劉義

研究背景

火星探測項目是我國繼載人航天工程、嫦娥工程之后又一個重大空間探索項目，也是我國首次開展的地外行星空間環(huán)境探測活動，體現(xiàn)了我國航天科技事業(yè)的迅猛發(fā)展。特別是國家計劃2020年發(fā)射一個整體金黃色的探測器抵達(dá)火星，試圖發(fā)現(xiàn)火星表面的外星生命跡象，國家急需培養(yǎng)出大批航天科技人才。

為了揭開火星面紗，更好地吸引廣大青少年積極參加到火星探索活動中來，非常有必要研制開發(fā)出具有真實功能的智能火星車模型，結(jié)束火星探索領(lǐng)域教學(xué)沒有實物演示儀器的現(xiàn)狀，把最前沿的科技知識展示給當(dāng)代青少年，以滿足他們對太空知識探索的需求，激發(fā)青少年對航天事業(yè)的興趣與熱情。

設(shè)計思路

火星車是一種能夠獨立在火星表面行駛，并完成探測、考察、收集和分析樣品等復(fù)雜任務(wù)的專用車輛，是高精尖技術(shù)領(lǐng)域的綜合體現(xiàn)。火星車除具有前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)彎、爬坡、取物、采樣等基本功能外，還要實現(xiàn)具有人工智能的特點，如識別、爬越或繞過障礙物等功能。

設(shè)計的智能火星車模型擬參考當(dāng)代火星車的典型結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行大膽創(chuàng)新。作品主要面向青少年兒童人群、科技館展示平臺、航天企業(yè)宣傳部門及高校實驗室等，應(yīng)易于操作，趣味性高，運(yùn)作過程一目了然，能直觀再現(xiàn)航天科技的偉大成就，使青少年在享受玩耍樂趣的同時能夠深入了解航天知識。

研制過程

車體部分

為了使智能火星車模型更加適應(yīng)復(fù)雜的陸面，保證平穩(wěn)運(yùn)行，項目采用了差速器與懸架結(jié)構(gòu)相結(jié)合的六輪獨立驅(qū)動方式，利用差速器（圖1）與懸架相結(jié)合的空間結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了火星車模型強(qiáng)大的越障功能（圖2）。差速器由4個錐形齒輪相對垂直分布組成，懸架設(shè)計成N型機(jī)構(gòu)。當(dāng)左右半軸所受力矩不相等時，懸架相對位置會進(jìn)行適應(yīng)性變化，產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動。一方面可提升底盤高度，另一方面使車輪與陸地有良好接觸，保證越障所需的摩擦力。

太陽能帆板由1組SG90舵機(jī)提供動力，能進(jìn)行0°？180°的翻轉(zhuǎn)，以便實現(xiàn)自動精準(zhǔn)跟光及在黑夜或有火星風(fēng)暴時封閉艙體，起到保護(hù)太陽能帆板和艙體內(nèi)部精密部件的作用。

探頭搖臂由另一組舵機(jī)控制，使探頭可在搖臂上轉(zhuǎn)動，增加探頭的活動范圍，使火星車模型的探索范圍更加廣闊，并能在特殊情況下收回艙內(nèi)。

火星車模型底盤及關(guān)鍵零部件均采用鋁合金材料加工而成，在降低重量的同時增加了強(qiáng)度，保證了工作的可靠性。

實物模型見圖3。

電路部分

電源采用自動跟光太陽能電池和鋰電池聯(lián)合供電。利用Arduino作為主控芯片，由四路舵機(jī)分別控制搖桿、探頭及太陽能帆板，6個車輪分別由6個電機(jī)單獨驅(qū)動。同時，留出拓展接口，以便后續(xù)拓展功能的開發(fā)。通過遠(yuǎn)程控制，可輕松實現(xiàn)對火星車模型狀態(tài)的人工調(diào)整。

創(chuàng)新點

差速器與懸架結(jié)構(gòu)相結(jié)合，六輪獨立驅(qū)動，保證了火星車模型對復(fù)雜環(huán)境的自適應(yīng)性調(diào)整。

探頭搖臂與太陽能板可分別在舵機(jī)的驅(qū)動下實現(xiàn)0°？180°自動旋轉(zhuǎn)、升起、回艙等功能，提升了火星車模型的探索能力、避險能力及續(xù)航能力。

智能化程度高，功能強(qiáng)大，可通過人工遠(yuǎn)程控制實現(xiàn)對火星車模型運(yùn)作狀態(tài)的調(diào)整。

硬件模塊化設(shè)計，軟件開源，有利于青少年對其功能進(jìn)行進(jìn)一步改進(jìn)與提升。

項目應(yīng)用

智能火星車模型可以前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)，既能自由行進(jìn)，也可以遙控進(jìn)行。懸架與差速器的空間結(jié)合很好地完成了越障功能。太陽能板可由舵機(jī)較為穩(wěn)定地驅(qū)動，抖動情況有了較大改善，并能自動覆蓋艙體，增長了其工作壽命。利用普通智能手機(jī)或平板電腦可以實現(xiàn)智能火星車模型的遠(yuǎn)程控制，調(diào)整其工作狀態(tài)。該項目技術(shù)領(lǐng)先、工作可靠、成本低廉、結(jié)構(gòu)簡單、功能強(qiáng)大。后期還要開發(fā)機(jī)器圖像識別等新功能，將科學(xué)性與趣味性融合在一起。智能火星車模型的研制成功推動了當(dāng)前航天科技教育事業(yè)的發(fā)展，滿足了當(dāng)代青少年兒童對人工智能及空間探索的需求，是激發(fā)學(xué)生對航天事業(yè)的興趣與熱情的利器。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目制作了適合小學(xué)教學(xué)的火星車模型，將航天科技通過電子制作、傳感控制和機(jī)械傳動相結(jié)合的方式展現(xiàn)，能夠有效幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和理解太空探索面臨的惡劣環(huán)境和復(fù)雜任務(wù)。該項目選題新穎、原理科學(xué)、概念清晰、構(gòu)思巧妙、設(shè)計合理，具有很強(qiáng)的趣味性。作品展示和交互性強(qiáng)、效果顯著，具有示范推廣作用。希望該項目在工藝和傳感器方面作出改進(jìn)和提升。