Czy polski robot poleci na Marsa? (3)

 

Prace nad projektem robota marsjańskiego Skarabeusz rozpoczęły się w październiku 2007 r. z myślą o udziale w URC 2008. Niestety, brak dostatecznych środków finansowych uniemożliwił realizację tych marzeń [PAR 1/2009]. Wykorzystując dofinansowanie z Politechniki Warszawskiej oraz materiały i elementy pozyskane od sponsorów udało się zbudować wstępną wersję podwozia oraz kilka testowych modułów elektronicznych.

Projekt i budowa łazika marsjańskiego

Na przełomie listopada i grudnia 2008 r. zorganizowano kampanię reklamową projektu, która zakończyła się sukcesem. Przemysłowy Instytut Automatyki i Pomiarów PIAP przyjął patronat nad projektem. Dzięki znacznemu wsparciu merytorycznemu, organizacyjnemu i finansowemu PIAP, już pierwsza zbudowana wersja Skarabeusza nie miała krytycznych błędów (zostały wyeliminowane jeszcze na etapie projektowania) i mogła być wysłana do Stanów Zjednoczonych na konkurs URC 2009.

Po udanym uruchomieniu łazika przeprowadzono wstępne testy modelu konkursowego i zweryfikowano założenia konstrukcyjne. Weryfikacja dotyczyła układów mechanicznych (układu napędowego, skręcania, amortyzacji, manipulatora oraz aparatury badawczej) i układów elektronicznych (komunikacji, sterowania oraz wizji).

Skarabeusz ma budowę modułową [PAR 2/2009]. Każdy z modułów realizuje inne funkcje i odpowiada np. za poprawne funkcjonowanie układu przenoszenia napędu, przenoszenie obciążeń i amortyzację zawieszenia, skręcanie kół, komunikację z operatorem, sterowanie. Główne moduły to:

• Zawieszenie – umożliwia niezależne działanie trzech układów (napędu, siłownika, amortyzacji) nie wpływając na prace pozostałych układów.
• Układ napędowy – dobrany tak, by zapas mocy pozwalał na wyniesienie rannego astronauty z miejsca wypadku; maksymalny moment uzyskiwany przez cztery silniki przekłada się na 100 kg udźwigu.
• Siłownik – moduł umożliwiający skręt kół. Platforma mobilna zbudowana jest na dwóch modułach siłownika. Jego zakres pracy pozwala na wychylenie koła do 30° od położenia równowagi, co sprawia, że promień skrętu wynosi ok. 0,75 m. Dodatkowe skręcanie w trybie czołg działa na zasadzie różnicowania prędkości lewej i prawej strony platformy mobilnej i wystarcza do sterowania konstrukcją.
• Aparatura badawcza – peryskop oraz zdalnie sterowany aparat fotograficzny.
• Komunikacja – bezprzewodowa między operatorem a robotem o łącznym zasięgu do 40 km.
• Zasilanie – ogniwa litowo-jonowe o masie nieprzekraczającej 10 kg, umożliwiają ponad 3-godzinną ciągłą jazdę.
• Sterowanie – realizowane zdalnie za pomocą komputera z joystickiem.

Udział w konkursie URC 2009

Trzecia edycja konkursu University Rover Challenge 2009 odbyła się w dniach 28-30 maja 2009 r. na pustyni niedaleko miejscowości Hanksville w stanie Utah (USA). W uniwersyteckich zawodach robotów marsjańskich wzięło udział 7 drużyn – ze Stanów Zjednoczonych, Kanady oraz Polski.

Polskich studentów na konkursie URC 2009 reprezentowali Sebastian B. Rodak, Daniel Śliwka, Jarosław Lasecki, Mariusz Lasecki, Wojciech Głażewski, Mateusz Józefowicz. Nad konstrukcją robota pracowali też Daniel Nolbert, Bartosz Śmierciak, Marcin Kozieradzki i Tomasz Prostko. Udział w wyprawie był możliwy dzięki dofinansowaniu działalności wspomagającej badania przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego.

Już 25 maja 2009 r. polscy studenci przybyli do Salt Lake City. Po dwudniowej aklimatyzacji polska grupa skierowała się do miejscowości Hanksville. Tam, w położonym w pobliżu miejsca rozgrywania się konkursu URC 2009 hotelu, mieszkały wszystkie drużyny uczestniczące w konkursie.

W tym samym dniu wszystkie drużyny spotkały się, aby omówić regulamin i szczegóły konkursu. Kapitanowie drużyn odebrali materiały dotyczące lokalizacji rozgrywek. Nadzorujący zawody, Kelvin Sloan, omówił zasady konkursu oraz zadania, z jakimi mieli się zmierzyć uczestnicy; rozdano szczegółowy harmonogram zadań konkursowych. Uczestnicy URC 2009 gorąco przywitali Polaków. Udział polskiej, pierwszej i jedynej europejskiej drużyny był bowiem historycznym wydarzeniem zawodów URC.

Późniejsze doświadczenia Polaków pokazały, że należy się liczyć z nieprzewidzianymi sytuacjami. Polscy studenci, jako jedyni, musieli zlecić transport łazika liniom lotniczym. I tu, ku rozpaczy naszej drużyny, wystąpiły problemy.

Transport polskiego łazika marsjańskiego do USA przebiegł bez zastrzeżeń. Zgodnie z planem Skarabeusz został też dostarczony do magazynu w Los Angeles. Po odbiór przesyłki podstawiono amerykańską firmę przewozową wynajętą przez polskiego spedytora, która miała ją dostarczyć na miejsce konkursu. Niestety procedura przeciągnęła się i dopiero po wielu interwencjach przesyłka dotarła późnym wieczorem drugiego dnia konkursu, co negatywnie wpłynęło na udział polskiej drużyny w URC 2009. Polscy studenci złożyli całą konstrukcję, przetestowali i uruchomili poszczególne moduły elektroniczne, by wziąć udział w zawodach. Przystąpili do konkursu w ostatnim dniu rozgrywek, biorąc udział tylko w jednej, ostatniej konkurencji.

Pozostałe drużyny wykonywały zadania konkursowe zgodnie z planem. Pierwszego dnia odbyło się regulaminowe ważenie robotów i wykonano zdjęcia grupowe drużyn na tle symulowanej bazy marsjańskiej (MDRS). Dopuszczalny limit masy robota wynosił 75 kg, gdyby został przekroczony, wymienne moduły nie mogłyby wziąć udziału w żadnej konkurencji.

Organizatorzy dopuszczali roboty o masie do 50 kg, a w przedziale 50–75 kg stosowali proporcjonalnie rosnącą karę – 1 punkt za każdy przekroczony kilogram. Oczywiście rzeczywistość zweryfikowała te założenia, gdyż wszystkie konstrukcje mieściły się w przedziale 48–70 kg. Dla porównania, robot Skarabeusz ważył 61 kg.

Przystępujące do konkursu marsjańskie łaziki, podobnie jak w poprzednich edycjach, miały do wykonania cztery zadania, pozwalające na pełne przetestowanie możliwości konstrukcji. Łaziki rywalizowały w następujących konkurencjach:

• Zadanie ratunkowe (Emergency Navigation Task) – polegało na szybkim odnalezieniu rannego astronauty i dostarczeniu mu apteczki na odległość nie większą niż 1 m; utrudnieniem było przemieszczanie się astronauty i zmiana jego położenia w stosunku do współrzędnych jego pobytu podanych w chwili ogłoszenia zadania. Pojemnik z wyposażeniem miał wymiary nie większe niż 30×30×15 cm i masę nieprzekraczającą 6 kg, nie miał oznaczonej górnej powierzchni ani podstawy i był pokryty taśmą umożliwiającą zamocowanie pojemnika na łaziku. Pojemnik miał być dostarczony do rannego, ale nie musiał być zdejmowany z łazika. Drużyny miały na zrealizowanie zadania maks. 60 min. Astronauta był zlokalizowany w promieniu 1,5 km od bramki startowej. Bezpośrednia widoczność, na potrzeby komunikacji między łazikiem a bramką startową, była zagwarantowana tylko na 80 % trasy. Choć możliwe było dotarcie do astronauty trasą biegnącą przez umiarkowanie pochyły teren (o nachyleniu mniejszym niż 15 %), to umiejętność pokonania trudnego terenu zwiększała szansę na osiągnięcie lepszego rezultatu. Punktowana była głównie szybkość dostarczenia pojemnika. Należało unikać jego gwałtownych wstrząsów.
• Zadanie konstrukcyjne (Construction Task) – polegało na umocowaniu kilku półcalowych sześciokątnych śrub umieszczonych na makiecie panelu czołowego. Śruby znajdowały się na wysokości 15-75 cm od powierzchni ziemi i mogły być usytuowane pod kątem nie większym niż 45° w stosunku do poziomu. Wszystkie śruby znajdowały się w odpowiednich otworach i należało je zabezpieczyć przez obrót zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Dodatkowo należało wykonać potrzebne pomiary, by uniknąć zbyt mocnego przykręcenia śrub. Łazik miał przebyć około 0,5 km po względnie płaskim terenie (o pomijalnym nachyleniu), aby dotrzeć do panelu.
• Zadanie obserwacyjne – miało na celu określenie współrzędnych geograficznych miejsc oznakowanych specjalnymi flagami, do których dojazd łazikiem był niemożliwy. W zadaniu tym organizatorzy podali jedynie pozycję, z której widoczne były wszystkie umieszczone w promieniu 800 m flagi.
• Zadanie poszukiwania życia (Extremophile Search Task) – celem było pobranie próbki gruntu i sprawdzenie obecności sinic za pomocą aparatury badawczej; dodatkowo wymagane było stworzenie dokumentacji fotograficznej miejsca badań, określenie ich współrzędnych GPS oraz przesłanie zdjęć panoramy miejsca badań z naniesionymi kierunkami geograficznymi.

Skarabeusz szuka śladów życia

Trzeciego dnia zawodów URC 2009, kiedy łazik był gotowy do rywalizacji, odbyły się dwie ostatnie konkurencje: poszukiwania ekstremofili i zadanie obserwacyjne polegające na określeniu współrzędnych znaczników terenowych (flag). Polski zespół wziął udział tylko w jednym zadaniu – poszukiwaniu życia. Drużyna została zapoznana z metodami badań. Zawodnicy poznali sposoby wykrywania obecności życia lub śladów potwierdzających ich istnienie w przeszłości. Szkolenie zachęciło do dalszych studiów nad tą tematyką, z myślą o kolejnej edycji konkursu. Drużyna miała samodzielnie wyznaczyć miejsce swoich badań. Dodatkowo dwoje uczestników było obecnych przy konstrukcji, sprawdzając jej poprawność.

Zadanie poszukiwania śladów życia było rozszerzeniem projektu poszukiwania ekstremofili realizowanego w bazie MDRS w sezonie 2008/2009 prowadzonego pod kierunkiem Reactive Surfaces, LLC. Należało zbadać kilka miejsc w promieniu 800 m od bramki startowej. Na podstawie ich ogólnego opisu wraz ze współrzędnymi GPS i dopuszczalnym marginesem dokładności, należało poszukać i ocenić możliwości występowania ekstremofili na tych obszarach, zwracając szczególną uwagę na sinice (lithotrophic photosynthetic cyanobacteria). Podstawowym wskaźnikiem występowania bakterii jest odbite światło w zakresie widzialnym. Po wybraniu miejsca do dalszych badań należało pobrać próbki gruntu.

Ogólna punktacja zawodów URC 2009

Lp.	Uniwersytet	Kraj	Łączna punktacja
1.	York University	Kanada	289
2.	Brigham Young University	USA	142
3.	University of Nevada	USA	138
4.	Oregon State University	USA	121
5.	Georgia Tech	USA	66
6.	Politechnika Warszawska	Polska	65
7.	University of California	USA	63

Łazik i centrum sterowania zostały przemieszczone do bramki startowej i rozpoczęła się realizacja zadania. Wykonano zdjęcie terenu, zachowując współrzędne GPS badanego miejsca, wysokość i odpowiednią dokładność. Na wykonanie zadania przewidziano 50 min. Wyniki badań zostały przedstawione jury w formie prezentacji multimedialnej.

Za udział w tej konkurencji polscy studenci zdobyli 65 punktów na 100 możliwych i takim wynikiem zakończyli konkurs. Drużyny, które znalazły się na podium zebrały ok. 140 punktów w czterech konkurencjach (za każdą można było zdobyć 100 punktów), co pokazuje niewątpliwe możliwości polskiego robota.

I co dalej?

Obecnie analizowany jest wpływ warunków pustynnych na moduły łazika marsjańskiego Skarabeusz. Doświadczenie nabyte podczas budowy robota oraz w trakcie konkursu University Rover Challenge pomogą w modernizacji robota, co w przyszłości zaowocuje budową robota zdolnego do osiągnięcia jeszcze lepszych parametrów i udziału polskich rozwiązań w misjach badania innych planet układu słonecznego.

Udział w konkursie URC 2009 dowiódł, że polscy studenci mogą nawiązać kontakt naukowy, badawczy i merytoryczny ze swoimi rówieśnikami z uczelni technicznych całego świata. Udział w tak kosztownym przedsięwzięciu był możliwy tylko dzięki zrozumieniu, jakie wykazały jednostki badawczo-rozwojowe, udzielając wsparcia merytorycznego i finansowego oraz dzięki dofinansowaniu przez Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego. Zdobyte doświadczenia zaowocują lepszymi rezultatami w kolejnych podobnych przedsięwzięciach.

Inicjatywa budowy robota marsjańskiego Skarabeusz cieszy się sympatią mediów, czego najlepszym dowodem są liczne wywiady, relacje i opracowania. Również strona internetowa projektu www.skarabeusz.edu.pl budzi duże zainteresowanie wśród internautów – liczba odsłon świadczy o niesłabnącej popularności. Uczestnicy wyprawy dokumentowali jej przebieg, a obecnie finalizują montaż filmu dokumentalnego dla Telewizji Polskiej. Studenci najbardziej sobie cenią, że będą mogli promować astronautykę podczas prac zmierzających do utworzenia Polskiej Agencji Kosmicznej. Pod koniec stycznia 2010 r. Skarabeusz zostanie przedstawiony posłom RP.

Porównanie Skarabeusza z innymi robotami

Podzespół	Charakterystyka
Zawieszenie	Zdecydowanie najbardziej innowacyjne rozwiązanie układu mechaniki pojazdu. Jedyna konstrukcja, która umożliwia jednoczesną pracę napędu wraz z wychyleniem kół oraz pracą amortyzatora. Spotykane rozwiązania: współpraca napęd–amortyzatory.
Układ napędowy	Najszybszy model: maksymalna prędkość 30·km/h. Jedna z najmocniejszych konstrukcji – udźwig rzędu 100 kg. Pozwala na kręcenie „bączków” w miejscu dzięki różnicowaniu prędkości kół.
Siłownik	Jedyny model ze sterowaniem konstrukcją przez wychylenie koła (zwrotnicy przytwierdzonej do koła).
Aparatura badawcza	Spotykane podobne rozwiązania: peryskop, aparat. Używane w konkursie: system pomiarowy, teleskop, rozwinięty system wizyjny.
Komunikacja	Brak centralnego komputera zwiększył niezawodność tego podzespołu. Użyto łącznie 16 oddzielnych mikroprocesorów do wszystkich podzespołów elektronicznych.
Zasilanie	Zastosowano podobne rozwiązania: zasilanie przez ogniwa litowo-jonowe. Używano również generatorów prądotwórczych.
Sterowanie	Brak danych o tym podzespole w innych robotach.

Polscy uczestnicy konkursu zrobili doskonałe wrażenie na Amerykanach. W 2010 r. Skarabeusz 2 zostanie zaprezentowany w Jet Propulsion Laboratory – NASA. Mateusz Józefowicz, prezes Mars Society Polska, podkreślił świetne przygotowanie całego projektu. Pomimo trudności i obcego terenu, nasz zespół był w stanie podjąć równorzędną rywalizację z drużynami amerykańskimi, za którymi stało nie tylko doświadczenie z poprzednich edycji konkursu, ale całe zaplecze akademicko-przemysłowe, mające na swoim koncie wiele udanych misji kosmicznych. Okazało się, że nie mamy się czego wstydzić, a co więcej, możemy zaoferować nowatorskie rozwiązania, jak chociażby kwestia uniknięcia kłopotów z komputerami pokładowymi. Ponadto nawiązaliśmy doskonałe kontakty w branży i zamierzamy je wykorzystać.

Szkoda, że ze względu na opóźnienie w doręczeniu przesyłki nie mieliśmy okazji wziąć udziału we  wszystkich konkurencjach. Mieliśmy realne szanse na podium. Niemniej, nie straciliśmy ochoty do dalszej pracy oraz rywalizacji.

 

Sebastian Bartłomiej Rodak
Studenckie Koło Astronautyczne