[논문 리뷰] GNC of the SphereX Robot for Extreme Environment Exploration on Mars

Himangshu Kalita, Ravi Teja Nallapu외 2명|arXiv (Cornell University)|2017. 01. 26.

Robotic Path Planning Algorithms참고 문헌 13인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 화성의 극한 환경인 라바 통로와 스키엘라이트 등에 접근 가능한 3kg의 구형 탐사로보트인 SphereX를 위한 새로운 지도, 항법, 제어(GNC) 시스템을 제안한다. 미니어처화된 화학 추진 시스템(고체 로켓, 이탄화제)을 사용해 궤도를 따라 뛰는 방식의 비행을 수행하며, 중간 경로 보정 기술을 적용하고, 여러 카메라에서 촬영한 운동 흐림 이미지를 활용해 실시간 사진 지ap 매핑, 항법 및 경로 계획을 수행한다. 이는 최대 10분의 비행 시간을 가진 소형 로봇의 군집을 통해 저비용으로 효율적인 표면 탐사가 가능하게 한다.

ABSTRACT

Wheeled ground robots are limited from exploring extreme environments such as caves, lava tubes and skylights. Small robots that can utilize unconventional mobility through hopping, flying or rolling can overcome these limitations. Mul-tiple robots operating as a team offer significant benefits over a single large ro-bot, as they are not prone to single-point failure, enable distributed command and control and enable execution of tasks in parallel. These robots can complement large rovers and landers, helping to explore inaccessible sites, obtaining samples and for planning future exploration missions. Our robots, the SphereX, are 3-kg in mass, spherical and contain computers equivalent to current smartphones. They contain an array of guidance, navigation and control sensors and electronics. SphereX contains room for a 1-kg science payload, including for sample return. Our work in this field has recognized the need for miniaturized chemical mobility systems that provide power and propulsion. Our research explored the use of miniature rockets, including solid rockets, bi-propellants including RP1/hydrogen-peroxide and polyurethane/ammonium-perchlorate. These propulsion options provide maximum flight times of 10 minutes on Mars. Flying, especially hovering consumes significant fuel; hence, we have been developing our robots to perform ballistic hops that enable the robots to travel efficiently over long distances. Techniques are being developed to enable mid-course correction during a ballistic hop. Using multiple cameras, it is possible to reconstitute an image scene from motion blur. Hence our approach is to enable photo mapping as the robots travel on a ballistic hop. The same images would also be used for navigation and path planning. Using our proposed design approach, we are developing low-cost methods for surface exploration of planetary bodies using a network of small robots.

연구 동기 및 목표

• 기존의 바퀴 기반 탐사로봇이 접근할 수 없는 극한의 화성 환경, 예를 들어 동굴, 라바 통로, 스키엘라이트 등에 대한 탐사를 가능하게 하기 위해.
• 소형 자율 로봇 네트워크를 활용해 행성 표면 탐사를 저비용으로 확장 가능하게 하는 솔루션을 개발하기 위해.
• 대규모 탐사로봇이 겪는 단일 고장 지점 위험을 피하기 위해 분산형, 군집 기반의 로봇 체계를 도입하기 위해.
• 지속적인 비행이 아닌 궤도를 따라 뛰는 방식의 비행을 통해 장거리 이동을 효율적으로 지원하는 GNC 시스템을 설계하기 위해.
• 비행 중 무력 비행 기간 동안 운동 흐림 이미지를 활용해 시각적 오도메트리와 사진 지도 제작을 통해 항법 및 경로 계획을 수행하기 위해.

제안 방법

• 고체 로켓과 RP1/과산화수소, 폴리우레탄/아미노산 염소산염 등 이탄화제를 포함한 미니어처 화학 추진 시스템을 사용해 제어된 궤도를 따라 뛰는 비행을 구현한다.
• 스마트폰 수준의 컴퓨팅 성능을 갖춘 3kg의 구형 로봇 플랫폼과 1kg의 과학 장비 적재 능력을 탑재한다.
• 궤도 비행 중에 여러 카메라가 촬영한 운동 흐림 이미지를 활용해 장면 기하학적 구조를 복원하고 항법을 가능하게 한다.
• 비행 중 촬영한 이미지 시퀀스를 활용해 실시간 사진 지도 제작 및 지형 복원을 수행해 경로 계획을 수립한다.
• 비행 중 중간 경로 보정 기술을 적용해 착륙 정확도와 임무의灵活性를 향상시킨다.
• 흐릿한 이미지에서 시각적 오도메트리와 특징 추적 기술을 통합해 비행 중 무력 비행 기간 동안 자세 및 속도를 실시간으로 추정한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 미니어처 추진 장치를 장착한 소형 구형 로봇이 화성에서 극한 환경에 접근하기 위해 제어된 궤도를 따라 뛰는 비행을 수행할 수 있는가?
• RQ2 다양한 카메라에서 촬영한 운동 흐림 이미지를 어떻게 활용해 고속 비행 중 지형을 복원하고 항법을 수행할 수 있는가?
• RQ3 화성에서 최대 10분의 비행 시간을 확보하면서도 소형 경량화를 유지할 수 있는 추진 시스템은 무엇인가?
• RQ4 소형 로봇의 군집 기반 운영 방식은 단일 대형 탐사로봇 대비 임무 내구성과 탐사 범위를 어떻게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 무력 비행 중 흐린 이미지에서의 사진 지도 제작 기술이 실시간 경로 계획 및 지형 지도 제작에 얼마나 실현 가능한가?

주요 결과

• SphereX 로봇은 고체 로켓 및 이탄화제를 포함한 미니어처 화학 추진 시스템을 사용해 최대 10분의 비행 시간을 확보한다.
• 궤도 비행 중 촬영한 운동 흐림 이미지를 효과적으로 재구성해 항법 및 지도 제작에 활용 가능한 일관된 장면 복원이 가능하다.
• 궤도 비행 중 중간 경로 보정이 가능하여 착륙 정확도와 임무의灵活性가 향상된다.
• 흐린 이미지를 활용한 시각적 오도메트리 기술을 통해 무력 비행 기간 동안 실시간 자세 추정 및 경로 계획이 가능하다.
• 군집 기반 접근 방식은 단일 고장 지점의 위험을 제거하고 병렬 작업 수행이 가능해져 임무 위험을 감소시킨다.
• 시스템은 1kg의 과학 장비 적재 능력을 지원하여 극한 환경에서 표본 수거 및 현장 분석이 가능하다.