Entwicklung einer sensorgestützten Lösung zur gegenseitigen Lokalisierung und autonomen Annäherung zweier Objekte in einem Testbett für künftige Weltraumanwendungen

Abstract

Autonomie stellt auf Grund der stetig wachsenden Relevanz von Raumfahrtprojekten in Wirtschaft und Forschung einen zentralen Systemaspekt in Raumfahrtmissionen dar. Einen besonderen Stellenwert nehmen hierbei Autonomous Rendezvous and Docking (AR&D) Funktionalitäten innerhalb aktueller und zukünftiger Missionsziele ein. Ziel dieser Abschlussarbeit ist es einen Überblick über sensorgestützte Lösungen zur Realisierung von AR&D-Funktionalitäten zu schaffen und die physikalischen Grundlagen dieser Sensorsysteme zu erläutern. Im Kontext der AR&D-Funktionalitäten wurde der Aspekt des autonomen Lokalisierens und Navigierens Untersucht. Die Grundlage dieser Untersuchung stellen hierbei die Hauptphasen IV und V von Rendezvousmanöver dar. Zur Umsetzung der Untersuchung wurde nach einer differenzierten Auswahl von möglichen Sensorlösungen diese innerhalb eines Testbetts implementiert. Die softwaretechnische Verbindung der Sensorik mit der Lokalisierungs- und Navigationsalgorithmik wurde über das Softwareframework Robot Operating System 2 (ROS2) Umgesetzt. Zur Übertragbarkeit des Lokalisierungsproblems im dreidimensionalen Raum wurden die Freiheitsgrade (DOFs) des Testbetts von sechs auf zwei reduziert. Rahmenbedingung der Abbildbarkeit ist, dass das Testbed in der Lage sein muss innerhalb einer Büroumgebung autonom zu Navigieren, sowie sich innerhalb dieser zu Lokalisieren. Die Untersuchung der Lokalisierungsfähigkeit im Raum mittels Simultaneous Localization and Mapping-Algorithmik (SLAM) wurde über eine statistische Auswertung realisiert. Hierbei wurden unter anderem die Kartendaten mit den realen Raumgrößen verglichen. Zusätzlich wurden die durch ROS2 generierten Koordinatentransformationen der realen Raumposition des Testbetts gegenübergestellt. Abschließend wurden die vom SLAM-Algorithmus erzeugten Kovarianzen der Raumpositionen über die Zeit analysiert. Bei der Untersuchung der Navigationsfähigkeiten wurde ein qualitatives Modell zur Analyse verwendet in welchem die Fähigkeit innerhalb eines vorher definierten Parcours zu navigieren betrachtet wurde. Hierbei wurden die benötigte Zeit, die Anzahl der Recoverys und ob der Parkour absolviert wurde analysiert. Die Ergebnisse dieser Untersuchung zeigten eine ausreichende Genauigkeit zur Durchführung von Nahbereichsmanövern wie von den Hauptphasen IV und V des Rendezvous und Dockings verlangt wird. Eine nähere Untersuchung der Übertragbarkeit dieser Fähigkeiten anhand der verwendeten Algorithmik auf sechs DOFs, sowie die Anwendbarkeit auf alternative Sensorlösungen bleibt Bestandteil zukünftiger Forschung.