揭秘“玉兔号”神奇的“唤醒电路”和机械臂规划控制技术

1月11日凌晨，当阳光再次洒向月球虹湾地区，我国“玉兔”号月球车启动唤醒电路，在月球上沉睡了14天的玉兔号，重新恢复工作，在38万公里外的月球继续科学探索。而嫦娥三号究竟是如何战胜零下180度的严寒，实现神奇的自主“唤醒”呢？“玉兔之手”又暗藏了哪些控制玄机呢？

“玉兔”寿命三个月：三次休眠再唤醒
玉兔号月球车利用核能电源对舱内设备进行保温，抵御零下180摄氏度的严寒，最大的难点就是玉兔号的“自主唤醒”：

一般航天器在运行过程中都是带着电的，咱们这个是要把电全断掉，难点就是月昼以后要把电自主给加上去，设计了一个自主唤醒的电路。第一步是先对探测器的状态进行设置，唤醒以后还要把平台的设备再把它逐个的加起电来，当然那期间我会检查各个设备的工作状态，如果状态良好的话，应该在晚上可以走起来。整个过月夜期间是没有遥测，也就是无法监测到探测器的状态的，只有当太阳翼在接收到太阳光以后，整个探测器自主上电以后，恢复跟地面的联系以后，才能知道整个探测器的状态。

如果状态好：今天重新走起来
“玉兔”凌晨唤醒，但受到角度的限制，地面测控要等到早上七时以后才能进行，因此，它被唤醒后的首要工作是进行状态设置——如果状态良好，它就会在今天晚些时候重新在月球上走起来：一旦恢复工作状态，玉兔号月球车的任务仍然是在月球表面边走边探，查看月表地形地貌，以及月球的地质构造等。玉兔号月球车的设计寿命是三个月，这意味着，它在月球至少要经历三次月夜休眠和再唤醒。

天地链路：将开展新一轮探测
地面的接收站应该是要打开接收天线，然后接收探测器从月面发回来的信号，一旦接收到以后，就可以对探测器进行控制，有信号以后就是天地链路建立起来以后就可以按预定的程序往后继续工作。

唤醒后的着陆器，也将重新投入到科研观测任务中。按照计划，固定不动的着陆器将利用月球没有大气的有利条件，从月球上对天体进行天文观测，并对地球进行极紫外观测：

着陆器主要是还要对这些科学载荷进行加电，然后主要是它的月基的光学望远镜还有极紫外相机，极紫外相机主要是对地球进行观测，然后月基光学望远镜是对天区进行观测巡天。

“唤醒电路”神奇在哪儿：能自己唤醒自己充电
嫦娥三号关键的“唤醒电路”，作用是当阳光再次照射到嫦娥三号太阳能电池板，蓄电池产生的一定功率后，就像生物钟一样，能够保证“玉兔”准时醒过来：太阳升起来就能照到的地方，它自己觉得这点电我可以起来工作了，那它就是通过唤醒电路把自己唤醒，把电池接通，接通以后把翻板打开，就把这个被子揭开，然后围杆什么都升起来，在起来活动。这种唤醒技术是所有卫星，包括国外都没怎么听说过的。

在月夜断电的14天中，嫦娥三号无法和地面测控取得联系，这意味着，玉兔休眠期间它有哪些故事，只有在它自动唤醒后才能揭晓。

别小看短短的三个月时间，其实月夜生存的难度远远超过其他航天器在轨生存的难度，对存在固有物理、化学属性的蓄电池，月夜零下180摄氏度的低温，是不得不面对的难题：

就相当于一个化学的东西，有很多特性不是想叫它多少度都可以的，我们做了低温的放电实验，高温的放电实验，不同的寿命循环，以及过冲过放实验，主要是这个电池咱们在天上如果人家说你的电池经过了负50℃，正70℃以后还能工作的话，难点还是比较大。

因为太阳夹角和测控弧度的不同，稳稳扎根月球不动的嫦娥三号着陆器将在北京时间12日晚上被唤醒。由于着陆器的唤醒时间和地面测控弧度处在同一时段，因此唤醒后较短时间就可以进行地面测控。唤醒的基本过程和玉兔号相似，仍然是通过太阳能电池板，对各系统进行加电，恢复状态和功能。

“玉兔之手”显身手:揭秘机械臂规划控制技术
1月14日21时45分，遥远的月宫再次传来佳音，北京航天飞行控制中心精确控制嫦娥三号巡视器舒展“玉兔之手”——机械臂，对月壤成功进行了第一次元素成分科学探测分析。

“玉兔之手”位于“玉兔”号月球车正面的五星红旗图案下方，是有一个“四肢三轴”的活动机构。肢，犹如人的手臂；轴，是肢的连接点，如同手臂的关节。机械臂展开后，最里面的关节只能左右移动，中间的关节和末端的关节只能上下移动，就像人的手臂和手掌绕关节一样。

“玉兔之手”如何在地面控制下完成科学探测？
“对机械臂的控制，主要依靠机械臂遥操作控制技术。”北京航天飞行控制中心总工程师周建亮介绍说，“我们综合考虑机械臂的构造特点和科学探测的各类约束条件，建立了精确的控制算法模型，研发了具有自主知识产权的机械臂遥操作控制系统，能够实现对机械臂毫米量级的精确控制。”

据周建亮介绍，由于活动维度限制和避障等因素的影响，要完成对一个目标点的探测，机械臂一次投放一般要经过十几步操作，而且每一步的投放角度都要经过极其精密的计算。

北京航天飞行控制中心轨道室控制组组长刘勇是机械臂遥操作控制技术的负责人。他结合自己多年轨道控制的经验，通过近一年的计算钻研，自主建立了机械臂规划控制正向求解算法、逆向求解算法和机械臂避障算法等3个算法模型，有效解决了机械臂精确控制和有效避障接近目标点的困难。

刘勇介绍说，正向求解算法就是根据移动角度大小，计算出能移动到距目标点多远处；逆向求解算法恰恰相反，就是根据目标位置，计算出需要移动角度大小，只有两相印证才能得到最佳的控制参数。而避障算法，是为了有效避开本体和月面地形的干涉，以达到逐步逼近目标点10到30毫米的目的。

“机械臂末端的X射线谱仪是一个高精度的科学探测仪。”刘勇说，“如果不能有效避障，机械臂移动时一旦碰触到本体或者探测目标就会对探测仪器造成损害。”

在遥操作厅，刘勇和荣志飞协同配合现场演示了机械臂的整个遥操作控制流程。大屏幕上，纤细灵巧的“玉兔之手”在荣志飞的精确操控下缓缓舒展，精确避障，最终到达预定位置。

据介绍，月壤探测只是月面工作段科学探测的一个开始，后续还有更多的科学探测任务要依赖“玉兔之手”。

精密“大脑”为“玉兔”指引方向
开展月面探测，“玉兔”必须随时掌握三个问题：“我在哪？”“我要去哪？”和“我怎么去？”这需要一个精密的“大脑”。我国首套巡视探测gnc系统担当了此项重任。

该系统由航天科技集团五院耗费十年研发而成，让“玉兔”能看得清、辨得明、走得正。

知道自己的位置，这是月球车实现能源供应和对地通讯的根本。但月面环境具有低重力、弱磁场、真空和辐射等特点，在地球应用成熟的指南针、导航仪等手段都不可用，加之月球车有严苛的重量和功耗约束，其定位方式的选择更是难上加难。科技人员经过长期调研论证，走访了多家国内机器人和野外车辆研究院所，完成了上千次数学仿真，最终找到了适合月球车的导航定姿定位方案，并确定了导航敏感器指标。

想知道“我要去哪”，要求月球车具备一双明亮的“眼睛”，让它能在陌生的月面看清周围的地形。五院研发了我国首套月球双目视觉在轨三维恢复系统。该系统拥有两个镜头，能把“看”到的二维地形信息经过处理运算后，变成三维坐标信息。尽管月面被尘土覆盖，纹理不清；太阳斜照，地面上阴影遍布，但在这双“眼睛”的帮助下，“玉兔”照样能准确地辨别障碍。

目的地确定了，怎么去？“玉兔”必须自己寻找一条安全的道路。科技人员找遍了国内外所有能查到的路径规划方法，逐一进行适用性研究和仿真验证，最终提出了自己的路径规划方法。但找到了路，还要具备准确沿路径行驶的能力。“玉兔”采用的是六轮摇臂式移动装置，六个轮子都能独立驱动，其中四个角轮可以转向，但除了自身运动能力外，考虑月面松软月壤下的轮土接触力学关系，减少滑移等现象。针对这些因素，科技人员设计了十多种运动控制律，经过千余次仿真验算，最终确定了协调的控制方法，实现了对规划路径的准确跟踪控制。