科学家研究新算法指导机器人抓取太空垃圾

一项算法在国际空间站进行测试，分析太空中的旋转物体。

国际空间站想象图

图片由 NASA提供 (Jose-Luis Olivares/MIT编辑)

SPHERES 卫星在国际空间站

图片由MIT空间系统实验室提供

Goggles 与SPHERES 卫星在国际空间站

图片由MIT空间系统实验室提供

物体在太空中特别容易自旋，而且这种旋转的方式与在地面时不同。它们以什么方式自旋，质心在哪儿，质量分布是怎样。这些问题都会对实际或者未来可能的太空任务产生影响。这些任务可能是清理地球同步通讯卫星轨道上的垃圾，或者撞击彗星。

在新一期的《机器人领域期刊》（Journal of Field Robotics）中，会介绍一种新的算法，仅用视觉信息来测算物体在失重情况下的旋转运动。这种算法是由来自MIT的研究者们提出的，并在国际空间站中进行了相关测试试验。在本月召开的国际智能机器人和系统大会上，他们会对试验结果做出进一步的报告。

大部分的测量试验证明这种算法是准确的，甚至在一台排球大小的试验卫星的微处理器上也能成功运行。但在另一项测量质量分布的试验中，这种算法就不能很好的运行，虽然得到的估算值精度在很多情况下也足够满足需求。但如果多花点时间换用运算能力更高的电脑，将会大大提高结果的精度。

太空垃圾

“一些卫星已经失效，就会留在距离正常轨道几百公里外的一个与地球同步运转的太空垃圾场内”，Alvar Saenz-Otero，MIT航空航天部的科研骨干说道：“现在又超过6000颗卫星在太空中运行。人们正在考虑对它们中的一部分进行回收。我们是否能够近距离对这些卫星进行观察，了解它们是如何进行自旋运动和相关的动力学行为，然后贴近着靠上去？”

“现在有越来越多的太空垃圾出现，” Saenz-Otero补充说“上千片失效卫星的残骸漂浮在太空中。如果发射一艘超大型的航天器，的确，就可以收集所有这些碎片残骸，但会有很高的经济成本。但如果是发射一架小型航天器，然后试图贴靠在它们之上，那航天器也会随着这些残骸本身摆动，变得不稳定。所以你要先了解它们，然后才可以捕捉到它们并控制它们。”

Saenz-Otero的合著者有：同时也是论文第一作者的Brent Tweddle，当时是MIT航空航天领域的毕业生，如今在NASA喷气的推力试验室工作；他的研究院同学Tim Setterfield；航空航天教授David Miller；机械和海洋工程教授John Leonard。

研究者们使用了两颗小卫星来测试他们的算法。这两颗卫星是通过MIT的SPHERES项目部署在太空的，旨在为将来发射大量小型定位卫星铺路，帮助人类宇航员开展太空任务。这两颗卫星中，一颗负责将另一颗的运动通过立体摄像机拍摄下来。

MIT的研究者在国际空间站进行了一项测试。检测一种在失重条件下物体旋转运动的测量方法。这段视频显示了被测物体沿其自身长轴、短轴、和中间轴旋转的测试结果。

视频由研究者提供

Cart and horse 研究过程

Tweddle解释说，有一种测定自选物体动力特性的方法是，首先建造一个可观测的模型，然后估算它的方位、线速度和角速度、惯量，来分析模型。但是MIT的研究者们提出的算法却能是这些工作同时进行。

“如果你只是绘制一张天体图，那就要最大程度的还原出你所看到的东西，而不会受限于它们的运动轨迹，”Tweddle说，“那么你得到轨迹将会非常跳跃，自旋速率会出现阶跃，角速度也不是连续或是定常的。再加入动力学分析之后，就会极大地限制你得到一个比较好的，平滑的轨迹。”

为了同时得到所有的估测值，这项算法采用了概率论的方法。第一步的猜想是，比如说角速度不是完全精确的，但是其与真实值的误差可以通过概率估计出来，有一个置信区间。一种标准的估测方法是利用正态分布（也称高斯分布）——比如人群的身高值就符合这样一条钟形曲线的分布。

“正态分布表示，曲线中部值的出现概率较大，而接近首尾两端的值出现概率较小。这些可能值涵盖了从负无穷到正无穷，“Tweddle说。“但这种分布也不是适用于所有情况，比如我们知道一个物体的质量就不可能是负值。”惯量也是。虽然数学上计算起来更复杂，但是也是同样的，仅限于取正值。

合理解法

用Tweddle的话来说，通过“一次次的失败和反复试验”，他们发现，物体绕不同轴自转的转动惯量，实际上，可以通过正态分布建立模型。正如MIT的算法所估计的一样。

“这种新的模型，对于这类问题的分析有巨大帮助，”Tweddle说。“现在再看它，我就在想’为什么一开始想到呢？’”

“这个想法的起源是考虑到，我们也许会需要对太空中那些运行了很长时间的卫星进行检修。而对这些卫星的一些特性（比如质心，惯量）都不甚清楚。”喷气动力实验室计算机视觉小组的管理者Larry Matthies说道“不是因为最初的设计数据难以得到，就是因为在轨道上长时间的运行已经使他们的原始特性发生了改变——这个有些难以置信，或许我们也有可能需要去处理一下其他人的卫星什么的。”

另外，Matthies说，即使是设计数据可以获得，卫星也有可能因为一些可以可拆装的部件而导致转动惯量发生显著变化。“也许卫星上有一些连接处，这些对于卫星物理特性的影响也要考虑在内。如果有任何几何上的不确定性，我们就需要重新测定这些数据。”

这项研究工作由NASA和美国国防部高级研究计划署提供基金支持。

原文链接：http://newsoffice.mit.edu/2014/algorithm-spinning-space-debris-0910

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