机器人太空漫游车不断被卡住。工程师们找到了原因

抖音推荐 2025年07月27日 17:16 1 admin

当价值数百万美元的外星飞行器陷入松软的沙地或砾石中时——就像2009年的火星探测器“勇气号”一样——地球上的工程师就像一辆虚拟的拖车一样接管了一切，发出一系列指令来移动它的车轮或改变它的路线，这是一种精细而耗时的努力，以将其解救出来并继续它的探索任务。

虽然“勇气号”永远被困在地面上，但在未来，在陆地上进行更好的地形测试可以帮助避免这些天体危机。

威斯康星大学麦迪逊分校的机械工程师利用计算机模拟发现了火星探测车在地球上测试过程中的一个缺陷。这一错误导致人们对火星探测车在执行地外任务后的表现得出了过于乐观的结论。

准备这些任务的一个重要因素是准确了解探测器如何在低重力条件下穿越地外表面，以防止其陷入软地形或岩石区域。

月球上的引力比地球弱六倍。几十年来，测试月球车的研究人员通过制造一个质量仅为实际月球车六分之一的原型车来解释这种引力差异。他们在沙漠中测试这些轻型月球车，观察它在沙地上的行驶情况，以深入了解它在月球上的表现。

然而事实证明，这种标准测试方法忽略了一个看似无关紧要的细节：地球引力对沙漠沙子的拉力。

火星探测车的运行由威斯康星大学麦迪逊分校开发的开源物理模拟引擎“Chrono”项目进行模拟。图片来源：Dan Negrut / 威斯康星大学麦迪逊分校

通过模拟，威斯康星大学麦迪逊分校机械工程教授丹·内格鲁特（Dan Negrut）及其同事发现，地球引力对沙子的拉力远大于火星或月球的引力。地球上的沙子更坚硬，支撑力更强，从而降低了其在车辆车轮下移动的可能性。但月球表面“更松软”，因此更容易移动，这意味着探测车的牵引力更小，这可能会阻碍它们的移动。

“回想起来，这个想法很简单：我们不仅需要考虑火星车受到的引力，还要考虑重力对沙土的影响，这样才能更好地了解火星车在月球上的表现，”内格鲁特说。“我们的发现强调了使用基于物理的模拟来分析火星车在颗粒土壤上机动性的价值。”

该团队最近在《野外机器人杂志》上详细介绍了其研究结果。

研究人员的发现源于他们参与NASA资助的VIPER月球车模拟项目，该项目旨在模拟计划用于月球任务的VIPER月球车。该团队利用了Project Chrono，这是一个由威斯康星大学麦迪逊分校与意大利科学家合作开发的开源物理模拟引擎。该软件使研究人员能够快速准确地模拟复杂的机械系统，例如在“湿软”的沙地或土壤表面行驶的全尺寸月球车。

在模拟 VIPER 月球车时，他们注意到地面测试结果与月球车在月球上的机动性模拟结果存在差异。通过 Chrono 模拟进行深入挖掘，发现了测试缺陷。

这项研究的益处远不止于NASA和太空旅行。在地球上的应用方面，Chrono已被数百个组织用于更好地理解复杂的机械系统——从精密机械表到在越野条件下行驶的美国陆军卡车和坦克。

“我们的研究与解决许多现实世界的工程挑战高度相关，这令人欣慰，”内格鲁特说道。“我为我们所取得的成就感到自豪。作为一个大学实验室，要开发出NASA使用的工业级软件非常困难。”

Chrono 是免费的，可供全球公众不受限制地使用，但威斯康星大学麦迪逊分校团队投入了大量的持续工作来开发和维护该软件并提供用户支持。

“在学术界，开发这种级别的软件产品非常罕见，”内格鲁特说道。“在某些与NASA和行星探索相关的应用中，我们的模拟器可以解决其他工具（包括大型科技公司的模拟器）无法解决的问题，这令人兴奋。”

由于 Chrono 是开源的，Negrut 和他的团队专注于不断创新和增强软件以保持相关性。

“我们所有的想法都属于公共领域，竞赛可以迅速采纳，这推动着我们不断前进，”他说。“过去十年，我们很幸运地获得了美国国家科学基金会、美国陆军研究办公室和美国国家航空航天局（NASA）的支持。”

该论文的共同作者包括上海交通大学的胡伟、威斯康星大学麦迪逊分校的裴莉、美国国家航空航天局的 Arno Rogg 和 Alexander Schepelmann、ProtoInnovations, LLC 的 Samuel Chandler 以及麻省理工学院的 Ken Kamrin。

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