小行星是一种很小、围绕太阳运行的岩石状天体，它们太小了，不能被称为行星。太阳系中有数百万颗小行星，其大小、形状和组成各不相同。小行星的探索可能有助于揭示有关太阳系、行星地球和生命本身起源的迷人信息。小行星也可以作为行星科学、资源开采、通信中继或行星防御的战略地点。然而，到目前为止，由于其低而高度非线性的重力场，探索小行星的表面被证明是非常具有挑战性的。最近的小行星任务，如“隼鸟2号”和“欧西里斯-雷克斯号”，仅仅是一次飞越或近距离接触的行动。
博科园-科学科普：因此，研究人员一直在努力开发能够探测小行星表面的技术，例如，利用原位仪器分析小行星表面的成分和地下物质。跳跃机器人在这类表面的探测中可能特别有用，因为在不规则重力场存在的情况下，通过弹道跳跃的可移动性有几个优点。这类机器人可以在崎岖地形上走很长的距离，消耗的能量有限。
亚利桑那大学的一个研究小组最近开发了弹道跳跃动力学和一种新的小行星表面运动规划方法。研究人员之一Himangshu Kalita说：与地球不同的是，小行星的引力很低，因为这种跳跃式探测器更适合，因为它们可以在任意崎岖的地形上飞行很长的距离，消耗的能量很少。
跳跃轨迹从初始位置到Itokawa表面的目标位置。图片： Kalita & Thangavelautham
然而，它们不规则的形状导致了高度不规则的重力场，这使得跳跃高度不确定。因此，一个跳跃机器人自主的顺序架构是必需的，它可以在执行任何跳跃之前预先计划，并同时本地化自身。Kalita和同事Jekan Thanga设计方法是计算拦截目标所需的速度，然后定位跳跃机器人。为了定位机器人，研究人员使用了基于连续扫描匹配三维激光扫描仪的姿态估计方法。收集到的信息用于规划跳跃机器人在目标小行星表面的运动。机器人需要进行多次跳跃才能到达小行星上想要到达的位置，同时还要避开障碍物。
利用三维点云扫描匹配实现自定位。图片：Kalita & Thangavelautham
卡丽塔解释说：论文中讨论的运动规划结构可以为跳跃式探测车找到接近最优轨迹，使其从一颗重力场不规则小行星表面的初始位置到达目标位置。该方法使用高保真动力学模型在模拟候选机动时进行试验和误差评估，以确定其适用性。试错评估考虑了风险、回报和局部不确定性。许多小行星富含水、碳化合物、铁和铂族金属等资源。一些小行星也含有现存行星的残骸，因此可以作为“时间胶囊”，提供这些行星早期地质和地球历史的原始记录。探索这些小行星可以为了解太阳系及其行星的起源提供有价值的见解。
由路径规划器生成到达目标位置的最优轨迹。图片：Kalita & Thangavelautham
在未来，Thanga和Kalita设计的方法可能会为小行星表面的探索铺平道路，带来有趣的观察和发现。对小行星的飞越和长期观测不足以确定小行星表层以下的物质。该方法需要对小行星的表面探测进行弹道跳跃，可以回答这些问题。此外，迄今为止部署在小行星表面的漫游者依靠一艘母船进行定位，但这种情况并不常见。模拟表明，通过在探测器上使用3d地图传感器，漫游者可以进行独立于母船的自我定位，这是漫游者自主的前身。
多个探测器合作探索小行星Itokawa的表面，图片：Kalita & Thangavelautham
该方法由Thanga和Kalita设计，旨在有效地计划一个跳跃机器人在具有不规则重力场的小行星表面进行长距离运动。同样的方法也可以应用于多个协同机器人，这些机器人可以同时探测给定的小行星表面。研究人员还扩展了他们的方法，以计算几个最优轨迹，这将允许机器人在访问多个路径点时达到一个理想的目标。卡丽塔说：我们现在正在开发微型跳跃漫游者的原型，它将使用sublimatbased推进剂进行跳跃，通过模拟不规则重力场，将能够测试我们寻找跳跃轨迹的方法。
博科园-科学科普｜Copyright Science X Network/Ingrid Fadelli , Tech Xplore
参考期刊文献:《arXiv》
Cite: arXiv:1902.02065
发表于 2019-4-21 17:31
收藏
分享