Sukces polskich studentów i łazika Magma

Uniwersytecki Turniej Łazików pozwala młodym inżynierom zaprojektować, zrealizować i przetestować analogi robotów mobilnych przeznaczonych do eksploracji innych planet Układu Słonecznego, w szczególności Marsa. W zeszłym roku do USA poleciał robot Skarabeusz zbudowany na Politechnice Warszawskiej. W ostatniej edycji zawodów Polskę (i zarazem cały stary kontynent) reprezentował robot Magma.

Konkurs URC 2010 odbywał się na pustyni w stanie Utah, w pobliżu miejscowości Hanksville. Okolica ta, ze względu na walory krajobrazowe i naukowe, jest objęta ochroną. W odległości około 2 km od głównej drogi, został zbudowany habitat MDRS (Mars Desert Research Station). Jest to analog bazy marsjańskiej, przeznaczony do prowadzenie badań związanych z pobytem człowieka na Marsie. Habitat postawiono właśnie w tym miejscu, ponieważ warunki tam panujące bardzo przypominają środowisko Marsa, zwłaszcza pod względem ukształtowania terenu i suchego klimatu. Największe zainteresowanie budzi obecność organizmów żyjących tam w ekstremalnych warunkach. Jeśli na Marsie istnieje bądź istniało życie, to właśnie w takich formach, jakie przybrały obecne na pustyni organizmy. Jest to jeden z najlepszych poligonów doświadczalnych na świecie, na którym testowane są metody badań organizmów ekstremofilnych.

Mobilny robot marsjański Magma jest wynikiem współpracy trzech instytucji – Wydziału Mechaniczego Politechniki Białostockiej, Wydziału Fizyki, Astronomii i Informatyki Stosowanej Uniwersytetu Mikołaja Kopernika w Toruniu oraz stowarzyszenia Mars Society Polska.

Przygotowania do „marsjańskiej” misji rozpoczęliśmy od starannej analizy regulaminu zawodów i określenia wymagań, jakie robot mobilny powinien spełniać. Przede wszystkim podwozie – powinno umożliwiać pokonywanie piaszczystego, nierównego terenu, usianego często drobnymi kamieniami. Jednocześnie robot powinien precyzyjnie wykonywać różne manewry – zbliżyć się do miejsca szczególnie interesującego pod względem naukowym, zająć odpowiednią pozycję ułatwiającą pracę przy użyciu pokładowego manipulatora. Masa podwozia powinna być jak najmniejsza, a układ napędowy możliwie prosty i energooszczędny.

Zdecydowaliśmy się na tradycyjny układ czterokołowy, z każdym kołem napędzanym. Koła zostały osadzone na osi przekładni zintegrowanej z silnikiem. Zastosowaliśmy silniki prądu stałego, upraszczające układ sterujący, a przy tym pozwalające na zachowanie bardzo dobrej manewrowości pojazdu. Koła nie miały możliwości mechanicznego skrętu, więc łazik zmieniał kierunek jazdy na zasadzie czołgu – pary kół obracające się w przeciwne strony. Co ciekawe, jako amortyzację zastosowaliśmy cewniki medyczne zrobione z gumy silikonowej. Zminimalizowaliśmy znacznie masę, nie tracąc doskonałych właściwości tłumiących drgania spowodowane nierównościami podłoża. Dodatkowo, łazik Magma wyposażyliśmy w peryskop z zamontowaną kamerą i aparatem fotograficznym oraz w manipulator o pięciu stopniach swobody z chwytakiem. Łączność z robotem odbywała się za pomocą sieci Ethernet 2,4 GHz z antenami pozwalającymi uzyskać zasięg do 3 km.

Pierwsze projekty łazika Magma powstały na początku 2010 r. W marcu zbudowaliśmy pierwszy prototyp podwozia, na którym przetestowaliśmy układ napędowy. W kwietniu testowaliśmy systemy pokładowe na drugim prototypie, a w maju zbudowaliśmy trzeciego robota, już w ostatecznej konfiguracji na zawody. Premiera robota Magma odbyła się 11 maja 2010 r. w Toruniu podczas spotkania z amerykańskim astronautą Stephenem Robinsonem. Parę dni później robot został wysłany do Stanów, a my rozpoczęliśmy przygotowania do podróży. Zwieńczeniem tych przygotowań był udział w Nocy Robotów zorganizowanej przez PIAP, w trakcie której odbyła się „odprawa startowa” naszego zespołu. Dwa dni później byliśmy już na pokładzie samolotu odlatującego do USA.

Pierwszy tydzień spędziliśmy w Pasadenie. Odebraliśmy od spedytora skrzynię z rozmontowanym na czas transportu łazikiem i złożyliśmy go, przygotowując do testów. W międzyczasie wybraliśmy się na wycieczkę do Jet Propulsion Laboratory, gdzie zobaczyliśmy jak powstają prawdzie roboty marsjańskie. Widzieliśmy montaż łazika Mars Science Laboratory, który zostanie wysłany na Marsa w 2011 r. Na trzy dni przed zawodami przenieśliśmy się do Hanksville, gdzie dokończyliśmy testy na pustyni i doskonaliliśmy obsługę robota.

W dniu 3 czerwca rozpoczęły się zawody. Pierwszy dzień przeznaczony był na odprawę drużyn, komisyjne ważenie robotów oraz testy. Z dwunastu zgłoszonych zespołów, na start przybyło siedem – z USA, Kanady i Polski. Po krótkiej odprawie pojechaliśmy zwiedzać habitat i szykowaliśmy się do ważenia robotów. Regulamin określał limit masy na 50 kg. Konstrukcje kilku drużyn nieznacznie go przekroczyły, więc żeby łaziki zostały dopuszczone do zawodów, musiano zdemontować część wyposażenia. Nasz łazik wprawił konkurencję w zdumienie, gdyż waga pokazała tylko 35 kg! Dzień zakończyliśmy testami zasięgu i systemu wizyjnego.

Zawody rozpoczęliśmy od konkurencji polegającej na określeniu współrzędnych GPS znaczników terenowych, umieszczonych w niedostępnych miejscach. Idea tej konkurencji opiera się na konieczności stworzenia dla robota systemu, który pozwoli mu samodzielnie poruszać się w terenie. W tym celu niezbędne jest stworzenie wirtualnego modelu otoczenia, na podstawie którego program sterujący może wyznaczać bezpieczną trasę. My wykorzystaliśmy w tym celu algorytm RODM, opracowany przez Jana Kotlarza z UKSW z Warszawy. Algorytm RODM został zaprojektowany do modelowania ukształtowania terenu w 3D, na podstawie zdjęć satelitarnych robionych z orbity Marsa. Z polskiego oprogramowania korzystają ośrodki naukowe w Europie, a NASA planuje zastosować go do nawigacji w przyszłych misjach marsjańskich.

Kolejne zadanie było typowo inżynierskie. Umiejętnie sterując robotem, należało zbliżyć się do panelu operatorskiego i postępując zgodnie z wydrukowaną na nim instrukcją przełączyć kilka włączników oraz chwycić swobodnie wiszącą na przewodach wtyczkę i wetknąć ją do gniazda. Z przełączaniem daliśmy sobie radę, ale nasz manipulator niestety miał zbyt małe możliwości ruchu, żeby poradzić sobie z wtyczką.

Trzeci dzień zawodów rozpoczęliśmy od konkurencji polegającej na odszukaniu astronauty, który uległ wypadkowi w pewnej odległości od bazy, w trudnym, nieznanym terenie. Łazik musiał wykazać się doskonałymi właściwościami trakcyjnymi i doskonałym systemem wizyjnym, a operatorzy sokolim wzrokiem. Tutaj znów zaskoczyliśmy sędziów, tym razem prędkością jazdy, ale niestety problemy z wizją uniemożliwiły nam dokładne obejrzenie terenu. Pomiędzy wzgórzami traciliśmy zasięg łącza radiowego i nie dało się sterować położeniem kamery nawigacyjnej. Przejechaliśmy obok astronauty w odległości 4 m, ale kamera zwrócona była w przeciwną stronę. Pech!

Ostatnią i najciekawszą konkurencją było poszukiwanie śladów bakterii ekstremofilnych. Zadanie to najbardziej przypomina prawdziwą misję na Marsa, ponieważ należy nie tylko dostać się do miejsca szczególnie interesującego pod względem naukowym, ale i pobrać stamtąd próbkę gruntu lub skały oraz dostarczyć ją do bazy lub wykonać analizę na miejscu. W tym zadaniu nasz zespół był bezkonkurencyjny. Robot Magma nie tylko zdołał dostarczyć próbkę skały do bazy, ale dzięki specjalnie skonstruowanemu fotometrowi wykryliśmy w niej ślady organizmów endolitycznych. Maksimum punktów!

Ostatecznie zajęliśmy trzecie miejsce z 203 punktami na koncie. Zawody wygrała drużyna Oregon State University z 315 punktami, przed Kanadyjczykami z York University, którzy uzyskali 209 punktów (zwycięzcy z zeszłego roku). Niewiele nam zabrakło do drugiego miejsca, więc tym większe mamy nadzieje na kolejne sukcesy. Na Uniwersyteckim Turnieju Łazików w 2011 r. drużyny z Polski na pewno nie zabraknie.

„Marsjańską” wyprawę Magmy zrelacjonował Wojciech Głażewski