智能火星车模型

刘义

研究背景

火星探测项目是我国继载人航天工程、嫦娥工程之后又一个重大空间探索项目，也是我国首次开展的地外行星空间环境探测活动，体现了我国航天科技事业的迅猛发展。特别是国家计划2020年发射一个整体金黄色的探测器抵达火星，试图发现火星表面的外星生命迹象，国家急需培养出大批航天科技人才。

为了揭开火星面纱，更好地吸引广大青少年积极参加到火星探索活动中来，非常有必要研制开发出具有真实功能的智能火星车模型，结束火星探索领域教学没有实物演示仪器的现状，把最前沿的科技知识展示给当代青少年，以满足他们对太空知识探索的需求，激发青少年对航天事业的兴趣与热情。

设计思路

火星车是一种能够独立在火星表面行驶，并完成探测、考察、收集和分析样品等复杂任务的专用车辆，是高精尖技术领域的综合体现。火星车除具有前进、后退、转弯、爬坡、取物、采样等基本功能外，还要实现具有人工智能的特点，如识别、爬越或绕过障碍物等功能。

设计的智能火星车模型拟参考当代火星车的典型结构，并进行大胆创新。作品主要面向青少年儿童人群、科技馆展示平台、航天企业宣传部门及高校实验室等，应易于操作，趣味性高，运作过程一目了然，能直观再现航天科技的伟大成就，使青少年在享受玩耍乐趣的同时能够深入了解航天知识。

研制过程

车体部分

为了使智能火星车模型更加适应复杂的陆面，保证平稳运行，项目采用了差速器与悬架结构相结合的六轮独立驱动方式，利用差速器（图1）与悬架相结合的空间结构，实现了火星车模型强大的越障功能（图2）。差速器由4个锥形齿轮相对垂直分布组成，悬架设计成N型机构。当左右半轴所受力矩不相等时，悬架相对位置会进行适应性变化，产生相对转动。一方面可提升底盘高度，另一方面使车轮与陆地有良好接触，保证越障所需的摩擦力。

太阳能帆板由1组SG90舵机提供动力，能进行0°？180°的翻转，以便实现自动精准跟光及在黑夜或有火星风暴时封闭舱体，起到保护太阳能帆板和舱体内部精密部件的作用。

探头摇臂由另一组舵机控制，使探头可在摇臂上转动，增加探头的活动范围，使火星车模型的探索范围更加广阔，并能在特殊情况下收回舱内。

火星车模型底盘及关键零部件均采用铝合金材料加工而成，在降低重量的同时增加了强度，保证了工作的可靠性。

实物模型见图3。

电路部分

电源采用自动跟光太阳能电池和锂电池联合供电。利用Arduino作为主控芯片，由四路舵机分别控制摇杆、探头及太阳能帆板，6个车轮分别由6个电机单独驱动。同时，留出拓展接口，以便后续拓展功能的开发。通过远程控制，可轻松实现对火星车模型状态的人工调整。

创新点

差速器与悬架结构相结合，六轮独立驱动，保证了火星车模型对复杂环境的自适应性调整。

探头摇臂与太阳能板可分别在舵机的驱动下实现0°？180°自动旋转、升起、回舱等功能，提升了火星车模型的探索能力、避险能力及续航能力。

智能化程度高，功能强大，可通过人工远程控制实现对火星车模型运作状态的调整。

硬件模块化设计，软件开源，有利于青少年对其功能进行进一步改进与提升。

项目应用

智能火星车模型可以前进、后退、左转、右转，既能自由行进，也可以遥控进行。悬架与差速器的空间结合很好地完成了越障功能。太阳能板可由舵机较为稳定地驱动，抖动情况有了较大改善，并能自动覆盖舱体，增长了其工作寿命。利用普通智能手机或平板电脑可以实现智能火星车模型的远程控制，调整其工作状态。该项目技术领先、工作可靠、成本低廉、结构简单、功能强大。后期还要开发机器图像识别等新功能，将科学性与趣味性融合在一起。智能火星车模型的研制成功推动了当前航天科技教育事业的发展，满足了当代青少年儿童对人工智能及空間探索的需求，是激发学生对航天事业的兴趣与热情的利器。

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

专家评语

该项目制作了适合小学教学的火星车模型，将航天科技通过电子制作、传感控制和机械传动相结合的方式展现，能够有效帮助学生学习和理解太空探索面临的恶劣环境和复杂任务。该项目选题新颖、原理科学、概念清晰、构思巧妙、设计合理，具有很强的趣味性。作品展示和交互性强、效果显著，具有示范推广作用。希望该项目在工艺和传感器方面作出改进和提升。