Sensory wykorzystywane na Marsie

Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration
Rover
Bogdan Kreczmer
ZPCiR ICT PWR
pokój 307 budynek C3
[email protected]
Copyright c 2003 Bogdan Kreczmer
Niniejszy dokument zawiera materiały do wykładu na temat programowania obiektowego. Jest on udostepiony
˛
pod
warunkiem wykorzystania wyłacznie
˛
do własnych prywatnych potrzeb i może on by ć kopiowany wyłacznie
˛
w całości, razem z
ninijesza˛ strona˛ tytułowa.
˛
– BK, ZPCiR - ICT - PWr –
Cele badań Marsa
Ustalenie czy na Marsie kiedykolwiek powstało życie
Zbadanie czy wcześniej była woda w stanie ciekłym.
Zbadanie klimatu Marsa
Ustalenie jaki klimat był w przeszłości (być może cieplejszy i bardziej
wilgotny). Wyznaczenie profilu temperaturowego atmosfery do wysokości 10 km (z orbity jest to bardzo trudne do wykonania).
Zbadanie geologii Marsa
Określenie procesów, które ukształtowały Mars. Ustalenie czy czerwony kolor Mars zawdziecza
˛
oddziaływaniu wody i menerałów zawierajacych
˛
żelazo, czy też jest to wynik utlenienia. Ustalenie wpływu aktywności wulkanicznej.
Przygotowanie do załogowej wyprawy
Ustalenie zagrożeń dla człowieka zwiazanych
˛
ze zjawiskami pogodowymi Marsa. Określenie wystepowania
˛
minerałów, które bed
˛ a˛ mogły być wykorzystane w trakcie realizacji misji. Wyznaczenie charakterystyki jezdnej podłoża (stopień zagłebiania
˛
sie˛ kół, opór gleby itp.).
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
1
Cele wyprawy
1. Zbadanie różnego rodzaju skał i gleby, które moga˛ pomóc ustali ć, czy w przeszłości
były one poddane działaniu wody. Z tego powodu szczególnie bed
˛ a˛ poszukiwane minerały, które powstaja˛ w różnych procesach z udziałem wody (wytracanie,
˛
parowanie,
aktywności hydrotermincznej itd.) .
2. Określenie rozkładu minerałów, skał, gleby w otoczeniu miejsca ladowania
˛
oraz ich
składu.
3. Ustalenie jakie procesy geologiczne ukształtowały teren w obszarze miejsca ladowa˛
nia oraz wpłyneły
˛ na jego skład chemiczny (erozja z udziałem wody, wiatru, osadzanie,
procesy wulkaniczne, bombardowania meteorów itd).
4. Wykonanie kalibracji obserwacji powierzchni dokonywanych przez instrumenty orbitera.
Ma to również pomóc ustalić dokładność i efektywność różnych przyrzadów
˛
pomiarowych.
5. Poszukiwanie minarałów zawierajacych
˛
metal oraz indentyfikacja i okre ślenie procentowej zawartości specyficznych minerałów, które zawieraja˛ wode˛ oraz zostały uformowane
w wodzie (np. weglany
˛
zawierajace
˛ żelazo - ang. iron-bearing carbonates).
6. Określenie charakterystyki minerologicznej i tekstury skał oraz gleby. Ustalenie rodzaju
procesów, które spowodowały ich powstanie.
7. Zbadanie geologicznych przesłanek mogacych
˛
pomóc ustali ć jakie istaniały warunki klimatyczne środowiska Marsa, gdy woda wystepowała
˛
w stanie ciekłym. Ustalenie czy
takie warunki środowiska mogły sprzyjać powstaniu życia.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
2
Poczatek
˛
misji
Do wysłania MER ku Marsowi użyto rakiety
Delta II 7925 (Rover A) i Delta II 7925H (Rover B). Wykorzystuje sie˛ ja˛ od 10 lat. Wcześniej użyto ja˛ w misjach: Mars Global Surveyor oraz Mars Pathfinder 1996, Mars Climate Orbiter 1998, Mars Polar Lander 1999,
Mars Odyssey 2001.
Nazwa misji
Rover A
Rover B
MER-A ”Spirit”
MER-B ”Opportunity”
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
Start
Osiagni
˛ ecie
˛
celu
10 czerwca 2003
7 lipca 2003
4 styczeń 2004
25 stycze ń 2004
3
W drodze na Marsa
Moduł transportowy zapewnia dotarcie MER na do Marsa
i realizacje˛ procedury ladowania.
˛
Zapewnia on również
ogrzewanie urzadze
˛
ń elektronicznych oraz odprowadzanie
nadmiaru ciepła poprzez chłodnice˛ z freonem.
Budowa osłony jest zbliżona do tych jakie zastosowano w
misjach Viking i Pathfinder. Składa sie˛ z osłony termicznej
i osłony tylnej. Ta ostatnia zawiera miedzy
˛
innymi:
spadochron,
baterie zasilania pozwaljace
˛ odpalić ładunki pirotechniczne,
moduł miernika inercyjnego Litton LN-200 (stanowi on
“wewnetrzne
˛
ucho” systemu sterowania przy opadaniu
ladownika
˛
na spadochronie)
hamownicze silniki rakietowe RAD,
3 silniki manewrowe TIRS.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
4
Ladowanie
˛
Poduszki powietrzne ladownika
˛
sa˛ tego samego typu jak poduszki
Pathfindera (1997). Sa˛ one zrobione z syntetycznego meteriału
o nazwie Vectran. Ma on prawie dwa razy wieksz
˛
a˛ wytrzymałość
niż jakikolwiek inny materiał tego typu (np. Kevlar). Ponadto lepiej
znosi niskie temperatury.
Ladownik
˛
wyposażony jest w 4 poduszki powietrzne zawierajace
˛
po 6 balonów. Do nadmuchiwania ich służa˛ 3 generatory gazu.
Każda z palet wyposażona jest w silnik, który jest w stanie ja˛ otworzyć, gdy na niej leży cały ladownik.
˛
Całość (ladownik
˛
+ łazik) waży
530 kg ( na Marsie - 193 kg).
Łazik posiada akcelelometr. Dzieki
˛ temu wie, na której palecie leży
cały ladownik.
˛
Tej właśnie palecie nakazuje sie˛ otworzyć.
Aby łazik mógł bez przeszkód
zjechać ze swojej platformy,
wszystkie platformy sa˛ wyposażone w mechanizm, który
powoduje, że balony po spuszczeniu gazu sa˛ wciagane
˛
pod
dana˛ platforme.
˛
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
5
Ladowanie
˛
Jako miejsce ladowania
˛
wybrany został crater Gusev
(szerokość ok. 170 km). Przypuszcza sie,
˛ że został on uformowany 3-4 milony lat temu. Bezpośrednia˛ przyczyna˛ jego powstania było najprawdopodobniej
zderzenie z asteroida.
˛ Do krateru dochodzi szereg kanałów, którymi mogła kiedyś do niego wpływać ciekła
woda. Jego dzisiejszy kształt może być skutkiem działania lawy, wody i wiatru.
Podejrzenie to jest wynikiem podejrzenia istnienia warst
osadowych.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
6
Obszar ladowania
˛
dla “Spirit”
Krater Gusev i jego okolice. Różnica poziomów - ok. 3 000m.
Autorzy mapy: T.J. Parker, A.Watson, F.S. Anderson, JPL
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
7
Warstwy osadowe ?
Przykład istnienia warstw osadowych.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
8
Wyjście
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
9
Mars Exploration Rover
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
10
Elektronika
Komputer pokładowy odpowiada “silnemu” laptopowi.
Pamieć:
˛ 128 MB DRAM z detekcja˛ i korekcja˛ błedu,
˛
3 MB EEPROM (ilo ść
pamieci
˛ jest 1000 razy wieksza
˛
w stosunku do Pathfindera). Zastosowano
specjalny rodzaj pamieci
˛ dostosowanej do pracy w warunkach zwiekszo˛
nego promieniowania wysokoenergetycznego.
Szyna wymiany danych z instrumentami pomiarowymi – VME.
Wewnetrzna
˛
jednostka pomiarowa określajaca
˛ orientacje˛ robota wzgle˛
dem poszczególnych osi.
Ciagły
˛ monitoring oraz kontrola temperatury.
Tworzenie raportu zdarzeń, który na żadanie
˛
z Ziemi może zostać przesłany.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
11
Wyposażenie
Kolorowa panoramiczny system sterowizji
Kamera z mikroskopem
Spektometr podczerwieni
Spektometr Mössbaura
Spektometr czastek
˛
alfa
Efektor z głowica˛ do usuwania warstwy wierzchniej
Czujniki magnetyczne
Czujnik orientacji
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
12
Oczy i szyja
Maszt z głowica˛ stereo ma wysokość 1,4m. Ma on zapewnić “geologiczna”
˛ perspektywe˛ i szerokie pole widzenia.
Maszt służy jednocześnie dla Mini-TES jako peryskop, gdyż czujnik podczerwieni Mini-TES jest umieszczony w korpusie łazika. Zapewnia on jednocześnie lepsze pole obserwacji dla systemów Pancams i Navcams.
Pozycja w czasie trasportu.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
13
System sterowizji Pancam
Pancam jest to system dwóch kolorowych kamer CCD wysokiej rozdzielczości. Umocowanie kamer zapewnia im
możliwość obrotu o 360 w poziomie i tworzenie panoramy
otoczenia. W pionie obrót możliwy jest o 180 .
Rozdzielczość panoramy: 24 000 4 000 pikseli.
Każda z kamer wyposażona jest w wielobarwne filtry (zamocowane na pierścieniu). Pozwala to otrzymać obrazy
dla różnych przedziałów długości fali świetlnej.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
14
Spektometr podczerwieni
Mini-TES jest spektometrem podczerwieni, który pozwala określić
skład minaralny skał oraz gleby na podstawie jej widma termincznego. Wykorzystany również zostanie do zbierania danych o atmosferze (wyznaczanie temperatury, obecności pary, ilości pyłu).
Spektometr zamocowany jest w korpusie łazika u podstawy “szyi”.
Poniżej na tle panoramy obraz w podczerwieni.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
15
Kamera z mikroskopem
Kamera ta jest połaczeniem
˛
mikroskopu i kamery CCD.
Jest to czarno-biała kamera o rozdzielczości 1024 1024
pikseli. Przeznaczona jest do uzyskiwania zdje˛ ć ziaren
skał i podłoża. Obrazy moga˛ być uzyskiwane po uprzednim usunieciu
˛
warstwy wierzchniej.
Narz˛edzie usuwajace
˛ warstwe˛ wierzchnia˛ może dokonywać otworów w skale wulkanicznej.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
16
Odsłanianie wierzchniej warstwy
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
17
Spektometr Mössbauera
Spektometr ten został specjalnie zaprojektowany
w celu badania minerałów zawierajacych
˛
żelazo. Pomiar dokonywany jest poprzez bezpośrednie skierowanie głowicy w strone˛ badanej
powierzchni. Jeden pomiar trwa około 12 godzin. Spektometr może badać własności magentyczne.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
18
Spektometr Mössbauera - przykład danych pomiarowych
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
19
Detektor czastek
˛
alfa i spektometr promieniowania X
Detektor czastek
˛
alfa i promieniowania rengenowskiego ma za zadanie umożliwić określenie
składu chemicznego skał i podłoża.
Sensor ten, podobnie jak całe ramie,
˛ na noc jest
umieszczany w cz˛eści wewnetrznej
˛
obudowy robota, aby utrzymać odpowiednia˛ temperature.
˛
Po dokonaniu pomiaru detektor jest przesłaniany
drzwiczkami, które wykorzystywane sa˛ również
do kalibracji.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
20
Ramie˛
Ramie˛ posiada trzy przeguby i ma zasieg
˛ 90cm. Podobnie
jak ludzkie ramie˛ można tu wyróżnić: bark, łokieć, nadgarstek. Ramie˛ napedzane
˛
jest piecioma
˛
silnikami.
staw barkowy – napedzany
˛
jest dwoma silnikami umożliwiajacymi
˛
obrót w płaszczyźnie horyzontalnej (160 ) i wertykalnej (70 ).
staw łokciowy – napedzany
˛
jest jednym silnikiem zapewniajacym
˛
obrót o 290 .
nadgarstek – napedzany
˛
jest dwoma silnikami. Obrót w
płaszczyźnie horyzontalnej – 350 , wertyklanej – 340 .
Ramie˛ współpracuje z Hazcams, które wykorzystywane sa˛ do jego naprowadzania na wybrany
obiekt. Kontakt z powierzchnia˛ skały jest “wyczuwany” poprzez wzrost oporu ruchu.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
21
Kalibracja
Zegar słoneczny wykorzystywany jest przez Pancams do
kalibracji kolorów.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
22
System nawigacji
Engineering Hazcams (Hazard Avoidance Cameras) – 4 czarno-białe kamery zamontowane w
dolnej cz˛eści korpusu z przodu i tyłu łazika. Kat
˛ widzenia kamer - 120 . Uzyskane obrazy sa˛
przetwarzane w celu otrzymania mapy 3D. Tworzona mapa obejmuje obszar o szeroko ści 4m i
głebokości
˛
3m. Kamery zamontowane sa˛ na stałe.
Engineering Navcams (Navigation Cameras) – 2 czarno-białe kamery zamontowane na szczycie
masztu. Kat
˛ widzenia - 45 . Przeznaczone sa˛ do tworzenia panoramicznych map 3D. Uzupełniaja˛ i współpracuja˛ z systemem 4 kamer szerokatnych
˛
Hazcams.
Science Pancams (Panoramic Cameras) – 2 kolorowe kamery (stereo) zamontowane na szczycie masztu. Przeznaczone do tworzenia panaramicznych 3D map powierzchni otoczenia. Waski
˛
kat
˛ patrzenie z jednoczesna˛ duża˛ rozdzielczościa˛ (zbliżona˛ do ludzkiego oka – 0,3 mrad). Obiektywy maja˛ po 8 filtrów plus 2 filtry słoneczne do wyznaczana położenie łazika.
Science Microscopic Imager – monochromatyczna kamera zamontowana na ramieniu robota,
wykorzystywana do otrzymywania bliskich obrazów skał i podłoża, wyznaczanie oporu gruntu,
stopnia zapadania sie˛ kół itp.
Sensory wykorzystywane na Marsie - Mars Exploration Rover
23