[논문 리뷰] Flying, Hopping Pit-Bots for Cave and Lava Tube Exploration on the Moon and Mars

Jekan Thangavelautham, M. S. Robinson외 4명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 26.

Robotic Path Planning Algorithms참고 문헌 4인용 수 13

한 줄 요약

이 논문은 달과 화성의 지하 동굴과 라바 통로를 자율 탐사하기 위해 소형 추진장치, 스테레오 카메라, 레이저 레인지파인더를 장착한 3 kg, 지름 0.30 m의 공형 로봇 '피트봇'(pit-bots)으로 구성된 네트워크를 제안한다. 수직 이륙 및 착륙(VTOL) 능력을 통해 달에서는 5 km의 범위와 0.7시간의 비행 시간을 확보하여 바퀴 기반 탐사차가 접근할 수 없는 극한 환경에 도달할 수 있다.

ABSTRACT

Wheeled ground robots are limited from exploring extreme environments such as caves, lava tubes and skylights. Small robots that utilize unconventional mobility through hopping, flying and rolling can overcome many roughness limitations and thus extend exploration sites of interest on Moon and Mars. In this paper we introduce a network of 3 kg, 0.30 m diameter ball robots (pit-bots) that can fly, hop and roll using an onboard miniature propulsion system. These pit-bots can be deployed from a lander or large rover. Each robot is equipped with a smartphone sized computer, stereo camera and laser rangefinder to per-form navigation and mapping. The ball robot can carry a payload of 1 kg or perform sample return. Our studies show a range of 5 km and 0.7 hours flight time on the Moon.

연구 동기 및 목표

• 달과 화성의 동굴 및 라바 통로와 같은 극한의, 거친, 제한된 환경에 접근하는 데에 한계가 있는 바퀴 기반 탐사차의 문제점을 해결하기 위해.
• 저중력 천체 환경에서의 지형 및 이동성 제약을 극복하기 위해 새로운 하이브리드 이동 플랫폼을 도입하기 위해.
• 소형 자율 로봇 군집을 통해 지하 공동에서 현장 탐사 및 샘플 회수를 가능하게 하기 위해.
• 수직 이륙, 점프, 비행, 굴림을 모두 구현할 수 있는 저질량·소형 로봇을 개발하기 위해.
• 심우주 행성 과학 임무를 위해 이러한 로봇을 랜더 또는 대형 탐사차에서 투입하는 것의 가능성을 입증하기 위해.

제안 방법

• 수직 이륙 및 착륙(VTOL) 및 제어된 점프를 위한 내부 반동 휠과 소형 추진장치를 갖춘 공형 3 kg 로봇 설계.
• 실시간 탐색 및 3차원 맵핑을 위한 스마트폰 크기의 컴퓨터, 스테레오 비전 시스템, 레이저 레인지파인더 통합.
• 복잡하고 불규칙한 지형 및 제한된 동굴 환경에서의 이동을 위해 자율 비행 및 점프 제어 알고리즘 구현.
• 비행, 점프, 굴림 모드 간 전환을 가능하게 하는 모듈식 추진 시스템을 사용하여 적응성 향상.
• 저중력 조건(달: 1/6 g, 화성: 1/3 g) 하에서의 임무 성능을 시뮬레이션하여 범위 및 지속 시간 추정.
• 과학 기기나 샘플 회수 임무를 위한 최대 1 kg의 적재 용량 최적화.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 소형 공형 로봇이 달과 화성과 같은 저중력 환경에서 수직 이륙 및 착륙을 수행할 수 있는가?
• RQ2 이러한 로봇이 달과 화성 중력 조건에서 도달할 수 있는 비행 범위와 지속 시간은 얼마인가?
• RQ3 내장된 센서를 사용해 복잡한 동굴 및 라바 통로 환경을 얼마나 효과적으로 탐색하고 맵핑할 수 있는가?
• RQ4 로봇이 비행, 점프, 굴림 모드 간 전환을 통해 지형 장애물을 극복할 수 있는가?
• RQ5 랜더나 탐사차에서 이러한 로봇 군집을 투입해 지하 탐사를 수행하는 것이 가능한가?

주요 결과

• 피트봇은 시뮬레이션된 저중력 조건 하에서 달에서 5 km의 비행 범위와 0.7시간의 비행 시간을 확보한다.
• 로봇의 추진장치는 수직 이륙 및 착륙을 가능하게 하여 제한된 동굴 입구에 배치하고 회수할 수 있다.
• 내장된 스테레오 카메라와 레이저 레인지파인더는 비구조적 환경에서 실시간 3차원 맵핑과 자율 주행을 가능하게 한다.
• 로봇은 최대 1 kg의 적재 용량을 지녀 지하 지역의 과학 기기나 샘플 회수를 지원할 수 있다.
• 시뮬레이션 결과는 로봇이 저중력 환경에서 점프와 비행이 가능하며, 바퀴 기반 탐사차가 정지하게 만들 수 있는 지형의 거친 특성을 극복할 수 있음을 확인한다.
• 이 시스템은 달의 스카이라이트와 라바 통로와 같은 위험하고 접근이 어려운 장소 탐사의 가능성을 입증한다.