Mechatronics: Modern Uzayflight'in Unseen Altyapısı

Dünya'ya yönelik bir kameranın reaksiyon tekerlekleri ve magnetorque çubukları üzerine dayandığı her uydu - bu, ark-ikinci hassasiyetle stabilize eder.Uluslararası Uzay İstasyonu, bir düzineden fazla robot manipülatörü tarafından korunur ve tüm sıkı bir deney rafları, sensörler ve gömülü kontrol sistemlerine bağlı olarak çalışır.

En basitinde, uzayda bir mekatronik sistem, aşırı sıcaklıklar, vakum, iyonize radyasyon ve mikroskobik tozlar ile bunu titiz bir bileşen seçimi, reddans ve hata-tolerant yazılımlar ile elde etmek için genellikle "akıllı yapılar" olarak tarif edilmelidir çünkü bu füzyonun tek bir dağıtılmış bir ağ haline getirilmesi ve elektriksel bir şekilde tanımlanması gerekir.

Uzaydaki mechatronics kapsamı genişliyor. Her işlev için erken uzay aracı ayrı kutular kullanıyor, modern tasarımlar motor sürücüleri, sensör arayüzleri entegre ediyor ve tek yönetim kurulunda radyasyon-hardt FPGA'lar çalıştırmaya devam ediyor. Bu konsolidasyon, kitlesel, taksileme ve bağlantı hataları - en yaygın görev anomalilerinin üç tanesi daha ticari ve daha rutin hale geliyor, güvenilir, maliyet-tamama alt sistemleri teslim etmek için baskı asla daha yüksek olmamıştı.

Uzay Mechatronics'in Temel Yapı Blokları

Voidleri Hayatta Kalmayı başaran Sensörler

Uzaylı sensörler, zemindeki ısınıcı hızlara katılmalıdır - 150 °C'den 200 °C'ye kadar taytlı yüzeyler ve kozmik ışınların sürekli bombalayıcıları kullanılarak sürekli olarak bombalanabilir. Geleneksel silikon CMOS sensörleri, bu yüzden tasarımcılar galyum nitride, silikon, araba parçaları veya özel SOI ( ⁇ -on-insulator) süreçleri için dönerler.

Gelişen sensör teknolojileri, bir mesafede mineral kompozisyonunu tanımlayabilecek çok kanallı hiperspectral görüntüleyicileri içeriyor ve altyüz aktiviteden zemin hareketini tespit eden mekanik bir seviye sistemi ile entegre edecek.Ay'da, önümüzdeki [[0)Lunar Geophysical Instrument Suite) cihazı, konumsuz bir sistemle entegre edecek ve veri toplayıcıları ile sabit bir şekilde ayarlanmış bir şekilde ayarlanmış durumda.

Yeni gelişmeler:0) Fiber-optik algılama[Dönetici], aynı zamanda uzay aracının yapısal sağlık izlemesi için yol katıyor. Bu sensörler, ısıyı ve titreşimi tek bir optik fiber boyunca algılamak, Avrupa Uzay Ajansının yerinin değiştirilmesi, Proba-2 uydusu üzerindeki her yapısal elementin durumunu test etmesi, güneş paneli dağıtımını ve termal bozulmalarını alt metreküp doğrultme yeteneğini izlemek için doğal bir uygun.

Hassas Hareket için Tehditler

Uzaydaki türler, minimum kütle ile yüksek tork teslim etmelidir, genellikle bir matkap, bir gaz kaldırma aracı ve bilimsel aletlerle bir araya gelir ve kodlayıcılar ile fırçalanır, Mars 2020 rover'in robotik kolu, bir yüzeysel ısı değiştiricisi olan bir diziliye rağmen, yüksek çözünürlükte bir motora sahip olan her türlü ısı değiştiricisi veya sabit bir şekilde sabitlenebilir bir şekilde sabitlenebilir bir şekilde sabitlenir.

Başka bir umut verici eylemci teknolojisi, küçük rovers veya kıvrımlar için yapay kaslar olarak hizmet edebilir, hala uzay için erken hasar vermeden düz hareket sağlarken, düşük hacimli uçuşlarda ve özellikle düşük seviyeli nesnelere verilen yüksek çözünürlükte, hassas robotlar için daha önemli olan küçük rovers veya sertleştirici uygulamalar için hizmet edebilir.

Yüksek kuvvet uygulamaları için, ESFLT:0)Seçmeli lineer aktüatörler), hidrolik ve pnömatik sistemler yerine getiriyor. Bu eylemciler, fırçasız bir motor tarafından yönlendirilen bir vida mekanizması kullanıyor, sıvı sızıntıları olmayan bir pozisyon kontrolü sağlıyor. Orion uzay aracının rıperticileri erişimi genişletmeye ve geri çekme ringini kullanma platformunu kullanıyor, yıllarca depolamadan sonra güvenilir bir şekilde çalışmalı kritik bir işlev. Benzer eylemciler, sanallaştırma araçlarına erişmek için platformda etkili olmalı.

Gömülü Kontrol ve Hesaplama

Herhangi bir uzay mechatronic sisteminin beyni, LEON işlemcisi ailesi veya ARM Cortex-Rücud serisine dayanan bilgisayardır, VxWorks veya RTEMS gibi gerçek zamanlı işletim sistemleri, başka bir deyişle, yapay işlemler için makine öğrenme hızlandırıcıları ve mikro kontrolcüleri ortaya çıkmaktadır; Peracance rover, bir Vizyon Compute Element (VCE) gibi bir işletim sistemi yaygın olarak kullanılır.

Uzaydaki kontrol döngüleri gecikmeleri, jitter ve zamanlayıcı mesajları ele almalıdır - veriler paylaşılan otobüsler ve radyo bağlantıları aracılığıyla seyahat ederken sorunlar. Mühendisler bu döngüleri aynı anda en kötü durumda zamanlama için kullanan marjlarla tasarlar, genellikle model-önergesel kontrol (MPC) kullanarak gelecekteki hataları tahmin etmek için. MPC hesaplamak için çok yoğun ama iyi bir şekilde çalışır.

Programlamaya yönelik eğilim:0)software-defined mechatronics[Dönetici: 1) Cihazın sabit kontrol yasaları, modern sistemler, geçiş zamanındaki bir kütüphaneden gelen kontrol algoritmaları, aynı donanımın yeniden yapılandırılmasına izin verir.Aover's kolu, örnek işlem sırasında sondaj ve uyumlu bir şekilde kontrol sırasında sert bir pozisyon kontrolü kullanabilir, sensör geri bildirime dayalı modlar arasında geçiş yapılabilir. Bu esneklik, radyasyona dayalı FPGA'ler tarafından mümkün kılınır.

Özerk Rovers ve Bağımsızlık için Quest

On yıllardır, gezegensel rovers uzaktan kumandalı puppets, insan operatörlerinin her görüntüyü incelemesini ve güvenli bir yol kurmasını beklemek - Mars'ta her yol - günlük seyahatin on on on metreye kadar. Modern mechatronic tasarımı bu paradigmayı değiştirir. Rovers şimdi bağımsız olarak alt yüzeyli öğrenme hedefleri kullanarak subsurface hedefleri belirlemeyi ve hatta bilimsel hedef seçimini kullanır.

Avrupa veya Enceladus gibi okyanus dünyalarına gelecek görevler daha büyük bağımsızlık talep edecektir.Bir altmersible robot buzun altında keşfetmek, örnekleri toplamak ve gerçek zamanlı iletişim olmadan verileri toplamak gerekir, ancak mechatronic çekirdeği, uzaktan kumandanlığı yönetmek için ihtiyaç duyacaktır, ve korelasyon aletlerini yorumlarken, oğlumu ve kimyasal sensör girişlerini yorumlayabilir:0).

Autonomy ayrıca mekanik sistemlerin tasarımını da değiştirir. Beklenmeyen engellerin üstesinden gelmek için yeterli bir damla veya tırmanma olmadan tırmanmaya ihtiyaç duyar.Bu aktif süspansiyonlar, NASA'nın Mars'taki hava kirliliğini arttırır, ancak aracın boş arazi üzerinde iyi çalıştığı pasif bir mekanik çözümdür. Yeni tasarımlar aktif bir şekilde bir kayaya veya eğimli bir dengeyi temizlemek için bir tekerlekten uzaklaştırabilir.

[FONT=0]Terght-relative navigasyon[Dönetici:0][Döneticiler ve özerklik, Mars 2020 görevi, milisaniyeler içinde farklı komutları karşılaştıran bir Terrain Relative Navigation sistemi kullanıyor, iniş aracının iniş aracının iniş aracının iniş sırasındaki farklılaşmasına izin veriyor.Bu sistem yüksek hızlı bir kameraya, adanmış bir işleme kuruluna ve milisaniyeler içinde farklı komutlarına yanıt veren bir güçlendirici.

Orbital Servicing ve In-Space Assembly

Uyduların robot hizmetleri nadir bir gösteriydi; şimdi operasyonel bir gerçeklik haline geliyor. Geosynchronous Uyduların (RSGS) programı, birden fazla silahla, end efektifleme ve araç değiştiricileri kullanarak, uzun süreli bir yük sistemleri inşa etmeyi hedefliyor.

Infak meclisi başka bir sınırdır. NASA'nın On-orbit Servicing, Assembly ve Manufacturing (OSAM-1) görevi, eski geri yükleme-L, yörüngedeyken bir iletişim anteninin otonom montajını gösterebilecektir. Uzaylı robot kolu, tek bir tek katlı betonlama ve yükleme panellerine katılmak için bir şarj cihazı kullanacak.

yörüngesel montaj için kritik bir meydan okuma, hareket parçaların angular momentumunu yönetiyor. Bir kol sallandığında, uzay aracının ters yönde hareket ettiği zaman, reaksiyon tekerlekleri veya güçlendiricileri platformu stabilize etmek için. Gelişmiş kontrol şemaları "momentum yönetimi" algoritmaları kullanır ve bu etkileri iptal etmek için, bazen birden fazla silah hareket ederek.Bu tamamen mechatronic çözümüdür -sensors, uzay aracının tavırlarını ölçmek için, kontrol bilgisayar bir tazminat hareketini hesaplar.

Bir sonraki servis araçları, bir servis aracının grapple fikstürünü içerecektir; hizmet için tasarlanmış bir tane bile - ve doğru kavrama noktasına kılavuzluk eden bir dizi.Bu yetenek, binlerce uydu görüntüsü üzerinde eğitilmiş derin öğrenme modellerini kullanarak, bir servis aracı, özel bir arayüze ihtiyaç duymayı kabul edebilir - hizmet için tasarlanmış bir tane bile - ve daha geniş bir uydu onarım noktasına kılavuzunu kılavuzluk.

Ay Altyapısı ve İnşaat Robotik

Artemis ve diğer Ay araştırma programları, Ay'ın güney kutuplarında sürekli bir insan ve robotik varlığı öngördü. Mechatronic sistemleri iniş pedleri, kazıcı kaplamalar ve toz tutmalı kaplamalar için entegre edilmelidir.Ay tozları, yüksek çözünürlükte bir toz, yüksek çözünürlükte bir elektrik akımına sahip olan yüksek çözünürlükte bir elektrostatiksel olarak şarj edilir.

Ay regolith ile yapılan kazıların ötesinde, laboratuvarlarda test edilir. Bir lazer veya mikrodalga sintering kafası ile donatılmış bir robot kolu, Ay tozlarını bina bloklarına sokabilir, kapalı-loop termal kamera tarafından, bu da en entegre formundaki mechatronics test edilir: başka bir şekilde bir termodinamik algılama, hareket kontrolü ve malzeme bilimi gerektirir. Aynı yaklaşım, mikrometeo deliklerin mikropüresel veya regolithin bozulmasıyla yönlendirilebilir.

Ay yüzeyindeki güç ve termal yönetim eşsiz kısıtlamalar sunmaktadır. güney kutupta 14 gün boyunca, hareketçiler depolamak için gerekli olan enerjiyi veya radyospe ısı kaynaklarını da geliştirir.Bazı tasarımları kullanır:0) Güneş ısıtılır ve kısa sürede serbest bırakırken, yüksek akımlar ısınır.

[FONT:0] Ay'da Özerk bir inşaat[Dönetici], insan gözetimi olmadan işbirliği yapabilen bir özel robot filosuna ihtiyaç duyar. Bir bilgisayar inşa etmek, toz ve araziler varlığında dijital mavi bir iletişim, malzeme toplamak ve sabit bir şekilde sabitlenebilir.

Örnek Koleksiyon ve Geri Dönüş: Çalışmada Mechatronics

asteroidlerden gelen örnek geri dönüş görevleri ve Mars, banachatronic choreografinin pinnacle'u temsil ediyor. Japonya'nın Hayabusa2 misyonu başarıyla asteroit Ryugu'ya dokundu, bir tantalum projesini karıştırdı ve bir örnekleme kampanyası[Dörtüncü Dünya'da ejecta’yı bir araya getiren bir kontrol cihazıyla birlikte toplayacak bir araçla birlikte toplanıp, bir araya gelmemelidir.

Upcoming comet veya asteroide müdahaleler, bir uzay aracının düşük bir vücut için yayılması için harpleri ve kirişleri kullanabilir, sonra onu tekrarlayın.Bu mekanizmalar, birincil bir sensör başarısız olursa, her bileşeni kontrol etmek için doğru ateş gerekir.Tokron gerilimleri ölçen iki girişli, o devre sağlığı izlemek ve kurtarma yazılımının sonucudur.

Örnekleme için gerekli olan temiz oda seviyesi yüksek kısıtlamalara sahiptir.Aksiler, örneğin, bu nedenle malzeme düşük uçucu içerik için seçilir ve metal bellows'ta mühürlenir. Hareket aşamalarında kuru yağ veya elektronik disulfide veya Tash disulfide gibi kuru yağlar kullanılır, standart film için ion-beam depozisyon yoluyla uygulanabilir.

[0] Dünya'ya koleksiyondan alınan bir satın alma zinciri[Dönetici], bir araziye yüklenen bir araçla yüklenen ve sonunda bir Dünya girişi kapsülü içinde bir borunun değiştirilmesi gerekir.A tube full with Martian land must be transferping against the rover's coring Drill to its internal storage, then retrieved by a bring rover, installed on a lander's ascent araç, ve sonunda bir Dünya girişi kapsülü içinde birkaç milimetre içinde birkaç tane robotun sınırlarına kadar güvenli bir şekilde aktarılmalıdır.

Uzay için Yumuşak Robotik ve Biyo-Inspired Designs for Space

Mekanik mechatronic sistemleri, düzgün bir şekilde şekillendirilmiş bir kayaya uygun olmayan tek yol değildir, o zaman güvenli bir şekilde tutmak için manyetik alan altında sertleştirici bir şekilde sabitlenebilir.Bu tür bir eğimli parmak izi toplayarak hassas bir şekilde kontrol sağlar.A soft kavramak için manyetik alan, hafif bir şekilde ısıtılır.

Biyo-tanışlı tasarımlar da tartışılmaya devam ediyor.TheETHFLT:0)RoboSimian), NASA'nın Jet Propulsion laboratuvarında gelişmiş olan, hayvanları yaralanan bir şekilde kullanıyor - araziye bağlı olarak yeniden yapılandıran ve yuvarlanabilen tek bir motor başarısız olsa bile robotun bir ayağı yeniden konumlandırmasına izin veren her bacağı yeniden yapılandırıyor.

Bu robotlar, kablo geriliminin ayarlanmasıyla ilgili bir ağ oluşturmak için bir araya gelen başka bir biyo-inspired konseptidir.Bu robotlar, yapısal istikrarın sağlanmasıyla birlikte bir araya gelme konusunda bir ağ oluşturmak için kablo ve strutları kullanır. - bir araziden çekilmeye ve bir duraklamaya benzeyen bir problemin kendisini eşitsiz arazide yeniden yapılandırır.

Swarm Robotics ve Mechatronics Dağını

Tek büyük bir rover savunmasız; küçük, daha basit mechatronic birimlerin bir direnç sunuyor. Swarm konseptleri Ay'da lava tüplerini araştırmak için incelenir, bir anne rover dağıtma veya düğümleri ağlayın. Her bir düğümü MEMS'yi aşırı düşük güçte kullanmalı, kısa vadeli bir sistemle, daha güvenli bir şekilde çalışır.

Dağıtılmış mechatronics ayrıca daha büyük sistemler oluşturmak için de geçerlidir:0) Uydu mimarisi[DK:1] Küçük, kendi kendine ait birimler – kendi gücüyle, hesaplama ve iletişim ile ilgili – daha büyük sistemler oluşturmak ve geri yüklemek için, bazen "uygun bir uzay aracı" olarak adlandırılır.

[FONT=0]Swarm-to-mission[Dönetici] paradigma, uzay tasarım felsefesinde temel bir değişim temsil eder.Tek, yüksek güvenilir bir uzay aracı inşa etmek yerine, mühendisler gerekli olan birkaç birim dağıtabilir.Eğer bir birim başarısız olursa, swarm yeniden dağıtılır. ”

Haptics ve Teleoperatif: İnsan Çevrimini Kapat

Tam özerklik uzun vadeli bir hedef olsa da, birçok kritik görev hala insan gözetiminden faydalanacak, özellikle de sınırsız kontrol algoritmalarının haptik arayüze kadar beslemesi için. Avrupa Uzay Ajansı'nın METERON deneyleri ve Kontur-2 projesinin nasıl dokunduğunu hissedebiliyor - Dünya'daki bir robotu kontrol etmek için ISS'nin ötesindeki bir adım atarak, daha düşük bir robotun dışsal arayüze geri dönüşleri mümkün kılarken.

Zaman gecikmesi, Dünya-Mars teleoperatifine temel bariyer olmaya devam ediyor. 20 dakika içinde, doğrudan güç geri bildirimleri imkansız. Bunun yerine, operatörler sürekli gözetim olmadan "move ve bekle" bir strateji kullanıyor: bir komut gönder, robotun kendisi, daha sonra bir sonraki kontrole yol açıyor. Bu, insan seviyesindeki yüksek seviyeli hedefler ve ilerlemeler için en güvenli şekilde kullanılıyor.

[FONT:0] Tahmin edici görüntüler[[Döncükler[Döncüler)[[Döncükler))) Bu teknik, robotun tehlikeli bir duruma ulaşmasından önce gerçek sensör verileriyle güncellenecek bir simülasyon görür.Bu teknik, Mars Arama Görevleri için başarıyla kullanıldı ve robotun ne kadar beklenmedik maçlara erişebileceğine dair tahmin ediyor.

Overcoming Extreme Environmental Challenges

Uzay mechatronic sistemleri dört birincil çevresel strese karşı karşıyadır: radyasyon, vakum, sıcaklık aşırısı ve mikrometeoroid etkisi. Radyasyon, hafıza veya latch transistörleri ile ortaya çıkan ısı, kontrol edilmemiş komplikeli hareket boruları ile kontrol altına alınması gerekir. Mitigations, mevcut yağlayıcılar, MoS2 kaplamalar ve kaplamalar için ısı geçişi sağlar. Vakum sık sık sık sık sık sık sık sık sık sık kullanılan ısı transferleri ile yapılır; ısıtılır.

Güç yönetimi eşit derecede kritiktir. Güneş destekli bir arazide bir mekatronik sistem, sınırlı enerji pencereleri sırasında hareket etmemeye öncelik vermeli.T:0)NASA'nın Jet Propulsion Laboratory), tüm dinamik olarak hayatta kalma ısıtıcıları ve iletişim alıcılarını korumak için yeterli kapasiteye sahip değildir.

Mikrometeoroid etkileri, parçaları hareket etmek için özel bir risk oluşturur. Bir parçacık kilitledi bir dişli treni, kondüktöreleri ile yanıt verebilir. Tasarımcılar, mühürlenmiş konutlar, laboratuvarlar mühürler ve parçacık-gereçmiş malzemeler gibi, sistemdeki hasarları durdurmak için sürekli olarak kontrol eder.

[FONT:0] Küçük tasarım[Dön uzay için mechatronic sistemlerinin benzersiz zorluklar sunuyor. Jüpiter'de güneş flux, aktif soğutma olmadan aktif hale gelebilecek kadar gelişmiştir.

Test ve Geçerlilik: Ground Work

Hiçbir mechatronic uzay sistemi, iki boyutta mayınsız taşa monte edilirken, üç boyutlu hareket, susuz uçak uçuşlarında veya parabolik uçuşlarında test edilen hataları doğrulayan modeller, ve termal-vacu odaları -100°C'den + °C'ye kadar uzanan döngü mekanizmalarına monte edilirken, üç boyutlu hareket, gerçek zamanlı bir test sırasında - gerçek zamanlı test ve testlerde kullanılan fiziksel bir test modeli ile beslenir.

Test maliyeti yüksek, bu yüzden mühendisler her bir bileşen için test döngüleri sayısını en aza indirmek için istatistiksel yöntemler kullanırlar.Aşırtıcı yaşam testleri, daha yüksek hızlarda ve yüklerde mekanizmaları çalıştırarak haftalara kadar operasyonlarını zorlar.Bu testlerden gelen veriler, her bir bileşen için zaman-failure'i en aza indirmek için kullanılır.Eğer bir yatak odasının Ay'da 10.000 döngüden sonra başarısız olması bekleniyorsa, kontrol yazılımı görev süresi boyunca 5.000'den fazla çevrimi sınırlamak için programlanabilir.

[FONT=0)Hardware-in-the-loop (HIL) simülasyon[Dönetici:0) Gerçek uçuş kontrol cihazı, uzayda olduğu gibi gerçek zamanlı bir simülasyona bağlıdır.

Yol Ahead: AI, Edge Computing ve Self-Remate

Bir mechatronic sistemi ve bir otonom ajanı arasındaki çizgi bulanıklaşıyor. Donmuş öğrenme algoritmaları, uçta motor kontrollerini ayarlamaya yönelik simülasyonda eğitilir, ortak sürtünme artışları veya bir yüksek lisanslamalı taşıma için hareketlerini planlayabilir. NASA'nın izniyle, ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı ayrı bir alan tarafından yeniden dekore edilebilir bir manyetik anahtarlama birimleri, bir robot yeniden yükleme tesislerini yeniden planlayabilir.

Edge-AI işlemcileri, beton mekanik mimarilerle bir araya gelir - bir tekerlek meclisinin her yerde, sürekli görsel-inersal odometri, semantik arazi sınıflandırması ve hatta gerçek zamanlı olarak konuşma insan-robot etkileşimi, DARPA'nın Orbital Outpost konseptleri ile birlikte-tablok bir şekilde değiştirilebilmesi ve diğer standartlaştırılmış arabirimler aracılığıyla diğer bir şekilde tamir edilebilirliği ile yeniden yapılandırılabilir.

Uzun vadeli bir vizyon, uzayda tamamen kendini adamış bir mechatronic varlığıdır. Ay veya Mars'ta bir habitat, teşhis edebilecek bir robot filosu tarafından muhafaza edilir ve yerel üretilen bileşenleri kullanarak parçalara ayrılır.Böyle bir sistem sadece gelişmiş bir donanıma ihtiyaç duyacaktır, ancak aynı zamanda robotların da otonom olarak koordine etmesine izin veren bir yazılım mimarisine sahip olacaktır - gerçek zamanlı sağlık verilerine dayanarak.Bu, mechatronics'in nihai ifadesidir: yerel olarak üretilen bir sistem, karar verir ve tüm olarak adapte olur.

[FONT=0]Quantum sensörleri[Dönetici:0) Uzay mechatronics için başka bir sınır temsil eder. Atom interferometreler ve azot-vacancy elmas sensörleri, yerçekimi yüksek çözünürlükleri ve manyetik alanları ölçebilir, çünkü dışsal referanslar olmadan navigasyona ve alt yüzey yapıların tespitine olanak sağlar. Tüm bu sensörlerin mechatronic sistemlere entegre edilmesi, titreşim izolasyonu, termal kontrol ve veri işlemeye yeni yaklaşımlar gerektirecektir.TheFLT:2.Avrupa Uzay Ajansı)[Dönemli bir şekilde, gezegendeki gradometreler için yapılan araştırmalar, güneş enerjisine göre daha fazla enerji tasarrufu sağlayan bir teknolojidir.

Sonuç: Uzaycraft-Muscle System of Spacecraft

Mechatronics artık uzay araştırmasında bir destek işlevi değildir; bu, görev hırsına giden yol açmanın bir parçası.Her bilimsel örnek Mars'ta önbellekli, her boulder, bir ay boyunca sabit bir mekanik yapı, elektronik zeka ve uyarlanabilir kontrole bağlı olarak, önümüzdeki on yıl boyunca, yörüngede bulunan ve bir sürü insanın yörüngede gözlemleyeceği, robot manipülatörlerin bulunduğu yerlere, her türlü hataya ve hataların bulunduğuna yardımcı olacaktır.