Por que os rovers de Marte são tão lentos?

Os rovers de Marte são tipicamente muito lentos. A curiosidade, por exemplo, tem velocidade média de cerca de 30 metros por hora.

Por que ele é projetado tão lento? É por causa de algumas restrições específicas de energia ou por outros motivos? Qual é a principal razão pela qual é tão lento?

Tem mais a ver com a suspensão do roqueiro do que qualquer outra coisa.

O sistema foi projetado para ser usado em baixa velocidade em torno de 10 cm / s, de modo a minimizar choques dinâmicos e danos conseqüentes ao veículo ao superar obstáculos consideráveis.

Em troca do movimento lento, o rover é capaz de escalar rochas que têm o dobro do diâmetro da roda (a suspensão normal tem problemas com algo acima da metade do diâmetro da roda). Isso é importante quando se viaja - literalmente - em uma paisagem alienígena.

(imagem via http://en.smath.info/forum/yaf_postst995p2_Animation-of-mechanisms.aspx )

Existem outros benefícios que vêm com velocidade lenta: melhor correlação entre os quadros sucessivos capturados por suas câmeras de navegação , mais tempo para planejar seu caminho e economia de energia. No entanto, sem as capacidades fornecidas pelo sistema de suspensão - superando os obstáculos presentes na superfície marciana sem ficar preso ou causar danos - os outros benefícios são discutíveis.

Parece uma questão de softbol, ​​mas é surpreendentemente sutil. Existem algumas respostas excelentes aqui, mas posso acrescentar algum rigor básico.

A razão pela qual os rovers se movem tão devagar é essencialmente a necessidade de ser cauteloso com um equipamento multimilionário. Mas existem outras restrições de design que vale a pena mencionar.

• $$\int^{T_{final}}_{T_{initial}} [ c_0 v(t)^2 + c_1 a(t)^2 + c_3v(t) + c_4a(t) + c_5v(t)*a(t) + C ]dt$$ $c_0...c_6$. Nota O LIDAR é amplamente utilizado em veículos autônomos e sem motorista, como o Google Car . O que me leva a ...

• $O(r^3)$$r$

• Atrasos na comunicação . Como mencionado, o robô é i) autônomo e ii) limitado por sensor. Os humanos precisam fazer o "check-in" constante para garantir que o robô não esteja fazendo algo estúpido (apesar dos algoritmos de planejamento de última geração). Isso significa que o robô aguardará muitas instruções , diminuindo assim o progresso médio em direção a uma meta. As referências anteriores tratam disso.

• Estabilidade . Para alcançar estabilidade / robustez, os rovers usam o sistema roqueiro. veja isso . Este sistema foi projetado para ser operado em baixa velocidade. Se você for rápido e bater em uma pedra, você quebra seu veículo espacial. Tente imaginar fazer esse planejamento de movimento baseado em sensor. Agora tente fazer isso quando todos os seus sensores relevantes estiverem em um mastro conectado à parte superior do seu robô e você verá que manter a carga útil estável é muito importante.

Não sou especialista em física, mas posso pensar em algumas razões:

• Poder . A quantidade de energia que você precisa para executar uma tarefa é inversamente proporcional ao tempo necessário para executar essa tarefa. Eu acho que é bem sabido que fazer algo mais rápido requer mais energia; caso contrário, você poderia fazer tudo infinitamente rápido, sem nenhum custo.
• Velocidade de computação . A afirmação sobre poder (acima) não se limita a movimentos. Também é verdade para o cálculo. Você notou que quando o laptop está no modo de economia de energia, ele fica mais lento? Com os processadores, se você calcular algo duas vezes mais rápido, precisará de quatro vezes mais energia para fazer isso. Como resultado, muito provavelmente, a CPU dos mars rovers também não está funcionando em alta velocidade. Portanto, se o rover precisar de tempo para processar algo antes de prosseguir (por exemplo, imagens do ambiente), precisará se mover mais devagar para receber dados a uma taxa mais lenta. Lento o suficiente para poder processá-los.

• Estabilidade . Acredito que não preciso fornecer fórmulas para esse fenômeno:

  

  Simplificando, quanto mais lento você for, menor a chance de subir sobre uma cordilheira e possivelmente perder sua estabilidade ao pousar.

• Manobrabilidade . Se você for a uma velocidade razoavelmente lenta, não terá problemas para dirigir. Por outro lado, em altas velocidades, você precisa de uma curvatura maior para girar, além de mais pressão nas rodas do lado externo.

Observe que alguns desses problemas, como estabilidade, também são verdadeiros para os robôs da Terra. No entanto, aqui na terra sempre podemos virar o veículo se ele virar, mas em Marte não podemos confiar em marcianos (eles podem gostar do veículo espacial preso nas costas e começar a adorá-lo, o que não é legal para nós) .

Um dos motivos é o atraso nas comunicações entre a Terra e Marte.

O tempo de ida e volta dos sinais da Terra para Marte é de vários minutos, o que significa que você não pode teleoperar o robô em tempo real. Isso significa que o robô precisa de alguma capacidade autônoma de prevenção de obstáculos para ajudar a evitar que ele fique preso ou tenha problemas.

O equipamento de prevenção de riscos em mars rovers é geralmente projetado de uma maneira muito conservadora, o que significa dirigir devagar e parar frequentemente para verificar seu ambiente.

Da Wikipedia, para os Mars Exploration Rovers (Espírito e Oportunidade):

... o software de prevenção de riscos faz com que ele pare a cada 10 segundos por 20 segundos para observar e entender o terreno em que foi conduzido.