1月11日凌晨，當(dāng)陽(yáng)光再次灑向月球虹灣地區(qū)，我國(guó)“玉兔”號(hào)月球車啟動(dòng)喚醒電路，在月球上沉睡了14天的玉兔號(hào)，重新恢復(fù)工作，在38萬(wàn)公里外的月球繼續(xù)科學(xué)探索。而嫦娥三號(hào)究竟是如何戰(zhàn)勝零下180度的嚴(yán)寒，實(shí)現(xiàn)神奇的自主“喚醒”呢？“玉兔之手”又暗藏了哪些控制玄機(jī)呢？

“玉兔”壽命三個(gè)月：三次休眠再喚醒
玉兔號(hào)月球車?yán)煤四茈娫磳?duì)艙內(nèi)設(shè)備進(jìn)行保溫，抵御零下180攝氏度的嚴(yán)寒，最大的難點(diǎn)就是玉兔號(hào)的“自主喚醒”：

一般航天器在運(yùn)行過(guò)程中都是帶著電的，咱們這個(gè)是要把電全斷掉，難點(diǎn)就是月晝以后要把電自主給加上去，設(shè)計(jì)了一個(gè)自主喚醒的電路。第一步是先對(duì)探測(cè)器的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)置，喚醒以后還要把平臺(tái)的設(shè)備再把它逐個(gè)的加起電來(lái)，當(dāng)然那期間我會(huì)檢查各個(gè)設(shè)備的工作狀態(tài)，如果狀態(tài)良好的話，應(yīng)該在晚上可以走起來(lái)。整個(gè)過(guò)月夜期間是沒(méi)有遙測(cè)，也就是無(wú)法監(jiān)測(cè)到探測(cè)器的狀態(tài)的，只有當(dāng)太陽(yáng)翼在接收到太陽(yáng)光以后，整個(gè)探測(cè)器自主上電以后，恢復(fù)跟地面的聯(lián)系以后，才能知道整個(gè)探測(cè)器的狀態(tài)。

如果狀態(tài)好：今天重新走起來(lái)
“玉兔”凌晨喚醒，但受到角度的限制，地面測(cè)控要等到早上七時(shí)以后才能進(jìn)行，因此，它被喚醒后的首要工作是進(jìn)行狀態(tài)設(shè)置——如果狀態(tài)良好，它就會(huì)在今天晚些時(shí)候重新在月球上走起來(lái)：一旦恢復(fù)工作狀態(tài)，玉兔號(hào)月球車的任務(wù)仍然是在月球表面邊走邊探，查看月表地形地貌，以及月球的地質(zhì)構(gòu)造等。玉兔號(hào)月球車的設(shè)計(jì)壽命是三個(gè)月，這意味著，它在月球至少要經(jīng)歷三次月夜休眠和再喚醒。

天地鏈路：將開(kāi)展新一輪探測(cè)
地面的接收站應(yīng)該是要打開(kāi)接收天線，然后接收探測(cè)器從月面發(fā)回來(lái)的信號(hào)，一旦接收到以后，就可以對(duì)探測(cè)器進(jìn)行控制，有信號(hào)以后就是天地鏈路建立起來(lái)以后就可以按預(yù)定的程序往后繼續(xù)工作。

喚醒后的著陸器，也將重新投入到科研觀測(cè)任務(wù)中。按照計(jì)劃，固定不動(dòng)的著陸器將利用月球沒(méi)有大氣的有利條件，從月球上對(duì)天體進(jìn)行天文觀測(cè)，并對(duì)地球進(jìn)行極紫外觀測(cè)：

著陸器主要是還要對(duì)這些科學(xué)載荷進(jìn)行加電，然后主要是它的月基的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡還有極紫外相機(jī)，極紫外相機(jī)主要是對(duì)地球進(jìn)行觀測(cè)，然后月基光學(xué)望遠(yuǎn)鏡是對(duì)天區(qū)進(jìn)行觀測(cè)巡天。

“喚醒電路”神奇在哪兒：能自己?jiǎn)拘炎约撼潆?BR>嫦娥三號(hào)關(guān)鍵的“喚醒電路”，作用是當(dāng)陽(yáng)光再次照射到嫦娥三號(hào)太陽(yáng)能電池板，蓄電池產(chǎn)生的一定功率后，就像生物鐘一樣，能夠保證“玉兔”準(zhǔn)時(shí)醒過(guò)來(lái)：太陽(yáng)升起來(lái)就能照到的地方，它自己覺(jué)得這點(diǎn)電我可以起來(lái)工作了，那它就是通過(guò)喚醒電路把自己?jiǎn)拘?，把電池接通，接通以后把翻板打開(kāi)，就把這個(gè)被子揭開(kāi)，然后圍桿什么都升起來(lái)，在起來(lái)活動(dòng)。這種喚醒技術(shù)是所有衛(wèi)星，包括國(guó)外都沒(méi)怎么聽(tīng)說(shuō)過(guò)的。

在月夜斷電的14天中，嫦娥三號(hào)無(wú)法和地面測(cè)控取得聯(lián)系，這意味著，玉兔休眠期間它有哪些故事，只有在它自動(dòng)喚醒后才能揭曉。

別小看短短的三個(gè)月時(shí)間，其實(shí)月夜生存的難度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他航天器在軌生存的難度，對(duì)存在固有物理、化學(xué)屬性的蓄電池，月夜零下180攝氏度的低溫，是不得不面對(duì)的難題：

就相當(dāng)于一個(gè)化學(xué)的東西，有很多特性不是想叫它多少度都可以的，我們做了低溫的放電實(shí)驗(yàn)，高溫的放電實(shí)驗(yàn)，不同的壽命循環(huán)，以及過(guò)沖過(guò)放實(shí)驗(yàn)，主要是這個(gè)電池咱們?cè)谔焐先绻思艺f(shuō)你的電池經(jīng)過(guò)了負(fù)50℃，正70℃以后還能工作的話，難點(diǎn)還是比較大。

因?yàn)樘?yáng)夾角和測(cè)控弧度的不同，穩(wěn)穩(wěn)扎根月球不動(dòng)的嫦娥三號(hào)著陸器將在北京時(shí)間12日晚上被喚醒。由于著陸器的喚醒時(shí)間和地面測(cè)控弧度處在同一時(shí)段，因此喚醒后較短時(shí)間就可以進(jìn)行地面測(cè)控。喚醒的基本過(guò)程和玉兔號(hào)相似，仍然是通過(guò)太陽(yáng)能電池板，對(duì)各系統(tǒng)進(jìn)行加電，恢復(fù)狀態(tài)和功能。

“玉兔之手”顯身手:揭秘機(jī)械臂規(guī)劃控制技術(shù)
1月14日21時(shí)45分，遙遠(yuǎn)的月宮再次傳來(lái)佳音，北京航天飛行控制中心精確控制嫦娥三號(hào)巡視器舒展“玉兔之手”——機(jī)械臂，對(duì)月壤成功進(jìn)行了第一次元素成分科學(xué)探測(cè)分析。

“玉兔之手”位于“玉兔”號(hào)月球車正面的五星紅旗圖案下方，是有一個(gè)“四肢三軸”的活動(dòng)機(jī)構(gòu)。肢，猶如人的手臂；軸，是肢的連接點(diǎn)，如同手臂的關(guān)節(jié)。機(jī)械臂展開(kāi)后，最里面的關(guān)節(jié)只能左右移動(dòng)，中間的關(guān)節(jié)和末端的關(guān)節(jié)只能上下移動(dòng)，就像人的手臂和手掌繞關(guān)節(jié)一樣。

“玉兔之手”如何在地面控制下完成科學(xué)探測(cè)？
“對(duì)機(jī)械臂的控制，主要依靠機(jī)械臂遙操作控制技術(shù)?！北本┖教祜w行控制中心總工程師周建亮介紹說(shuō)，“我們綜合考慮機(jī)械臂的構(gòu)造特點(diǎn)和科學(xué)探測(cè)的各類約束條件，建立了精確的控制算法模型，研發(fā)了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的機(jī)械臂遙操作控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)機(jī)械臂毫米量級(jí)的精確控制?！?BR>
據(jù)周建亮介紹，由于活動(dòng)維度限制和避障等因素的影響，要完成對(duì)一個(gè)目標(biāo)點(diǎn)的探測(cè)，機(jī)械臂一次投放一般要經(jīng)過(guò)十幾步操作，而且每一步的投放角度都要經(jīng)過(guò)極其精密的計(jì)算。

北京航天飛行控制中心軌道室控制組組長(zhǎng)劉勇是機(jī)械臂遙操作控制技術(shù)的負(fù)責(zé)人。他結(jié)合自己多年軌道控制的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)近一年的計(jì)算鉆研，自主建立了機(jī)械臂規(guī)劃控制正向求解算法、逆向求解算法和機(jī)械臂避障算法等3個(gè)算法模型，有效解決了機(jī)械臂精確控制和有效避障接近目標(biāo)點(diǎn)的困難。

劉勇介紹說(shuō)，正向求解算法就是根據(jù)移動(dòng)角度大小，計(jì)算出能移動(dòng)到距目標(biāo)點(diǎn)多遠(yuǎn)處；逆向求解算法恰恰相反，就是根據(jù)目標(biāo)位置，計(jì)算出需要移動(dòng)角度大小，只有兩相印證才能得到最佳的控制參數(shù)。而避障算法，是為了有效避開(kāi)本體和月面地形的干涉，以達(dá)到逐步逼近目標(biāo)點(diǎn)10到30毫米的目的。

“機(jī)械臂末端的X射線譜儀是一個(gè)高精度的科學(xué)探測(cè)儀?！眲⒂抡f(shuō)，“如果不能有效避障，機(jī)械臂移動(dòng)時(shí)一旦碰觸到本體或者探測(cè)目標(biāo)就會(huì)對(duì)探測(cè)儀器造成損害?！?BR>
在遙操作廳，劉勇和榮志飛協(xié)同配合現(xiàn)場(chǎng)演示了機(jī)械臂的整個(gè)遙操作控制流程。大屏幕上，纖細(xì)靈巧的“玉兔之手”在榮志飛的精確操控下緩緩舒展，精確避障，最終到達(dá)預(yù)定位置。

據(jù)介紹，月壤探測(cè)只是月面工作段科學(xué)探測(cè)的一個(gè)開(kāi)始，后續(xù)還有更多的科學(xué)探測(cè)任務(wù)要依賴“玉兔之手”。

精密“大腦”為“玉兔”指引方向
開(kāi)展月面探測(cè)，“玉兔”必須隨時(shí)掌握三個(gè)問(wèn)題：“我在哪？”“我要去哪？”和“我怎么去？”這需要一個(gè)精密的“大腦”。我國(guó)首套巡視探測(cè)gnc系統(tǒng)擔(dān)當(dāng)了此項(xiàng)重任。

該系統(tǒng)由航天科技集團(tuán)五院耗費(fèi)十年研發(fā)而成，讓“玉兔”能看得清、辨得明、走得正。

知道自己的位置，這是月球車實(shí)現(xiàn)能源供應(yīng)和對(duì)地通訊的根本。但月面環(huán)境具有低重力、弱磁場(chǎng)、真空和輻射等特點(diǎn)，在地球應(yīng)用成熟的指南針、導(dǎo)航儀等手段都不可用，加之月球車有嚴(yán)苛的重量和功耗約束，其定位方式的選擇更是難上加難。科技人員經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期調(diào)研論證，走訪了多家國(guó)內(nèi)機(jī)器人和野外車輛研究院所，完成了上千次數(shù)學(xué)仿真，最終找到了適合月球車的導(dǎo)航定姿定位方案，并確定了導(dǎo)航敏感器指標(biāo)。

想知道“我要去哪”，要求月球車具備一雙明亮的“眼睛”，讓它能在陌生的月面看清周圍的地形。五院研發(fā)了我國(guó)首套月球雙目視覺(jué)在軌三維恢復(fù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有兩個(gè)鏡頭，能把“看”到的二維地形信息經(jīng)過(guò)處理運(yùn)算后，變成三維坐標(biāo)信息。盡管月面被塵土覆蓋，紋理不清；太陽(yáng)斜照，地面上陰影遍布，但在這雙“眼睛”的幫助下，“玉兔”照樣能準(zhǔn)確地辨別障礙。

目的地確定了，怎么去？“玉兔”必須自己尋找一條安全的道路?？萍既藛T找遍了國(guó)內(nèi)外所有能查到的路徑規(guī)劃方法，逐一進(jìn)行適用性研究和仿真驗(yàn)證，最終提出了自己的路徑規(guī)劃方法。但找到了路，還要具備準(zhǔn)確沿路徑行駛的能力。“玉兔”采用的是六輪搖臂式移動(dòng)裝置，六個(gè)輪子都能獨(dú)立驅(qū)動(dòng)，其中四個(gè)角輪可以轉(zhuǎn)向，但除了自身運(yùn)動(dòng)能力外，考慮月面松軟月壤下的輪土接觸力學(xué)關(guān)系，減少滑移等現(xiàn)象。針對(duì)這些因素，科技人員設(shè)計(jì)了十多種運(yùn)動(dòng)控制律，經(jīng)過(guò)千余次仿真驗(yàn)算，最終確定了協(xié)調(diào)的控制方法，實(shí)現(xiàn)了對(duì)規(guī)劃路徑的準(zhǔn)確跟蹤控制。