Aerospace Robotics III GeoPlanet Earth and Planetary Sciences Jerzy Sasiadek

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Aerospace Robotics III GeoPlanet Earth and Planetary Sciences Jerzy Sasiadek

Preface

Dear Colleagues and Friends,
The III Conference on Aerospace Robotics (CARO’2015) took place in Warsaw
in November 2015. We received large number of papers from institutions working
on space robotics around the world. The accepted papers were presented over two
days at the Space Research Institute Conference Centre.
It is with great pleasure that we would like to show once more to the international
space robotics community selected papers presented at the III Conference on
Aerospace Robotics (CARO’2015) held in Warsaw, Poland on 17–18 November
2015.
We have selected 11 papers presenting different aspects of aerospace robotics.
The selected papers cover the broad range of space robotics including free-floating,
flying and mobile robots but also some aspects of navigation.
We hope that our readers will find these papers not only interesting but also
helpful and inspiring in their professional activities.
We would like to thank the organizers of the CARO’2015 from Space Research
Centre PAN (CBK PAN), Military University of Technology and Warsaw
University of Technology, in particular organizing committee, all plenary speakers
and reviewers for their outstanding work.

Contents

Parallel Hamiltonian Formulation for Forward Dynamics
of Free-Flying Manipulators . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
2 Hamiltonian Based Divide and Conquer Formulation . . . . . . . . . . . . . . 2
2.1 Joint Velocities . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
2.2 Derivatives of Canonical Momenta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6
3 Numerical Example . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
4 Discussion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.1 Modeling Issues . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
4.2 Parallel Performance Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13
Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) for Free-Floating
Space Manipulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2 Dynamics of the Spacecraft-Manipulator System. . . . . . . . . . . . . . . . . . 19
3 Nonlinear Model Predictive Control (NMPC) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21
4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23
4.1 Parameters of the System and NMPC Controller . . . . . . . . . . . . . . 23
4.2 Configuration Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24
4.3 Cartesian Coordinates . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28
Performance Control of a Spacecraft-Robotic Arm System-Desired
Motion Tracking . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31
2 Constrained Dynamics of a Spacecraft-Robot Arm System . . . . . . . . . . 33
3 Control Platform Architecture for Desired Motions Tracking . . . . . . . . . 34
4 Tracking Desired Motions by a Spacecraft-Robotic
Arm System-Simulation Studies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36
4.1 Tracking a Desired Trajectory by a 2-D
Spacecraft-Robotic Arm System End-Effector . . . . . . . . . . . . . . . . 38
4.2 Tracking a Desired Acceleration Change by a 2-D
Spacecraft-Robotic Arm System End-Effector . . . . . . . . . . . . . . . . 41
5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43
Detection and Decoding of AIS Navigation Messages by a Low Earth
Orbit Satellite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.1 Automatic Identification System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
1.2 AIS—Satellite Segment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
1.3 VHF Data Exchange System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49
2 AIS Messages Detection and Decoding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51
3 Experimental Data Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.1 Terrestrial Data Set Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55
3.2 Low Earth Orbit Data Set Analysis . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
Accurate Image Depth Determination for Autonomous Vehicle
Navigation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
2 Estimating Feature Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64
2.1 Estimating the Fundamental Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65
2.2 Rectifying Images . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
2.3 Estimating Image Depth . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
2.4 Estimating the Camera Calibration Matrix . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69
3 Test Pixels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72
5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80
Pose Estimation for Mobile and Flying Robots via Vision System . . . . . 83
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83
2 Theoretical Background . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84
2.1 Feature Matching . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
2.2 Modeling . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3 Decomposition of Homographies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86
4 Iterative Closest Point Algorithm (ICP) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88
5 Horn’s Absolute Orientation Method . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
6 Experimental Results and Analysis. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
xii Contents
6.1 Camera Calibration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
6.2 The Error Function . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91
6.3 The Pose Measurements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92
7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 95
Control of Flexible Wing UAV Using Stereo Camera . . . . . . . . . . . . . . 97
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
2 Stereo Vision Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98
2.1 Modeling of Stereo Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99
2.2 Homographics’s Decomposition . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100
3 Classification Using the Fuzzy Logic . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
4 Control System Design . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.1 LQR Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
4.2 ANFIS Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
5 Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.1 Extract Deflection by Using Stereo Camera . . . . . . . . . . . . . . . . . 104
5.2 Classification the Wing Shapes Using Fuzzy Logic . . . . . . . . . . . . 110
5.3 Controller Results . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114
6 Conclusion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
The Dynamics Aspects of Modeling and Control of the Flying Robot
with Attached Two Degree of Freedom Manipulator . . . . . . . . . . . . . . . 121
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 121
2 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
2.1 Numerical Model of a Helicopter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
2.2 Manipulator—UAV Coupled Dynamic Model . . . . . . . . . . . . . . . 125
2.3 Flying Robot Motion Control Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
2.4 Simulations Tools . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 128
3 Description and Parameters of Analyzed Systems . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
3.1 Onboard Flight Control System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 130
3.2 Terrestrial Flight Control Station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
4 Manipulator . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
5 Prototype Testing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
5.1 Verification of the Helicopter Numerical Model . . . . . . . . . . . . . . 136
5.2 Simulation Verification of LQR Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
5.3 Experimental Verification of PID Controller . . . . . . . . . . . . . . . . . 140
6 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 144
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 146
Contents xiii
Prototype, Mathematical Model and Simulations
of a Model-Making Rocket . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149
2 Mathematical Model . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
2.1 Kinematics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 150
2.2 Dynamics—A Linear Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
2.3 Dynamics—An Angular Motion . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 152
3 Simulations. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
4 Prototype . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 157
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Space Mining Challenges: Expertise of the Polish Entities
and International Perspective on Future Exploration Missions . . . . . . . 161
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161
2 Technological Challenges of Space Mining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
2.1 Reasons for Space Mining . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 162
2.2 Obstacles in Space Mining Development and Challenges
in Space-Oriented R&D. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 163
3 Economic Aspects. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 165
3.1 Rare Earth Elements . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 166
3.2 New Propellants . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 168
3.3 Construction of Habitats on Celestial Bodies
for Exploration of Other Planets . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
4 Overview of Space Exploration Missions Related to Space Mining
Challenges . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.1 European Space Mining Related Activities . . . . . . . . . . . . . . . . . . 170
4.2 Space Mining Trends in the United States . . . . . . . . . . . . . . . . . . 172
4.3 Chinese and Japanese Missions Related to Space Exploration . . . . 176
4.4 Russian Space Exploration Program . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 178
5 Potential and Expertise of Polish Entities—Achievements
and Prospects for Further Development . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
5.1 Polish Expertise and Space Heritage Related to Space Mining . . . . 179
5.2 Main Polish Stakeholders Involved in
Space Exploration . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 181
6 Industrial Policy and Legal Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 183
6.1 Intellectual Protection in the Field of Space Mining . . . . . . . . . . . 183
6.2 International Law Aspects . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 184
7 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 190
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 191
xiv Contents
Space Mechatronics and Space Robotics Patent Inventions;
the Way to Protect the Space Heritage in the Space Research
Centre, Institute of the Polish Academy of Sciences . . . . . . . . . . . . . . . . 197
1 Introduction . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 197
2 SRC PAS Space Heritage . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 198
3 Mechatronics and Robotic Inventions; Patent Protection . . . . . . . . . . . . 200
4 Space Technology Transfer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 201
5 Conclusions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 202
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 203
Contents