home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Mars Pathfinder Website / Mars Pathfinder Website.iso / mpf / rovercom / data / rov_past.txt < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1998-11-13  |  37.2 KB  |  679 lines

  1. MARS ROVERS: PAST, PRESENT AND FUTURE
  2. Princeton Space Studies Institute's 20th Anniversary Conference
  3. 10 May 1997
  4.  
  5. Donna L. Shirley
  6. Jet Propulsion Laboratory - California Institute of Technology
  7. MS 264-255, 4800 Oak Grove Drive
  8. Pasadena, California 91109
  9. E-mail: dshirley @jpl.nasa.gov
  10. Phone No.: (818) 354-6277
  11. Fax No.: (818) 393-6800
  12.  
  13. Jacob R. Matijevic
  14. Jet Propulsion Laboratory - California Institute of Technology
  15. MS 230-235, 4800 Oak Grove Drive
  16. Pasadena, California 91109
  17. E-mail: Jacob. R.Matijevic @jpl.nasa.gov
  18. Phone No.: (818) 393-7804
  19.  
  20. Abstract
  21.  
  22. Since the 1960's there have been efforts world-wide to develop robotic 
  23. mobile vehicles for traversing planetary surfaces. Two Lunakhods were 
  24. successfully operated on the Moon in the early 1970's, but since then 
  25. there have been no planetary rovers. Developments in mobility, navigation, 
  26. power, computation, and thermal control have now allowed a small, 11.5 kg 
  27. rover named Sojourner Truth to be heading for Mars. Sojourner will 
  28. explore an area within site of the Pathfinder Lander's camera, making 
  29. measurements of the surface properties, and imaging rocks and obtaining 
  30. their elemental composition. Future U.S., and perhaps Russian rovers are 
  31. planned to go to Mars in 2001, 2003, 2007 and 2011 to rove 10 kilometers 
  32. or so and collect samples for return to earth by missions launched in 
  33. 2005, 2009 and 2013.
  34.  
  35. Introduction
  36.  
  37. On July 4, 1997, earthlings will invade Mars. Mars Pathfinder and its microwave 
  38. oven-sized rover, Sojourner, will land in an ancient flood channel and try to 
  39. find out what Mars is made out of. In March of 1998 Mars Global Surveyor will 
  40. begin a two earth-year mapping mission to study the surface and atmosphere of 
  41. the red planet. These missions will be followed every 26 months by additional 
  42. missions to search for water and clues to whether life ever began on Mars. 1,2
  43.  
  44. The Mars Exploration Program, which was initiated in 1994, is launching two 
  45. missions every 26 months to Mars to study it from orbit and in detail on the 
  46. surface. The program, managed by the Jet Propulsion Laboratory for NASA, is 
  47. currently funded at a total of about $150M per year - or per mission- which 
  48. is about the cost of a major motion picture. This is in contrast to the last 
  49. Mars mission, Mars Observer, which cost nearly $1 billion including the launch 
  50. vehicle and operations. Viking, in today's dollars, cost over $3.5 billion.
  51.  
  52. International participation is an important factor in the program, and 
  53. relationships are being established with Russia, Europe and Japan.
  54.  
  55. Since the discovery of possible signs of ancient life in the Martian meteorite 
  56. ALH84001 last August, excitement about Mars exploration has intensified. NASA 
  57. and JPL have developed a plan for an expanded program to include returning 
  58. carefully selected samples from the surface of Mars for analysis on earth. 
  59. Augmented funding for this program is included in the President's 1998 budget 
  60. request, but must be appropriated by Congress. Current information on the Mars 
  61. Exploration Program is available on the Intenet at http://www.jpl.nasa.gov/mars.
  62.  
  63. The ability to move about the Martian surface is key to the Mars Exploration 
  64. Program. The first U.S. robotic planetary rover is Sojourner, (the Mars 
  65. Pathfinder Microrover Flight Experiment). Sojourner is a NASA technology 
  66. flight experiment which is currently on its way to Mars.3
  67.  
  68.  
  69. Rovers in the Past
  70.  
  71. Sojourner is the culmination of a long line of designs and test models for 
  72. planetary rovers. Beginning with the first successful planetary rovers, 
  73. Lunakhod, which roamed the lunar surface in the early 1970's, many countries 
  74. have been involved in rover research and development. An early focus was on 
  75. mobility. It was quickly found that six wheels were better than four, with 
  76. each wheel needing its own motor. U.S. researchers in the 1960's built 
  77. several versions of possible planetary mobility systems and tested them in 
  78. the field.
  79.  
  80. The problem of navigation and control was, however, harder to deal with in 
  81. the early days. Computers were large and slow and hard to program. Lunakhod, 
  82. for example, used simple teleoperation so that the operator could "joy stick" 
  83. the rover to direct it. But Lunakhod proved very difficult to drive: it had 
  84. only a monocular, black and white camera, and the 3 second round-trip radio 
  85. delay made driving very counterintuitive and exhausting.
  86.  
  87. Artificial intelligence was focused on rover navigation by DARPA in the 1980's 
  88. as part of the Automated Land Vehicle Program. Martin Marietta Corporation 
  89. and Carnegie Mellon University both built vehicles that could automatically 
  90. drive on roads and around obstacles. JPL outfitted a HMMV army vehicle to be 
  91. remotely controlled in ragged terrain.
  92.  
  93. JPL's technique involved an operator viewing stereo pictures taken by the 
  94. vehicle and then plotting the vehicle's path and radioing it to the vehicle. 
  95. The vehicle would then automatically follow that path using a compass and 
  96. its own vision system. This system was known as "Computer Aided Remote 
  97. Driving" or CARD.
  98.  
  99. With improvements in computers came the ability to investigate legs for mobility. 
  100. Ohio State University built a legged vehicle for the army. Its gait was automated, 
  101. but it required a driver to direct it. Carnegie Mellon University built several 
  102. walkers, the most successful being Dante, which descended into the inferno of 
  103. Mount Spur. Martin Marietta built a model of a simple "beam walker" which 
  104. involved raising and lowering legs which slid along a beam. Tiny, legged rovers 
  105. were built by MIT and IS Robotics.
  106.  
  107. Navigation systems also became more complex. At JPL a "little blue rover" about 
  108. 6 feet long was used as a navigation test bed. In the late 1980's a computer 
  109. that could handle autonomous navigation was too big to be carried by the rover, 
  110. so it dragged cables connected back to a VAX computer in the lab.
  111.  
  112. In the late 1980's the Mars Rover Sample Return (MRSR) mission studies gave 
  113. hope to the rover community that at last a rover would go to Mars. The mission 
  114. was designed to land a pickup-truck sized rover to go hundreds of kilometers, 
  115. collecting a wide variety of rock samples, and returning them to a sample 
  116. return vehicle to bring back to earth. In order to navigate these rovers high 
  117. resolution orbital imaging was planned. These pictures would be used for an 
  118. operator to plan a basic course for the rover, and for the rover to automatically 
  119. locate itself within the resulting map. This was known as "Semi-Autonomous 
  120. Navigation" or SAN. Because the computers even in the early 1990's were pretty 
  121. bulky, the test vehicle for SAN was "Robby" which featured six, one-meter 
  122. wheels and a large, ragged body to carry its "brain".
  123.  
  124. In 1988 JPL, Martin Marietta, and FMC Corporation developed three independent 
  125. designs for integrated control/mobility systems for large rovers, and then 
  126. compared them to develop     4,5 requirements for the sample collecting rover.
  127.  
  128. Naturally, MRSR required a large sample return vehicle to bring back the 10 
  129. kilograms or so of sample that the large rovers would collect. And, also 
  130. naturally, because so much was invested in each vehicle there should be two of 
  131. everything to prevent total mission failure caused by any one element: orbiter, 
  132. lander, rover, ascent vehicle, earth return vehicle. The total price tag for 
  133. the mission began to approach $10B, and in 1991, when Congress slashed all 
  134. funding for Mars missions- human OR robotic, MRSR was canceled. Rover designs 
  135. which could "scout" and "survey" sites for human missions were also being 
  136. studied in the early 1990's. Again, these were large rovers.6,7,8,9
  137.  
  138. In the meantime, work on small rovers was going on. Rodney Brooks at MIT 
  139. created what he called a "subsumption architecture" for navigation, based on 
  140. insect behavior.10 Simple behaviors could be implemented in a simple, 
  141. light-weight and inexpensive computer. David Miller and his team at JPL built 
  142. small rovers based on this technique, the first of which was "Tooth". Don 
  143. Bickler of JPL developed a six-wheeled mobility system which by hooking the 
  144. wheels to levers rather than directly to the body allowed a stable platform, 
  145. suitable for mounting instruments and solar arrays. Don built small models 
  146. intended to be 1/8 scale for MRSR rovers. They were known as "Rocky", short 
  147. for "rocker bogie". When "Tooth's" brain was added to Rocky's body a small, 
  148. autonomous rover was born.
  149.  
  150. "Rocky    3"    demonstrated a fully autonomous traverse and sample collection 
  151. and return to a simulated sample return vehicle in 1990. In June of 1992 a 
  152. team led by Lonne Lane of JPL demonstrated "Rocky 4", a small rover which 
  153. carried out many of the functions which would be required of an actual flight 
  154. rover: mobility, instrument operation, and goal setting by an earth operator 
  155. but autonomous path execution and hazard avoidance. Rocky 4 was the starting 
  156. point for the Mars Pathfinder Microrover Flight Experiment which resulted in 
  157. Sojourner. 11,12,13
  158.  
  159. Sojourner Truth, the Rover
  160.  
  161. Sojourner, named as a result of a children's essay contest, is a NASA technology 
  162. demonstration flight experiment which is integrated with the Mars Pathfinder 
  163. (MPF) lander and was launched on December 4, 1996. After landing on Mars 
  164. July 4, 1997, the MFEX rover will deploy from the lander and conduct a series 
  165. of experiments which will validate technologies for an autonomous mobile vehicle. 
  166. In addition, Sojourner will deploy its science instrument, an alpha proton 
  167. X-Ray spectrometer (APXS), on rocks and soil to determine the elemental 
  168. composition. Lastly, the rover will image the lander as part of an engineering 
  169. assessment after landing. 1 15
  170.  
  171. Sojourner Description
  172.  
  173. Sojourner (see Fig. 1) is a 6-wheeled vehicle, 10.5 kg in mass (including payload), 
  174. and 65 cm long, 48 cm wide and 30 cm tall in its deployed configuration 
  175. (neglecting the height of the UHF antenna). The rover is stowed on a lander petal 
  176. for launch and during the cruise-to-Mars phase of the Pathfinder mission. In 
  177. this stowed configuration, the rover height is reduced to 19 cm. In this 
  178. configuration, the rover has been tested and shown to withstand static loads of 
  179. 66g, consistent (with margin) with the less than 40g expected at impact upon landing 
  180. on Mars. At deployment, the lander fires cable cutting pyros, releasing tie-downs 
  181. which restrain the rover to the stowed configuration. Under command, the rover 
  182. drives its wheels, locking the bogeys and deploying the antenna so that the 
  183. deployed configuration is achieved.
  184.  
  185. In the deployed configuration, the rover has ground clearance of 15 cm. The 
  186. distribution of mass on the vehicle has been arranged so that the center of mass 
  187. is slightly aft of the center of the body (the Warm Electronics Box (WEB))and at 
  188. a height at the base of the WEB. Due to the innovative design of the rear 
  189. differential which transfers wheel angle to half-angle tilt of the WEB the 
  190. vehicle could withstand a tilt of 45 degrees in any direction without over-turning, 
  191. although fault protection limits prevent the vehicle from exceeding tilts of 35 
  192. degrees during traverses.
  193.  
  194. The rover is of a rocker bogie design16 which allows the traverse of obstacles of 
  195. up to 17 cm (more than a wheel diameter (13 cm) in size). Each wheel has cleats 
  196. and is independently actuated and geared providing for climbing in soft sand and 
  197. scrambling over rocks. The front and rear wheels are independently steered, 
  198. allowing the vehicle to turn in place. The vehicle has a top speed of 0.4rn/minute 
  199. and can turn at a rate of 7 deg/sec.
  200.  
  201.  
  202. The rover is powered by a 0.22 sqm solar panel comprised of 13 strings of 18, 5.5 
  203. mil GaAs cells each. The solar panel is backed up by 9 LiSOCL2 D-cell sized 
  204. primary batteries, providing up to 150W-hr of energy. The combined panel and 
  205. battery system allows the rover to draw up to 30W of peak power while the peak 
  206. panel production is 16W. The normal driving power requirement is 10W.
  207.  
  208. Rover components not designed to survive ambient Mars temperatures (-800 deg C 
  209. during a Martian night at the Pathfinder landing site) are contained in the warm 
  210. electronics box (WEB). The WEB is insulated with solid silica aerogel, has an 
  211. exterior finish of gold-coated kapton, and is heated under computer control during 
  212. the day. This design has been verified in both stand-alone and integrated (with 
  213. the lander) environment tests showing that the WEB maintains components between-40 
  214. deg C and +40 deg C during all mission phases including Mars landed operations. 
  215. These test have led to the development of a thermal model of the WEB with performance 
  216. under a variety of environment conditions.17
  217.  
  218. Computer control is implemented by an integrated set of computing and power 
  219. distribution electronics. The computer is an 80C85 with a 2 MHz clock rated 
  220. at 100 Kips which uses, in a 16 Kbyte page swapping fashion the memory 
  221. provided in 4 different chip types.
  222.  
  223. At boot up or upon reset the computer begins execution from the PROM.     
  224. The programming stored in PROM loads programs into the RAM (IBM 2568 chip set) 
  225. from non-volatile RAM (SEEQ chip set). Program execution proceeds from the 
  226. RAM. As commands are executed, other programming in non-volatile RAM is required 
  227. and then swapped into the RAM for execution. To prevent excessive thrashing, 
  228. some programs are executed from non-volatile RAM. While programs are executed, 
  229. data is stored in temporary RAM storage area (Micron chip set). Telemetry 
  230. generated during program execution is regularly transmitted to the lander for 
  231. relay to earth. If communication with the lander is not available, telemetry 
  232. is stored in a FIFO rotating buffer, reserved in the temporary RAM storage area. 
  233. At boot up during night operations, provision for data storage in non-volatile 
  234. RAM is provided. Such data is sent as telemetry to the lander when a 
  235. communication opportunity permits.
  236.  
  237. The remainder of the electronics supports switching, power conditioning, 
  238. and I/O channels.
  239.  
  240. Vehicle motion control is accomplished through the on/off switching of the 
  241. drive or steering motors. An average of motor encoder (drive) or potentiometer 
  242. (steering) readings determines when to switch off the motors. When motors are 
  243. off, the computer conducts a proximity and hazard detection function, using 
  244. its laser striping and camera system to determine the presence of obstacles 
  245. in its path. The vehicle is steered autonomously to avoid obstacles but 
  246. continues to achieve the commanded goal location. While stopped, the computer 
  247. also updates its measurement of distance traveled and heading using the 
  248. average of the number of turns of the wheel motors and an on-board gyro. 
  249. This provides an estimate of progress to the goal location.
  250.  
  251. Command and telemetry is provided by UHF radio modems on the rover and lander. 
  252. The modems are capable of 9.6 Kbaud transmission. Overhead associated with 
  253. the protocol in data transmission and the effective link performance results 
  254. in 2 Kbps transmission. Estimates of the amount of telemetry data transmitted 
  255. by the rover during its operations is given below. In general, most of 
  256. engineering data collected by the rover supports. technology experiments. The 
  257. amount of experiment data listed is aggregates for all science, technology and 
  258. mission experiments, although not all experiments are scheduled to be performed 
  259. each sol. The available data volume between the lander and rover is 14.4 Mbit 
  260. and is based on 2 hour of continuous transmission during a given sol. In these 
  261. estimates no 'overhead' data (e.g., header, frame protection, re-transmission 
  262. of frames) is included.
  263.  
  264. Sojouner's Mission
  265.  
  266. During the day, the rover regularly requests transmission of any commands 
  267. sent from earth and stored on the lander. When commands are not available, 
  268. the rover transmits any telemetry collected during the last interval between 
  269. communication sessions. The telemetry received by the lander is stored and 
  270. forwarded to the earth. In addition, the communication system is used    to 
  271. provide a 'heartbeat' signal during vehicle driving. While stopped the rover 
  272. sends a signal to the lander. Once acknowledged by the lander, the rover 
  273. proceeds to the next stopping point along its traverse.
  274.  
  275. The rover's mission consists of: (1) conducting a series of experiments which 
  276. validate technologies for an autonomous mobile vehicle, (2) deploying an alpha 
  277. proton X-Ray spectrometer (APXS), on rocks and soil, and (3) imaging the 
  278. lander as part of an engineering assessment after landing. The rover's mission 
  279. plan for the first week on Mars is shown in Fig. 2.
  280.  
  281. Fig. 2. Mars Pathfinder lander and rover: nominal 7 sol scenario
  282.  
  283. The first sol on Mars will be devoted to the release and deployment of 
  284. Sojourner from the lander, and the acquisition of an AP-XS measurement on 
  285. soil. If possible, the end of sol imaging performed by the rover will 
  286. include a portion of the lander. The next two (as necessary) sols will be 
  287. used to acquire an APXS measurement of some rock in the vicinity of the lander. 
  288. Along the traverse to the rock, a soil mechanics technology experiment will 
  289. be performed. With success, sols 4-6 will be devoted to positioning the 
  290. APXS for measurement of a specific rock: the rock selected through an 
  291. evaluation of the panoramic image of the landing site taken by the lander 
  292. camera. Along the traverse to this rock, another soil mechanics technology 
  293. experiment will be performed, in a second soil type. In addition, images 
  294. from the rover will be taken of rocks, soil and terrain to assist in the 
  295. terrain reconstruction at the landing site. Images of the lander will be 
  296. taken in an attempt to complete a full survey. The remaining sol in the 
  297. 7 sol nominal mission will be devoted to ensuring data has been collected 
  298. for all the technology experiments while Sojourner is traversing to 
  299. another rock or other objectives in the extended mission.
  300.  
  301. Technology Experiments
  302.  
  303. The primary function of Sojourner is to demonstrate that small rovers can 
  304. actually operate on Mars. Until at least 1995 there was considerable skepticism 
  305. by the science community that the capabilities of such a small rover to 
  306. collect science were worth the $25M investment in the rover. Therefore, 
  307. Sojourner will perform a number of experiments to evaluate its performance 
  308. as a guide to the design of future rovers. The performance of these 
  309. experiments on Mars will assist in verifying engineering capabilities for 
  310. future Mars rovers, completing a data set which includes environment and 
  311. performance testing conducted with Sojourner prior to launch and with the 
  312. spare rover (Marie Curie) on earth in parallel with Sojourner's experiments 
  313. on Mars. The technology experiments are listed below:
  314.  
  315. ╖ Mars Terrain Geometry Reconstruction from Imagery- Each sol, images are 
  316. taken by the rover and lander as a means of planning the next sol of 
  317. operations. As a collection -these images will be used to construct a map 
  318. of the landing site.
  319.  
  320. ╖ Basic Soil Mechanics- In a soil sample, as a single front or rear wheel 
  321. is turned in place, the motor current is measured and an estimate of 
  322. torque is derived.
  323.  
  324. ╖ Dead Reckoning Sensor Performance and Path Reconstruction/Recovery - The 
  325. telemetry logged by the rover during traverses provides a means of 
  326. reconstructing the path traversed by the vehicle.
  327.  
  328. ╖ Sinkage in Each Martian Soil Type - At the end of selected wheel rotations 
  329. performed during the soil mechanics experiment, images of the resulting rut 
  330. are taken.
  331.  
  332. ╖ Logging/Trending of Vehicle Performance Data -During vehicle operations, 
  333. engineering measurements are taken regularly which will help to verify 
  334. rover performance.
  335.  
  336. ╖ Rover Thermal Characterization - The rover has 7 temperature sensors 
  337. internal to the WEB and 6 external sensors. These sensors will be sampled 
  338. during both day and night each sol in tracking the thermal characteristics 
  339. of the vehicle.
  340.  
  341. ╖ Rover Imaging Sensor Performance - Engineering telemetry gathered during 
  342. traverses are the primary means for the reconstruction of paths taken by 
  343. the rover across the terrain and evaluation of the navigation and hazard 
  344. avoidance systems.
  345.  
  346. ╖ UHF Link Effectiveness- The rover routinely communicates with the lander, 
  347. transmitting telemetry and receiving commands. Data transfer errors will be 
  348. logged to develop a model of the UHF link effectiveness.
  349.  
  350. ╖ Material Abrasion - Wheel material wear can be correlated to the amount 
  351. of abrasion caused by Martian soil per distance of wheel travel.
  352.  
  353. ╖ Material Adherence - Power from a "clean" solar cell will be compared with 
  354. that from a "dusty" cell. The correlation between the amount of dust and 
  355. cell output measure the effect of dust on solar panel performance during 
  356. the mission.
  357.  
  358. ╖ APXS- In addition to the technology experiments the Alpha Proton X-Ray 
  359. Spectrometer and the visible and near infrared filters on the lander 
  360. imaging system will determine the elemental composition and constrain the
  361. mineralogy of rocks and other surface materials at the landing site.
  362.  
  363. ╖ Lander Assessment - During the mission, the rover cameras will be used 
  364. to image portions of the lander.
  365.  
  366. After landing, Sojourner will be deployed from the lander and begin a nominal 
  367. 7 sol (1 sol = 1 Martian day) mission to conduct it's experiments. This mission 
  368. is conducted under the constraints of a once-per-sol opportunity for command 
  369. and telemetry transmissions between the lander and earth operators. As such, 
  370. Sojourner must be capable of carrying out its mission with a form of 
  371. supervised autonomous control, in which, for example, goal locations are 
  372. commanded and the rover navigates and safely traverses to these locations.
  373.  
  374. Sojourner's Operation
  375.  
  376. The operation flow for the rover is driven by a daily command load from earth 
  377. via the lander. These commands are generated at the rover control station, a 
  378. silicon graphics workstation which is a part of Pathfinder's ground control 
  379. operation. At the
  380.  
  381. end of each sol of rover traverse, the camera system on the lander takes a 
  382. stereo image of the rover vehicle in the terrain. Those images, portions of 
  383. a terrain panorama and supporting images from the rover cameras are also 
  384. displayed at the control station. The operator is able to designate on the 
  385. displayed image(s) points in the terrain which will serve as goal locations 
  386. for rover traverses.18 The coordinates of these points are transferred into 
  387. a file containing the commands for execution by the rover on the next sol. 
  388. This command file is incorporated into the lander command stream and is 
  389. sent by Pathfinder ground control to the lander for transmission to the rover.
  390.  
  391. Engineering telemetry which is transmitted from the rover to the lander is 
  392. transmitted by the lander back to earth on a priority basis, including lander 
  393. images and rover position data needed to develop the command sequence for 
  394. execution on the next sol. Analysis of this telemetry is conducted through 
  395. the rover engineering team's workstations.
  396.  
  397. In this telemetry analysis an engineering go/no-go decision is reached concerning 
  398. the execution of a nominal "next sol" sequence of rover activities (e.g., see 
  399. Fig. 2 for the first 7 sols). In the presence of a "go", a brief review of the 
  400. mission objectives of the next sol of rover operation is performed by members of 
  401. the experiment teams. Any modification of targets of opportunity (e.g., 
  402. locations for soil mechanics experiments, rock selected for eventual placement 
  403. of the APXS) based on a review of the images from the prior sol is evaluated as 
  404. part of a trafficability and mission time assessment performed by engineering 
  405. personnel and the rover operator. An agreement on the targets of opportunity 
  406. results in an update (perhaps) of the sequence of rover activities. This update 
  407. is used by the rover operator to prepare the command sequence for submission to 
  408. the rover. A review of the sequence (in a human readable form) by experiment 
  409. and engineering personnel both for the rover and the Pathfinder mission 
  410. represents the final check (and edit) before transmission.
  411.  
  412. Autonomous Control
  413.  
  414. In order to accomplish the mission objectives, the rover must traverse extended 
  415. distances within the vicinity of the lander. The once-per-sol commanding strategy 
  416. of the mission require that the rover perform these traverses essentially 
  417. unsupervised by earth-based mission control. The rover uses a strategy of 
  418. on-board autonomous control which allows the commanding of high-level, goal-oriented 
  419. commands supported by a hazard avoidance system.19,20 In this system the 
  420. rover attempts to determine where to go, drive toward the location, avoid 
  421. obstacles along the route and decide when (or if) it has made sufficient 
  422. progress to the goal.
  423.  
  424. The rover performs a traverse by executing a "go-to-waypoint". During the traverse, 
  425. the rover updates its position relative to the lander to determine (at a minimum) 
  426. if it has reached the goal location. This update is accomplished using the 
  427. encoder reading on the wheel actuators. The counts accumulated on each of the 
  428. six wheels are averaged to determine a change in the odometer. This averaged 
  429. value is used to update the estimated vehicle position in the lander-centered 
  430. coordinate system.
  431.  
  432. To change heading the rover executes a command to "turn. The four outside wheels 
  433. are cocked to a 'steer-in-place' orientation through driving the steering 
  434. actuators to the appropriate position as measured by the potentiometers on 
  435. each actuator, and the wheels are driven. Once the commanded orientation is 
  436. achieved, the integrated angular measurement from the gyro is used to update 
  437. the vehicle heading reference.    The "go-to-waypoint" and "turn" commands are 
  438. developed by the rover operator using the once-each-sol stereo image of the 
  439. rover taken by the lander camera.
  440.  
  441. In achieving the goal locations of its traverse commands, the rover must determine 
  442. a safe path for traverse at any distance from the lander. The onboard hazard 
  443. detection system provided by the front camera system and laser light stripers 
  444. illuminate a part of the region in front of the vehicle and the results are 
  445. correlated to develop a sparse map of obstacle distances and heights in front 
  446. of the vehicle.
  447.  
  448. The map is then assessed to determine vehicle trafficability. If a hazard is 
  449. detected as a result of this assessment, the rover autonomously turns. The hazard 
  450. detection and assessment is then repeated until a clear path is identified. The 
  451. rover is then autonomously driven past the hazard. The goal location again becomes 
  452. the objective of the traverse and the rover turns back to the proper heading. 
  453. The rover also measures tilt to avoid slope hazards.
  454.  
  455. Each 'go-to-waypoint' command executed in a traverse has as a parameter a time 
  456. value for execution. During the execution of any command and hazard avoidance 
  457. activity the rover updates position and orientation. An assessment of progress 
  458. to the goal location is performed. When the onboard estimates come within a 
  459. threshold of the goal location, the rover stops, sends telemetry collected 
  460. during the command execution and proceeds to execute the next command in 
  461. the operative sequence.
  462.  
  463. During testing with the vehicle system, the combined navigation and hazard 
  464. avoidance function has been shown to accumulate an error of approximately 7% 
  465. of the range of travel. By traversing a sufficient distance MFEX can miss rock 
  466. destinations. However, a combination of correction in position using lander 
  467. camera images with a nominal 2-sol (at least) mission plan to reach a specific 
  468. rock should allow imaging and deployment of the APXS at specific sites.
  469.  
  470. The successful conclusion of Sojourner's mission will not only result in a 
  471. great increase in our knowledge of the composition and characteristics of 
  472. the Martian surface, but will provide insight for the design of future rovers.
  473.  
  474. Future Mars Rovers
  475.  
  476. In January 1999 the U.S. will launch a lander with a robotic arm to land near 
  477. the south pole. While this mission has no rover the arm will determine a lot 
  478. about the soil characteristics in a new region by digging a trench. In 2001 a 
  479. rover much more capable than Sojourner will be sent to Mars. The 2001 rover 
  480. will be capable of traversing "over the horizon" perhaps 10 kilometers or more, 
  481. to explore a region of Mars which might contain evidence of past life, and to 
  482. collect rock and soil samples. The 2001 rover is still very mass, power, volume 
  483. and cost constrained. It is anticipated that the rover and its payload will 
  484. mass less than 50 kg and cost no more than $45 M. In order to achieve this 
  485. great increase in performance for a very modest increase in cost the 2001 rover 
  486. will be based on technology work currently going on at JPL.
  487.  
  488. There are two "branches" to this technology development: "Rocky 7" being 
  489. developed by a team led by Samad Hayati,21 which is primarily a navigation and 
  490. control development platform: and the Lightweight Survivable Rover (LSR) which 
  491. is primarily a platform for developing advanced mobility, thermal control and 
  492. mechanisms. The LSR team is led by Paul Schenker. In FY98 the two platforms 
  493. will be brought together to demonstrate a robust, relatively long range mobility 
  494. and navigation capability with the capability for the rover to survive long 
  495. enough to travel a long distance over many months. Sampling capabilities will 
  496. also be
  497. demonstrated. An  "Announcement o f Opportunity" for selection of an integrated 
  498. payload for the 2001 rover is in preparation and will be released in the 
  499. summer of 1997.
  500.  
  501. Also in 2001 there is an opportunity for a joint U.S.-Russian mission to land 
  502. a Marsokhod (a fairly large, 6 wheeled rover). The mission would be developed, 
  503. launched and operated by the Russians with communication being provided 
  504. through U.S. orbiter relays. In 2003 a U.S. rover will be flown, essentially 
  505. a copy of the 2001 rover with some opportunity for technology upgrades. 
  506. Upgrades will be minimal within the strict funding limitations of the program.
  507.  
  508.  
  509. In 2005 it is currently envisioned that the sample return vehicle would land 
  510. close to one or the other of the 2001 or 2003 rovers with their caches of 
  511. samples. There would be a small, short-range rover carried by the sample 
  512. return lander to retrieve the cache of samples and bring it back to the return 
  513. vehicle. The program concept includes at least two more rounds of rovers and 
  514. sample returns to acquire three distinct samples from different areas of Mars 
  515. to give a good chance of detecting signs of past or present life. Since 
  516. sample return is a 3 year round-trip, collecting three samples will not be 
  517. accomplished, until about 2016. Rovers would fly in 2007 and 2011, with sample 
  518. returns in 2009 and 2013.
  519.  
  520. Rover Design and Technology Needs
  521.  
  522. As the Mars Exploration Program progresses the need for more sample diversity 
  523. and the selection of more specific samples will require continuous improvements 
  524. in rover mobility, navigation, and sampling capability. To enable roving 
  525. within the tight cost constraints of the program will require low mass, extreme 
  526. power efficiency, and great resistance to low temperatures. Therefore, 
  527. ongoing advances in rover technology are required.
  528.  
  529. Some of these technology needs are:
  530.  
  531. ╖ Efficient Mass/Volume
  532. -    For Low Cost Delivery
  533. -    For Maximizing Payload
  534.  
  535. ╖ Tens of Kilometers Travel Capability (In Weeks or Months)
  536. -    Continuous Mobility
  537. -     Improved Navigation (Sensors/Software) - Efficient Communication With 
  538.       Orbiters - Physical Robustness
  539. ╖ All Season Survival
  540. -    Thermal Protection
  541. -    Efficient Energy Generation/Storage/
  542. Management
  543. -    Robustness to Environment
  544.  
  545. ╖ Sample Selection/Collection
  546. -     Instrument Support (Power/Volume/Thermal/Data)
  547. -    Improved Instruments
  548. -     Manipulation/Deployment
  549. -     Sample Caching
  550. ╖ Planetary Protection
  551. -    Forward and Backward Contamination Protection
  552.  
  553. Applicable technology is being developed worldwide. But to make the best 
  554. use of this technology its development must be directed by rover system 
  555. design and evaluation. In 1994 Kenton Leitzau of MIT based his master's 
  556. thesis in Systems Engineering on the development of a process for rover 
  557. design and evaluation.22 He stressed the need for standard metrics and 
  558. evaluation techniques to guide rover technology development and design.
  559.  
  560. Examples of parameters which need to be considered in rover design and 
  561. research include:
  562.  
  563. ╖ Mobility
  564. -    Reduced Gravity Operations
  565. -    Traction
  566. -    Turning Radius
  567. -    Tipping Resistance
  568. -    Slipping Resistance
  569. -    Slope Capability
  570. -    Obstacle Handling
  571. -    Energy Consumption
  572. -    Speed
  573. ╖ Navigation & Control
  574. -    Computation
  575. -    Sensors
  576. -    Obstacle/Hazard Avoidance
  577. -    Speed
  578. -    State Knowledge
  579. -    Energy Consumption
  580. -    Safety
  581.  
  582. ╖ Science Support
  583. -    Operational Scenario Execution
  584. -    Experiment/Instrument Support
  585.  
  586. ╖ Autonomy
  587. -     Autonomous Navigation - Prioritization/Scheduling - Health Monitoring
  588.     -     Fault Avoidance/Response
  589.     -     Energy Consumption
  590. -     Required Human Interaction
  591.  
  592. ╖ Environmental Stress Resistance/Robustness, e.g.
  593. -    Vibration
  594. -    Shock
  595. -    Pressure Variation
  596. -    Electromagnetic Interference
  597.     -     Vacuum    
  598.     -     Thermal Cycling
  599.     -     Temperature Extremes
  600.     -     Radiation
  601.  
  602. There is a tendency in rover research, as in all research, to focus on 
  603. individual technologies, e.g. mobility OR navigation OR sample collection. 
  604. But in order to support the pace of rover development needed to support 
  605. the Mars Exploration Program a systems approach to rover R&D is required. 
  606. Mobility techniques which look good by themselves may founder when mated 
  607. with the needs of navigation or science investigations. And demonstrations 
  608. which ignore the exigencies of the constraints of actual planetary missions 
  609. are not very useful.
  610.  
  611. It is unlikely in the next couple of decades that funds will become available 
  612. anywhere in the world to fly large rovers to Mars. Therefore, rover research 
  613. should focus on cost effective, mass and power efficient, high performance 
  614. machines which are capable of withstanding large g-forces and great extremes 
  615. of temperature, and operating reliably in dangerous and unknown terrains.
  616.  
  617. Acknowledgment
  618.  
  619. The research described in this paper was carried out by the Jet Propulsion 
  620. Laboratory, California Institute of Technology, under a contract with the 
  621. National Aeronautics and Space Administration.
  622.  
  623. References
  624.  
  625. 1 Shirley, D. and D. McCleese (1996), Mars Exploration Program 
  626.   Strategy: 1995-2020, AIAA 96-0333.
  627. 2 Shirley, D. and N. Haynes (1997). The Mars Exploration Program, Space 
  628.   Technology and Applications International Forum (STAIF-97),
  629.   Alberquerque, NM, 26-30 January 1997.
  630. 3 The Rover Team (1997). The Pathfinder Microrover, Journal of 
  631.   Geophysical Research,    Vol. 102, No. E2, Pages 3989-4001, 
  632.   February 25, 1997.
  633. 4 Pivirotto, D. et. al (1989-1). Mars Rover 1988 Concepts, AIAA-89-0419.
  634. 5 Pivirotto, D. and W. Dias (1989-2). United States
  635.   Planetary Rover Status - 1989, 2nd AIAA/JPL International Conference 
  636.   on Solar System Exploration, Pasadena, California, August 22-24,
  637.   1989, also JPL Publication 90-6, 15 May 1990.
  638. 6 Pivirotto, D. (1990-1), A Goal and Strategy for Human 
  639.   Exploration of the Moon and Mars, Journal of Space Policy, 
  640.   Volume 6, Number 3, August 1990.
  641. 7 Pivirotto, D. (1990-2), A Goal and Strategy for Human Exploration 
  642.   of the Moon and Mars: Part Two, presented at Case for Mars IV, 
  643.   June 4-8, 1990, Boulder, Colorado.
  644. 8 Pivirotto, D. (1990-3). Site Characterization Rover Missions, 
  645.   AIAA 90-3785.
  646. 9 Pivirotto, D. and J. Connolly, (1990-4). Lunar Surface Vehicle Evolution: 
  647.   FY89-90 NASA Studies, AIAA 90-3820
  648. 10 Brooks, R. (1986). A Robust Layered Control System for a Mobile Robot, 
  649.    IEEE Journal on Robotics and Automation, RA-2(1).
  650. 11 Shirley, D. (1993). MESUR Pathfinder Microrover Flight Experiment.' A 
  651.    Status Report, Case for Mars V Conference, Boulder, Co.
  652. 12 Shirley, D. (1994), Mars Pathfinder Microrover Flight Experiment - A 
  653.    Paradigm for Very Low Cost Spacecraft, IAA-L-0506.
  654. 13 Varsi, G. and D. Pivirotto (1993), Mars Microrover for MESUR Pathfinder,
  655.    IAF-93-Q.3.396.
  656. 14 Shirley, D. and J. Matijevic (1995). Mars Pathfinder Microrover, 
  657.    Autonomous Robots, 2, 283-289.
  658. 15 Matijevic, J. (1996). The Mission and Operation of the Mars Pathfinder 
  659.    Microrover, 13th World Conference,  International Federation  of 
  660.    Automatic Control, San Francisco, Ca, 30 June - 5 July 1996
  661. 16 Bickler, D. B. (1992). A New Family of Planetary. Vehicles, 
  662.    International Symposium on Missions, Technologies and Design of    
  663.    Planetary Mobile Vehicles, Toulouse, France.
  664. 17 Hickey, G., et al. Integrated Thermal Control and Qualification of 
  665.    the Mars Rover, 26th International Conference on Environmental Systems, 
  666.    Monterey, CA., July 10, 1996.
  667. 18 Wilcox, B. et. al. (1986). Computer Aided Remote Driving, AUVS-86, 
  668.    Boston, Ma. 19 Gat, E. et. al. (1994). Behavior Control for Robotic 
  669.    Exploration of Planetary Surfaces, IEEE Journal of Robotics and 
  670.    Automation, 10(4):490-503.
  671. 20 Wilcox, B. et. al. (1988). Mars Rover Local Navigation and Hazard 
  672.    Avoidance", Proc. SPIE Conf. 1007, Mobile Robots III.
  673. 21 Hayati, S., R. Volpe, et al. (1997), The Rocky 7 Rover: A Mars Sciencecraft 
  674.    Prototype. Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics 
  675.    and Automation, Albuquerque NM, April 20-25 1997.
  676. 22 Leitzau, K. (1994), Mars Micro Rover Performance Measurement and Testing, 
  677.    MIT Master of Science Thesis, CSDL-T- 1198.
  678.  
  679.