«Земля и Вселенная» 1991 г №5 (сентябрь - октябрь)




Космонавтика XXI века
Планетоходы
И. С. БОЛХОВИТИНОВ,
В. В. ГРОМОВ,
А. А. КЕМУРДЖИАН,
П. С. СОЛОГУБ
ВНИИТРАНСМАШ


На Луне и планетах, лишенных атмосферы, людям понадобятся особые транспортные средства. Когда-нибудь, возможно, появятся летающие малые реактивные аппараты, но в обозримом будущем главным транспортом на Луне и планетах станут планетоходы.
РАЗНООБРАЗИЕ ПЛАНЕТОХОДОВ

Кажется, еще совсем недавно мы восхищались нашими «Луноходами», а сегодня уже можно даже классифицировать аппараты, которые проектируются для дальнейшего освоения Луны и планет.

Научные исследования с помощью планетоходов могут выполняться как с присутствием человека на борту, так и без него. Но создатели планетоходов понимают, что эти аппараты пригодятся и землянам. На базе планетоходов будут проектироваться транспортные машины разного назначения: строительные, подъемно-транспортные, грузовые, научно-исследовательские, пассажирские, спасательные, разведывательные и другие.

Основа конструкции планетохода — его движитель. Именно движитель делает планетоход планетоходом. Поэтому к знакомству с движителями мы сейчас и перейдем.

ДВИЖИТЕЛИ

Гусеничные и колесные движители достаточно известны. Менее известны шагающие движители, хотя в наземной практике кое-где такой принцип используется (например, шагающие экскаваторы). Шагающему способу передвижения уделяется много внимания в исследовательских, поисковых работах.

Гусенично-модульные движители представляют собой движители, подобные овальному колесу (колесо приплюснуто для большего контакта с грунтом). Практически это два колеса, обтянутые гусеницей. Одно из них — мотор-колесо. Гусеничные модули могут быть легко сменными, или просто заменяться на колеса. При тяжелых строительных или буксировочных работах целесообразно устанавливать гусеничные модули, а при простой перевозке — колеса.

Колесно-шагающие движители в основном работают в режиме колесного качения. На трудных участках, например, когда движение происходит на подъем по сыпучему грунту, колесный движитель быстро зароется в грунт. Для того, чтобы этого не случилось, передние колеса, вращаясь, одновременно выдвигаются вперед, затем к ним подтягиваются остальные колеса (одновременно или по очереди). Проходимость машины с колесно-шагающим движителем значительно повышается. Известны схемы, при которых «шагание» колес происходит без остановки планетохода.

КОНСТРУКЦИИ СОВЕТСКИХ ЛУНОХОДОВ И ПЛАНЕТОХОДОВ

Для «Лунохода» были отобраны три альтернативных варианта шасси: четырехколесное, восьмиколесное и гусеничное. На этапе создания лунохода формировались и развивались параллельные идеи разработок. Восьмиколесный вариант «Лунохода-1» победил достаточно убедительно, но не без борьбы. «Луноход-1» стал прообразом будущих планетоходов. После него было сконструировано и изготовлено более десятка вариантов макетов планетоходов, которые включили основные системы и устройства первого «Лунохода».



Экспериментальный образец самоходного автоматического шасси (ЭО САШ)

Проблема повышения подвижности шасси имеет несколько частных задач. Они связаны с повышением опорной проходимости, уменьшением бокового сползания на косогоре, обеспечением устойчивости на сложном рельефе и т. д. В предложенных проектах и изготовленных макетах содержатся разные решения этих задач. Например, в экспериментальном образце самоходного автоматического шасси (ЭО САШ) синтезировано множество вариантов колес. С помощью ЭО САШ отрабатывались информационные системы по определению рельефа близлежащей поверхности.

Интересен и ходовой макет планетохода, у которого все колеса поворотные. Такая конструкция позволяет двигаться в любом направлении, не меняя положение корпуса, а на косогоре значительно уменьшает сползание.

Стремясь повысить надежность гусеничного движителя, конструкторы разработали модульный гусеничный движитель.

Другие типы шагающих движителей тоже рассматривались и в проектах, и в макетных разработках. Наиболее полно разработан экспериментальный натурный макет шагающего аппарата (НМША). Этот аппарат длиной 2,25, высотой 1,5 и шириной около 2 м имеет шесть многозвенных ног, управляемых по программе. Его достоинство в том, что он может идти по завалам, хорошо приспосабливаясь к неровностям поверхности. Свои ноги он может использовать и в качестве манипуляторов.


Макет с поворотными колесами

В 1986 г. для ликвидации последствий Чернобыльской аварии был спроектирован, изготовлен и прошел всесторонние испытания специализированный транспортный робот (СТР). Это шестиколесная машина с дистанционным управлением (по радиоканалу и с телевизионной обзорной системой). В конструкции СТР отражены многие принципы и технические решения из планетоходного задела: мотор-колеса с индивидуальным приводом, электромеханический привод, дистанционное управление по радиоканалу, наблюдение за окружающим пространством по телевизионному изображению (с помощью бортовых телевизионных камер), автоматизация рабочего процесса, источники энергии (аккумуляторы, которые периодически подзаряжались), в конструкции использованы легкие сплавы — в частности, титан.

Несколько СТР работали на крыше третьего блока Чернобыльской АЭС, в зоне с повышенной радиоактивностью.

МАРСОХОД

Этот аппарат в настоящее время в стадии разработки. Интересна схема его шасси, воплотившая в себе многое из того, что было сделано в 1970-1990 гг. Самоходное шасси имеет цилиндро-конические или «грушевидные» мотор-колеса, сочлененную раму, предусмотрен режим колесного шагания. Секции колес обладают продольной и поперечной степенями свободы относительно друг друга. Макет отличают исключительно высокие качества подвижности. Большая

Модульный гусеничный движитель
опорная площадь колес, идеальная приспосабливаемость к рельефу и ряд других достоинств обеспечивает высокую проходимость не только по слабым сыпучим грунтам, но и по местности со сложным рельефом.

ИНФОРМАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ И УПРАВЛЕНИЕ

Известно, что информация — основа для принятия любого решения. В планетоходах информационная система — та основа, без которой невозможно осуществлять движение по поверхности планеты. При проектировании планетоходов главной проблемой становится соединение на его борту систем, получающих информацию, и систем, ее обрабатывающих.

Рассмотрим некоторые примеры информационных систем. Наиболее серьезный объект получения информации — рельеф местности. Подробнее всего проработаны три способа получения информации о рельефе: механический, локационный и телевизионный.

Механическая система оценки профильной проходимости (МСОПП) основывается на принципе осязания. Для экспериментальной оценки такой системы был сделан ее опытный образец, в котором корпус планетохода окружили системой чувствительных контактных датчиков. Такая система называется сенсорной (или тактильной). Макет, оборудованный сенсорной системой, напоминал ощетинившегося насекомого, а когда он двигался, то передние датчики-щупы (некое подобие усов) «оживали», ощупывая поверхность и создавая впечатление движения живого существа. Однако это существо слепое и реагирует на опасность, натыкаясь на нее. Усы предупреждают об опасности за полметра до нее, а под днищем — за 5-10 см.

МСОПП — это начальная стадия создания информационных систем по оценке профильной проходимости. Эта система позволяет понять, что движение вслепую малоэффективно, а система навешенных на корпус датчиков недостаточно надежна. Короче, планетоходу нужно было дать зрение. Одна из разновидностей технического зрения — «зрение», основанное на локационном принципе. Этот принцип используется, как известно, в лазерном дальномере: измеряется время задержки между посланным на поверхность пучком света и возвратившимся обратно.

Натурный макет шагающего аппарата (НМША)

Теперь о телевизионном способе получения информации о рельефе. Давно назревала идея использовать «телевизионное зрение». Но главной трудностью всегда оказывалась обработка телевизионного сигнала. Опыт эксплуатации луноходов и многочисленные исследования на экспериментальных наземных ходовых макетах планетоходов показали, что вождение на основе информации по телевизионному изображению местности вполне возможно.

Специализированный транспортный робот (СТР)

Марсоход

Но как без человека анализировать телевизионное изображение? Решить эту задачу позволяет стереоскопический триангуляционный, метод с использованием ЭВМ в качестве эксперта-анализатора. Математическая модель этого способа позволяет определить координаты местности по изображениям от двух телекамер. Идея такова: осуществляется построчное разложение изображения, и сравниваются идентичные пары строк. Идентичными считаются те пары строк двух телекамер, которые фиксируют разрез местности в одной плоскости. Далее определяется, под каким углом видит телекамера фиксированную точку. Одна телекамера видит ее под одним углом, а другая — под другим, поскольку камеры смещены друг относительно друга на величину базиса. Напомним, что острый угол треугольника, в вершине которого находится наблюдаемая точка, а в основании — базис, называется параллаксом. Из этого треугольника можно определить координаты наблюдаемой точки. Найденные координаты фиксированных точек по строкам соединяются плавной или ломаной кривой. Получается разрез рельефа плоскостями, который превращают в топографический план местности, т. е. рассекают его горизонтально и переносят точки пересечения горизонталей с поверхностью на план. Если планетоход наклонен, то, зная наклон, легко перейти к горизонтальной системе отсчета. ЭВМ с достаточно большим объемом памяти помогает произвести быстрые расчеты. Впрочем, успех работы во многом зависит и от искусства программиста. Скорее всего, именно телевизионное зрение станет одним из главных методов распознавания рельефа местности.

При движении необходимо знать прочность грунта и его несущую способность. Надо уметь прогнозировать опорную проходимость планетохода по трассе движения. Надежных способов дистанционного определения физико-механических свойств грунта на сегодня нет, но некоторые методики существуют. Одна из них разработана в Государственном Астрономическом институте им. П. К. Штернберга и проверена экспериментально. В основу этого метода оптического определения механических и минералогических свойств грунта положен спектральный анализ отраженного света. В зависимости от альбедо (отражательной способности поверхности) и от степени поляризации (измеряется через поляроидные фильтры на фотообъективах) можно определить интересующие характеристики грунта (фактуру поверхности).

Информационный комплекс включает также систему контроля за состоянием механизмов (температурой на двигателях и в приборном контейнере, степенью разряженности аккумуляторов, загрузкой двигателей, наличием вращения колес и т. д.), содержащие разнообразные специализированные датчики.

Дистанционное управление луноходами с Земли сталкивается с различными трудностями. Главная проблема при «визуальном» дистанционном управлении заключается в том, что радиосигнал, передающий команды управления, запаздывает. Если на Луне это запаздывание составляет всего 2,5 с, то уже на Марсе это запаздывание будет измеряться минутами (от 4,3 до 21 мин, в зависимости от удаленности Марса от Земли). Поэтому необходимо не дистанционное, а независимое от человека автономное управление. ВОЗМОЖНАЯ КЛАССИФИКАЦИЯ ПЛАНЕТОХОДОВ

НазначениеСпособ управленияКонструктивные особенности (по типу движителя)
Научно-исследовательские
Разведовательные
Аварийно-спасательные
Аварийно-ремонтные
Грузовые
Пассажирские
Землеройные
Дорожно-строительные
Строительно-монтажные
Управляемые водителем, находящимся на борту
Управляемые оператором дистанционно
Управляемые дистанционно стационарной ЭВМ
Управляемые бортовой ЭВМ
Колесные
Гусеничные
Гусенично — модульные
Шагающие
Колесно-шагающие
Прыгающие

Автономная система управления должна заменить человека на борту планетохода. Она должна провести планетоход в заданную точку, обеспечить обход исследуемого объекта и сбор информации о нем.

Ясно, что система управления должна быть такой, чтобы планетоход не перевернулся, не застрял среди камней или на рыхлом грунте, чтобы, маневрируя среди препятствий, он не потерял ориентации и не сломался.

В память системы управления закладывается модель планетохода, а информационная система должна формировать модель внешней среды. Различны задачи, которые ставятся перед системой автоматического управления движением. Можно говорить о своеобразной иерархии задач, связанных логической схемой. При развитии систем автоматического управления начинали с простейших схем. Наиболее простая — схема управления по жестким программам. В таких программах реализуется набор команд: «стоп», «назад...», «поворот направо...», «вперед...», «поворот налево...», и т. д. Управление по жестким программам не всегда эффективно и небезопасно.

Следующая ступень развития системы автономного управления — управление по гибким программам, которые формируются в зависимости от сложившейся дорожной ситуации. Гибкие программы существуют только на время сохранения условий движения, для которых они составлены. А составляться они могут из набора элементов жестких программ, постоянно хранящихся в памяти ЭВМ.

Для формирования гибких программ нужна развитая система математической обработки информации, в которой используются методы линейного и логического программирования, а также (в случае развитых систем управления) более сложные методы. Работы по созданию систем информации и управления ведутся широким фронтом, но еще далеки от завершения. Впрочем, масштабы их неограничены и, пожалуй, будет невозможно когда-нибудь поставить точку...

Фото В. К. АНДРЕЕВА