Поворот колеса допоміг планетоходу вирити глибоку траншею в піску

Американські дослідники розробили модель взаємодії колеса планетохода з піском, що дозволяє контролювати форму і глибину створюваної ним траншеї. Моделювання та експерименти з прототипом колісного планетохода показали, що для досягнення максимальної глибини заднє колесо має бути повернуто на кут від 50 до 60 градусів щодо напрямку руху, розповідають автори дослідження, яке буде представлено на конференції ICRA 2019.

Розробники планетоходів зазвичай вкрай обмежені в масі апарату через неможливість доставки важких вантажів на Місяць, Марс та інші небесні тіла. Через це вони не можуть оснащувати апарати окремими потужними інструментами для переміщення ґрунту. Наприклад, марсохід «К'юріосіті» оснащений лише невеликим совком шириною 4,5 сантиметра. Це призводить до того, що планетоходи можуть досліджувати ґрунт на глибині лише декількох сантиметрів і роблять це досить довго.

Катерина Павлова (Catherine Pavlov) і Аарон Джонсон (Aaron Johnson) з Університету Карнегі - Меллон показали, що ровери можуть використовувати вже наявні у них колеса для ефективного переміщення відносно великих обсягів ґрунту і створення глибоких траншів. Модель, створена дослідниками, складається з двох частин: вже існуючої моделі механіки ґрунтів і нової моделі, що детально описує скочування піску. Модель описує всі основні етапи взаємодії колеса з піском, у тому числі скочування частини піску назад у траншею після його видалення. В якості моделі колеса дослідники використовували колесо з рівномірно розташованими виступами, схоже на ті, які використовувалися в марсоходах «Спіріт» і «Оппортьюніті».

Для перевірки моделі дослідники скористалися полігоном з піском в лабораторії університету, призначеним для випробування нових роботів. Під час експериментів чотириколісний апарат їхав по піску з повернутим заднім колесом, тому що моделювання показало, що при використанні переднього колеса ризик застрілювання в піску зростає. Після кожного проїзду дослідники створювали об'ємну модель кожної траншеї за допомогою лідара для подальшого аналізу. Вимірювання показали, що модель досить точно описує реально поведінку ґрунту і середнє відхилення розташування точок на зрізі реальної траншеї від точок на моделі склало 2,9 міліметра.

Експерименти показали, що найбільша глибина траншеї досягається при повороті колеса щодо напрямку руху на кут від 50 до 60 градусів. Максимальна глибина траншеї під час експериментів склала 2,7 сантиметра або 56 відсотків від радіусу колеса. При використанні марсохода «К'юріосіті» така глибина відповідає 15-сантиметровій траншее в марсіанському грунті. Також експерименти і моделювання показали, що керувати формою траншеї можна, змінюючи глибину початкового занурення колеса в ґрунт, а також за допомогою зміни кута колеса і коефіцієнта ковзання.

Варто зазначити, що достовірне перенесення результатів експериментів з невеликою моделлю на великий апарат - досить складне завдання. У 2017 році американські вчені розробили закон масштабування, що описує поведінку коліс у піску і аналогічних середовищах, який можна застосовувати для моделювання поведінки планетоходів на тілах з різним поверхневим грунтом.