摘要:零重力环境十分奇特。我们大多数人很难真正想象出在太空任务中所经历的那种失重环境,而且航天器内部加压大气环境与真空环境之间也存在差异。哪怕是最微小的变量都可能对事物产生影响。为了更好地理解各种效应,必须研制出专门的设备。
通过打造地面机器人助力太空探索。在最新一期的《树莓派官方杂志》中,Rob Zwetsloot深入探究了这一前沿领域。
零重力环境十分奇特。我们大多数人很难真正想象出在太空任务中所经历的那种失重环境,而且航天器内部加压大气环境与真空环境之间也存在差异。哪怕是最微小的变量都可能对事物产生影响。为了更好地理解各种效应,必须研制出专门的设备。
整体构造的平台宛如一套奇特的K'Nex积木
SpaceR 团队的Barış Can Yalçin告诉我们:“零重力实验室是专门设计来模拟航天器交会、对接、捕获和航天器之间的其他交互等场景的。“它配备了先进的基础设施,包括类似太空的照明条件,动作捕捉系统,环氧树脂地板,安装的机器人轨道,以及集成机载计算机和大型实体模型的能力。这些功能使研究人员能够为独特的轨道场景进行广泛的实验,允许与集成硬件和预建模软件组件的机器人进行混合仿真。该设施可以实时操作,并可以准确地模拟轨道机器人场景。”
SpaceR官网:https://www.spacer.lu/
填补需求空白
太空产业规模依然庞大,建造此类实验室是为了确保太空任务的安全与可靠。
Barış表示:“轨道服务、组装与制造(OSAM)、主动太空碎片清除(ADR)以及小行星采矿(AM)在科研和商业领域正变得愈发重要。地球轨道上充斥着老旧的太空资产,而未来几年计划中的太空任务数量预计将急剧增加。此外,未来十年还计划在地球轨道上建立多个空间站和大型结构,这些设施将部分在太空中组装和/或制造。这些活动需要更高程度的自主性和紧密交互。为确保在轨操作的安全、可靠,在发射任务前,必须在地面验证和确认制导、导航与控制(GNC)算法。因此,开发有效的实验装置来测试这些算法的需求日益增长。正因如此,在学术界和工业界,许多机构都已开发并频繁使用悬浮平台来模拟轨道机器人场景。”
树莓派助力平台控制与机器人通信
在此场景中,树莓派能发挥什么作用呢?它体积小巧、成本低廉,且拥有庞大的支持群体和良好的兼容性,再加上树莓派可与ROS(机器人操作系统)配合使用,使其能够在此类项目中承担众多功能。图像处理、数据分析、控制算法、无线连接等功能,使树莓派成为此类系统原型开发和嵌入式应用的理想之选。
ROS:https://www.ros.org/
简易搭建
简单来说,该系统的工作原理类似于气垫曲棍球桌。悬浮平台配备“气垫轴承”,使其像气垫船一样略微悬浮于地面之上,并且平台配备了一系列喷嘴,可实现三自由度(DoF)运动——能够沿X轴和Y轴移动,并绕Z轴旋转。要实现这一功能,平台必须足够轻便。
实验中机器人协同工作的可视化展示
Barış解释道:“悬浮平台采用轻质碳纤维材料进行增材制造,这有助于延长实验持续时间,从而能够在零重力实验室中模拟复杂场景。悬浮平台越轻,消耗的压缩空气就越少。此外,悬浮平台采用模块化设计,中间和上层的板件易于拆卸,还可用于携带各种仿真场景所需的设备。其类似绳索的拓扑结构为安装多个组件提供了充足空间。3D打印的支撑件可轻松集成到绳索结构中,从而能够组装额外的设备,如碎片清除系统、碎片模型、加油或对接模型、传感器等。每块板的直径为60厘米,板间距离可调,这为容纳不同类型的设备提供了灵活性,使平台在各种应用中具有高度的通用性。”
成功启用
好消息是,悬浮平台按预期运行良好。
开展实验和测试的实验室
Barış 透露:“从实验过程中收集的数值结果来看,我们确认采用树莓派的悬浮平台适用于模拟在轨场景。零重力实验室的悬浮平台已成功实现软件在环(SIL)和硬件在环(HIL)功能。已利用零重力实验室的悬浮平台开展了多项针对特定任务的原理验证测试,如交会对接、在轨交互、着陆等。”
也许未来会有搭载树莓派的机器人在此接受测试?唯有时间能给出答案。
快速了解
该设计的部分内容已申请专利。
平台与实验室内的其他机器人进行通信。
通信通过ROS实现。
电磁阀控制压力,最大可达10 bar。
压力调节器有助于控制外部压缩空气源。
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来源:上海晶珩