机遇号火星车详细介绍

基于机遇号火星探测器的移动

控制系统分析研究

摘要：

机器人的移动作为机器人学中的一个重要研究部分，它是传感技术、控制技术、信息处理技术和电子技术等多门技术相结合的成果。随着相关技术的不断发展，移动式机器人正朝着高速度、高精度、智能化、开放化方向发展。作为机器人实现快速、准确的核心，其控制系统的优良对整个机器人的性能方面起到非常重要的作用。

本文以美国“机遇号”火星探测器为例，仅对该款机器人的移动控制系统的功能要求分析，基于对移动控制系统的三种工作模式即非寻迹模式、寻迹模式和寻迹避障模式深入研究后，确定了的总体设计方案。

关键词：机器人，控制系统，移动控制系统

一.引言

“机遇号”火星探测器是美国宇航局在火星上执行勘测任务的两个探测器之一。另一个火星探测器为“勇气号”，“机遇号”于2003年7月7日发射2004年1月25日安全着陆火星表面。

“机遇号”通过对火星为期六年多的勘测，取得了很大的成绩：发现了形成于酸性湖泊的岩石，首次在火星发现陨石，抵达维多利亚陨坑，并对其进行了为期两年多的勘测，结果显示，早期火星曾有面积相当于俄克拉荷马州大小的一片地下水层。该研究为科学家如何研究火星表面提供了清晰观点，“机遇号”已经连续有效运作了超过原本设计(90个日子)30倍的任务时间；由于太阳能发电板被清洁干净，它因此能够继续执行大量对火星岩石的地质分析和地表描绘。

任务的重点包括了完成90个火星日的任务，发现了火星上的第一个陨石、防热护盾岩(Heat Shield Rock)（在子午线高原），以及超过两年的时间研究维多利亚撞击坑。机遇号惊险的在2007年的沙尘暴中存活了下来，现在正朝向努力撞击坑(Endeavour crater)前进。

二.机遇号结构

“机遇号”是一个六轮、太阳能动力车，高1.5米、宽2.3米以及长1.6米、180公斤重。六个轮子上有锯齿状的凸出纹路(rocker-bogie)来适应地形，每个轮子都有自己的马达，车体本车装载于前后端来让本身能够在30度的倾斜范围保持安全。最高车速是50公厘/每秒(2英寸/每秒)，虽然平均速度只有最高车速的五分之一。“机遇号”和他的姐妹“勇气号”都载有纽约世贸大楼的金属残片，这些残片重新制成护盾来保护钻孔机械上的电缆。

太阳能板阵列能够在每个火星日产生约140瓦的电力让可充电式的锂离子电池储存电力并在晚上使用将近4个小时。“机遇号”的车体上的电脑使用了一个20MHZ的RAD6000中央处理器、128MB的DRAM、3MB的EEPROM以及256MB的快闪存储器。它的车体作业温度介于−40 °C到40 °C，车上由电热器在必要时能支援的放射性同位素热点机也提供了基本的温度控制。一个黄金薄膜和一层二氧化硅气凝胶进行隔热，如图1所示。

图1 机遇号火星探测器

三.机遇号的移动控制系统设计

3.1控制系统的总体要求

为了简化设计难度，明确设计的目标，增强系统的通用性和可靠性，可以通过将一个复杂的系统分解成功能独立的模块[1]。经过分析，本文机器人即机遇号的移动功能要求可以简化为以下儿点：

1)模式选择：机器人在开始工作前，可以设定相应的工作模式。

2) 移动：机器人可以实现直行、转弯和旋转运动。

3) 导航：机器人能够自主运动，实现寻迹导航和非寻迹导航。

4) 定位：根据传感器采集到的信息，得到行走的距离和角度，实现定位功能。

5) 避障：机器人在寻迹的过程中能够避开障碍物，沿着设定的轨迹继续行进。

3.2控制系统方案设计

3.2.1控制系统整体方案

根据机器人需要完成的任务和负荷的功能，对控制系统进行方案分析和设计,确定系统主要括：电源模块、模式选择模块、处理器模块、传感器模块以及驱动控制和执行机构，如图2所示。

图2 控制系统整体方案

电源模块为整个系统的动力源泉，是机器人必不可少的一部分，该模块的好坏直接影响整个系统。需要将供电源电压正确的转换为每个模块所需要的电源电压，保证每个模块的正常工作。

模式选择模块。机器人三种的移动工作模式：非寻迹模式、寻迹模式、寻迹避障模式。非寻迹模式给定起点和目标点，要求机器人能够平稳的从起始点运动到目标点，并保证到达目标点的位姿。寻迹模式中,要求移动机器人能够按照设定的轨迹线运行。寻迹避障模式实在寻迹模式的运行轨迹上存在障碍物，要求移动机器人能够避开障碍物，找到轨迹路线，继续前进，本系统选用寻迹避障模式。

处理器模块是整个系统的核心，承担了整个系统的任务分配工作、数据处理和运动控制。对传感器模块采集到的数据进行处理和分析，根据处理分析的结果控制执行机构。

传感器模块用于同环境进行交互，感知自身状态，是机器人获取信息的窗口，是系统做出正确决定的重要依据。

驱动控制和执行机构负责驱动移动机器人向各个方向的移动，驱动单元放大了控制器的控制信号，传递给执行单元,执行单元接收到信号后就会执行相应的动作模式即通过直流电机驱动六个主动轮。

在电源模块正常工作的情况下，处理器根据模式选择模块的选择，进入对应的工作模式，实时的读取传感器模块采集到信号数据，对采集的数据进行和分析，从而控制执行机构。

3.2.2电机控制的方案

处理器对于执行机构的控制是通过电机来实现的，图为电机控制实现图，采取闭环方式实现对电机的控制，如图3所示。

图3 电机控制方块图

3.3控制系统的结构形式

选择移动机器人控制系统的结构，需要综合考虑移动机器人的功能、本体结构和控制方式。从移动机器人处理控制算法的方式来看，有串行和并行两种结构。串行处理结构顾名思义就是控制算法是指算法是由串行机构来处理的，这种处理结构类型的控制器从计算机结构和控制方式来分，有单CPU结构，二级CPU结构和多CPU结构；并行处理结构使用多个处理器并行计算[1]。

四.机遇号的设计理念

“机遇号”火星探测器是一个组织结构复杂的系统，不仅要求机器人具有移动的功能，还要求机器人能够对任务进行分析、对路径进行规划和跟踪、感知周围和自身的信息、自主决策等类似人类智能行为的功能。根据机器人的功能要求,可以将移动机器人看作是以机械装置为基础，加上行为控制器、知识库及传感器系统组成的相互联系、相互作用的一个复杂系统，“机遇号”的设计主要从以下几个方面分步进行的[5]。