Testowanie robotów kosmicznych na modelu autonomicznego helikoptera

Nazwa projektu: Testowanie robotów kosmicznych na modelu autonomicznego helikoptera

Odbiorca: Ministerstwo Nauki i Szkolnictwa Wyższego (MNiSW)

Kierownik projektu: K. Seweryn

Uczestnicy projektu: M. Banaszkiewicz , J. Grygorczuk, T. Uhl (KRiM AGH), T. Buratowski (KRiM AGH), D. Prusak (KRiM AGH)

Współpraca: Katedra Robotyki i Mechatroniki (KRiM) AGH Kraków

Status: projekt zrealizowany

Celem nadrzędnym proponowanego projektu jest przedstawienie możliwości wykorzystania autonomicznego, bezzałogowego statku powietrznego (UAV – Unmanned Aerial Vehicle) opartego na jednostce latającej typu helikopter, wyposażonego w manipulator jako analogia pod względem dynamiki satelity z manipulatorem w trakcie manewru dokowania. Projekt pozwoli na testowanie scenariuszy dokowania satelitów w warunkach „ziemskich” w podobnym pod względem mechanicznym środowisku. Warto podkreślić szereg podobieństw układu robot latający plus manipulator do układu satelita plus manipulator m.in.: równania dynamiki, więzy układu, sterowanie, etc. Projekt opiera się na dwóch kluczowych składnikach: - pracy doktorskiej kierownika projektu z zakresu dynamiki satelitów w trakcie manewru zbliżenia i dokowania, - laboratorium Katedry Robotyki i Mechatroniki AGH Kraków, które jest wyposażone w autonomiczny robot latający. Oba te kluczowe elementy stanowią trzon proponowanego projektu i wraz z osobami zaangażowanymi w projekt zarówno z CBK PAN jak również KRiM AGH pozwolą na realizacje zadań projektu. Autorzy projektu proponują wykorzystanie autonomicznego robota latającego jako bazy do testowania manipulatorów satelitarnych. Poniższe cechy helikoptera predestynują go do ww. celu: - dynamika helikoptera zależy od jego tensora momentu bezwładności i środka ciężkości, tak więc zmieniając je poprzez ruch manipulatora zmieniana jest dynamika całego układu; - helikopter może pozostawać w zawisie będąc ciałem o co najmniej 6 stopniach swobody (zakładając zerowe siły i momenty sił zaburzających ruch); - człon roboczy manipulatora zamocowanego na helikopterze teoretycznie ma możliwość osiągnięcia założonego położenia i orientacji; - stosunek masy manipulatora do masy helikoptera jest podobny do założonego w rozważaniach teoretycznych i wynosi ~0.1; przy tym wynikowa masa manipulatora nie przekracza dopuszczalnej masy udźwigu helikoptera. Cel nadrzędny mieści się w tematyce astronautyki i transportu kosmicznego natomiast jego realizacja wiąże się z budową bardzo ważnych podsystemów robota latającego. W szczególności należy: - zbudować manipulator, który będzie mógł być umieszczony na jednostce UAV stanowiące jej tzw. payload; obszar roboczy manipulatora nie powinien być mniejszy niż 2m natomiast jego masa nie może być większa niż 2kg ze względu na ograniczenie udźwigu jednostki latającej - helikoptera; liczba stopni swobody manipulatora będzie uzależniona od jego konstrukcji; - zbudować symulator helikoptera w oparciu o równania dynamiki co pozwoli na porównanie wyników z testów z wynikami symulacji; - zaprojektować adaptacyjny kontroler PID, który pozwoli na sterowanie UAV ze zmiennym tensorem bezwładności; kontroler ten pozwoli także na zwiększenie stabilności UAV, gdyż będzie on dostosowywał parametry PID do zmieniającej się dynamiki robota; Warto zauważyć, że realizacja ww. projektu pozwoli na osiągnięcie jeszcze jednego celu transportowego. Mianowicie robot latający wyposażony w manipulator, którego człon roboczy potrafi z dużą dokładnością osiągnąć cele poza zasięgiem wirnika, stanowi doskonałe narzędzie transportowe. Przykładem mogą być sensory umieszczone na konstrukcjach typu mosty lub słupy wysokiego napięcia, które mogą być obsługiwane (umieszczane/zdejmowane) przez helikopter z manipulatorem. Układ taki może także posłużyć do celów militarnych. Istotny jest również ważny aspekt międzynarodowy projektu związany z możliwością współpracy z Europejską Agencją Kosmiczną (ESA) w ramach podpisanego przez Polskę porozumienia o współpracy PECS (Plan for European Cooperating States). Proponowany projekt po pierwsze rozszerza i waliduje rachunki teoretyczne wykonane w pracy doktorskiej i wykorzystuje dokonania Pana Grzegorza Chmaj realizowane w ramach przygotowywanej pracy doktorskiej w KRiM AGH z dziedziny Unmanned Aerial Vehicle – autonomiczny, bezzałogowy robot latający oparty na jednostce latającej typu helikopter. Po drugie wyniki proponowanego projektu pozwolą na zaangażowanie w projekty technologiczne ESA, jako partnerowi posiadającemu wymagany know-how.

Robot latający oparty na jednostce latającej typu helikopter (UAV)
Uproszczony schemat graficzny obrazujący zagadnienie