В 2002 году Европейское космическое агентство запустило Envisat, крупнейший гражданский спутник (на тот момент), выведенный на низкую околоземную орбиту (НОО). В течение десяти лет он наблюдал за нашей планетой и присылал ценные данные о климате Земли, отслеживая сокращение арктического морского льда и многое другое, пока в 2012 году не стало темно. Одна из распространенных теорий его гибели заключается в том, что у него просто закончилось топливо. . По мере того, как НОО становится все более переполненным, Envisat представляет собой пример размером со школьный автобус растущей проблемной области в космической сфере: орбитальный мусор и постоянно растущий риск срыва активных спутниковых миссий, которые могут привести к результатам, варьирующимся от неудобных до катастрофических для современного общества.

Но как догнать несговорчивый объект, кувыркающийся в пространстве быстрее летящей пули? Международное исследовательское сотрудничество между Массачусетским технологическим институтом и Немецким космическим агентством (DLR) завершило серию экспериментов на борту Международной космической станции (МКС), которые осветили возможный путь решения этого вопроса.

«Если бы мы могли дозаправить или отремонтировать эти кувыркающиеся тела, которые в остальном функционируют, это было бы очень полезно для уменьшения орбитального мусора, если мы сможем его догнать. точно знать, как движется ваша цель», — говорит Кинан Олби SM ’19, доктор философии. кандидат аэронавтики и космонавтики, помогавший руководить проектом. «Мы собрали набор алгоритмов, которые выясняют, как падает цель, а затем, наряду с другими инструментами, которые позволяют нам учитывать неопределенность, мы можем составить план, как добраться до цели, несмотря на падение».

Чтобы протестировать свои алгоритмы в условиях микрогравитации, команда использовала роботов НАСА Astrobee на борту МКС в качестве испытательного стенда.

Astrobee — это команда из трех роботов кубической формы, которые помогают астронавтам выполнять рутинные задачи либо автономно, либо с помощью дистанционного управления , например проводить инвентаризацию, документировать эксперименты или перемещать грузы, используя двигательную установку с электрическим вентилятором, а также встроенные камеры и датчики для перемещения по станции и выполнения своих задач.

Первый раунд экспериментов по микрогравитации на борту МКС в июне 2021 года проверил этот набор алгоритмов как по отдельности, так и вместе, чтобы обеспечить успешное автономное сближение робота Chaser Astrobee с кувыркающимся Astrobee Target, которые были улучшены и снова протестированы в успешная вторая сессия в феврале 2022 года.

В проектную группу Массачусетского технологического института входят исследователи из Лаборатории космических систем (SSL) и Лаборатории астродинамики, космической робототехники и управления (ARCLab), в том числе Олби, Чарльз Острейх SM ’21, и главный исследователь Ричард Линарес, профессор Boeing по развитию карьеры в области аэронавтики. и космонавтики. В команду DLR входят главный исследователь Роберто Лампарелло, аспирант Кэролайн Шпехт и аспирант Ришик Мишра.

Проект TumbleDock/ROAM

Во-первых, исследовательские группы Массачусетского технологического института и DLR определили ряд алгоритмов, включая одновременную локализацию и картографирование (SLAM), идентификацию системы, онлайн-планирование движения и управление с прогнозированием моделей для тестирования на автономных роботах и ​​программной платформе Astrobee для обеспечения автономного рандеву. Затем они работали над разработкой программного и аппаратного обеспечения, необходимого для экспериментов на платформе Astrobee. Программное обеспечение для полетов Astrobee с открытым исходным кодом, разработанное NASA Ames, было дополнено тестовым интерфейсом MIT, пакетом приложений Astrobee Science, чтобы позволить проводить эксперименты с автономией на низком уровне. Проект TumbleDock/ROAM был первым из серии совместных исследований SSL/ARCLab, в которых этот интерфейс использовался для тестирования алгоритмов на орбите.

Работая в диспетчерской кампуса Массачусетского технологического института, команда руководила первым этапом испытаний в условиях микрогравитации с помощью Astrobee. Один Astrobee служил «Преследователем» с целью выполнить автономное рандеву с другим Astrobee, выступающим в роли кувыркающейся «Цели». Используя данные камер Astrobee, лидарных датчиков и бортового инерциального измерительного устройства, наблюдатель Chaser разработал модель движения и инерционных свойств кувыркающейся Цели, которая затем использовалась для оптимизации траектории на основе нелинейного программирования для достижения «точки сопряжения», зафиксированной в рамка вращающейся мишени. Эта траектория затем отслеживалась с помощью надежного прогнозирующего управления моделью. Результат: удачная встреча.

После первого раунда тестирования команда продолжила совершенствовать свое программное обеспечение на основе уроков, извлеченных из работы на реальном испытательном стенде. По словам студентов, наблюдение за тем, как их эксперимент работает на реальном испытательном стенде, а не в симуляции, меняет правила игры.

«Я думаю, что для молодых робототехников и инженеров очень важно на самом деле запачкать руки физической системой, потому что вы видите реальное взаимодействие между телами в полевых условиях и получаете новое понимание параметров, которые вы, возможно, не считали важными, но требуют обильного изучения. объем тюнинга», — говорит Шпехт. «Вычислить математику и смоделировать ее — это одно, но на самом деле поместить ее в реальную систему и увидеть, как это работает в реальном мире, — это совершенно другой опыт, который открывает перед вами множество разных возможностей».

После первого сеанса испытаний команда TumbleDock/ROAM тесно сотрудничала с НАСА и DLR, чтобы внести дальнейшие улучшения в свою систему. DLR разработала улучшения для системы локализации Astrobee по умолчанию, которые дополнили дополнительные обновления, созданные командой NASA Ames, при этом MIT продолжает работу над системной интеграцией и другими изменениями алгоритмов. На заключительном тестовом сеансе в феврале 2022 года были проверены эти улучшения в оценке ориентации цели, безопасном отслеживании плана движения до цели с гарантиями надежности и работе с развивающейся системой локализации Astrobee, что привело к ряду успешных маневров сближения с различными планами движения. .

«Поскольку Astrobee — такая новая система, у нас было гораздо больше возможностей для более тесного сотрудничества с инженерами NASA Ames на протяжении всего процесса, чем в противном случае», — говорит Острайх. «У нас было несколько уникальных вариантов использования их системы, поэтому было интересно работать вместе и объединить всех в одном цикле».

Тесная совместная работа над этим проектом также принесла пользу агентству. НАСА использовало часть данных из своего проекта для улучшения системы локализации базы Astrobee, а также внесло изменения в программное обеспечение кода полета, предоставив важные входные данные для автономного конвейера рандеву, который будет продолжать приносить пользу всем будущим пользователям Astrobee.

Передача факела

Системе роботов НАСА Astrobee предшествуют SPHERES (синхронизированные экспериментальные спутники удержания положения, включения, переориентации), небольшие программируемые зонды, впервые задуманные студентами Массачусетского технологического института и доработанные MIT SSL. Спутники SPHERES были запущены в 2006 году и эксплуатировались SSL и НАСА под руководством профессоров Дэвида Миллера и Альвара Саенс-Отеро до 31 декабря 2019 года, когда Astrobee стал единственным испытательным стендом робототехники в условиях микрогравитации на борту МКС. ROAM, или относительные операции для автономных маневров, стал основой для исследовательских проектов SSL, которые были сосредоточены на разработке систем для поддержки операций сближения со спутниками, и является частью одноименной проектной группы TumbleDock/ROAM.

«Наш проект добился многократных успехов на орбите как для Массачусетского технологического института, так и для Astrobee, что действительно захватывающе», — говорит Олби. «Мы были первой полезной нагрузкой Astrobee, которая выполняла одновременное комплексное управление несколькими роботами, и первой, кто выполнил низкоуровневое планирование и исследование автономии управления с использованием системы Astrobee. Это также был первый раз, когда SSL управлял полезной нагрузкой МКС напрямую и в режиме реального времени. из кампуса Массачусетского технологического института».

Помимо создания систем, исследовательские группы Массачусетского технологического института и DLR совместно работали над эксплуатацией, экспериментами и тестированием, используя работу, проделанную ранее в SPHERES, чтобы включить это новое приложение в Astrobee. Когда Лампариелло впервые встретился с Дэвидом Миллером, профессором Джерома С. Хансакера и бывшим директором SSL в Массачусетском технологическом институте, он предложил исследовательский проект для проверки его программного обеспечения для планирования движения кувыркающихся целей в системе SPHERES. Это первоначальное сотрудничество в конечном итоге привело к проекту TumbleDock/ROAM на Astrobee.

«Этот проект объединяет работу моей лаборатории по планированию движения и работу по восприятию, разработанную Массачусетским технологическим институтом. Вместе мы работали над разработкой элементов управления, необходимых для тестирования оборудования», — говорит Лампариелло. «К тому времени, когда мы провели испытания на борту МКС, у нас был целый набор функций — восприятие, предсказание движения, планирование и контроль — для демонстрации на платформе Astrobee».

По словам Эстрайха, проект TumbleDock/ROAM основан не только на знаниях и сотрудничестве SPHERES, но и на наследии поколений дипломированных работ в области SSL, которые были до них.

«Алгоритмы SLAM и оценки цели, которые помогают на начальном этапе выяснить, как кувыркается цель, были разработаны аспирантами SSL и теперь передаются из поколения в поколение», — говорит Острайх. «Было интересно наблюдать, как за последние восемь лет он развивался от диссертации к диссертации, поскольку каждый человек работал над дальнейшим развитием своих возможностей, и было здорово иметь возможность реализовать его на новом оборудовании, таком как Astrobee».

В процессе построения и усовершенствования своего эксперимента Astrobee они обнаружили, что разработанный ими интерфейс можно адаптировать и перепрофилировать для других исследований. Забегая вперед, команда TumbleDock/ROAM надеется сделать Astrobee столь же полезным для других исследователей, как SPHERES для них. Команда уже провела еще один набор экспериментов, RElative Satellite sWArming and Robotic Maneuvering (ReSWARM) в сотрудничестве с Космическим центром KTH в Швеции и IST в Лиссабонском университете в Португалии. Эксперименты ReSWARM успешно продемонстрировали различные алгоритмы, связанные со сборкой и обслуживанием на орбите, в том числе планирование движения с учетом информации и распределенное прогнозирующее управление группами роботов в условиях микрогравитации. Хотя Массачусетский технологический институт в настоящее время является одним из самых активных пользователей платформы Astrobee.