###### tags: `ミッション決め`
# CanSat通信班 2/23(月), 3/1(月)
## 1. 調査目的
宇宙研究における通信技術に関して調べ、懸念点、完全点を探り出す。

## 2. 調査対象
- はやぶさ2 - 小型ローバ
- 嫦娥計画
- Mars sample return - Fetch Rover

## 3. 宇宙研究における難点
https://www.isas.jaxa.jp/j/researchers/symp/sss14/paper/P2-231.pdf
- GPS利用不可
- ランドマーク不在
- 地磁気利用不可
- 地図不足(月・火星探査は上空の衛星から撮影された衛星画像が使える)
- 傾斜の走破難
- スタック多

## 4. 通信を考える上で必要な要素
- 通信速度(遅延含む)
- 通信容量
- 通信範囲
- 通信方法(伝送路)

## 5. 調査結果
### ① はやぶさ2 - 小型ローバ(MINERVA-II, MASCOT)
https://www.jstage.jst.go.jp/article/jrsj/38/8/38_38_754/_pdf/-char/ja
- はやぶさ2に搭載された中継機「OME-E」を通じてテレメトリデータが送られる。
この通信速度は最大で32kbps。
※4G回線の速度は75Mbps〜100Mbps
- 通信可能距離は20km以上。
- X band とKa bandを併用した大規模通信技術を搭載
- はやぶさ2-地上間にの電波伝搬遅延は約40分程度
- 時分割での通信(キャリア波+変調)

**【問題】**
- **電力不足の影響で一時期通信が途絶えたことが問題。(その後復活したが)
永久陰に一度入ってしまうと、発電ができず通信が途絶えてしまう。**
- **日本の惑星探査機の伝送速度は先進諸国の惑星探査機より一桁以上小さい**
- **一つの周波数に格納するテレメーター数を増やすと、一つのテレメーターの通信周期が長くなりデータの遅延が発生する。**
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### ② 嫦娥計画(主に4号まで)
https://www.planetary.org/articles/0519-change-4-relay-satellite
- 中継衛星(ラグランジュ点周回)を介することで月の裏側との通信が可能に
- UHF帯通信を実装(Wi-fiみたいなもの)
- UTF帯通信でローバーからランダーに対しデータを伝送
- ローバーから衛星、ローバー→ランダー→衛星どちらも可能
- ローバーが月面探査をする際に、着陸機との距離が絶えず変化する。ローバーが異なる距離範囲内で発生させる信号の強度と情報の伝送量を最大化させるため、「四路可変レート伝送」の設計に取り組んでいる
- UHF帯受信機の四路可変レート伝送の機能は、自動車の四段変速の機能に似ており、切替実行の要求に基づき、高効率・省エネのデータ伝送を実現する

**【問題(通信関係なし)】**
**サンプルリターンの量が予定よりも少量となった**
(ドリルを使って穴を掘ったらしい)

【興味】
ローバーから衛星に送る方法とランダーを介したのは何故か？冗長性？


### ③ Mars sample return - Fetch Rover
- 毎日事前に探査ルートを自分で計画して、高度な自律走行によって、広い範囲を網羅しなければならない

【調査対象】
Fetch Roverの高度な自律走行はどのようなメカニズムで実装することを考えているのか？

## 6. ミッション案の例
- **永久影に入ってしまった場合、どのようにローバを永久影から抜けさせるか？**
【背景】
https://www.astroarts.co.jp/news/2012/06/21lro/index-j.shtml
・月の南極にあるシャックルトンクレーターには永久影が存在する
・シャックルトンクレーターには水の存在可能性が提唱されている
・月の南極における基地建設の動きが高まる中、クレーターの更なる調査が行われる可能性が高い
・直接的な調査が行われることになった場合、クレーターにローバーが落ち、通信が遮断される可能性があるため、永久影から抜けさせる、つまりクレーターから抜けさせる必要がある。
【ミッションシークエンス】- 非常用電源 / センサを準備し、位置を記録
① 電力のないローバーを事前に設置
② 他方のローバーが動けなくなったローバーを探索(レーザー&成分)
③ 動けなくなったローバーの座標を、自己位置、ローバーの向いている方向から同定

- **宇宙環境における自己位置を推定**
【背景】
・アルテミス計画により有人探査が現実視されていること。
・月面にネットワークを建設する動きが高まっていること。(ノキアとNASA)
【ミッションシークエンス】
① ローバー落下中にランドマークを複数放出する(最低3個)
② 放出速度と落下時間?からローバー中心を原点とする座標系におけるランドマークの位置を推定
orランドマークを5m四方に設置(オドメトリを使って距離を正確に)
③ 着陸後はランドマークとの通信にかかる時間からToF方式で自己位置を推定

## 7. ミッションの概要
**【ミッション】**
ランドマーク投下によるネットワーク構築により、永久影に落下したローバーの位置を同定する

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**【ミッション背景】**
2014年にC型小惑星リュウグウに飛ばされた宇宙探査機「はやぶさ2」のミッションにおいて、はやぶさ2に搭載されていた小型ローバー「MINERVA-II」が永久影に落ちてしまい、通信が途絶えてしまう問題が発生した。(ローバーが太陽光発電のため)
本問題を踏まえ、通信機能の使えなくなったローバーの位置を推定する手法を実現する。

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**【ミッション前提】**
- ロスト機はもともと通信機構を備えており、途中で通信が途絶えたことから、ロスト機の位置はある程度分かっているものとする。
- 簡単のため、今回はロスト機がクレーターに実際に落ちた状況を作らずず、同一平面上でロストしていることを考える。(Z成分なし)
- 本来はクレーターの場所まで走行が必要になるが、今回はその場でLRFを使ってロスト機の位置を推定することとする。

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**【ミッションシークエンス】**
① ランドマークを5m四方に設置
② ランドマークとの通信にかかる時間からToF方式で自己位置を推定
③ クレーター部分にレーザー光を照射し、ロスト機と思われる部分を推定
④ ローバーの座標+ローバーのセンサの角度・距離=ロスト機の座標


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**【考慮すべき要素】**
- ランドマークの設置方法
- ランドマークの座標推定方法
- ToF方式のセンサ
- スタック防止対策
- ロスト機の場所推定(LRF, 金属センサ)

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**【通信以外の方法でロスト機を検知】**

**[方法1] 光を当てて画像処理によりローバーを検出**
① ロスト機のあるであろう領域に光を照射
② ロスト機を画像処理で追従・ロスト機が中央に来るように回転
(ToFで最も近いランドマークを回転角の中心=0°とする?)
③ ロスト機までの距離・ローバーの角度からローバー・ロスト機間の相対ベクトルを算出
④ ロスト機の位置ベクトルを算出
(⑤ 算出した場所に向かって直進)

【必要な部品】
・測距センサ / ¥450
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-11009/

・ラズパイカメラ / ¥3,850
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-10518/

【問題点】
・オドメトリにおける初期値の設定方法がわからん
https://akizukidenshi.com/catalog/g/gM-11009/
・月面の永久影となるシャックルトンクレーターは3km以上の深さがあり、本手法は不可能...

【補足】
・CanSatにおいて光の照射は必要なし

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**[方法2] LRFを用いて位置推定**
① LRFで周囲の状況を分析
https://youtu.be/FnkB00LTtQY
上記の動画のように、センサを回転させることで周囲の状況を図化できる。
② ロスト機と思われる場所の距離・角度を計測
③ ロスト機の位置ベクトルを算出
(④ 算出された場所に向かって直進)

【必要な部品】
・tinyLiDAR ToFレンジファインダセンサ / ¥3,320

<img src="https://i.imgur.com/Ato5FCI.jpg" width="300px">

| 距離 | 重量 | 精度 |
|:------:|:------:|:----------:|
| max 2m | 約2.5g | mm単位で3% |

・tiny Lidarを回転させるもの？？

【問題点】
・センシングをした場合に草が認識されてしまうと面倒
・複数物体認識される場合、それがロスト機である保証が持てない
(金属の検知などを行えればいいが、近接センサの距離的に難しい?)
・シャックルトンクレーターの場合、3km以上の距離を測定できるLRFが必要になる...
・このセンサだと2mまでしか無理、、
→測距センサを回転させることで代用できないか？
・センサテック 透過型光電センサ

| 価格 | 測定可能距離 | 質量 | サイズ |
|:------:|:------------:|:----:|:------:|
| 1133円 | 8m | 6g | 3cm以下 |

https://www.sensatec.co.jp/products/detail.php?product_id=129&gclid=CjwKCAiAm-2BBhANEiwAe7eyFF6xgvm-crTvN38cCYNgMWZHQ-pqdNdD0t4--O0yrJ-20v9CpXAahxoCPSEQAvD_BwE

【補足】
・実際のクレーターで本手法を使用する場合、LRFを三次元的に動かす必要性あり

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**[方法3]音を用いて音源追従 **
① 非常用電源を搭載したロスト機から音声を出す
② ローバーで音源を推定

【問題点】
・そもそも宇宙空間で音が伝わる場所が少ない。伝わるとしても僅かな音量しか伝わらない
・非常用電源を電波出すために使用すればいいのじゃん！

**[方法4] 金属探知機を用いてロスト機を検知**
① ローバーが回転しながら金属探知機でロスト機を探知
② ロスト機を探知した場所までの距離・ローバーの回転角
③ ロスト機の位置を推定

【問題点】
金属探知機の探知できる距離がかなり短い

## 8. 他のアイデア
- 大規模通信技術について？(深宇宙探査)
- やっぱ無線送電だよな、、、

## 9. LRF(Laser Rangefinder)について

## 10. 現在の自己位置推定に関して(Dead Reckoning)
現在は
- Visual Odometry
- Wheel Odometry
- 慣性計測装置(IMU)

を併用している。

## 11. ハードウェアに関するアイデア(スタック対策)
- クローラ
- 弾性車輪

過去の慶応の例含む
4輪いいな。。
https://www.jstage.jst.go.jp/article/sicejl/52/6/52_515/_pdf