Maggiore autonomia per i veicoli spaziali a guida autonoma
Con innumerevoli satelliti in orbita e lanci di razzi di routine, l’umanità è decisamente entrata nell’era spaziale. Tuttavia, nonostante gli enormi progressi nell’automazione, molte operazioni spaziali sono ancora controllate manualmente dagli esseri umani. «Dalle manovre alle operazioni scientifiche, quasi tutte le attività sono in genere pianificate in anticipo da team di ingegneri a terra», spiega Ethan Ryan Burnett, già ricercatore presso il Politecnico di Milano(si apre in una nuova finestra) (Polimi) e presto professore assistente presso l’Università del Texas ad Austin. «Questo ritardo nell’automazione nello spazio è dovuto a due ragioni: le missioni spaziali sono molto costose, quindi le agenzie sono naturalmente restie a sperimentare soluzioni autonome; inoltre, i computer a bordo dei veicoli spaziali sono molto lenti rispetto a quelli terrestri.» Tali computer sono progettati per resistere al difficile ambiente delle particelle ad alta energia presenti nello spazio, il che significa che gli algoritmi che possono essere eseguiti a bordo sono molto limitati e il software di volo deve essere progettato con un basso impatto computazionale. Con il progetto FAAST, finanziato dall’UE, Burnett e il suo team hanno sviluppato nuovi ed efficienti algoritmi di guida e controllo per veicoli spaziali di piccole dimensioni e interplanetari. «Tradizionalmente si potrebbe associare un basso impatto computazionale a una bassa capacità, ma con FAAST speriamo di dimostrare che non è del tutto vero.» L’obiettivo principale di FAAST era quello di progettare algoritmi di guida autonoma affidabili e a basso impatto ambientale che, se adottati su larga scala, consentirebbero di ridurre notevolmente i costi operativi delle missioni. Attualmente tali costi variano(si apre in una nuova finestra) dal 10 % al 50 % dei costi totali delle missioni più lunghe. «Si tratta di un’innovazione in termini di costi che potrebbe contribuire a rendere lo spazio più accessibile con un budget inferiore. Inoltre, consentirebbe di realizzare veicoli spaziali più performanti, il che potrebbe contribuire a sbloccare nuovi tipi di missioni spaziali completamente autonome mai viste prima», osserva Burnett.
Elaborare nuovi algoritmi di guida e controllo
FAAST si è concentrato sullo sviluppo di algoritmi che regolano la traiettoria dei veicoli spaziali in base alla loro posizione e velocità del momento, a un obiettivo o a una serie di obiettivi e a problemi quali, ad esempio, l’evitare oggetti pericolosi nello spazio. Nel progetto sono stati applicati molti metodi matematici e computazionali, ma due sono stati particolarmente importanti. Il primo è stato l’ottimizzazione convessa, una famiglia di algoritmi stabili che risolvono in modo efficiente le equazioni se queste sono espresse in determinate forme standard. Il secondo metodo consisteva nel precalcolare le informazioni necessarie per pianificare una traiettoria, in modo che lo strumento di guida non dovesse risolvere complesse equazioni a bordo. Dopo aver sviluppato i prototipi, il team ha testato gli algoritmi prima sui computer, poi in un ambiente sperimentale. «Poiché il lavoro per FAAST è proseguito oltre la durata della borsa di studio delle azioni Marie Skłodowska-Curie(si apre in una nuova finestra), speriamo di poter iniziare nei prossimi mesi a testare gli algoritmi di FAAST su hardware simile a quello utilizzato nei voli», osserva Burnett.
Verso test di simulazione di volo
Gran parte del lavoro è in fase di revisione tra pari per essere pubblicato su riviste scientifiche. Il primo articolo relativo al progetto è stato pubblicato sul «Journal of Guidance, Control, and Dynamics»(si apre in una nuova finestra) e presenta un metodo di guida sviluppato nell’ambito del progetto che funziona rapidamente su un computer portatile. «Quello che testeremo nei prossimi mesi è quanto tempo ci vuole su hardware simile a quello di volo, che è più lento», afferma Burnett. «Poiché questi algoritmi sono utilizzati per pianificare ore o giorni di operazioni, speriamo che un rallentamento di pochi minuti non costituisca un grosso ostacolo.» Oltre ai prossimi test di simulazione di volo, Burnett sta anche lavorando alle prossime fasi dello sviluppo tecnologico degli algoritmi stessi. «Quello che dobbiamo fare adesso è integrare le conoscenze sulle incertezze nell’algoritmo», aggiunge.
