Поворот колеса помог планетоходу вырыть глубокую траншею в песке

Американские исследователи разработали модель взаимодействия колеса планетохода с песком, позволяющую контролировать форму и глубину создаваемой им траншеи. Моделирование и эксперименты с прототипом колесного планетохода показали, что для достижения максимальной глубины заднее колесо должно быть повернуто на угол от 50 до 60 градусов относительно направления движения, рассказывают авторы исследования, которое будет представлено на конференции ICRA 2019.

Разработчики планетоходов обычно крайне ограничены в массе аппарата из-за невозможности доставки тяжелых грузов на Луну, Марс и другие небесные тела. Из-за этого они не могут оснащать аппараты отдельными мощными инструментами для перемещения грунта. К примеру, марсоход «Кьюриосити» оснащен лишь небольшим совком шириной 4,5 сантиметра. Это приводит к тому, что планетоходы могут исследовать грунт на глубине лишь нескольких сантиметров и делают это достаточно долго.

Екатерина Павлова (Catherine Pavlov) и Аарон Джонсон (Aaron Johnson) из Университета Карнеги — Меллон показали, что роверы могут использовать уже имеющиеся у них колеса для эффективного перемещения относительно больших объемов грунта и создания глубоких траншей. Модель, созданная исследователями, состоит из двух частей: уже существующей модели механики грунтов и новой модели, подробно описывающей скатывание песка. Модель описывает все основные этапы взаимодействия колеса с песком, в том числе скатывание части песка обратно в траншею после его удаления. В качестве модели колеса исследователи использовали колесо с равномерно расположенными выступами, похожее на те, которые использовались в марсоходах «Спирит» и «Оппортьюнити».

Для проверки модели исследователи воспользовались полигоном с песком в лаборатории университета, предназначенным для испытания новых роботов. Во время экспериментов четырехколесный аппарат ехал по песку с повернутым задним колесом, потому что моделирование показало, что при использовании переднего колеса риск застревания в песке возрастает. После каждого проезда исследователи создавали объемную модель каждой траншеи с помощью лидара для последующего анализа. Измерения показали, что модель достаточно точно описывает реально поведение грунта и среднее отклонение расположения точек на срезе реальной траншеи от точек на модели составило 2,9 миллиметра.

Эксперименты показали, что наибольшая глубина траншеи достигается при повороте колеса относительно направления движения на угол от 50 до 60 градусов. Максимальная глубина траншеи во время экспериментов составила 2,7 сантиметра или 56 процентов от радиуса колеса. При использовании марсохода «Кьюриосити» такая глубина соответствует 15-сантиметровой траншее в марсианском грунте. Также эксперименты и моделирование показали, что управлять формой траншеи можно, меняя глубину изначального погружения колеса в грунт, а также с помощью изменения угла колеса и коэффициента скольжения.

Стоит отметить, что достоверный перенос результатов экспериментов с небольшой моделью на большой аппарат — достаточно сложная задача. В 2017 году американские ученые разработали закон масштабирования, описывающий поведение колес в песке и аналогичных средах, который можно применять для моделирования поведения планетоходов на телах с различным поверхностным грунтом.

Григорий Копиев