智能火星車模型

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境探測活動，體現了我國航天科技事業的迅猛發展。特別是國家計劃2020年發射一個整體金黃色的探測器抵達火星，試圖發現火星表面的外星生命跡象，國家急需培養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出具有真實功能的智能火星車模型，結束火星探索領域教學沒有實物演示儀器的現狀，把最前沿的科技知識展示給當代青少年，以滿足他們對太空知識探索的需求，激發青少年對航天事業的興趣與熱情。

設計思路

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雜任務的專用車輛，是高精尖技術領域的綜合體現。火星車除具有前進、后退、轉彎、爬坡、取物、采樣等基本功能外，還要實現具有人工智能的特點，如識別、爬越或繞過障礙物等功能。

設計的智能火星車模型擬參考當代火星車的典型結構，并進行大膽創新。作品主要面向青少年兒童人群、科技館展示平臺、航天企業宣傳部門及高校實驗室等，應易于操作，趣味性高，運作過程一目了然，能直觀再現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復雜的陸面，保證平穩運行，項目采用了差速器與懸架結構相結合的六輪獨立驅動方式，利用差速器（圖1）與懸架相結合的空間結構，實現了火星車模型強大的越障功能（圖2）。差速器由4個錐形齒輪相對垂直分布組成，懸架設計成N型機構。當左右半軸所受力矩不相等時，懸架相對位置會進行適應性變化，產生相對轉動。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舵機提供動力，能進行0°？180°的翻轉，以便實現自動精準跟光及在黑夜或有火星風暴時封閉艙體，起到保護太陽能帆板和艙體內部精密部件的作用。

探頭搖臂由另一組舵機控制，使探頭可在搖臂上轉動，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。

火星車模型底盤及關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合供電。利用Arduino作為主控芯片，由四路舵機分別控制搖桿、探頭及太陽能帆板，6個車輪分別由6個電機單獨驅動。同時，留出拓展接口，以便后續拓展功能的開發。通過遠程控制，可輕松實現對火星車模型狀態的人工調整。

創新點

差速器與懸架結構相結合，六輪獨立驅動，保證了火星車模型對復雜環境的自適應性調整。

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

智能化程度高，功能強大，可通過人工遠程控制實現對火星車模型運作狀態的調整。

硬件模塊化設計，軟件開源，有利于青少年對其功能進行進一步改進與提升。

項目應用

智能火星車模型可以前進、后退、左轉、右轉，既能自由行進，也可以遙控進行。懸架與差速器的空間結合很好地完成了越障功能。太陽能板可由舵機較為穩定地驅動，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。利用普通智能手機或平板電腦可以實現智能火星車模型的遠程控制，調整其工作狀態。該項目技術領先、工作可靠、成本低廉、結構簡單、功能強大。后期還要開發機器圖像識別等新功能，將科學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前航天科技教育事業的發展，滿足了當代青少年兒童對人工智能及空間探索的需求，是激發學生對航天事業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新大賽科技輔導員創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教學的火星車模型，將航天科技通過電子制作、傳感控制和機械傳動相結合的方式展現，能夠有效幫助學生學習和理解太空探索面臨的惡劣環境和復雜任務。該項目選題新穎、原理科學、概念清晰、構思巧妙、設計合理，具有很強的趣味性。作品展示和交互性強、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和提升。