ScienceRobotics分享玉兔二号机器人的述职报告

　　今天是春节，阖家团圆的日子。在距离地球38万公里外的月球上，有两只可爱的＂小兔子＂仍在进行伟大的探险，尤其是＂玉兔二号＂，自从成功着陆月球背面后，连续创造了多项世界第一。
　　玉兔二号微博名为@月球车玉兔二号，已经半年没发微博了，最近它还好吗？
　　近日，发表在权威科学期刊 Science Robotics 上的封面文章介绍了近两年玉兔二号机器人在月球背面进行的移动探索研究情况。
　　论文的主要研究人员来自哈尔滨工业大学机器人与系统国家重点实验室、北京航天控制中心、航空航天飞行动力学科学技术重点实验室、中国科学院航空航天信息研究所遥感科学国家重点实验室等。
　　月球探索与科学考察＂述职报告＂
　　2019年1月3日，嫦娥四号探测器降落在月球背面艾特肯盆地内的冯卡门撞击坑内，开启了探月之旅。
　　到今天，嫦娥四号探测器在月背＂打工＂时间已超过了3年，其中，玉兔二号月球车也已经在月背行驶了上千米，可以说是超期服役。
　　玉兔二号作为有史以来最轻的月球车（135公斤），是一款六轮高性能越野机器人，在拐角轮处配备四个转向电机，最高时速可达200米/小时（约0.056 米/秒）。
　　得益于精心设计的摇臂转向架结构，玉兔二号可以爬上 20  的斜坡，并能越过高达 200 毫米高的障碍物。
　　车轮的网状表面使其重量轻（735 克；直径为 300 毫米，宽度为 150 毫米），连接到车轮的凸耳提高了漫游车的驾驶性能。
　　玉兔二号携带四个科学有效载荷来获取高分辨率图像和高精度数据，包括全景相机（Pancam）、可见光和近红外图像光谱仪（VNIS）、探月雷达（LPR ) ，以及用于中性线的高级小型分析仪 (ASAN)。
　　其高可靠性的运动系统使玉兔二号能够在设计的3个月寿命之外生存，在前两年末将其勘探距离扩大到600.55 m，从而在未勘探区获得更丰富的科学见解。
　　前两年，约16.46G的科学数据回传和分析，填补了月球背面地质知识的空白，加深了对月球形成和演化的认识。
　　上图展示了由玉兔二号火星车收集的机车数据和图像，这些数据和图像揭示了月球背面的独特特征。
　　此外，还提供了车轮滑移和下沉的结果，以及使用车轮-地形相互作用模型对月球风化层性质的分析。对玉兔二号在陨石坑、岩石和地层进行的科学调查和分析。基于在月球背面发现的独特地质特征，更强大的漫游车，以及科学有效载荷和复杂车轮-地形相互作用机制的理论难题，被暴露并意识到对于未来的机器人月球探索是必要的。
　　玉兔二号在行进过程中经历了不同程度的轻度打滑，说明大尺度地形较为平坦，局部缓坡零星分布。
　　粘在轮子上的泥土意味着月球土壤的凝聚力比在其他月球着陆点遇到的要大。进一步的鉴定结果表明，风化层的承载特性类似于地球上的干沙和沙壤土，显示出比阿波罗任务期间确定的更大的承载强度。
　　与沿线岩石稀少形成鲜明对比的是，具有单边可成型喷射物的小型新鲜陨石坑丰富，其中一些底部含有高反射率材料，暗示二次撞击事件。
　　这些发现暗示月球背面和背面之间的地表地质存在显著差异。从玉兔二号获得的经验提高了对月球背面的了解，反过来，这可能会导致运动效率更高，范围更广。
　　多项设计延寿命 实现超期服役
　　在嫦娥四号探测器发射之前，设计师给予玉兔二号的设计寿命为3个月，然而自从2019年成功着陆在月球背面以来，这只兔子已经工作了3年之久，远超出设计寿命。这么长时间，它能始终保持良好的工作状态，这是什么原因呢？
　　我国航天器上使用的元器件产品都是优中选优，并且要将产品的性能设定为最高标准。
　　嫦娥四号任务地面应用系统主任设计师 付强：在设计之初，对各个部件的选用都有很高的可靠性的一个要求，有一个较高的寿命和可靠性的一个保证。
　　由于月球表面的温度在160摄氏度和零下180摄氏度之间，昼夜温差达到300多度。为此，工作人员对航天器设计了午休和月夜休眠两种休息模式，让嫦娥四号探测器更好适应月球的温度。
　　嫦娥四号任务地面应用系统主任设计师 付强：经过了38个月昼的考验，我们的这一套工作程序流程的设计都是很合理的。
　　此外，由于月球没有保护层，很多空间粒子会对月表的航天器产生影响。
　　为了保证嫦娥四号和玉兔二号月球车的工作不受影响，在设计之初，它就增强了抗辐照性能。
　　得益于这些保护，不仅可以延长航天器的使用寿命，同时对于采集数据的精准度也提供了保障。
　　拍摄图像超千幅 记录沿途地貌
　　玉兔二号月球车作为月球背面唯一的人类航天器，在月背行驶的3年时间里，它拍摄了超过1000幅图像，详细记录了一路走来的地形地貌，为进一步研究月球提供了价值丰富的数据资料。
　　由于月球没有保护层，受到流星的撞击，从而形成了大大小小的撞击坑。
　　玉兔二号月球车在一路的行走过程中，也拍摄到了多个不同时期形成的撞击坑地貌，这也为我们更进一步认识月球提供了更多线索。
　　嫦娥四号任务地面应用系统副总设计师 任鑫：从玉兔二号拍摄的高分辨照片上看到很多典型地貌，比如说一些新的撞击坑，（直径）可以到几十米甚至几十厘米这样的量级。另外还有许许多多大大小小的石块。
　　距离我们年代较短的撞击坑，最为明显的特征就是周围有很多石块。为了进一步了解较新的撞击坑，玉兔二号月球车会花费很长时间对它进一步进行探测。
　　嫦娥四号任务地面应用系统副总设计师 任鑫：这个坑是在第8个月昼就发现它了，之后将近三个月来围绕它进行了一个非常详尽的探测。
　　它这个细节拍得更清楚了，中间的暗色物质就比刚才的图要清晰很多。
　　其中这块石头当时选择探测对象，利用光谱仪对它进行了拍摄，也对它的物质成分进行了详细分析。
　　现在玉兔二号已经完成了第38月昼的工作，正处在月夜休眠模式。后续玉兔二号月球车还将继续向着陆点的西北方向行进，获取更多有效的探测数据。
　　在深入了解月球背面的基础上，未来太空机器人在更大规模、更恶劣的环境中进行探月，需要更强大的运动、更高的智能和先进的科学载荷。
　　例如，腿式机器人、混合轮腿式机器人或系留漫游车可以考虑用于未来的月球陨石坑或洞穴探索。物理智能（理解超越纯几何方面的场景），通过主动探测策略来进行可支持性或稳定性评估，对于应对环境的未知性质是必要的。
　　此外，可以以更有效的方式选择和定位感兴趣的目标，如好奇号漫游车，探索可以在新的面向发现的自主范式中进行，具有增强的自主定位实验能力。
　　在科学有效载荷方面，原位采样和化学、物理、生物分析等多种有效载荷，可搭配强大的执行器和先进的数据处理子系统，突破内容、深度和效率的限制，满足日益增长的综合需求。
　　总体而言，未来将结合多学科知识，对漫游车进行全面改进，以供自主探索以发现对月球的新认识。
　　讲在最后
　　玉兔号是中国在月球上留下的第一个足迹，意义深远。第一只小兔子（玉兔一号）刚上月球的时候，大家在网上为它刷屏，在微博上喊它起来吃元宵，仰望它的时候就像和大江南北的人们分享了同一个经历和梦想。今天在除夕夜，我们仍要感谢小兔子背后的所有工作人员，此生不悔入华夏，来世还在种花家。