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  • 用來拯救以及回收衛星的機器人!

    行業資訊 | 時間: 2019-12-03 | 中國機器人網 劉眾楷 | 編譯:阿芬|瀏覽量:197

      當衛星破裂時(這常常令人驚訝),我們可能無能為力。它們變成昂貴而危險的漂浮物,在地球上空運行了好幾代或幾代人,直到重力最終將它們引向大氣中的火熱死亡。
     
      辛辛那提大學(University of Cincinnati)教授歐馬(Ou Ma)在他的智能機器人和自治系統實驗室中致力于工程機器人技術的研究,以修復軌道衛星。他設想機器人衛星可以與其他衛星對接進行維修或加油。
     
      歐馬說每次發射衛星都會出錯一百萬次。但是對于大多數故障來說,一旦衛星部署。據SpaceNews報道,一顆價值4億美元的Intelsat衛星在到達高橢圓軌道后,今年發生了故障,其大小相當于一輛小型校車。今年,SpaceX發射的前60顆Starlink衛星中的幾顆也發生了故障,但它們的低地球軌道旨在在短短幾年內消失。
     
      可能是有史以來最著名的衛星故障,發生在1990年,當時哈勃太空望遠鏡僅被部署用于NASA以了解其昂貴的鏡子被扭曲了。隨后在1993年奮進號航天飛機上進行的維修任務更換了鏡子,以提供令人驚訝的宇宙圖像。歐馬說,將人類送往太空進行衛星維修非常昂貴。航天飛機上的宇航員執行了隨后的四次哈勃服務任務,總耗資數十億美元。
     
      有故障的衛星困擾著從日本到俄羅斯的大多數國際太空計劃。問題不僅限于地球軌道。1999年,由于工程師在推進器軟件中使用磅而非公制牛頓,導致NASA軌道器墜入火星。推進器的發射力比預期的少四倍,航天器的軌道非常低。歐馬說,每次發射都無法修復衛星,這成為一個更加緊迫的問題。
     
      歐馬說:“大型商業衛星價格昂貴。它們耗盡燃料,發生故障或崩潰。” “他們希望能夠在那里進行修復,但是如今已經不可能了。”NASA希望改變這種狀況。該機構將于2022年發射一顆能夠為低地球軌道上的其他衛星加油的衛星。目標是攔截并為美國政府的衛星加油。美國宇航局說,名為Restore-L的項目有望為自主衛星維修提供概念證明。
     
      科羅拉多州一家名為Maxar的公司正在為該項目提供航天器基礎設施和機械臂。Maxar首席機器人專家約翰·萊默(John Lymer)說,大多數衛星都是因為耗盡了燃料而停止使用的,而不是因為嚴重故障。他說,單靠加油將為航空業帶來福音。
     
      他說:“您正在淘汰一顆質量很好的衛星,因為它的汽油已經用完了。”萊默說,他熟悉歐馬在他的智能機器人和自治系統實驗室中所做的工作。“與我合作多年的歐瑪(Ou Ma)致力于會合和鄰近組織。那里有各種各樣的技術解決方案。有些會比其他的要好。這是關于獲得操作經驗以找出誰的算法更好什么最大程度地降低了操作風險。”萊默(Lymer)表示,該行業已準備就緒,將為像加州大學(UC)的航空工程專業學生創造福音。他說:“我認為這是未來。我們將爬進它,而不是飛躍。”在歐馬的實驗室中,學生正在研究衛星需要與太空中其他衛星對接的自動導航。這是一項棘手的事情,因為零重力的意外碰撞會導致一輛或兩輛汽車翻滾。
     
    辛辛那提大學工程學教授歐馬(Ou Ma)正在研究衛星修復或補充太空中其他衛星所需的基本技術。
    圖片來源:Andrew Higley / UC Creative Services
     
      歐馬說:“很容易使它在太空中翻滾,因為沒有東西握住它。衛星變得更難抓。如果它開始翻滾,它基本上可以永遠翻滾。它不會自行停止。”他說,工程仿真可以預測目標衛星的動態行為,因此接近的衛星可以安全地捕獲目標衛星。他說:“我們擁有仿真工具,因此可以從那里準確預測其行為。”
     
      歐馬說:“在太空中抓東西確實很困難。要抓取那些在太空中翻滾的東西則更加困難。” “您必須非常小心地預測動態行為并執行精確的控制,以便可以'翻轉'衛星并輕輕地抓住它。”
     
    辛辛那提大學航空工程系的學生孫玉峰(Yufeng Sun)擁有一臺激光掃描儀,用于測量和渲染三維物體。
    圖片來源:Andrew Higley / UC Creative Services
     
      歐馬將遠程衛星導航與最新的無人駕駛汽車技術進行了比較。在他的實驗室中,學生使用鞋盒大小的機器人在看起來像冰球曲棍球臺上移動的機器人來測試這些算法。但這是像微型氣墊船一樣提供空氣緩沖以模仿太空微重力環境的機器人。
     
      博士候選人安德魯·巴特(Andrew Barth)解釋了它是如何工作的。他說:“目前,它基本上只是一個試驗臺。它具有一個范圍傳感器,攝像頭和一個慣性測量單元,在下面看不見。” “它與致動器和八個定向推進器一起移動,以將其推動在工作臺周圍。”Barth說,雖然僅限于在X和Y軸上移動,但是導航概念可以應用于三個維度。
     
      歐馬還在研究衛星進行遠程維修所需的復雜機器人技術。他的實驗室有幾個工業大小的機械臂,帶有七個關節,可以使它們進行全方位的運動。歐馬說,最有用的維修衛星將能夠完成多項任務。在他的職業生涯中,他從事過與國際空間站和以前的航天飛機計劃有關的機械手臂的各種項目。他的簽名飄浮在空間站上一臺設備上的軌道上。
     
      “這臺機器人將對算法和傳感器技術進行一些控制測試,”歐馬指出,他的實驗室中有一個人類大小的機器人手臂。“我們不是在模擬特定的任務,而是在未來的任務中使用經過測試的新技術。”Ma和UC的高級研究助理Anoop Sathyan在他的實驗室中,正在開發可以獨立工作但可以共同完成一項共同任務的機器人網絡。
     
    辛辛那提大學(University of Cincinnati)正在研究使機器人獨立運行但可以協作完成任務的方法。
    圖片來源:Andrew Higley / UC Creative Services
     
      對于他們的最新研究,Ma和Sathyan通過一個新穎的游戲對一組機器人進行了測試,該游戲使用字符串將附加的令牌移動到桌子上的指定位置。由于每個機器人僅控制一根繩子,因此他們需要其他機器人的配合,以通過響應于每個機器人的動作增加或放松繩子上的張力來將令牌移動到正確的位置。
     
      使用稱為遺傳模糊邏輯的人工智能,研究人員能夠獲得三個機器人,然后再獲得五個機器人將令牌移動到研究人員想要的位置。他們的結果發表在本月的《機器人雜志》上。研究人員發現,通過使用五個機器人,即使其中一個機器人發生故障,集體也可以完成任務。研究人員總結說:“對于數量眾多的機器人,尤其是單個機器人的責任較低的問題,尤其如此。”
     
      在他的大部分職業生涯中,歐馬一直對太空感興趣。在新墨西哥州立大學,他設計了模仿低重力的機械線束。戴著安全帶的學生可以在地球重力的六分之一的跑步機上“跳動”,或者在籃球場上制作高高的扣籃。
     
      歐馬說,由于失敗的高昂費用,在太空中固定衛星已成為航空業越來越重要的優先事項。歐馬說:“還不是很實用。這項技術仍在開發中。” “但是我預想,在技術成熟的五到十年內,他們將開始商業化該技術以固定衛星。”美國國防高級研究計劃局前項目經理戈登·羅斯勒(Gordon Roesler)告訴《天文學》雜志,一旦衛星發射就無法修理或修改,從經濟上講是沒有道理的。他說:“沒有其他[例子],我們建造的東西價值達五億美元或十億美元,一旦失誤再也看不到了。”公司將不得不考慮到遠程維修或服務來制造衛星。如今,大多數衛星都太脆弱了,以至于無法遠程遙控而不會造成損壞。
     
      巴爾特說:“即使您愿意,今天也無法維修太多衛星。新衛星將需要通行門以適應基本維修和對接目標,以幫助進場。”時間就是生命。唐納德·凱斯勒(Donald Kessler)提出的理論認為,隨著每次發射和每顆失敗的衛星,近地軌道都將接近凱斯勒效應,正如理論小說中的2013年奧斯卡金像獎影片《重力》所描述的那樣,衛星碰撞可能產生一系列碎片,從而阻礙了未來發射的安全性。”
     
      歐馬說:“考慮一下這些物體的速度。我們不是在談論高速公路的速度,甚至不是飛機的速度。它們以每小時17,000英里的速度行駛。”歐馬說,太空是由政府機構主導的領域,以進行探索和發現。但是,這個領域正處于商業化的風口浪尖,這為想要追求的畢業生提供了許多航空航天工程工作。
     
      他說:“最終,太空商業化將是一個大產業。”他的研究有助于推動知識前沿,為未來的太空項目鋪平道路。
     
      歐馬說:“我們沒有在開發整個任務。我們正在開發底層技術。” “一旦這項技術得到驗證,NASA或商業公司將把它帶到下一步。”在尼爾·阿姆斯特朗(Neil Armstrong)擔任航空工程學教授的大學里,第一步可能很重要。

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