Tecnologia Científica

Experimentos da ISS para encontrar soluções para limpar detritos orbitais e reparar satélites danificados
Astrobee é uma equipe de três robôs em forma de cubo que ajudam os astronautas a realizar tarefas rotineiras de forma autônoma ou por controle remoto , como fazer inventário, documentar experimentos ou mover carga...
Por Sara Cody - 28/02/2022


Astrobee é uma equipe de robôs voadores em forma de cubo que ajudam os astronautas a realizar tarefas rotineiras de forma autônoma ou por controle remoto. Uma colaboração internacional de pesquisa entre pesquisadores do MIT e da Agência Espacial Alemã usou essa plataforma para testar um conjunto de algoritmos para permitir um encontro com um alvo em queda. Crédito: Instituto de Tecnologia de Massachusetts

Em 2002, a Agência Espacial Européia lançou o Envisat, o maior satélite civil (na época) a ir para a órbita baixa da Terra (LEO). Por uma década, ele observou nosso planeta e enviou dados valiosos sobre o clima da Terra, rastreando o declínio do gelo marinho do Ártico e muito mais, até escurecer em 2012. Uma das teorias predominantes para seu desaparecimento é que simplesmente ficou sem combustível . À medida que a LEO se torna mais lotada, o Envisat é um exemplo do tamanho de um ônibus escolar de uma área crescente de preocupação no domínio espacial: detritos orbitais e o risco cada vez maior de interromper missões de satélite ativas que produziriam resultados que variam de inconvenientes a catastróficos para a sociedade moderna .

Mas como você alcança um objeto não cooperativo caindo no espaço mais rápido do que uma bala em alta velocidade? Uma colaboração de pesquisa internacional entre o MIT e a Agência Espacial Alemã (DLR) completou uma série de experimentos a bordo da Estação Espacial Internacional (ISS) que iluminou um possível caminho a seguir para ajudar a resolver essa questão.

"Se pudéssemos reabastecer ou reparar esses corpos em queda que são funcionais, seria muito útil para a redução de detritos orbitais, desde que possamos alcançá-los. Mas um encontro de proximidade é difícil de fazer se você não fizer isso. saber exatamente como seu alvo está se movendo", diz Keenan Albee SM '19, Ph.D. candidato em aeronáutica e astronáutica que ajudou a liderar o projeto. “Nós montamos um conjunto de algoritmos que descobrem como o alvo está caindo e, junto com outras ferramentas que nos permitem levar em conta a incerteza, podemos produzir um plano para nos levar ao alvo, apesar da queda”.

Para testar seus algoritmos em microgravidade, a equipe usou os robôs Astrobee da NASA a bordo da ISS como banco de testes . Astrobee é uma equipe de três robôs em forma de cubo que ajudam os astronautas a realizar tarefas rotineiras de forma autônoma ou por controle remoto , como fazer inventário, documentar experimentos ou mover carga, usando seu sistema de propulsão de ventilador elétrico, bem como suas câmeras embutidas e sensores para se deslocarem pela estação e realizarem as suas tarefas. A primeira rodada de experimentos de microgravidade a bordo da ISS em junho de 2021 testou esse conjunto de algoritmos individualmente e em conjunto para permitir um encontro autônomo bem-sucedido de um robô Astrobee "Chaser" com um Astrobee "Target" em queda, que foram aprimorados e testados novamente em uma segunda sessão bem-sucedida em fevereiro de 2022.

A equipe do projeto do MIT é composta por pesquisadores do Laboratório de Sistemas Espaciais (SSL) e do Laboratório de Astrodinâmica, Robótica e Controles Espaciais (ARCLab), incluindo Albee, Charles Oestreich SM '21 e o investigador principal Richard Linares, Professor de Desenvolvimento de Carreira da Boeing em Aeronáutica e Astronáutica. A equipe do DLR inclui o investigador principal Roberto Lampariello, a estudante de pós-graduação Caroline Specht e o estudante de pós-graduação Hrishik Mishra.

Para testar o conjunto de algoritmos selecionados pela equipe TumbleDock/ROAM, primeiro
o robô “Chaser” Astrobee (amarelo) observa o movimento de um robô “Target” em queda
(azul) usando sua câmera de tempo de voo. Usando dados coletados de suas câmeras,
sensores lidar e unidade de medição inercial a bordo, o Chaser desenvolve um modelo do
estado do Target. A partir daí, o Chaser criará uma trajetória a seguir, corrigindo erros de
referência usando um controle robusto. Uma vez que a trajetória é completada, o robô
Chaser atinge um “ponto de acasalamento” com o robô Target. O resultado: um encontro
bem sucedido. Crédito: Imagem de fundo cortesia da NASA. Ilustração do MIT AeroAstro

O projeto TumbleDock/ROAM
 
Primeiro, as equipes de pesquisa do MIT e DLR identificaram uma série de algoritmos, incluindo localização e mapeamento simultâneos (SLAM), identificação do sistema, planejamento de movimento on-line e controle preditivo de modelo para testar nos robôs autônomos e na plataforma de software do Astrobee para permitir o encontro autônomo. Em seguida, eles trabalharam para desenvolver o software e o hardware necessários para experimentar na plataforma Astrobee. O software de voo de código aberto do Astrobee, desenvolvido pela NASA Ames, foi aprimorado com a interface de teste do MIT, o Astrobee Science Application Package, para permitir experimentos de autonomia de baixo nível. O projeto TumbleDock/ROAM foi o primeiro de uma série de colaborações de pesquisa do SSL/ARCLab a usar essa interface para testes de algoritmos em órbita.

Trabalhando em uma sala de controle do campus do MIT, a equipe comandou a primeira rodada de testes de microgravidade com o Astrobee. Um Astrobee serviu como o "Chaser", com o objetivo de realizar um encontro autônomo com outro Astrobee atuando como o "Alvo" em queda. Usando dados das câmeras do Astrobee, sensores lidar e unidade de medição inercial a bordo, o Chaser observador desenvolveu um modelo do movimento e das propriedades inerciais do alvo em queda, que então informou uma otimização de trajetória baseada em programação não linear para alcançar um "ponto de acasalamento", fixado em o quadro do alvo rotativo. Essa trajetória foi então rastreada usando controle preditivo de modelo robusto. O resultado: um encontro bem sucedido.

Após a primeira rodada de testes, a equipe continuou a refinar seu software com base nas lições aprendidas ao ver seu trabalho operando em um banco de testes real. De acordo com os alunos, ver seu experimento operar em um banco de testes real, em vez de uma simulação, é um divisor de águas.

"Eu acho que é muito importante para os jovens robóticos e engenheiros realmente sujarem as mãos em um sistema físico, porque você vê as interações reais entre os corpos no campo e ganha uma nova compreensão sobre parâmetros que você pode não ter pensado que eram importantes, mas exigem muito quantidades de afinação", diz Specht. “Trabalhar a matemática e simulá-la é uma coisa, mas realmente colocá-la em um sistema real e ver como isso funciona no mundo real é uma experiência completamente diferente, e abre sua mente para muitas possibilidades diferentes”.

Após a primeira sessão de teste, a equipe TumbleDock/ROAM trabalhou em estreita colaboração com a NASA e a DLR para fazer mais melhorias em seu sistema. A DLR desenvolveu aprimoramentos no sistema de localização padrão do Astrobee que complementaram atualizações adicionais criadas pela equipe da NASA Ames, com o MIT continuando o trabalho na integração do sistema e outras revisões de algoritmo. A sessão de teste final em fevereiro de 2022 colocou essas melhorias na estimativa da orientação do alvo, rastreando com segurança o plano de movimento para o alvo com garantias de robustez e trabalhando com o sistema de localização amadurecido do Astrobee para o teste, produzindo várias manobras de encontro bem-sucedidas com diferentes planos de movimento .

“Como o Astrobee é um sistema tão novo, tivemos muito mais oportunidades de colaborar mais de perto com os engenheiros da NASA Ames durante todo o processo do que teríamos de outra forma”, diz Oestreich. "Tivemos alguns casos de uso únicos para o sistema deles, então foi um desafio interessante trabalhar juntos e colocar todos no mesmo ciclo."

Trabalhar em conjunto neste projeto também trouxe benefícios para a agência. A NASA usou partes de dados de seu projeto para melhorar o sistema de localização de base Astrobee e também incorporou alterações no software de código de voo, fornecendo entradas cruciais para o pipeline de encontro autônomo que continuará a beneficiar todos os futuros usuários do Astrobee.

Passando a tocha

O sistema de robôs Astrobee da NASA é precedido por SPHERES (Synchronized Position Hold, Engage, Reorient Experimental Satellites), pequenas sondas programáveis ​​concebidas primeiramente por estudantes do MIT e desenvolvidas posteriormente pelo MIT SSL. Os satélites SPHERES foram lançados em 2006 e foram operados pela SSL e pela NASA sob os professores David Miller e Alvar Saenz-Otero até 31 de dezembro de 2019, quando o Astrobee assumiu como o único banco de testes de robótica de microgravidade a bordo da ISS. ROAM, ou Relative Operations for Autonomous Maneuvers, tornou-se o guarda-chuva para projetos de pesquisa SSL que se concentravam no desenvolvimento de sistemas para apoiar operações de proximidade de satélite e faz parte do homônimo da equipe do projeto TumbleDock/ROAM.

Antes que a equipe TumbleDock/ROAM comandasse seu experimento a bordo
da ISS da Terra, eles realizaram manobras de encontro em simulação.
Crédito: Instituto de Tecnologia de Massachusetts

"Nosso projeto alcançou várias estreias em órbita tanto para o MIT quanto para o Astrobee, o que é realmente emocionante", diz Albee. "Fomos a primeira carga útil do Astrobee a realizar controle complexo simultâneo de vários robôs e os primeiros a realizar planejamento de baixo nível e pesquisa de autonomia de controle usando o sistema Astrobee. Também foi a primeira vez que o SSL comandou uma carga útil da ISS diretamente e em tempo real do campus do MIT."

Além de construir os sistemas, as equipes de pesquisa do MIT e do DLR colaboraram em operações, experimentos e testes, aproveitando o trabalho feito anteriormente no SPHERES para habilitar esse novo aplicativo com o Astrobee. Quando Lampariello conheceu David Miller, o professor Jerome C. Hunsaker e ex-diretor do SSL no MIT, ele propôs um projeto de pesquisa para testar seu software de planejamento de movimento para alvos rolantes no sistema SPHERES. Essa colaboração inicial acabou levando ao projeto TumbleDock/ROAM no Astrobee.

"Este projeto reúne o trabalho que meu laboratório fez em planejamento de movimento e o trabalho de percepção que o MIT desenvolveu. Juntos, todos trabalhamos para desenvolver os controles necessários para testar o hardware", diz Lampariello. "No momento em que executamos os testes a bordo da ISS, tínhamos todo um pipeline de funcionalidades - percepção, previsão de movimento, planejamento e controle - para demonstrar na plataforma Astrobee."

De acordo com Oestreich, o projeto TumbleDock/ROAM não apenas se baseia em uma base de conhecimento e colaboração da SPHERES, mas também em um legado de gerações de trabalhos de pós-graduação em SSL que vieram antes deles.

“Os algoritmos de estimativa de SLAM e alvo, que ajudam no estágio inicial de descobrir como o alvo está caindo, foram desenvolvidos por estudantes de pós-graduação em SSL e foram transmitidos por gerações de nós agora”, diz Oestreich. "Foi interessante ver como ele evoluiu nos últimos oito anos de tese em tese, à medida que cada pessoa trabalhou para aprimorar ainda mais suas capacidades, e foi legal poder implementá-lo em um novo hardware como o Astrobee."

No processo de construção e refinamento de seu experimento Astrobee, eles descobriram que a interface que desenvolveram poderia ser adaptada e reaproveitada para outras investigações. Olhando para o futuro, a equipe do TumbleDock/ROAM espera tornar o Astrobee tão útil para outros pesquisadores quanto o SPHERES foi para eles. A equipa já executou outro conjunto de experiências, o RElative Satellite sWArming and Robotic Maneuvering (ReSWARM), em colaboração com o Centro Espacial KTH na Suécia e o IST da Universidade de Lisboa em Portugal. Os experimentos ReSWARM demonstraram com sucesso uma variedade de algoritmos relacionados à montagem e manutenção em órbita, incluindo planejamento de movimento com reconhecimento de informações e controle preditivo de modelo distribuído de equipes de robôs de microgravidade. Embora o MIT seja atualmente um dos usuários mais prolíficos da plataforma Astrobee.

 

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