The ReSWARM Microgravity Flight Experiments: Planning, Control, and Model Estimation for On-Orbit Close Proximity Operations

要約

軌道上での近接運用には、ロボットによる宇宙船の操縦と、軌道上での組み立て、修理、宇宙飛行士の支援など、自律性が求められるますます多くのミッションシナリオに応じた意思決定が含まれます。
これらのシナリオのうち、軌道上での組み立ては、より小さなビルディングブロックモジュールを使用して、その場で大規模な宇宙構造物を構築できるようにする実現技術です。
しかし、軌道上でロボットを組み立てるには、システムモデルの変更など多くの技術的ハードルが伴います。
たとえば、自由飛行の「組み立て」ロボットによって動かされるモジュールを掴んで動かすと、システムの慣性特性に大きな変化が生じる可能性があり、自律スタックの動作計画や制御部分に連鎖的な影響を及ぼします。
さらに、軌道上での組み立てやその他のシナリオでは、特に複数の組み立てロボットや構造物の「建設現場」シナリオで動作する場合、衝突を回避する動作計画が必要です。
これらの複雑な要因は、自律型微小重力ロボットの多くのユースケースに関連しており、NASA の Astrobee ロボットを使用した国際宇宙ステーションでの一連のテストとしての ReSWARM 飛行実験で取り組まれています。
RELative Satellite sWarming and Robotic Maneuvering (ReSWARM) は、近接運用と軌道上での組み立てのための複数の主要テクノロジーを実証します。 (1) システムのダイナミクスを考慮したオフラインおよびオンラインのサンプリング ベースのプランナー オプションを使用して達成される、地球規模の長期計画。
(2) 最近提案された RATTLE 情報認識計画フレームワークを使用した、軌道上再構成モデ​​ルの学習。
(3) 現在のシステム知識を使用して低レベルの制御の堅牢性を提供する堅牢な制御ツール。
これらのアプローチは個別に、また軌道上でマルチウェイポイントを追跡する「軌道上組み立てシナリオ」で詳しく説明されています。
さらに、ハードウェア実装の実用性と、微小重力環境で Astrobee を操作する際のユニークな側面について詳しく説明します。

要約(オリジナル)

On-orbit close proximity operations involve robotic spacecraft maneuvering and making decisions for a growing number of mission scenarios demanding autonomy, including on-orbit assembly, repair, and astronaut assistance. Of these scenarios, on-orbit assembly is an enabling technology that will allow large space structures to be built in-situ, using smaller building block modules. However, robotic on-orbit assembly involves a number of technical hurdles such as changing system models. For instance, grappled modules moved by a free-flying ‘assembler’ robot can cause significant shifts in system inertial properties, which has cascading impacts on motion planning and control portions of the autonomy stack. Further, on-orbit assembly and other scenarios require collision-avoiding motion planning, particularly when operating in a ‘construction site’ scenario of multiple assembler robots and structures. These complicating factors, relevant to many autonomous microgravity robotics use cases, are tackled in the ReSWARM flight experiments as a set of tests on the International Space Station using NASA’s Astrobee robots. RElative Satellite sWarming and Robotic Maneuvering, or ReSWARM, demonstrates multiple key technologies for close proximity operations and on-orbit assembly: (1) global long-horizon planning, accomplished using offline and online sampling-based planner options that consider the system dynamics; (2) on-orbit reconfiguration model learning, using the recently-proposed RATTLE information-aware planning framework; and (3) robust control tools to provide low-level control robustness using current system knowledge. These approaches are detailed individually and in an ‘on-orbit assembly scenario’ of multi-waypoint tracking on-orbit. Additionally, detail is provided discussing the practicalities of hardware implementation and unique aspects of working with Astrobee in microgravity.

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