工程师准备好为地球同步卫星有效载荷提供创新的机器人服务以进行发射

美国海军研究实验室地球同步卫星机器人服务 (RSGS) 团队的成员为 2022 年 6 月 16 日在华盛顿特区的热真空 (TVAC) 测试准备飞行机械臂系统 (RAS) #1。TVAC 测试将飞行硬件暴露在真空中环境和在很宽的温度范围内循环,以确保硬件能够在恶劣的太空环境中生存。 图片来源:美国海军/莎拉·彼得森

美国海军研究实验室 (NRL) 海军空间技术中心 (NCST) 的工程师最近完成了美国国防高级研究计划局 (DARPA) 地球同步卫星机器人服务 (RSGS) 计划的机器人有效载荷组件级别测试。

一旦进入轨道,RSGS 机器人服务车将检查和服务地球同步地球轨道 (GEO) 中的卫星,其中数百颗卫星提供通信、天气监测、支持国家安全任务和其他重要功能。

RSGS 计划是 DARPA 和诺斯罗普·格鲁曼公司的 SpaceLogistics 子公司之间的公私合作伙伴关系,NRL 开发了机器人服务有效载荷。

“这种伙伴关系将为商业和政府用户提供革命性的服务能力,用于视觉诊断、升级、轨道调整和卫星维修,”NCST 航天器工程部主管伯尼凯尔姆说。 “作为机器人有效载荷开发人员,我们设计了这套创新的航天硬件和软件,将提高国家在卫星服务方面的能力。”

RSGS 有效载荷包括飞行硬件组件、机器人控制算法、多种高度定制的电子设计以及在五台单板计算机上运行的飞行软件。 NRL 还指定并采购了两个灵巧的七自由度机械臂,为它们配备了控制电子设备、摄像头、灯和一个机器人工具更换器。

此外,NRL 开发了机器人工具,通过其标准运载火箭接口抓住客户卫星,并采购了另一种工具来捕获与 DARPA 有效载荷轨道交付 (POD) 设计标准兼容的补给元件。

图片来源:海军研究实验室

NRL 的 RSGS 项目经理威廉文森特说:“在过去的七年里,我们多元化的 NCST 工程师团队一直将精力集中在 RSGS 项目的机器人有效载荷上。” “机器人有效载荷是 NRL 有史以来最复杂的有效载荷开发之一。”

NRL 工程师开发了在分布式 SpaceWire 网络上运行的多种动力和控制航空电子设备,以支持延长持续时间的任务,从而以稳健和冗余的方式控制所有传感器和执行器。 NRL 采购了全色和彩色摄像机,同时设计了 LED 照明单元,以在机器人活动期间提供态势感知。

“我们的算法团队开发了机器视觉、位置控制、防撞和合规控制算法,支持机器人控制并实现自主抓斗能力,”文森特说。 “这些算法在飞行软件中实现,该软件还为有效载荷提供所有命令和控制功能,并为航天器总线提供控制接口。”

机器人运动需要特殊规划以确保航天器安全运行。 NRL 开发了集成机器人工作站 (IRW) 来实现这一目标。 IRW 支持任务规划,以开发新的任务活动。 一旦计划了任务,IRW 支持筛选活动,以在有效载荷模拟器中预筛选所有机器人运动命令,以在发送命令负载之前验证它们。

最后,使用 NRL 的 Neptune 地面控制软件,IRW 指挥所有机器人有效载荷活动,并在操作期间显示和趋势有效载荷遥测。 为了执行这项工作,一个熟练的系统工程团队花费数年时间执行系统分析、记录需求和接口,并生成一个强大的验证和确认计划。

“工程师与集成和测试团队密切合作,以确保系统满足组件、子系统和有效载荷级别测试的所有要求,”Vincent 说。 “一旦完成,机器人有效载荷将实现设想的广泛任务和尚未想象的未来任务。”


美国海军研究实验室的地球同步卫星机器人服务 (RSGS) 集成和测试团队分析了从 2022 年 6 月 16 日在华盛顿特区的机器人测试台上进行的接触动态测试收集的数据。接触动态测试使团队能够描述有效载荷将怎样服务客户航天器时的行为。 图片来源:美国海军/莎拉·彼得森

RSGS 团队最近完成了两个飞行机械臂系统中的第一个的环境测试。 这包括在 NRL 的振动实验室中模拟发射环境,在 NRL 的热真空 (TVAC) 室中模拟空间的真空和极端温度范围,并确保 EMI 室测试中的电磁干扰 (EMI) 功能。

在 TVAC 测试期间,机械臂系统在代表实际在轨条件的温度范围内展示了性能。 在太空恶劣的温度和真空条件下,机器人手臂执行了各种操作,包括运行预先计划的机器人校准运动、工具驱动以及摄像头和灯光功能。

第二个机械臂系统与一个单独的测试台集成,该测试台具有整个飞行航空电子设备套件。 它目前正在进行运动性能测试。

今年秋天,第二臂系统将完成环境测试。 NRL 太空机器人实验室的机器人测试平台 (RTB) 正在进行机器人性能测试,以展示和验证机器人算法的功能。 RTB 由飞行机械臂系统的非航天版本和运行飞行软件的航空电子硬件组成。 这种高保真机器人测试台允许对 RSGS 有效载荷的许多系统级机器人性能特征进行地面验证。

已完成合规控制算法表征和 Marman Ring Detector 算法性能表征。 RTB 中的接触动力学测试正在进行中,它使用漂浮在薄薄空气层上的雪橇来模拟手臂接触质量从 75-3,000 公斤(165-6,613 磅)的客户太空飞行器。 抓斗、关节和释放测试计划在今年夏天晚些时候进行。

飞行软件团队正准备开始资格测试。 测试在具有实时动态模拟的软件测试平台中进行,该模拟生成用于机器人控制算法的模拟机器人手臂姿势输入和用于输入机器视觉算法的动态图像。 该测试平台允许 NRL 团队使用真实的控制回路测试飞行算法,以便在发射前彻底验证系统。

“RSGS 所需的系统工程和验证工作非常广泛,”NRL 的首席系统工程师 Amy Hurley 说。 “看到多年的系统工程和强大的验证和确认计划成功地结合在一起,真是令人惊讶。”