“极地漫游者”未来可替人探索南极
来源：
发布日期：2014-10-28 13:15:20
阅读量：0
未来机器人在南极将会作为一个科考仪器载体或人的延伸进行数据采集、样品采集等任务，逐步从地面向空中甚至高空延伸，从而最终形成无人科考站的模式。
在南极，有一个“大家伙”在从事科考工作，它长1.8米，高1.2米，宽1.6米，重300公斤，可在风能发电驱动下不间断地昼夜行走，还能跨越高度半米以上的障碍物，并能在冰盖复杂的地形下进行自主导航控制，在国内通过卫星线路可对它进行遥控。它就是2月份随雪龙号科学考察船一起到达南极的“极地漫游者”，虽说是“漫游”，但它的目标却很明确，它非常懂得自己在这里的任务就是检验自身对大气观测、冰雪取样、冰盖移动等自主环境的监测能力。
如今，“极地漫游者”圆满完成科考任务并顺利返航，这台我国研发的首个基于风能驱动的科考机器人，为将来建立无人值守科考站或移动式科考舱提供先期平台支撑的技术积累和测试。未来它还可搭载大气传感器、冰雪取样器、地理地质分析器等50公斤的任务载荷。为了详细了解“极地漫游者”的技术性能及其后续发展情况，本刊记者采访了本项目的负责人、北京航空航天大学机器人研究所王田苗教授和该项目的全程参与者张韬懿博士。
各国机器人纷纷登陆南极
近年来，美国、加拿大、日本等国十分重视极地科考机器人应用技术的研发，如美国NASA正在试验的以风能为主太阳能为辅的机器人，北欧国家研制的纯太阳能漫游机器人。中国也不例外， “中国每年都有大型的科考团队在南极登陆作业。”王田苗说，“但是，极地气候异常恶劣，科考人员的交通、后勤等环节一直是科研活动的难点，而风能科考机器人可以自行解决这些问题。并且，南极科考是一个艰苦而危险的任务，为了以后可以扩展更多的科考站又能减少人的介入，研发机器人系统就是一个可行的技术路线。”本次“极地漫游者”南极试验验证了通过激光雷达、视觉信息、GPS和惯性导航信息进行融合导航的可行性，为未来进一步工作提供了基础。
极地气候挑战科学家智慧
张韬懿介绍，“极地漫游者”以风能作为主要能量来源为电池补充电力，采用的是UGE希翼公司生产的“后羿垂直轴风力发电机”，可以搭载近50公斤重的仪器，在风速每秒8米至15米的时候通过风电驱动不间断行走。“北欧国家依据自身条件进行过纯太阳能冰雪漫游机器人研究，但现阶段太阳能获取效率仍然较低，同时南极存在极昼极夜现象，造成能源的时间分布不均匀等缺点，所以我们认为风能仍然是再生能源漫游机器人获取能源的主要方式。”张韬懿说。
为适应南极多变的地形，“极地漫游者”主要由两部分组成，一是位于车体上部的三片红色风叶，然后就是拥有四个轮子的车体。机器人结构上使用了差动连杆机构，四轮采用独立驱动结构，每个轮胎单独控制速度和扭矩，主电池为四个轮内电机分别提供动力。整车的四条摆臂可以独立改变角度，同时具有联动的功能，在斜坡行走时可以自动调整摆腿角度以使车体保持平衡，这个特点让该机器人可以翻越半米多高的障碍物，同时便于安装卫星通讯、视觉摄像机、激光雷达等仪器。在遇到大风雪的情况下它还可以通过调整摆腿角度架高车身，以避免车下积雪。
“极地漫游者”属于风能机器人，而风能获取能源的过程与风速、气温等密切相关，且在时间上并不稳定。这就首先必须解决低温电池动力的问题，传统电池系统在低温下由于化学反应的原因均会导致电池容量和放电能力下降，机器人对电池的放电能力要求很高，这就对电池的选型和保温结构设计提出了比较高的要求。经过对现有电池种类的筛选和试验，科研人员选择了在重量、放电能力、低温性能、重复充放电性能比较均衡的型号。
无人科考站是未来发展方向
由于国内模拟试验无法完全模拟南极的气候和环境特点，极地漫游者在南极试验之中仍然遇到了很多问题。首先是机器人的长途运输和保障问题，因为需要使用雪龙号运输超过12000km，机器人需要合理的拆卸、固定、重组。其次，机器人在中山站至内陆行进的过程中会遇到松软的沙石路面、坚实的岩石地面、重融冰面等不同路况，这就对机器人驱动机构提出了很高的地形适应性要求。此外，南极风吹雪情况会给机器人带来视觉导航无法使用、难以进行遥控操作等问题，当机器人在室外停止一段时间后，雪往往会将机器人掩埋。
“极地漫游者”返航后，针对这些在去南极之前没有考虑到的问题，科研人员对机器人系统正在进行进一步地改进，让机器人车体更轻，功耗更低，同时引入全景摄像模块和自主导航模块，在接下来的时间里准备进行自主导航试验，提高机器人对环境的识别判断能力和自我导航能力。在今年暑期，科研人员打算在内蒙古进行一次风能驱动的漫游试验，以验证新增加的系统。同时在今年冬季，如果条件允许，他们会在东北进行全系统模拟测试，希望未来在后续项目支持的情况下可以继续南极的试验和现场研究。
“未来机器人在南极的发展方向主要是免维护、无人值守、自主漫游等。机器人更多的是作为一个科考仪器载体或人的延伸进行数据采集、样品采集等任务，逐步从地面向空中甚至高空延伸，从而最终形成无人科考站的模式。”王田苗说。
重点聚焦
更多>>
北京科技报微信
北京科技报客户端