Mond, Mars und Asteroiden – die Erkundung mit robotischen ...dodo.fb06.fh-muenchen.de/froriep/VDI_AK_Mechatronik/public/2013 12 04... · DTM / DEM: 3D‐Mapping of environment based

Mond, Mars und Asteroiden –die Erkundung mit robotischen Mitteln

Dr. Bernd Schäfer

Koordinator Planetare Robotische ExplorationRobotik und Mechatronik Zentrum

DLR - Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V.Oberpfaffenhofen, 82234 Weßling

DLR - Standorte und Personal

Circa 7.400 Mitarbeiterinnen und Mitarbeiter arbeiten in 32 Instituten und Einrichtungen in

16 Standorten.

Büros in Brüssel, Paris, Tokio und Washington.

davon inOberpfaffenhofen: 1600 MA

Köln: 1400 MA

Köln

Oberpfaffenhofen

Braunschweig

Göttingen

Berlin

Bonn

Neustrelitz

Weilheim

Bremen Trauen

Lampoldshausen

Hamburg

Stuttgart

Stade

Augsburg

Jülich

Bernd Schäfer www.dlr.de

Kernkompetenzen

Luftfahrt Raumfahrtforschung und -technologie Verkehr Energie Raumfahrtmanagement Projektträger

Fach- und Produktspezifische Bereiche

Auslegung von Fluggeräten, Satelliten, Trägersystemen, Teilsystemen des Automobilbaus, der Fertigung sowie der Kraftwerkstechnik

Konzeption von Transport-, Führungs-, Leit- und Verkehrssystemen

Entwicklung von Systemen zur Fernsteuerung und Überwachung sowie deren Betrieb

Entwicklung und Betrieb von Fernerkundungssystemen, -datenerfassung, -übertragung, Verarbeitung, Auswertung

Verbrennungsforschung und effiziente Energieumwandlung

Auslegung von Unterstützungssystemen zum Erhalt der Gesundheit des mobilen Menschen

Optimierung von Systemen zur Verminderung von Emissionen und Verbesserung der Umweltverträglichkeit

Abdeckung der gesamten Prozess- und Wertschöpfungskette von Entwicklung, Bau bis hin zu Betrieb von komplexen Satelliten


• Erfolg in der programmorientierten Förderung• Mehrwert aus der Unterstützung der Helmholtz-Gemeinschaft• Mitgestalten des Organisationsentwicklungsprozesses

Mitwirkung in der Helmholtz-Gemeinschaft


DLR Forschungsbereich Raumfahrtforschung und -technologie

• Erforschung des Weltraums• Forschung unter Schwerelosigkeit• Erdbeobachtung• Kommunikation & Navigation• Raumtransport• Technik für Raumfahrtsysteme


DLR Raumfahrtforschung und -technologie –Erforschung des WeltraumsFokus:• Erforschung des Sonnensystems• Suche nach extrasolaren Planeten Highlights:• Mars Express: hochauflösende

Vermessung der Mars-Oberfläche• Venus Express: Atmosphärenforschung

der Venus• Cassini – Erkundung von Saturn und

seiner Monde• COROT – Suche nach extrasolaren

Planeten• Dawn: NASA Asteroiden-Mission • Rosetta: ESA Kometen-LandemissionPerspektive:• “Mission to Mars” – ExoMars• Beteiligung an Mondmissionen (national,

europäisch oder international)



Himmelskörper in unserem Sonnensystem

Große Objekte

Monde (Auswahl)


NASA Mars Science Laboratory (MSL): ‘Curiosity‘Bernd Schäfer www.dlr.de

Movie



Bernd Schäfer www.dlr.de Robotische Marsexploration • 24 Oktober 2013 • VDE/VDI Ulm Folie 12Erfolgreiche Mission Wer ? Start BemerkungMariner 4 NASA Nov 1964 flog Jul 1965 vorbei, machte erste Fotos

Mariner 6 NASA Feb 1969 flog Jul 1969 vorbei, machte Fotos

Mariner 7 NASA Mär 1969 flog Aug 1969 vorbei, machte Fotos + Foto vom Mond Phobos

Mars 2 und Mars 3 Sowjetunion beide Mai 1971 Orbiter + Lander zerstört)

Mariner 9 NASA Mai 1971 Orbiter, 1. Satellit in Mars- Umlaufbahn, > 7000 Fotos, gesamte Oberfläche kartograf.

Mars 5 und Mars 6 Sowjetunion Jul+Aug 1973 bedingt erfolgreich

Viking 1 und Viking 2 NASA Aug+Sep 1975 Orbiter + Lander, Landung Jul+Sep 1976, 6+4 Jahre

Mars Global Surveyor NASA Nov 1996 Orbiter, bis 2006 Kontakt, > 240.000 Fotos

Mars Pathfinder NASA Dez 1996 Lander + Rover Sojourner, 3 Monate

2001 Mars Odyssee NASA April 2001 Orbiter, noch in Betrieb

Mars Express ESA Jun 2003 Orbiter (noch in Betrieb) + Lander Beagle (zerschellt)

MER-A + MER-B NASA Jun+Jul 2003 Lander + Rover (Sprit bis Mai 2011+ Opportunity in Betrieb)

MRO Mars ReconnaissanceOrbiter

NASA Aug 2005 Orbiter, in Betrieb

Phoenix NASA Aug 2007 Lander mit Roboterarm, Nähe Nordpol, 5 Mon., 1. Scout Mission

MSL Mars Science Lab. NASA Nov 2011 Rover Curiosity,nuklear-betrieb.,GaleCrater

Weitere Missionen, Auswahl

Wer ? Start Bemerkung

Mars Orbiter Mission ISRO (India) 5 Nov 2013 Orbiter, 1. ind. Marsmission; Ankunft Sep 2014

MAVEN (Mars Atmosphericand Volatile EvolutioN)

NASA 18 Nov 2013 Orbiter, Mars-Atmosphäre erkunden, 2. Scout Mission; Ankunft Sep 2014

InSight NASA / DLR 2016 Lander + HP3-Mole (DLR), Struktur und Zusammensetzung des Marsinneren

ExoMars ESA / RUS 2016+2018 Orbiter + Lander (2016) + Rover (Aurora-Programm der ESA)

Mars 2020 Rover Mission NASA 2020 Rover auf Curiosity-Basis, Probenrückholungvorbereiten

Mars Sample Return ESA / NASA > 2020 Rover und Rückholung Marsproben zur Erde (ESA Aurora/Programm)

? Bemannte Marsmission ? (alle) > 2035

Mondlandung mit Rover: Chang‘e 3 mit Yutu

China 2 Dez 2013,Land. Mitte Dez

Raumsonde Chang‘e 3 (chin. Mondgöttin)mit6-rädrigem Rover (120kg) Yutu (Jadehase)


Curiosity


Erde Mond MarsGroße Halbachse 1 AE (150 Mio km) 384 000 km 1,524 AEUmlaufzeit Sonne(siderisch)

365 Tage 687 Tage = 22,6 Erdmonate

Rotation 23 h 56 min 4,1 s 27,32 Tage 24 h 37 min 22 sFallbeschleunigung 9,81 m/s2 = 1 g 0,165 g (~ 1/6 g) 0,376 g (~ 1/3 g)Temperatur oC(min/mittel/max)

-89 / +15 / +58 -160 … +130 -133 / -55 / +27

DruckAtmosphäre

1,014 barN2 78% + O2 21%

0keine

6 mbarCO2 95%


Mars Express (ESA): Dez 2003: Orbiter (300km / 11.000 km, i=86o)

+ Lander Beagle (verschollen)HRSC Kamera (DLR+FU Berlin), hochauflösend ~10m, SRSC ~ 2m, Wassereis Südpol entdeckt



Movie

Robotische PlanetareExploration

Suche nach Spuren von Leben- vergangen und noch existierend (?)

Charakterisiere planetare Umgebung

Bereite bemannte Exploration vormit robotischen Mitteln

Explorations-Technologien für Mond, Mars oder andere Himmelskörper in unserem

Sonnensystem:

DLR’s Robotik und Mechatronik Zentrumist mit Herz und Seele dabei.


DLR RMCRobotik und Mechatronik Zentrum

Technologische Entwicklungen -wie wir beitragen zur Exploration


ManipulationPositioning and deployment of scientificinstruments on planetary surface;Acquisition, transport and handover of soilsamples, for processing on rover;Set‐up and assembly of modules Build a base station;Inspection

MobilitätNot only wheels: also legs, legs + wheels, hybrids, …

Localisation und Navigation, Autonomie und Perzeption:DTM / DEM: 3D‐Mapping of environment based on stereo cameras, accomodatedon rover and on orbiterVisual odometry SGM algorithm(Semi‐Global Matching)

Robotics based HRSC planetaryprocessing based on innovative

SGM image processing


Leichtbaurobotik:LBR 3. Generation

Motorisierung: Antrieb und Sensorik


DLR / SAH / HIT - 2007/08DEXHAND – Raumfahrt qualifizierbare geschickte (Dextrous) Hand (ESA)

Bernd Schäfer www.dlr.de Robotische Marsexploration • 24 Oktober 2013 • VDE/VDI Ulm Folie 22Hände für die Servicerobotik – 4 und 5 Finger

LBR

Lei

chtb

au-R

obot

ikar

m:

Gra

vita

tions

-kom

pens

iert


Movie

ROKVISS 2005 – 2011 auf der Internat. Raumstation ISS

Bernd Schäfer www.dlr.de Robotische Marsexploration • 24 Oktober 2013 • VDE/VDI Ulm Folie 24

Justin – geschickte FeinmanipulationBernd Schäfer www.dlr.de

Rollin‘ Justin –Humanoid auf Rädern(komplexes System –51 Freiheitsgrade)


Rollin‘ JustinRo

llin‐Justin‐Kinem

aticCh

ain‐Circle


Movie


Nicht nur Räder: auch Beine der DLR Krabbler

Movie

Autonome Navigation basierend auf Stereobilddaten - Prozessierung


Movie

Autonome Navigation: 2,5D-Kartierung (Mapping) und Selbstlokalisation



The new 2018 Mission doesn’t start from scratch: 2005 to mid 09: Single mission,

Carrier Module + Descent Module + Rover 2009 autumn: Split into missions within cooperation with NASA:

2016 mission: TGO and EDM 2018 mission: European Rover as companion of the US MAX‐C Rover

2010 Nov: Successful System PDR for the 2016 and 2018 missions Rover 2011 spring: Merge of the Rovers into a single big NASA‐ESA Rover 2012 Jan: US cooperation on the Rover, TGO PL and LV no longer supported 2012 spring: Seeking for cooperation with Roscosmos

Bernd Schäfer www.dlr.de Robotische Marsexploration • 24 Oktober 2013 • VDE/VDI Ulm Folie 32

Movie

ExoMars descent into Mars atmosphere and touch down by retro-rockets


Descent Module


Descent Module


RoverMasse: 310 kgPower: 300 WLebensdauer: 218 sols ~ 7 MonateLandekoordinaten: 5°S bis 25°NFahrdauer, -geschw.: bis 100 m/sol und 40 m/h



Verifikation der Simulationen imPEL - Planetares Explorations-Labfür Fahrdynamik etc. durch Testen in entsprechenden Testanlagen mitrealitätsnahen Mond-, Marsböden(sog. ‘soil simulants’)

Bernd Schäfer www.dlr.de Robotische Marsexploration • 24 Oktober 2013 • VDE/VDI Ulm Folie 38ExoMars Rover: ‘Testen in DLR‘s Laborumgebung PEL‘


ExoMars Rover: ‘Testen in DLR‘s Laborumgebung‘

Movie

ExoMars Rover: ‘Deployment and Wheel Walking‘ ModusBernd Schäfer www.dlr.de

Movie

Modellierung und Simulation wichtiger Fahr-Effekte auf weichemund hartem Boden: ‘bulldozing + multipass’ + allg. Böden


4 Movies

Bekker: Rad-Boden WW

nckp k zb

tanp c

Determination of the 5 Bekker (Wong) soil parameters via Bevameter(Bekker values) testing

Modelling and Simulation:MBS Topology ‐ Kinematic Chain

Isys

Bogie

Rover Body

Wheel (with Grousers)

Ground Contact

Rigid wheel

Flexible wheel

MBS Topology / Kinematic Chain: DetailsMBS Object Library

Bodies Joints Force Elements

Mx F

F Cq

1 DOF Rot

F Dq

6 DOF User Def.

User Def.

Rover Body

1 DOF Rot Friction

Bogie Actuator

Actuator

6 DOF

1 DOF Rot

1 DOF Rot

Steering Wheel

Rigid/Flex

SCM PCM

Ground

Ctrl

Ctrl

Ctrl Ctrl

PCM rig/flex‐rigid

SCM rig/flex‐soft

Contact Dynamics

Multibody Dynamics

PCM based on Elastic

FoundationModel

Baseline is PCM for rigidly assumed contact surfaces PCM is integral part of MBS tool (SIMPACK) Geometry: represented by CAD-like polygonal mesh

grids Dynamics: PCM applies Elastic Foundation Model theory elastic layer in between described by stiffness,

damping, friction parameters PCM SCM (Soft) Soil Contact Model Important: multiple point contacts without any

restrictions

MBS tool SIMPACK for rover chassis, suspension and wheels (rigid and flexible)

Matlab/Simulink environment used for Smart-OLEV modeling and simulation

A different modeling approach: Particle based methods, mesh-free

DEM Discrete Element Modeling of soft soils interacting with rigid wheels

Movie

DEM Discrete Element Modeling

Optimierung des Fahrwerks (Locomotion Subsystem)

Rocker‐bogie types (Sojourner, MERs, MSL)

3‐bogie types(ExoMars)

NLL types (small)

Legged‐wheeled types

Rocker‐Bogie RoverExoMars Rover


• 49

Suspension Subsystem: Rocker – BogieConcept

Bernd Schäfer www.dlr.de Robotische Marsexploration • 24 Oktober 2013 • VDE/VDI Ulm Folie 49NASA: MSL Mars Science Laboratory 2012Curiosity


Optimierung des Fahrwerks (Locomotion Subsystem)

Movie

Basic Technologies Developed at RMC

Participation inPlanetary Exploration Applications

(1) Nationale Mondmission: MPE Mobiles Payload Element ~ 15 kg Rover

verstaute Konfiguration


Movie

(2) Mars: ROV‐E EU‐Projekt (2011 3 years)

Challenge:Reduce weight for all subsystems

DLR‐RMC: ‐ responsible for innovative / optimized locomotion system‐ modelling, simulation, optimization of driveability performance‐ development & set‐up of innovative actuator concept

for wheel driving and steering; ‐ torque and slip control.‐ breadboarding: single wheel or double wheel testing

Provide mobility by1. self-uprighting & 2. hopping over

planetary surface

Zero-g flight testingin Feb 2012:Parabola flights byNoveSpace Bordeaux

(3) MASCOT ‐ Mobile Asteroid Surface Scout Mission (German payload on 2014/15 Hayabusa‐2 Japanese mission)

Very low gravity: 10‐5 g

Movie

MASCOT

First design approach: 2 excentric massesExzenter+ 1 motor, controlled

New design: only 1 excentric mass + motor, contr.

Conventional concept: two arms (2 paddles) controlled

(Mars) Interior Exploration using Seismic = Investigations, Geodesy and

Heat Transport

‐ Phoenix mission lander ‐ Launch: March 8 ‐March 27, 2016‐ Landing: September 20, 2016‐ Surface operations: 720 days‐ End of Mission: September 18, 2018

Goal: understanding the processes that shaped the rocky planets of the inner solar system

(4)

DLR payload contribution(lead by DLR Inst. PF, Berlin): HP3 Mole ‐ Heat Flow and PhysicalProperties Package

Movie

Große Bodenfreiheit durch hohe Schwerpunktlage

Mobilität: Neuartige Fortbewegungskonzepte - z.B. Beine + Räder

Niedrige Bodenfreiheit und hohe Stabilitätdurch tiefe Schwerpunktlage, dadurch gutes Fortkommen in sehr unebenem Gelände


Mögliches Explorations-Szenarium, z.B. auf dem Mond: ‘arbeitende Vehikel‘, Energie- und Kommunikations-Stationen, Docking- und Interface-Vorrichtungen, Autonomie weitestgehend



Visionäre kooperative Unternehmungen - national

ROBEX - Pilot-Szenarium Tiefsee


Crawler (Kettenantrieb)Tiefsee



ROBEX – Einsatz von Fähigkeiten zur Mobilität und Manipulation auf der Mondoberfläche


ROBEX – Mondszenarium: Transportieren, Ablegen und Aufnehmen von Instrumenten

Movie


Curiosity

NASA: 1997 + 2004 + 2012(1) Mars Pathfinder Mission: Sojourner, Landung Juli 1997(2+3) MER = Mars Exploration Robot: Spirit & Opportunity, Landung Jan 2004(4) MSL Mars Science Laboratory: Curiosity, Landung 6 Aug 2012, Betrieb 2 Jahre

12 kg

180 kg

900 kg - RTG powered


CuriosityOn Sol 84 (Oct. 31, 2012), NASA's Curiosity rover used the Mars Hand Lens Imager (MAHLI) to capture this set of 55 high-resolution images, which were stitched together to create this full-color self-portrait.The mosaic shows the rover at "Rocknest," the spot in Gale Crater where the mission's first scoop sampling took place. Four scoop scars can be seen in the regolith in front of the rover.The base of Gale Crater's 3-mile-high (5-kilometer) sedimentary mountain, Mount Sharp, rises on the right side of the frame. Mountains in the background to the left are the northern wall of Gale Crater. The Martian landscape appears inverted within the round, reflective ChemCam instrument at the top of the rover's mast.Self-portraits like this one document the state of the rover and allow mission engineers to track changes over time, such as dust accumulation and wheel wear. Due to its location on the end of the robotic arm, only MAHLI (among the rover's 17 cameras) is able to image some parts of the craft, including the port-side wheels.


• Die “International Mars Exploration Working Group” (IMEWG) trafsich erstmals nach 2009 wieder am 26. Juni 2013 in London.

• Viele Agenturen bekräftigten das Interesse an einer Probenrückführungvom Mars.

• NASA plant mit der 2020-Mission bereits Proben für eine Rückführungaufzunehmen („Caching“).

• Die Agenturen beschlossen die Einrichtung einer technischenArbeitsgruppe zur Diskussion der MSR-Architektur sowie einerwissenschaftlichen Arbeitsgruppe zur Diskussion der wissenschaftlichenAspekte der Probenrückführung und –untersuchung.

• Mobilität + Autonomie: schneller, sicherer, autonomer größeres Gebiet erkunden in kürzerer Zeit

(Opportunity: ca 35 km in 9 Jahren)

Wo geht die Reise hin?


ISECG - International Space Exploration Coordination GroupBernd Schäfer www.dlr.de

Mon

dM

ars

And

ere


(Un-) Bemannte Missionen:

Moon Next

Asteroid Next (Asteroid Re-direction Mission)

Mars Probenrückkehr (robotisch, nach 2020 ?)

Mars bemannt ( nach 2035 ? )



Werbung für Abschlussarbeitsthemen im Bereich Robotik und Mechatronik:

Bachelor, Master

vor allem auch inModellbildung und Simulation

Documents

Mond, Mars und Asteroiden – die Erkundung mit robotischen ...dodo.fb06.fh-muenchen.de/froriep/VDI_AK_Mechatronik/public/2013 12 04... · DTM / DEM: 3D‐Mapping of environment based