張 政

（臨沂市第七中學(xué)，山東 臨沂 276000）

月球中存在大量礦產(chǎn)資源。如“嫦娥之父”歐陽自遠(yuǎn)所言，如果能夠?qū)υ虑蛸Y源進(jìn)行有效開發(fā)并將其中的一部分運(yùn)回地球，可供地球使用至少萬年時間。因此，探測月球、建立月球基地的最終目的是造福人類，也是當(dāng)下航天活動的核心目標(biāo)之一。我國早在2014 年便開展探月工程，時至今日，嫦娥五號返回艙已經(jīng)帶回了部分月壤樣品。作為有志青年，應(yīng)當(dāng)積極參與青少年航天創(chuàng)新大賽活動。本文圍繞無人駕駛、有效探索兩個核心功能，設(shè)計了一款基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有可自動避障尋跡、金屬探測功能的月球探測智能小車，現(xiàn)對相關(guān)思考及設(shè)計實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行論述。

1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)內(nèi)涵簡析

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)是：在一定區(qū)域內(nèi)設(shè)置網(wǎng)絡(luò)，其中的每一個節(jié)點(diǎn)都具有獨(dú)立性，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的收集及信息共享。一般情況下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以經(jīng)由飛機(jī)拋灑或人工方式完成布置——大量節(jié)點(diǎn)可被部署在需要被感知對象的附近或內(nèi)部[1]。由于所有節(jié)點(diǎn)具有相同的地位且無需進(jìn)行任何事先安排，故各個感知節(jié)點(diǎn)可通過分布式算法，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)指揮?；诖?，可以自動構(gòu)建成一個面向?qū)ο蟮臏y量網(wǎng)絡(luò)。由于不存在中心節(jié)點(diǎn)，所以整個網(wǎng)絡(luò)的健壯程度極高，不會因?yàn)樯贁?shù)節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)變動而造成網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性下降。

1.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵技術(shù)及特點(diǎn)如下：其一，能量高效性。應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)時，需要確保能量得到高效利用，從而使網(wǎng)絡(luò)壽命最大化。相關(guān)原理是：傳感器節(jié)點(diǎn)的體積較小，攜帶的能量有限。與之相對的情況是，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)分布范圍廣、數(shù)量大、環(huán)境復(fù)雜程度較高。因此，很難采用人工方式完成電池的更換，補(bǔ)充能源也不現(xiàn)實(shí)。其二，拓?fù)淇刂菩浴Ｔ跓o線傳感器網(wǎng)絡(luò)下，原有的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)極有可能在新節(jié)點(diǎn)加入、舊節(jié)點(diǎn)退出或是環(huán)境發(fā)生變化之后而隨之發(fā)生變化。基于此，需要設(shè)置拓?fù)淇刂平Y(jié)構(gòu)，以提高網(wǎng)絡(luò)的整體穩(wěn)定性。

2 月球車定位導(dǎo)航概述

2.1 月球車特點(diǎn)及功能簡析

月球探測車的本質(zhì)是一種具有巡視功能，能夠執(zhí)行探測任務(wù)、可靈活移動的無線探測機(jī)器人。這種設(shè)備在月球表面移動的過程中，需要對月面土壤進(jìn)行采集并對潛在的礦藏資源進(jìn)行尋找、發(fā)現(xiàn)。車輛在移動的過程中，內(nèi)置的各項傳感器裝置還應(yīng)對車輛本身、環(huán)境中的某些參數(shù)進(jìn)行重點(diǎn)收集、比對。相關(guān)信息上傳至內(nèi)置控制中心之后，對車輛的下一步行駛計劃做出調(diào)整，確保探測車能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行。

2.2 月球車的定位導(dǎo)航方式

月球探測車的定位導(dǎo)航功能的主要作用是：使探測車具有準(zhǔn)確定位能力——只有將月球車位置信息準(zhǔn)確、完整地上傳，才能高效率、高質(zhì)量地完成科學(xué)探測任務(wù)。現(xiàn)階段得到廣泛應(yīng)用的月球車定位導(dǎo)航技術(shù)包括航位推算法、天文導(dǎo)航定位技術(shù)、視覺導(dǎo)航定位技術(shù)、激光雷達(dá)導(dǎo)航定位技術(shù)、無線電導(dǎo)航技術(shù)等?，F(xiàn)階段，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的導(dǎo)航定位技術(shù)主要應(yīng)用基于測距的節(jié)點(diǎn)定位算法以及非基于測距的節(jié)點(diǎn)定位算法，核心定位導(dǎo)航技術(shù)是“測距”[2]。

3 一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的月球車定位導(dǎo)航功能實(shí)現(xiàn)分析

3.1 無人月球探測車設(shè)計思考

本文設(shè)計的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的月球探測車共由車輛載體、控制系統(tǒng)、外圍探測系統(tǒng)三個部分構(gòu)成，具有自動躲避障礙、尋找前行路線、金屬探測等功能，具有較強(qiáng)的智能性，初步實(shí)現(xiàn)了月球探測車應(yīng)該具有的多項功能[3]。設(shè)計過程中考慮的內(nèi)容如下：

1.對成本和環(huán)境因素進(jìn)行綜合考量之后，決定將月球車的能量來源確定為電能。在車輛啟動且開關(guān)處于“打開”狀態(tài)時，指示燈長期顯示為綠色（如圖1所示為月球車實(shí)物圖），車輛可正常行駛。

圖1 月球探測車實(shí)物圖

2.為確保車輛能夠自動搜索可供通行的線路并始終在制定線路內(nèi)行駛，需要設(shè)置“尋跡傳感器”。該元器件的主要功能是：在探測車行駛過程中，以類似蝙蝠發(fā)射超聲探測波的方式，向車輛前往地帶發(fā)射探測波。一旦發(fā)現(xiàn)前方出現(xiàn)障礙物，尋跡傳感器便會感知并立刻向車輛控制中心發(fā)出預(yù)警信息，車輛內(nèi)置燈會發(fā)出閃爍燈光。與此同時，車輛的行進(jìn)方向也會發(fā)生變化，可避免車輛碰撞障礙物。

3.當(dāng)車輛行駛至具有較大傾斜角度的地形時，內(nèi)置的平衡感應(yīng)開關(guān)會立刻啟動，相關(guān)信息（地形信息及車輛當(dāng)前平衡信息）同樣會被立刻傳輸?shù)娇刂浦行牟⑼ㄖ囕v發(fā)出預(yù)警燈光。車輛內(nèi)置控制中心接收相關(guān)信息之后，會控制車輛后退，直到平衡感應(yīng)開關(guān)關(guān)閉，意味著車輛此時已經(jīng)抵達(dá)安全區(qū)域[4]。

4.月球探測車應(yīng)該具備的一項核心功能是：對月球的礦產(chǎn)資源進(jìn)行有效探測。考慮的要素是：月球探測車在逐漸接近金屬礦藏時，環(huán)境的磁場會在不同程度上發(fā)生改變。因此，探測車應(yīng)該通過實(shí)時捕捉環(huán)境磁場變化信息的方式，判斷車輛本身是否逐漸接近金屬礦藏。設(shè)置的專用元器件是模擬霍爾傳感器。攜帶該元器件的探測車逐漸行駛到金屬礦藏附近時，霍爾傳感器會發(fā)出不同的信息，連帶著控制燈光變化并發(fā)出預(yù)警信息。此階段的另一項考量是，僅靠霍爾傳感器無法進(jìn)一步判斷環(huán)境磁場的變化趨勢，且車輛沿著當(dāng)前路線前行時是否會遭遇危險屬于未知事項。因此，車輛需要暫時停止行駛，在原地等待控制中心發(fā)布下一步行動指令。但“停車”并不意味著車輛內(nèi)部的所有元器件全部暫停運(yùn)轉(zhuǎn)，而是會對周圍環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。如果溫度異常（多為過高）便會發(fā)布預(yù)警信息并立刻關(guān)閉系統(tǒng)，避免元器件受損。

3.2 無人月球探測車的構(gòu)成及基本控制流程

3.2.1 無人月球探測車的基本構(gòu)成

對上述四大類功能需求進(jìn)行整體考量之后，決定在月球探測車內(nèi)部設(shè)置Arduino 主板，以此作為月球車的控制中心（大腦）。將面包電源板以及電機(jī)驅(qū)動板作為月球車的動力供應(yīng)來源。在此基礎(chǔ)上，還應(yīng)設(shè)置具有不同功能的傳感器，進(jìn)而對車輛本身狀態(tài)、環(huán)境信息進(jìn)行監(jiān)測及上傳，進(jìn)而形成完整的功能體。月球探測車由以下元器件構(gòu)成：車輪、電動機(jī)、模擬霍爾探測器、循跡傳感器、紅外避障傳感器、平衡傳感器、溫度傳感器、指示燈、主開關(guān)、Arduino 主板、電機(jī)控制板、面包板、電源、萬向輪。

3.2.2 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的月球車定位導(dǎo)航基礎(chǔ)程序邏輯控制

按照上文所述方式完成月球車的設(shè)計、組裝之后，需基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，對月球車的行進(jìn)過程進(jìn)行控制?；A(chǔ)邏輯程序控制流程如下：

1.啟動車輛之后，系統(tǒng)首先對開關(guān)狀態(tài)進(jìn)行判定。如果開關(guān)處于開啟狀態(tài)，則如上文所述，指示燈顯示綠色，電機(jī)正常啟動并提供電動力，驅(qū)動車輛向前行駛。如果開關(guān)處于關(guān)閉狀態(tài)，則指示燈處于關(guān)閉狀態(tài)，車輛停止不前。

2.在車輛行駛的過程中，溫度傳感器會隨時收集車輛溫度信息并上傳至Arduino 主板構(gòu)成的控制中心（大腦）端?？刂浦行拇鎯^(qū)域會預(yù)先設(shè)置正常溫度比對參數(shù)，實(shí)時反饋的溫度信息會與該正常比對參數(shù)（危險/正常臨界值）進(jìn)行比對，判斷溫度處于正常狀態(tài)，車輛正常行駛并開展下一階段的判定作業(yè)。如果溫度比對結(jié)果提示車輛溫度處于異常狀態(tài)，則顯示燈會顯示紅色（意味著發(fā)出預(yù)警信息），電源會立刻關(guān)閉并使整個探測車處于待機(jī)狀態(tài)。

3.車輛行駛過程中，循跡傳感器會對車輛的行駛軌跡是否保持正常狀態(tài)進(jìn)行檢測，如果發(fā)現(xiàn)車輛偏離制定路線，則指示燈會顯示藍(lán)色，控制中心會調(diào)整方向，控制車輛沿著制定路線行駛。

4.紅外線避障傳感器會對車輛行駛路線是否存在障礙物進(jìn)行監(jiān)測。如果前方存在障礙物，指示燈同樣會顯示藍(lán)色并發(fā)出報警信息，控制中心同樣會調(diào)整方向，避免車輛與障礙物碰撞。

5.在車輛行駛過程中，平衡傳感器會對車輛當(dāng)前平衡狀態(tài)、傾斜角度等信息進(jìn)行監(jiān)測。如果發(fā)現(xiàn)平衡度已經(jīng)超過危險臨界范圍，表明車輛當(dāng)前所處區(qū)域的整體傾斜度（坡度）較大，意味著車輛如果繼續(xù)處于該環(huán)境，極有可能發(fā)生危險。此時指示燈會顯示藍(lán)色，控制中心會控制車輛沿著之前的行進(jìn)線路后退或是調(diào)整前進(jìn)方向，直到車輛平衡度恢復(fù)之后，指示燈顏色會從藍(lán)色轉(zhuǎn)變?yōu)榫G色。

6.模擬霍爾探測器會在車輛行駛期間，對環(huán)境的磁場信息進(jìn)行收集。如果發(fā)現(xiàn)環(huán)境磁場出現(xiàn)較大的變化，指示燈會不斷閃爍（以此作為預(yù)警信息）。控制中心收到這一信息之后，會暫停車輛運(yùn)行，持續(xù)時間一般控制在5s 左右。在此期間，控制中心會對車輛當(dāng)前所處位置進(jìn)行標(biāo)注，將該區(qū)域設(shè)定為“磁場異常區(qū)域”，之后會進(jìn)一步向前搜索行駛并重復(fù)上述作業(yè)內(nèi)容。

3.3 無人月球探測車行進(jìn)過程的綜合控制

根據(jù)上述對無人月球探測車行進(jìn)過程的基礎(chǔ)控制程序流程進(jìn)行分析后，總結(jié)出的車輛行進(jìn)綜合控制邏輯如下：其一，控制中心判斷開關(guān)是否處于打開狀態(tài)。其二，判斷車輛當(dāng)前溫度是否處于正常狀態(tài)（是否能夠維持車輛處于正常行駛狀態(tài)）。其三，通過收集磁場信息，判斷車輛當(dāng)前所處位置是否存在礦藏。其四，對車輛行駛過程中自身是否能夠維持平衡狀態(tài)、車輛行駛前方是否存在障礙物、車輛當(dāng)前運(yùn)行軌跡是否處于制定路線之中等情況進(jìn)行監(jiān)測。相關(guān)信息上傳至控制中心的同時，指示燈會根據(jù)具體情況，發(fā)出綠色（正常狀態(tài)）、藍(lán)色（控制中心需要調(diào)整車輛當(dāng)前行進(jìn)狀態(tài)）、紅色（存在異常情況，需要控制中心立刻處理）、閃爍（發(fā)現(xiàn)環(huán)境磁場出現(xiàn)明顯變化，疑似探測到礦藏）、指示燈熄滅（開關(guān)未開啟或因故需要暫時將車輛從運(yùn)行狀態(tài)調(diào)整為停車狀態(tài)）?？刂浦行膶μ綔y車下一步運(yùn)行方式進(jìn)行的調(diào)整存在一定的限制性——只有前進(jìn)、后退、轉(zhuǎn)向、停止四種選擇。綜合控制邏輯如下：

1.收集開關(guān)信息，如果開關(guān)未打開，小車處于停止運(yùn)動狀態(tài)，指示燈處于關(guān)閉狀態(tài)。

2.開關(guān)處于打開狀態(tài)，則溫度傳感器對車輛溫度是否處于正常狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測。若溫度異常，車輛停止運(yùn)動，指示燈從綠色變?yōu)榧t色；若溫度正常，其他傳感器會同時啟動，對環(huán)境磁場、環(huán)境坡度（車輛平衡）、前方有無障礙物等信息進(jìn)行收集。根據(jù)上文所述流程，指示燈會在特定的情況下完成顏色的定向變化。

4 結(jié)語

從本質(zhì)角度來看，現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的核心發(fā)展方向是“控制與被控制”。“控制”功能實(shí)現(xiàn)的過程中，控制指令（信息信號）的傳輸效率、質(zhì)量至關(guān)重要，如果能夠確保控制指令在極短時間內(nèi)安全、完整地完成定向傳遞，便可使被控制設(shè)備做出特定的動作，以實(shí)現(xiàn)相關(guān)目標(biāo)。本文提出的基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的月球車由車輛載體、控制系統(tǒng)、外圍探測系統(tǒng)三部分功能，初步實(shí)現(xiàn)了探測車的各種功能，能夠確?？刂浦噶罘€(wěn)定傳輸，可提供一定的借鑒。