sur la surface martienne sans se coincer ou causer de dommages -, les autres avantages sont discutables.

— Ian
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Correct! C’est la raison principale, qui découle du besoin de sécurité et de prévisibilité. Il est très coûteux d’acheminer un rover sur Mars et c’est inestimable une fois sur place. L'énergie est un facteur pour la distance par sol, mais pas pour la distance par heure. Vous pouvez imaginer un rover plus rapide qui dispose de plus de temps dans la journée pour d’autres activités (moins énergivores). Les limitations de communication ne sont pas un facteur important, car l'autonomie pourrait permettre de passer beaucoup de temps dans un sol si la suspension et l'énergie n'étaient pas un facteur. Le processeur Curiosity est beaucoup plus rapide que sur Spirit et Opportunity.

— Mark Adler

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@MarkAdler Tout à fait, mais tout rover conçu pour économiser de l'énergie et l'utiliser rapidement devrait transporter une batterie très lourde à cet effet. Une suspension de haute qualité n'est donc pas le seul obstacle.

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Il se trouve que sur Curiosity, la principale limitation d’énergie sur la mobilité par sol n’est pas l’énergie nécessaire pour faire fonctionner les moteurs, mais plutôt l’énergie nécessaire pour chauffer les moteurs et les boîtes de vitesses jusqu’à leur température de fonctionnement le matin. Ce dont nous avons vraiment besoin, ce sont des moteurs et des réducteurs pouvant fonctionner aux températures ambiantes de Mars. Le projet MSL a essayé de les développer, mais a rencontré des problèmes et est revenu à la technologie existante.

— Mark Adler

Quels problèmes sont causés par des températures très basses?

— Ansis Māliņš

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Attends, le @MarkAdler?

— Ian

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Cela semble être une question de balle molle mais est étonnamment subtile. Il y a d'excellentes réponses ici, mais je peux ajouter un peu de rigueur.

La raison pour laquelle les rovers se déplacent si lentement est essentiellement due à la nécessité d’être prudent avec un équipement de plusieurs millions de dollars. Mais il existe d’autres contraintes de conception qui méritent d’être mentionnées.

L'énergie est tout simplement le pire goulot d'étranglement pour les systèmes mobiles et autonomes. Le coût en énergie d'un système à déplacer sur une surface peut être généralement modélisé comme suit: où sont des constantes représentant les paramètres du moteur (voir ici et ici
$\int_{T_{i n i t i a l}}^{T_{f i n a l}} [c_{0} v (t)^{2} + c_{1} a (t)^{2} + c_{3} v (t) + c_{4} a (t) + c_{5} v (t) * a (t) + C] d t$ $\int^{T_{final}}_{T_{initial}} [ c_0 v(t)^2 + c_1 a(t)^2 + c_3v(t) + c_4a(t) + c_5v(t)*a(t) + C ]dt$ $c_0...c_6$ ). Ainsi, le coût de se rendre dans un cratère proche est proportionnel au carré de la vitesse et au carré de l'accélération. Ainsi, plus lent coûte moins d'énergie en général. Il y a généralement une "vitesse de basculement" à laquelle la consommation d'énergie augmente, et il s'agit généralement d'une vitesse très lente. Ainsi, les robots se déplacent lentement pour économiser de l'énergie. De plus, cela signifie qu'un robot ne peut pas transporter de capteurs à forte intensité énergétique tels que LIDAR . Remarque LIDAR est largement utilisé dans les véhicules autonomes sans conducteur tels que Google Car . Ce qui m'amène à ...
Détection informatique . Remarque, nous n'envisageons pas le pouvoir. Maintenant, nous devons comprendre que le robot est autonome (c.-à-d. Sans pilote). Compte tenu du nombre réduit de capteurs, un robot ne peut pas modéliser l’ensemble de son environnement et planifier un grand itinéraire. Pensez-y de cette façon, courriez-vous à travers la forêt dans le noir? Pas si tu n'en avais pas besoin. Le robot est constamment "dans le noir" car il ne peut pas voir très loin, il avance donc lentement et planifie chaque étape avec soin. La mémoire et le processeur requis pour planifier ces choses sont ou pire, où est le rayon de la planification. voir ici et ici $O(r^3)$ $r$
Délais de communication . Comme mentionné, le robot est i) autonome et ii) limité par la détection. Les humains doivent constamment "enregistrer" pour s'assurer que le robot ne fait pas quelque chose de stupide (malgré ses algorithmes de planification de pointe). Cela signifie que le robot attendra beaucoup des instructions , ralentissant ainsi la progression moyenne vers un objectif. Les références précédentes traitent de cela.
Stabilité . Pour assurer la stabilité et la robustesse, les rovers utilisent le système à bascule bogie. voir ça . Ce système est conçu pour fonctionner à faible vitesse. Si vous allez vite et frappez un caillou, vous cassez votre motoneige. Essayez d'imaginer faire cette planification de mouvement basée sur des capteurs. Essayez maintenant de le faire lorsque tous vos capteurs pertinents sont sur un mât fixé au sommet de votre robot , et vous verrez qu'il est très important de maintenir la charge utile de détection stable.

— Josh Vander Hook
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C'est bien! C'est comme mon post, mais en termes scientifiques. Je voudrais supprimer mon message en faveur de cela, mais la réputation en ce moment est trop tentante: D Je suis certain que cela obtiendrait des points plus élevés à la fin.

— Shahbaz

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: D S'il vous plaît, ne pas le supprimer. Vous avez une belle photo sur le sujet pour les analphabètes.

— rics

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Je ne suis pas un expert en physique, mais je peux penser à plusieurs raisons:

Puissance . La quantité d'énergie dont vous avez besoin pour effectuer une tâche est inversement proportionnelle au temps nécessaire pour la réaliser. Je pense qu’il est bien connu que faire quelque chose de plus rapidement nécessite plus de puissance, sinon on pourrait tout faire à une vitesse infinie sans aucun frais.
Vitesse de calcul . La déclaration sur le pouvoir (ci-dessus) ne se limite pas aux mouvements. C'est également vrai pour le calcul. Avez-vous remarqué que, lorsque votre ordinateur portable est en mode d'économie d'énergie, il fonctionne plus lentement? Avec les processeurs, si vous calculez quelque chose deux fois plus vite, vous avez besoin de quatre fois plus d'énergie pour le faire. Par conséquent, le processeur des routeurs mars ne fonctionne probablement pas aussi rapidement. Par conséquent, si le mobile a besoin de temps pour traiter quelque chose avant de continuer (par exemple, des images de l'environnement), il doit se déplacer plus lentement afin de recevoir les données plus lentement. Assez lent pour pouvoir les traiter.
Stabilité . Je crois que je n'ai pas besoin de vous donner des formules pour ce phénomène:

Autrement dit, plus vous avancez lentement, plus vous avez de chances de décoller sur une crête et de perdre éventuellement votre stabilité lorsque vous atterrissez.
Maniabilité . Si vous allez à une vitesse raisonnable, vous n'aurez aucun problème à diriger. D'autre part, à haute vitesse, vous avez besoin d'une courbure plus grande pour tourner, ainsi que de plus de pression sur les roues du côté extérieur.

Notez que certains de ces problèmes, tels que la stabilité, concernent également les robots sur Terre. Cependant, ici sur terre, nous pouvons toujours retourner le véhicule s'il tournait, mais sur Mars, nous ne pouvons pas faire confiance aux Martiens (ils aimeraient peut-être que le rover reste collé sur le dos et commence à l'adorer, ce qui n'est pas cool pour nous) .

— Shahbaz
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L'énergie est probablement le principal facteur limitant. La curiosité pèse presque une tonne (semblable à une sous-compacte), mais sa source d’énergie ne produit que 125W. Si toute la puissance était disponible pour le groupe motopropulseur, ce ne serait que 0,16 CV; le montant réel disponible est inférieur puisque les ordinateurs, les instruments et les radios prennent également une part.

— Dan Neely

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J'hésite à considérer votre besoin comme une raison solide. Avec les technologies actuelles, le rover n’est pas possible avec suffisamment de puissance pour une grande vitesse et longue durée. Toutes les missions proposées ont donc été conçues pour une vitesse de déplacement lente et une étude approfondie d’une zone relativement restreinte. Si un mobile avec une autonomie de 10 à 100 km / jour était possible, un ensemble de propositions de recherche totalement différent aurait été possible. ex Explorez la longueur de Valles Marineris pour déterminer comment il a été sculpté.

— Dan Neely

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+1 La stabilité peut être un problème sérieux compte tenu de la différence de gravité.

— Sulthan

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"La quantité d'énergie que vous utilisez pour une tâche est inversement proportionnelle au carré du temps nécessaire pour accomplir cette tâche." - Ce n'est pas vraiment vrai. Faire quelque chose deux fois plus vite nécessite deux fois plus de force, mais la même quantité d'énergie. À moins que le facteur limitant ne soit quelque chose qui évolue avec le carré tout seul (comme les résistances au fluide mesurées avec le carré de votre vitesse), mais pour l'appliquer au rover martien, vous devrez expliquer quels sont les facteurs limitants spécifiques.

— MatsT

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Ce sont toutes de bonnes raisons pour lesquelles un robot en général ralentirait, mais la raison pour laquelle Curiosity se ralentit tient à la conception de sa suspension.

— Ian

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L'une des raisons est le délai de communication entre la Terre et Mars.

Le temps aller-retour pour les signaux de la Terre à Mars est de plusieurs minutes, ce qui signifie que vous ne pouvez pas télé-exploiter le robot en temps réel. Cela signifie que le robot a besoin d'une capacité autonome d'évitement d'obstacles pour l'empêcher de rester bloqué ou d'avoir des problèmes.

L’équipement d’évitement des dangers sur les véhicules à moteur Mars est généralement conçu de manière très conservatrice, ce qui signifie que vous conduisez lentement et arrêtez-vous fréquemment pour vérifier votre environnement.

D'après Wikipedia, pour les véhicules d'exploration de Mars (esprit et opportunité):

... un logiciel permettant d'éviter les dangers le bloque toutes les 10 secondes pendant 20 secondes pour observer et comprendre le terrain sur lequel il a évolué.

— Crustacé Sauvage
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exactement. les processeurs et logiciels disponibles au moment de la conception / construction / lancement / mise à jour à distance du véhicule ne peuvent aller plus vite que cela.

— plaques de cuisson

Il semble que ce hazard avoidancesoit le mauvais paradigme. Le robot doit agir comme un cafard après un crash après 50 m de descente verticale: levez-vous et boogie. Vous pouvez tester cela même sur terre, pas à quelques minutes de lumière sur Mars.

— Octobre