[導讀]1月11日凌晨，當陽光再次灑向月球虹灣地區(qū)，我國“玉兔”號月球車啟動喚醒電路，在月球上沉睡了14天的玉兔號，重新恢復工作，在38萬公里外的月球繼續(xù)科學探索。而嫦娥三號究竟是如何戰(zhàn)勝零下180度的嚴寒，實現神奇的
1月11日凌晨，當陽光再次灑向月球虹灣地區(qū)，我國“玉兔”號月球車啟動喚醒電路，在月球上沉睡了14天的玉兔號，重新恢復工作，在38萬公里外的月球繼續(xù)科學探索。而嫦娥三號究竟是如何戰(zhàn)勝零下180度的嚴寒，實現神奇的自主“喚醒”呢？“玉兔之手”又暗藏了哪些控制玄機呢？
“玉兔”壽命三個月：三次休眠再喚醒
玉兔號月球車利用核能電源對艙內設備進行保溫，抵御零下180攝氏度的嚴寒，最大的難點就是玉兔號的“自主喚醒”：
一般航天器在運行過程中都是帶著電的，咱們這個是要把電全斷掉，難點就是月晝以后要把電自主給加上去，設計了一個自主喚醒的電路。第一步是先對探測器的狀態(tài)進行設置，喚醒以后還要把平臺的設備再把它逐個的加起電來，當然那期間我會檢查各個設備的工作狀態(tài)，如果狀態(tài)良好的話，應該在晚上可以走起來。整個過月夜期間是沒有遙測，也就是無法監(jiān)測到探測器的狀態(tài)的，只有當太陽翼在接收到太陽光以后，整個探測器自主上電以后，恢復跟地面的聯系以后，才能知道整個探測器的狀態(tài)。
如果狀態(tài)好：今天重新走起來
“玉兔”凌晨喚醒，但受到角度的限制，地面測控要等到早上七時以后才能進行，因此，它被喚醒后的首要工作是進行狀態(tài)設置——如果狀態(tài)良好，它就會在今天晚些時候重新在月球上走起來：一旦恢復工作狀態(tài)，玉兔號月球車的任務仍然是在月球表面邊走邊探，查看月表地形地貌，以及月球的地質構造等。玉兔號月球車的設計壽命是三個月，這意味著，它在月球至少要經歷三次月夜休眠和再喚醒。
天地鏈路：將開展新一輪探測
地面的接收站應該是要打開接收天線，然后接收探測器從月面發(fā)回來的信號，一旦接收到以后，就可以對探測器進行控制，有信號以后就是天地鏈路建立起來以后就可以按預定的程序往后繼續(xù)工作。
喚醒后的著陸器，也將重新投入到科研觀測任務中。按照計劃，固定不動的著陸器將利用月球沒有大氣的有利條件，從月球上對天體進行天文觀測，并對地球進行極紫外觀測：
著陸器主要是還要對這些科學載荷進行加電，然后主要是它的月基的光學望遠鏡還有極紫外相機，極紫外相機主要是對地球進行觀測，然后月基光學望遠鏡是對天區(qū)進行觀測巡天。
“喚醒電路”神奇在哪兒：能自己喚醒自己充電
嫦娥三號關鍵的“喚醒電路”，作用是當陽光再次照射到嫦娥三號太陽能電池板，蓄電池產生的一定功率后，就像生物鐘一樣，能夠保證“玉兔”準時醒過來：太陽升起來就能照到的地方，它自己覺得這點電我可以起來工作了，那它就是通過喚醒電路把自己喚醒，把電池接通，接通以后把翻板打開，就把這個被子揭開，然后圍桿什么都升起來，在起來活動。這種喚醒技術是所有衛(wèi)星，包括國外都沒怎么聽說過的。
在月夜斷電的14天中，嫦娥三號無法和地面測控取得聯系，這意味著，玉兔休眠期間它有哪些故事，只有在它自動喚醒后才能揭曉。
別小看短短的三個月時間，其實月夜生存的難度遠遠超過其他航天器在軌生存的難度，對存在固有物理、化學屬性的蓄電池，月夜零下180攝氏度的低溫，是不得不面對的難題：
就相當于一個化學的東西，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驗，高溫的放電實驗，不同的壽命循環(huán)，以及過沖過放實驗，主要是這個電池咱們在天上如果人家說你的電池經過了負50℃，正70℃以后還能工作的話，難點還是比較大。
因為太陽夾角和測控弧度的不同，穩(wěn)穩(wěn)扎根月球不動的嫦娥三號著陸器將在北京時間12日晚上被喚醒。由于著陸器的喚醒時間和地面測控弧度處在同一時段，因此喚醒后較短時間就可以進行地面測控。喚醒的基本過程和玉兔號相似，仍然是通過太陽能電池板，對各系統(tǒng)進行加電，恢復狀態(tài)和功能。
“玉兔之手”顯身手:揭秘機械臂規(guī)劃控制技術
1月14日21時45分，遙遠的月宮再次傳來佳音，北京航天飛行控制中心精確控制嫦娥三號巡視器舒展“玉兔之手”——機械臂，對月壤成功進行了第一次元素成分科學探測分析。
“玉兔之手”位于“玉兔”號月球車正面的五星紅旗圖案下方，是有一個“四肢三軸”的活動機構。肢，猶如人的手臂；軸，是肢的連接點，如同手臂的關節(jié)。機械臂展開后，最里面的關節(jié)只能左右移動，中間的關節(jié)和末端的關節(jié)只能上下移動，就像人的手臂和手掌繞關節(jié)一樣。
“玉兔之手”如何在地面控制下完成科學探測？
“對機械臂的控制，主要依靠機械臂遙操作控制技術?！北本┖教祜w行控制中心總工程師周建亮介紹說，“我們綜合考慮機械臂的構造特點和科學探測的各類約束條件，建立了精確的控制算法模型，研發(fā)了具有自主知識產權的機械臂遙操作控制系統(tǒng)，能夠實現對機械臂毫米量級的精確控制。”
據周建亮介紹，由于活動維度限制和避障等因素的影響，要完成對一個目標點的探測，機械臂一次投放一般要經過十幾步操作，而且每一步的投放角度都要經過極其精密的計算。
北京航天飛行控制中心軌道室控制組組長劉勇是機械臂遙操作控制技術的負責人。他結合自己多年軌道控制的經驗，通過近一年的計算鉆研，自主建立了機械臂規(guī)劃控制正向求解算法、逆向求解算法和機械臂避障算法等3個算法模型，有效解決了機械臂精確控制和有效避障接近目標點的困難。
劉勇介紹說，正向求解算法就是根據移動角度大小，計算出能移動到距目標點多遠處；逆向求解算法恰恰相反，就是根據目標位置，計算出需要移動角度大小，只有兩相印證才能得到最佳的控制參數。而避障算法，是為了有效避開本體和月面地形的干涉，以達到逐步逼近目標點10到30毫米的目的。
“機械臂末端的X射線譜儀是一個高精度的科學探測儀?！眲⒂抡f，“如果不能有效避障，機械臂移動時一旦碰觸到本體或者探測目標就會對探測儀器造成損害?！?BR>
在遙操作廳，劉勇和榮志飛協同配合現場演示了機械臂的整個遙操作控制流程。大屏幕上，纖細靈巧的“玉兔之手”在榮志飛的精確操控下緩緩舒展，精確避障，最終到達預定位置。
據介紹，月壤探測只是月面工作段科學探測的一個開始，后續(xù)還有更多的科學探測任務要依賴“玉兔之手”。
精密“大腦”為“玉兔”指引方向
開展月面探測，“玉兔”必須隨時掌握三個問題：“我在哪？”“我要去哪？”和“我怎么去？”這需要一個精密的“大腦”。我國首套巡視探測gnc系統(tǒng)擔當了此項重任。
該系統(tǒng)由航天科技集團五院耗費十年研發(fā)而成，讓“玉兔”能看得清、辨得明、走得正。
知道自己的位置，這是月球車實現能源供應和對地通訊的根本。但月面環(huán)境具有低重力、弱磁場、真空和輻射等特點，在地球應用成熟的指南針、導航儀等手段都不可用，加之月球車有嚴苛的重量和功耗約束，其定位方式的選擇更是難上加難。科技人員經過長期調研論證，走訪了多家國內機器人和野外車輛研究院所，完成了上千次數學仿真，最終找到了適合月球車的導航定姿定位方案，并確定了導航敏感器指標。
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)了我國首套月球雙目視覺在軌三維恢復系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有兩個鏡頭，能把“看”到的二維地形信息經過處理運算后，變成三維坐標信息。盡管月面被塵土覆蓋，紋理不清；太陽斜照，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找遍了國內外所有能查到的路徑規(guī)劃方法，逐一進行適用性研究和仿真驗證，最終提出了自己的路徑規(guī)劃方法。但找到了路，還要具備準確沿路徑行駛的能力?！坝裢谩辈捎玫氖橇啌u臂式移動裝置，六個輪子都能獨立驅動，其中四個角輪可以轉向，但除了自身運動能力外，考慮月面松軟月壤下的輪土接觸力學關系，減少滑移等現象。針對這些因素，科技人員設計了十多種運動控制律，經過千余次仿真驗算，最終確定了協調的控制方法，實現了對規(guī)劃路徑的準確跟蹤控制。
“玉兔”壽命三個月：三次休眠再喚醒
玉兔號月球車利用核能電源對艙內設備進行保溫，抵御零下180攝氏度的嚴寒，最大的難點就是玉兔號的“自主喚醒”：
一般航天器在運行過程中都是帶著電的，咱們這個是要把電全斷掉，難點就是月晝以后要把電自主給加上去，設計了一個自主喚醒的電路。第一步是先對探測器的狀態(tài)進行設置，喚醒以后還要把平臺的設備再把它逐個的加起電來，當然那期間我會檢查各個設備的工作狀態(tài)，如果狀態(tài)良好的話，應該在晚上可以走起來。整個過月夜期間是沒有遙測，也就是無法監(jiān)測到探測器的狀態(tài)的，只有當太陽翼在接收到太陽光以后，整個探測器自主上電以后，恢復跟地面的聯系以后，才能知道整個探測器的狀態(tài)。
如果狀態(tài)好：今天重新走起來
“玉兔”凌晨喚醒，但受到角度的限制，地面測控要等到早上七時以后才能進行，因此，它被喚醒后的首要工作是進行狀態(tài)設置——如果狀態(tài)良好，它就會在今天晚些時候重新在月球上走起來：一旦恢復工作狀態(tài)，玉兔號月球車的任務仍然是在月球表面邊走邊探，查看月表地形地貌，以及月球的地質構造等。玉兔號月球車的設計壽命是三個月，這意味著，它在月球至少要經歷三次月夜休眠和再喚醒。
天地鏈路：將開展新一輪探測
地面的接收站應該是要打開接收天線，然后接收探測器從月面發(fā)回來的信號，一旦接收到以后，就可以對探測器進行控制，有信號以后就是天地鏈路建立起來以后就可以按預定的程序往后繼續(xù)工作。
喚醒后的著陸器，也將重新投入到科研觀測任務中。按照計劃，固定不動的著陸器將利用月球沒有大氣的有利條件，從月球上對天體進行天文觀測，并對地球進行極紫外觀測：
著陸器主要是還要對這些科學載荷進行加電，然后主要是它的月基的光學望遠鏡還有極紫外相機，極紫外相機主要是對地球進行觀測，然后月基光學望遠鏡是對天區(qū)進行觀測巡天。
“喚醒電路”神奇在哪兒：能自己喚醒自己充電
嫦娥三號關鍵的“喚醒電路”，作用是當陽光再次照射到嫦娥三號太陽能電池板，蓄電池產生的一定功率后，就像生物鐘一樣，能夠保證“玉兔”準時醒過來：太陽升起來就能照到的地方，它自己覺得這點電我可以起來工作了，那它就是通過喚醒電路把自己喚醒，把電池接通，接通以后把翻板打開，就把這個被子揭開，然后圍桿什么都升起來，在起來活動。這種喚醒技術是所有衛(wèi)星，包括國外都沒怎么聽說過的。
在月夜斷電的14天中，嫦娥三號無法和地面測控取得聯系，這意味著，玉兔休眠期間它有哪些故事，只有在它自動喚醒后才能揭曉。
別小看短短的三個月時間，其實月夜生存的難度遠遠超過其他航天器在軌生存的難度，對存在固有物理、化學屬性的蓄電池，月夜零下180攝氏度的低溫，是不得不面對的難題：
就相當于一個化學的東西，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驗，高溫的放電實驗，不同的壽命循環(huán)，以及過沖過放實驗，主要是這個電池咱們在天上如果人家說你的電池經過了負50℃，正70℃以后還能工作的話，難點還是比較大。
因為太陽夾角和測控弧度的不同，穩(wěn)穩(wěn)扎根月球不動的嫦娥三號著陸器將在北京時間12日晚上被喚醒。由于著陸器的喚醒時間和地面測控弧度處在同一時段，因此喚醒后較短時間就可以進行地面測控。喚醒的基本過程和玉兔號相似，仍然是通過太陽能電池板，對各系統(tǒng)進行加電，恢復狀態(tài)和功能。
“玉兔之手”顯身手:揭秘機械臂規(guī)劃控制技術
1月14日21時45分，遙遠的月宮再次傳來佳音，北京航天飛行控制中心精確控制嫦娥三號巡視器舒展“玉兔之手”——機械臂，對月壤成功進行了第一次元素成分科學探測分析。
“玉兔之手”位于“玉兔”號月球車正面的五星紅旗圖案下方，是有一個“四肢三軸”的活動機構。肢，猶如人的手臂；軸，是肢的連接點，如同手臂的關節(jié)。機械臂展開后，最里面的關節(jié)只能左右移動，中間的關節(jié)和末端的關節(jié)只能上下移動，就像人的手臂和手掌繞關節(jié)一樣。
“玉兔之手”如何在地面控制下完成科學探測？
“對機械臂的控制，主要依靠機械臂遙操作控制技術?！北本┖教祜w行控制中心總工程師周建亮介紹說，“我們綜合考慮機械臂的構造特點和科學探測的各類約束條件，建立了精確的控制算法模型，研發(fā)了具有自主知識產權的機械臂遙操作控制系統(tǒng)，能夠實現對機械臂毫米量級的精確控制。”
據周建亮介紹，由于活動維度限制和避障等因素的影響，要完成對一個目標點的探測，機械臂一次投放一般要經過十幾步操作，而且每一步的投放角度都要經過極其精密的計算。
北京航天飛行控制中心軌道室控制組組長劉勇是機械臂遙操作控制技術的負責人。他結合自己多年軌道控制的經驗，通過近一年的計算鉆研，自主建立了機械臂規(guī)劃控制正向求解算法、逆向求解算法和機械臂避障算法等3個算法模型，有效解決了機械臂精確控制和有效避障接近目標點的困難。
劉勇介紹說，正向求解算法就是根據移動角度大小，計算出能移動到距目標點多遠處；逆向求解算法恰恰相反，就是根據目標位置，計算出需要移動角度大小，只有兩相印證才能得到最佳的控制參數。而避障算法，是為了有效避開本體和月面地形的干涉，以達到逐步逼近目標點10到30毫米的目的。
“機械臂末端的X射線譜儀是一個高精度的科學探測儀?！眲⒂抡f，“如果不能有效避障，機械臂移動時一旦碰觸到本體或者探測目標就會對探測儀器造成損害?！?BR>
在遙操作廳，劉勇和榮志飛協同配合現場演示了機械臂的整個遙操作控制流程。大屏幕上，纖細靈巧的“玉兔之手”在榮志飛的精確操控下緩緩舒展，精確避障，最終到達預定位置。
據介紹，月壤探測只是月面工作段科學探測的一個開始，后續(xù)還有更多的科學探測任務要依賴“玉兔之手”。
精密“大腦”為“玉兔”指引方向
開展月面探測，“玉兔”必須隨時掌握三個問題：“我在哪？”“我要去哪？”和“我怎么去？”這需要一個精密的“大腦”。我國首套巡視探測gnc系統(tǒng)擔當了此項重任。
該系統(tǒng)由航天科技集團五院耗費十年研發(fā)而成，讓“玉兔”能看得清、辨得明、走得正。
知道自己的位置，這是月球車實現能源供應和對地通訊的根本。但月面環(huán)境具有低重力、弱磁場、真空和輻射等特點，在地球應用成熟的指南針、導航儀等手段都不可用，加之月球車有嚴苛的重量和功耗約束，其定位方式的選擇更是難上加難。科技人員經過長期調研論證，走訪了多家國內機器人和野外車輛研究院所，完成了上千次數學仿真，最終找到了適合月球車的導航定姿定位方案，并確定了導航敏感器指標。
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)了我國首套月球雙目視覺在軌三維恢復系統(tǒng)。該系統(tǒng)擁有兩個鏡頭，能把“看”到的二維地形信息經過處理運算后，變成三維坐標信息。盡管月面被塵土覆蓋，紋理不清；太陽斜照，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找遍了國內外所有能查到的路徑規(guī)劃方法，逐一進行適用性研究和仿真驗證，最終提出了自己的路徑規(guī)劃方法。但找到了路，還要具備準確沿路徑行駛的能力?！坝裢谩辈捎玫氖橇啌u臂式移動裝置，六個輪子都能獨立驅動，其中四個角輪可以轉向，但除了自身運動能力外，考慮月面松軟月壤下的輪土接觸力學關系，減少滑移等現象。針對這些因素，科技人員設計了十多種運動控制律，經過千余次仿真驗算，最終確定了協調的控制方法，實現了對規(guī)劃路徑的準確跟蹤控制。
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