Cấu tạo Robot tự hành khám phá Sao Hỏa

Cấu tạo Robot tự hành khám phá Sao Hỏa 1. Thân xe Phần thân robot có nhiệm vụ bảo vệ và điều hòa nhiệt độ cho các thiết bị quan trọng của robot: máy tính, nguồn điện và pin (tương ứng với khối óc và quả tim của con người). Phía trên của thân robot là một tấm hình tam giác, có tác dụng như phần mui của một chiếc xe. Tấm tam giác dùng làm đế để triển khai các thiết bị như: camera, ăngten, ... 2. Máy tính Được đặt trong thân robot, giao tiếp và điều khiển các thành phần khác của robot bằng các đường bus theo chuẩn VME (Versa Module Europa). Mỗi máy tính có 128 MB DRAM với khả năng phát hiện và sửa lỗi, 3 MB EEPROM (dung lượng bộ nhớ trong của hai robot tự hành Spirit và Opportunity lớn hơn của robot tự hành Sojourner phóng lên Sao Hỏa năm 1996 một nghìn lần). Các bộ nhớ này còn có khả năng chịu đựng môi trường bức xạ cao và không bị xóa đi khi mất nguồn điện. Trong mỗi robot tự hành còn có "khối Đo Quán Tính" (Inertial Measurement Unit, IMU) có tác dụng cung cấp thông tin theo 3 chiều không gian về vị trí của robot tự hành, giúp robot tự hành ổn định trong các chuyển động. IMU còn có tác dụng đánh giá độ nghiêng của bề mặt Sao Hỏa. Máy tính trong các robot tự hành chạy một chương trình với vòng lặp vô hạn, thực hiện các công việc như: kiểm tra nhiệt độ, xử lý các bất thường, ghi lại các thông số để quản lý nguồn năng lượng, lập lịch và chuẩn bị cho các phiên truyền thông, ... Các hoạt động như : chụp ảnh, di chuyển và vận hành các thiết bị thí nghiệm được điều khiển bằng lệnh truyền đi từ Trái Đất. Các robot tự hành cũng duy trì và thực hiện việc tạo và lưu trữ các báo cáo theo định kỳ, sẵn sàng truyền về Trái Đất khi có lệnh yêu cầu. 3. Hệ thống điều hòa nhiệt độ Sao Hỏa nằm xa Mặt Trời hơn Trái Đất, đồng thời bầu khí quyển của Sao Hỏa cũng mỏng hơn Trái Đất rất nhiều. Do đó, Sao Hỏa không có khả năng giữ lại nhiều nhiệt lượng nhận được từ Mặt Trời. Tại khu vực hai robot tự hành hoạt động, nhiệt độ ban ngày vào khoảng 22 độ C, ban đêm vào khoảng -99 độ C (trong một ngày, sự chênh lệch lên đến hơn 100 độ). Cũng giống như cơ thể con người, hai robot tự hành không thể hoạt động bình thường nếu nhiệt độ quá cao hoặc quá thấp. Các bộ phận quan trọng của robot được duy trì nhiệt độ trong khoảng từ -40 độ C đến + 40 độ C. Quá trình trao đổi nhiệt lượng với môi trường bên ngoài của các robot tự hành được hạn chế bằng cách sử dụng lớp vỏ bọc bằng vật liệu cách ly (aerogel) và sử dụng lớp sơn cách nhiệt. Ngoài ra bên trong mỗi robot còn có hệ thống sưởi cùng với hệ thống theo dõi và điều hòa nhiệt độ. 4. Đầu và cổ Bộ phận nhìn giống như "đầu và cổ" của 2 robot tự hành có 2 nhiệm vụ chính sau: 1. Là nơi thu thập các dữ liệu đầu vào cho thiết bị khảo sát khoáng chất Mini-TES (Miniature Thermal Emission Spectrometer). Thiết bị này được đặt trong phần thân robot, có chức năng khảo sát thành phần đất đá trên Sao Hỏa dựa trên bức xạ nhiệt của chúng. 2. Là giá đỡ và khung dịch chuyển cho các camera, nó sẽ cung cấp các hình ảnh từ độ cao khoảng 1.4 mét. Có 4 camera được gắn trên đầu của các robot tự hành. 4 camera này chia thành 2 loại chính: 2 camera dẫn đường (navigation camera, NavCam) và 2 camera toàn cảnh (panoramic camera, PanCam) Có tất cả 3 mô tơ điều khiển hoạt động của bộ phận này. Một mô tơ có tác dụng quay toàn bộ "đầu và cổ" 360 độ theo chiều ngang. Mô tơ thứ hai dùng để điều khiển các camera theo chiều dọc, có thể quay lên trên hoặc xuống dưới mỗi chiều 90 độ. Mô tơ thứ 3 dùng để điều khiển đầu thu của Mini-Test theo chiều dọc, có thể quay lên trên tối đa 30 độ, quay xuống dưới tối đa 50 độ. 5. “Mắt” Mỗi robot tự hành có 9 “con mắt”, bao gồm 6 camera dùng cho việc dẫn đường và 3 camera để tiến hành các nghiên cứu khoa học. 4 camera tránh chướng ngại (hazard avoidance camera). Các camera này được đặt thấp phía trước và phía sau robot tự hành. Đây là các camera đen trắng, có trường nhìn khoảng 120 độ, hoạt động tại bước sóng khả kiến cho phép xây dựng các hình ảnh 3 chiều giúp cho xe tự hành xác định được địa hình trên hướng di chuyển. Các camera này được gắn cố định vào thành robot và không thể tự điều chỉnh hướng quan sát. Phần mềm xử lý trên robot tự hành có khả năng tự động phân tích các kết quả quan sát của camera vượt chướng ngại để đưa ra phương án di chuyển an toàn. 2 camera dẫn đường (navigation camera). Các camera này được gắn ở trên “đầu” của robot tự hành. Đây cũng là các camera đen trắng, có trường nhìn khoảng 45 độ, hoạt động tại bước sóng khả kiến. 2 camera này cho phép xây dựng các hình ảnh 3 chiều từ độ cao khoảng 1.4 mét. Chúng hoạt động kết hợp với 4 camera tránh chướng ngại để có thể xác định một cách tốt nhất vùng không gian xung quanh robot. 2 camera toàn cảnh, dùng cho các nghiên cứu khoa học Đây là các camera màu, được triển khai trên “đầu” của robot tự hành (được gắn ngay bên cạnh 2 camera dẫn đường). 2 camera này cho phép có được cái nhìn 3 chiều, toàn cảnh về bề mặt Sao Hoả. Độ phân giải của 2 camera này bằng với độ phân giải của mắt người. Điều này cộng với độ cao phù hợp cho phép các nhà khoa học có được cái nhìn đối với cảnh vật trên Sao Hoả tương tự như khi một nhà thám hiểm đặt chân lên bề mặt hành tinh này. 2 camera toàn cảnh được trang bị các bộ lọc để có thể chụp ảnh ở nhiều bước sóng khác nhau. Sử dụng bộ lọc thích hợp, 2 camera này còn có thể cho phép định vị chính xác vị trí của Mặt Trời. Hướng Mặt Trời cộng với thông tin về thời gian giúp cho robot có thể định vị chính xác phương hướng của mình trên Sao Hoả. 1 camera hiển vi Đây là một camera đơn sắc, gắn ở “cánh tay” của xe tự hành với mục đích khảo sát cận cảnh đất và đá trên hành tinh đỏ. Camera này còn cho phép phân tích sự ảnh hưởng của bụi và cát trên đường đi đối với sự di chuyển của xe tự hành. 6. “Cánh tay” “Cánh tay” của robot tự hành (còn gọi là “bộ phận triển khai dụng cụ” (instrument deployment device, IDD) có nhiệm vụ cầm và di chuyển các dụng cụ giúp các nhà khoa học nghiên cứu đất đá trên Sao Hoả. “Cánh tay” của robot tự hành có thể hoạt động rất linh hoạt tương tự như cánh tay con người với đầy đủ các khớp : vai, khuỷu và cổ tay. Tổng chiều dài cánh tay vào khoảng 90 cm. Phần tương ứng với bàn tay của con người có dạng hình chữ thập, trên đó cầm 4 dụng cụ khác nhau. 30% khối lượng của toàn bộ cánh tay tập trung vào các dụng cụ gắn ở trên “bàn tay”. Điều này khiến cho việc vận hành cánh tay gặp khá nhiều khó khăn. Trong quá trình robot tự hành di chuyển, cánh tay được gấp lại, thu gọn và gắn chặt vào cái hốc dưới thân robot. Với cánh tay của robot tự hành, các nhà khoa học có thể thực hiện các công việc của một nhà địa chất đối với các mẫu đất đá trên hành tinh đỏ : mài bỏ lớp cát bụi bên ngoài, chụp ảnh hiển vi, phân tích thành phần cấu tạo. 7. “Chân” của robot tự hành : các bánh xe Mỗi robot tự hành có 6 bánh xe (đường kính 25.4 cm), mỗi bánh xe có 1 động cơ riêng. 2 bánh trước và 2 bánh sau còn có thêm các động cơ lái dùng để xoay, chuyển hướng. Các bánh xe được gắn vào thân xe thông qua 1 bộ giá được thiết kế rất đặc biệt, giúp cho xe có thể vận hành khi bị nghiêng đến 45 độ mà không đổ, vượt qua các hòn đá nhỏ cũng như các hố con có kích thước lớn hơn đường kính bánh xe. Tuy nhiên, phần mềm điều khiển của xe luôn tìm cách tránh cho xe không bao giờ bị nghiêng quá 30 độ. Trước Spirit và Opportunity, NASA đã áp dụng cách thiết kế này cho robot Sojourner (robot tự hành đầu tiên hoạt động trên Sao Hoả trong nhiệm vụ Mars Pathfinder năm 1997) Trên nền đất cứng và phẳng, các robot tự hành có thể đi với vận tốc cao nhất là 5cm/s. Vì lý do an toàn, tránh các chướng ngại vật, phần mềm điều khiển quá trình di chuyển của xe được lập trình sao cho cứ sau khi đi được 10 giây, robot lại dừng lại để kiểm tra địa xung quanh trong thời gian 20 giây. Do đó, vận tốc trung bình của Spirit và Opportunity là 1 cm/s. 8. Năng lượng Nguồn năng lượng chính của các xe tự hành được cung cấp bởi các tấm pin mặt trời. Công suất của các tấm pin đã bị giảm đi đáng kể do dần dần bị các hạt bụi bao phủ. Hơn nữa, nó còn bị phụ thuộc vào sự thay đổi mùa trên Sao Hoả. Sau 90 ngày (ngày Sao Hoả) làm việc trên hành tinh đỏ, công suất của các tấm pin chỉ còn vào khoảng 2/3 so với lúc ban đầu. Ngoài ra, trong mỗi xe tự hành còn có 2 khối pin dự trữ năng lượng cho những lúc không có Mặt Trời. Tuy nhiên, công suất của các khối pin này sẽ suy giảm theo thời gian và chúng không có khả năng nạp lại. 9. Các ăngten của robot tự hành Mỗi robot tự hành được trang bị ba ăngten : low-gain antenna, high-gain antenna và UHF antenna. Ba ăngten này đều được gắn ở phía trên thân robot. + Low-gain antenna có khả năng gửi và nhận tín hiệu trong một trường rất rộng. Chủ yếu ăngten này dùng để giao tiếp với hệ thống Deep Space Network (DNS) trên Trái Đất. High-gain antenna dùng để truyền “luồng” tín hiệu “rất hẹp” theo một hướng nhất định. Nó có thể quay để hướng về một ăngten xác định trên Trái Đất. Do đó, khi cần gửi dữ liệu, chỉ có ăngten này phải xoay chuyển (thay vì phải chuyển hướng toàn bộ robot tự hành). Robot tự hành còn có khả năng trao đổi dữ liệu gián tiếp với Trái Đất thông qua các tàu thám hiểu kiểu vệ tinh đang hoạt động xung quanh Sao Hoả : 2001 Mars Odyssey và Mars Global Surveyor. Điều này được thực hiện bằng sóng vô tuyến thông qua ăngten UHF. Tầm hoạt động của ăngten UHF trên robot tự hành ngắn hơn rất nhiều so với 2 ăngten còn lại. Tuy nhiên, khoảng cách từ chúng đến các tàu thám hiểm trên quỹ đạo nhỏ hơn rất nhiều so với khoảng cách Sao Hoả – Trái Đất, hơn nữa, các tàu thám hiểm trên quỹ đạo có khả truyền tín hiệu về Trái Đất tốt hơn so với 1 robot tự hành trên bề mặt Sao Hoả.