Integrated Approaches to Systems Engineering, Intelligent Technology, and Innovation in Space Exploration
Proceedings of the XLVI, XLVII ACADEMIC SPACE CONFERENCE, Dedicated to the Memory of Academian S.P. Korolev and Other Outstanding Russian Scientists - Pioneers of Space Exploration, "KOROLEV ACADEMIC SPACE CONFERENCE" (Volume 2)
- 2026
- Buch
- Herausgegeben von
- V. I. Mayorova
- A. I. Komkin
- Buchreihe
- Lecture Notes in Networks and Systems
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
Über dieses Buch
Dieses Buch konzentriert sich auf Weltraumrobotik, planetare Erkundungssysteme und Antriebstechnologie und bietet tiefe Einblicke in die technischen Innovationen, die moderne Weltraummissionen umgestalten. Mit Inhalten aus den Akademischen Raumfahrtkonferenzen XLVI und XLVII befasst sich dieses Buch sowohl mit theoretischen als auch mit angewandten Herausforderungen im Bereich autonomer Systeme und fortschrittlicher Antriebstechnologie. Die Kapitel sind in zwei Teile gegliedert und befassen sich mit der Konzeption und dem Einsatz von Roboterrovern, autonomen Systemen für raue planetare Umgebungen, neuartigen Steuerungsalgorithmen und hochmodernen Antriebssystemen. Insbesondere heben die Autoren die Antriebssysteme der nächsten Generation hervor, darunter Plasma-Triebwerke, Ionenstrahlruder und Hybridkonfigurationen, sowie modernste Robotersysteme und autonome Mobilitätslösungen für die Erforschung des Planeten. Dieses Buch präsentiert experimentelle Ergebnisse, Simulationsstudien und Ansätze zur Systemintegration und dient als Referenz für Ingenieure, Robotikspezialisten und Missionsplaner.
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Über dieses Buch
This book focuses on space robotics, planetary exploration systems, and propulsion technology, offering in-depth insights into the engineering innovations that are reshaping modern space missions. With content drawn from the XLVI and XLVII Academic Space Conferences, this book addresses both theoretical and applied challenges in autonomous systems and advanced propulsion technology.
Organized into two parts, the chapters explore the design and deployment of robotic rovers, autonomous systems for harsh planetary environments, novel control algorithms, and cutting-edge propulsion systems. In particular, the contributors highlight next-generation propulsion systems, including plasma engines, ion thrusters, and hybrid configurations, alongside state-of-the-art robotic systems and autonomous mobility solutions for planetary exploration.
Presenting experimental results, simulation studies, and systems integration approaches, this book serves as a reference for engineers, robotics specialists, and mission planners.
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Inhaltsverzeichnis
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Space Exploration and Robotics
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Frontmatter
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A Feasibility Study of the Mobile Robot for Venusian Surface Exploration
Svetlana V. Porseva, Victor V. ZelentsovDieses Kapitel geht der Machbarkeit des Einsatzes eines mobilen Roboters auf der Oberfläche der Venus nach und widmet sich den einzigartigen Herausforderungen, die von den extremen Bedingungen des Planeten ausgehen. Die Studie untersucht das Inertioidprinzip, bei dem die Bewegung des Roboters durch die innere Bewegung eines massiven Körpers angetrieben wird, was ihn äußerst widerstandsfähig gegenüber der aggressiven Umgebung der Venus macht. Simulationsergebnisse mit der Software MATLAB Simulink Simscape Multibody werden präsentiert und die Fähigkeit des Roboters gezeigt, sich durch Sprünge entlang einer bestimmten Flugbahn zu bewegen. Das Design und die Entwicklung eines Prototypen werden diskutiert, wobei die praktischen Aspekte des trägheitsbetriebenen Roboters herausgestellt werden. Das Kapitel schließt mit Einblicken in die Leistungsfähigkeit des Prototypen und das Potenzial zukünftiger Missionen zur Erforschung der Oberfläche der Venus.KI-Generiert
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AbstractThe paper presents the current state of a mobile inertia-driven robot development for Venusian surface exploration. A review of the robot operation conditions is carried out. The general principles of the rover body and its inner mass motion are described. The results of the rover’s body vertical jumping motion simulation in MATLAB Simulink Simscape Multibody software are presented. They are confirming the operability of the dynamic design. A prototype of inertial-driven rover jumping mechanism to be used for subsequent testing of the design is described. -
Improving the Accuracy of Thread Shaping with a General-Purpose Cutter
Oleg V. Malkov, Ilya D. LagoyskiyDieses Kapitel vertieft sich in die Feinheiten des Gewindefräsens und konzentriert sich auf die Verbesserung der Genauigkeit und Zuverlässigkeit von Gewindeverbindungen. Es wird ein neuartiges kinematisches Schema mit gekreuzten Achsen eingeführt, das die Bildung von Gewinden mit kleinen Winkeln auf einer oder beiden Seiten des Profils ermöglicht. Der Text präsentiert ein umfassendes mathematisches Modell zur Berechnung des geometrischen Fehlers des Gewindeprofils unter Berücksichtigung der Drehung des Werkzeugs um zwei Winkel zur Gewindeachse. Außerdem werden die Definition von Gewinde- und Werkzeugoberflächen, die Berechnung von Gewindeprofilkoordinaten und die Bestimmung des geometrischen Fehlers diskutiert. Simulationsergebnisse für das metrische Gewinde M42 × 4 bei verschiedenen Werkzeugdrehwinkeln werden bereitgestellt, was die Wirksamkeit der vorgeschlagenen Methode demonstriert. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die Implikationen der Ergebnisse und die möglichen Anwendungen des vorgeschlagenen kinematischen Schemas.KI-Generiert
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AbstractA kinematic scheme for thread milling is proposed, allowing the tool to orient relative to the thread being formed by rotating around two axes. A generalized mathematical model of thread forming by a tool in a general position has been developed, enabling the calculation of geometric errors for threads of arbitrary profiles. Numerical values of the geometric error of the profile have been established based on the developed model and demonstrated using the example of a metric thread, corresponding to the adopted degree of accuracy. The proposed model facilitates the effective forming of threads with a small angle on one of the thread’s sides, significantly expanding the application scope of thread milling. -
Skills—Motion and Action Control of an Autonomous Space Manipulation Robot
Alexey G. Leskov, Vladimir V. Illarionov, Alexander A. GulnyashkinDieses Kapitel befasst sich mit der Automatisierung von Robotern zur Weltraummanipulation unter Verwendung des Skills Frameworks, einer Methode, die verspricht, die Montagetätigkeit im All zu revolutionieren. Der Qualifikationsrahmen automatisiert die Kontrolle, verringert menschliche Eingriffe und steigert die Effizienz. Der Artikel skizziert die grundlegenden theoretischen Prinzipien von Fertigkeiten und ergänzt sie durch Softwareimplementierung und experimentelle Validierung an einer repräsentativen Montageaufgabe - dem Einsetzen eines Plastikbechers in einen anderen. Das Experiment demonstriert die sequenzielle Ausführung einer Qualifikationskette in einem semi-physikalischen Setup und bestätigt die Wirksamkeit des Rahmenwerks. Künftige Entwicklungsrichtungen werden ebenfalls diskutiert, einschließlich automatischer Fertigkeiten, verbesserter Kontrolle der Streitkräfte und größerer Flexibilität der Fertigkeiten. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial des Qualifikationsrahmens, die Arbeitsbelastung des Bedieners deutlich zu reduzieren und die Autonomie robotergestützter Manipulatoren im Weltraum zu verbessern.KI-Generiert
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AbstractSpace manipulator robots are employed in a wide range of tasks. The diversity and complexity of the required operations often exceed human operators’ capabilities in manual control, necessitating increased autonomy. This article addresses the enhancement of autonomy in space manipulator systems through the theory and methodology of “skills.” The primary focus is on robotic assembly, which entails a sequence of complex actions—grasping objects, transporting them in space, and integrating them into a target structure. Within the “skills” framework, these actions are formalized as elementary, structured primitives encompassing coordination, control, and task execution. As a representative case, we consider the simplest assembly task: inserting one plastic cup into another. The required skill set includes automatic estimation of the objects’ linear and angular poses, trajectory planning, execution of planned motions, object grasping, and precise insertion. We present the results of experimental validation on a semi-physical testbed comprising a Kawasaki FS-03N industrial robot, a Kinect-based vision system, a six-axis force–torque sensor, and a scalable computing infrastructure built on the Robot Operating System (ROS). -
Opensource Unified Endpoint Management Software for Nanosatellites
Kristina A. Zhdanova, Georgy A. Shcheglov, Zaynulla S. Zhumaev, Nikita D. Kamenev, Dmitry O. NovikovDieses Kapitel befasst sich mit der Entwicklung eines Open-Source-Softwarepakets zur zentralen Verwaltung von Zielendgeräten in Nanosatelliten, einer entscheidenden Weiterentwicklung in der Raumfahrtindustrie. Der Text untersucht den Wandel von einer monolithischen zu einer Mikroservice-Architektur und betont die Vorteile flexibler Skalierung, kontinuierlicher Bereitstellung und unabhängiger Bereitstellung. Außerdem wird der Einsatz von Docker für agile Entwicklung und Tests sowie die Implementierung eines digitalen Simulationsmodells zur Nachahmung des realen Satellitenbetriebs diskutiert. Das Softwarepaket zielt darauf ab, verschiedene Nutzlasten an Bord von Nanosatelliten zu integrieren und einheitlich zu steuern, wodurch Entwicklungszeiten verkürzt und Software-Upgrades während des Fluges ermöglicht werden. Die Schlussfolgerung unterstreicht die Bedeutung von Open-Source-Software in der Raumfahrtindustrie und unterstreicht ihr Potenzial, die Entwicklung und den Betrieb von Nanosatelliten zu revolutionieren.KI-Generiert
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AbstractThe paper considers the prospects for the use and advantages of modern SMART-satellites created on the basis of cyber-physical systems. It is shown that the main problem in the development of SMART-satellites is the lack of open software for the introduction of computing devices (SMART-devices) and various payloads on board SMART-satellites. The paper considers the relevance of developing an open software package for centralized control of target end devices of modern nanosatellites. The architecture of cyber-physical systems is given. The existing software tools for controlling the onboard microcomputers of nanosatellites are noted. The main functionality of modern software systems developed for ultra-small spacecraft, such as CubeSat format nanosatellites, is described. A comparison of monolithic and microservice architecture is given. The article clarifies the features of these architectures, highlights the advantages and disadvantages. The fundamental principles for designing the architecture of a software package are described. The advantages of using this approach when creating a software complex are shown. It is proposed to use a simulation model of a nanosatellite for operational debugging and testing of the software complex of smart devices. The authors of the work show the structure of the software package and show the place of the simulation model in it. -
Stabilization of an Aeroservoelastic System Unstable According to Glauert
Georgy A. Shcheglov, Mariia O. KriukovaDieses Kapitel befasst sich mit der Stabilisierung eines instabilen aeroautoelastischen Flugzeugsystems und konzentriert sich auf den Einsatz von PID-Controllern, um Stabilität zu erreichen. Die Analyse beginnt mit einem vereinfachten Zwei-Körper-Systemmodell, bestehend aus einem Tragflügel und einer Basis, um die Dynamik eines Unterschallstroms zu verstehen. Die Studie verwendet das Routh-Hurwitz-Kriterium, um Stabilitätsregionen anhand der Betriebsarten des PID-Controllers zu bestimmen. Es werden zwei Arten von automatischen Kontrollsystemen (ACS) berücksichtigt, wobei die Eingangssignale Geschwindigkeit und Beschleunigung sind. Der Text bietet einen detaillierten mathematischen Rahmen, einschließlich der Ableitung charakteristischer Gleichungen und der Bedingungen für Stabilität. Experimentelle Validierung und numerische Lösungen mit Wolfram Mathematica werden präsentiert, um die Ergebnisse zu unterstützen. Die Ergebnisse zeigen, dass Stabilität auch ohne nichtlineare Elemente erreicht werden kann und die Stabilisierungsbedingungen durch den Glauert-Zustand und die aerodynamische Momentenableitung beeinflusst werden. Das Kapitel schließt mit praktischen Implikationen für die Ausbildung in Stabilitätstheorie und Aeroservoelastizität und betont die Bedeutung des Verständnisses sowohl der Geschwindigkeits- als auch der Beschleunigungssteuerung für die Systemstabilität.KI-Generiert
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AbstractFor a simple unstable linear aeroelastic system of two degrees of freedom, the effects of an linear integrating, differentiating and proportional link on the equilibrium position stability are investigated. The instability of the system under consideration is indicated by means of the negative Glauert criterion. In the course of this study, two automatic control systems were considered which use motion velocity and acceleration as input signals to bring the system to a steady state. We also obtained the boundaries of the stability region, conditions imposed on the gain of the integrating, differentiating and proportional inertia-free link of the PID regulator in accordance to the parameters of the initial system. The parameters found by the method of the Routh-Hurwitz criterion followed by a matrix minor analysis are compared with numerical simulation results. The results obtained can be used in education courses on the stability theory and aeroservoelasticity. -
Designing a Configurable 32-Bit Microprocessor Based on RISC-V Architecture for Specialized Applications
Sergey A. Kornev, Vladimir V. Andreev, Alexander A. StolyarovIn diesem Kapitel wird das Design und die Entwicklung eines konfigurierbaren 32-Bit-Mikroprozessors auf Basis der RISC-V-Architektur untersucht, der auf eingebettete Anwendungen und die Integration in Systeme auf einem Chip zugeschnitten ist. Die Architektur des Mikroprozessors ist detailliert und unterstreicht seine Konfigurierbarkeit mit 16 oder 32 Registern, verschiedenen Befehlssatzerweiterungen und optionalen Features wie Branch Prediktoren und Bypass. Der Entwicklungsprozess umfasst die Erstellung eines Testchips mit 0,6-Mikrometer-CMOS-Technologie, wobei der Schwerpunkt auf dem Design von Stromversorgungssystemen, der Taktbaumsynthese und Performance-Tests liegt. Die Leistung des Mikroprozessors wird mit dem CoreMark-Test bewertet, und seine Kompatibilität mit der RISC-V-Architektur wird durch umfangreiche Tests überprüft. Das Kapitel behandelt auch die Anpassungsfähigkeit des Mikroprozessors an verschiedene Halbleitertechnologien und FPGAs, wodurch er zu einer vielseitigen Lösung für spezielle Anwendungen wird. Die Schlussfolgerung betont das Potenzial des Mikroprozessors, die Markteinführungszeit zu verkürzen und Ziele in den Bereichen Energieeffizienz, Leistung und Schaltkreise zu erreichen, insbesondere bei der Konstruktion von Flugzeugen.KI-Generiert
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AbstractControl of functional blocks of systems on a chip and application-specific integrated circuits are discussed. Implementation of a configurable 32-bit microprocessor based on RISC-V instruction set architecture for embedded applications and integration into systems on a chip is presented. The processor has 5-stage instruction pipeline. Branch predictors, bypass, hardware integer multiplication and division, as well as instruction cache can be added as options. Capability to flexibly configure the processor core depending on the tasks and limitations imposed on the developed chip is demonstrated. Performance and power consumption indicators of various processor core configurations are defined. One of the microprocessor configurations with RV32IMC instruction set, branch predictors, bypass, as well as hardware integer multiplication and division was implemented in CMOS SOI 0.6 µm technology using the Cadence EDA Tools. The physical implementation results in a circuit of 23.99 mm2. The chip contains over 8,000 digital elements including 2350 D-triggers. The circuit consists of 70% digital elements. The microprocessor successfully passed RISC-V architecture compatibility tests. The results of the CoreMark benchmark for various microprocessor configurations are also presented. -
Modeling the Optimal Vector of Technological Parameters in the Context of Rocket and Space Industry Production
Andrey V. Smirnov, Ivan D. Sidelnikov, Alla E. BromDieses Kapitel vertieft sich in den komplizierten Prozess der Modellierung optimaler technologischer Parameter für die Produktion in der Raketen- und Raumfahrtindustrie, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf der additiven Fertigung liegt. Der Text skizziert die wichtigsten Phasen bei der Gestaltung des technologischen Prozesses der Produktherstellung, einschließlich der Beurteilung von Funktions- und Designanforderungen, der Modellierung von Produktionsparametern und der Genehmigung des Produktionsprozesses. Er beleuchtet die Herausforderungen und Ansätze bei der Auswahl technologischer Parameter am Beispiel der additiven Fertigung, um die vorgegebenen Qualitätsparameter der Fertigprodukte sicherzustellen. Das Kapitel behandelt auch die Beziehung zwischen Produktionsparametern und Qualitätsparametern und betont die Bedeutung der Kontrolle der Mikrostruktur von Metallen und Legierungen in Produkten, die durch additive Fertigungstechnologien hergestellt werden. Darüber hinaus wird der Einsatz von Computermodellierungstools zur Variation von Produktionsparametern untersucht, was eine vielversprechende Lösung für die kostspieligen und zeitaufwändigen Versuch-und-Fehler-Methoden darstellt, die derzeit verwendet werden. Der Text schließt mit einer zukunftsorientierten Perspektive auf die Zukunft der additiven Fertigung in der Luft- und Raumfahrtindustrie und betont das Potenzial von Computermodellierungswerkzeugen zur Optimierung von Produktionsparametern und zur Verbesserung der Produktqualität.KI-Generiert
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AbstractIn recent years, companies in the rocket and space industry have been actively transitioning to a customized production approach, where production parameters can be adjusted to meet specific orders. This is associated with the rapid development of additive manufacturing technologies, which enable the production of metal parts with complex shapes and allow for the control of the metal microstructure by adjusting the process parameters. This makes it possible to produce products with unique mechanical properties and complex internal microstructure at a reduced time and cost. The application of advanced additive manufacturing technologies involves establishing a set of parameters for each subprocess that will impact the quality of the final product. The paper analyzes the main parameters affecting the quality of the final product in additive manufacturing and discusses a binary multicriteria mathematical model for selecting an optimal parameter vector based on the chosen additive technologies. -
Development of a Computing Module for a Small Spacecraft CubeSat Class
Kristina A. Zhdanova, Georgy A. ShcheglovDas Kapitel befasst sich mit der Entwicklung eines Rechenmoduls für Nanosatelliten der CubeSat-Klasse und widmet sich den Umweltauswirkungen bodengestützter Rechenzentren. Es untersucht die Hardware- und Softwarekomponenten des Moduls, einschließlich der Verwendung eines Raspberry Pi-Mikrocomputers und eines CAN-Busses für den Datenaustausch. Der Text diskutiert auch die Integration des Computermoduls in Nanosatelliten und seine potenziellen Anwendungen in der weltraumgestützten Datenverarbeitung und -speicherung. Darüber hinaus werden der Einsatz erneuerbarer Energiequellen und die Skalierbarkeit des Moduls für zukünftige Experimente hervorgehoben. Das Kapitel endet mit der erfolgreichen Entwicklung und Erprobung zweier Flugmodelle des Computermoduls, die den Weg für weitere Fortschritte in der weltraumgestützten Informationstechnologie ebnen.KI-Generiert
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AbstractThe paper deals with an innovative approach to solving urgent environmental problems the production of information in orbit. The urgency of the problem of thermal pollution produced by data centers is indicated. The organization of the simplest model orbital infocommunication territorial-production complex for use on small spacecraft of the CubeSat class is shown. The results of the development of a computing module based on a single-board multi-core microcomputer for a small spacecraft of the CubeSat class are presented. The implementation of the software package for the interaction of the computing module and the onboard computer of the satellite is described. The results of ground tests and debugging of the module hardware are given. The integration of the computing module into the CubeSat nanosatellites is shown. -
Algorithm for Adaptive Correction of Parameters of Nonlinear Systems Using the Inverse Dynamics Problem Method
Anastasiya A. PolyakovaDieses Kapitel untersucht die adaptive Korrektur nichtlinearer Systemparameter mithilfe der Methode des Problems der inversen Dynamik, wobei der Schwerpunkt auf dem Extended Kalman Filter (EKF) zur Schätzung von Zustandsparametern liegt. Es geht um die Integration verschiedener Messinstrumente zur Verbesserung der Navigationsgenauigkeit und Zuverlässigkeit und diskutiert den stochastischen Charakter nichtlinearer dynamischer Systeme (NDS) und die Notwendigkeit einer Fehlerschätzungskompensation. Der Text stellt ein zweistufiges Verfahren zur Optimierung von Dämpfungsschleifen vor und beschreibt die Anwendung der Umkehrfilterung zur Fehlerschätzungskompensation. Außerdem werden die Herausforderungen in praktischen Anwendungen hervorgehoben, wie die Instabilität von Satellitensignalen und die Notwendigkeit vorhergesagter Fehlerschätzungen. Das Kapitel schließt mit der Effektivität inverser Filterverfahren bei Identifikations- und Kontrollaufgaben, die durch Ergebnisse von Feldversuchen unterstützt werden.KI-Generiert
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AbstractThe study addresses the problem of compensating errors of nonlinear dynamical systems between observation sessions. The task of compensating estimates is related to reconciling the solutions of nonlinear differential equations of INS (Inertial Navigation Systems) and linearized equations of their errors. The stochastic nature of the equations necessitates managing the process of error estimate compensation to stabilize the parameters of dynamical systems relative to the reference phase trajectory. The proposed solution is based on applying the method of inverse dynamics problems to synthesize a contour intended for compensating the estimates formed by the filter. When implementing the algorithm, it is necessary to determine the damping estimate coefficients. Results of experimental studies are provided. -
Cross-Section of the Cut Layer During Peripheral Milling with a Cutter Considering the Radial Runout of the Teeth
Dmitry V. Vinogradov, Alexey A. SmirnovDieses Kapitel vertieft sich in die Feinheiten des peripheren Fräsens und konzentriert sich auf den Querschnitt der geschnittenen Schicht und den oft vernachlässigten Faktor des radialen Rundlaufs. Die Studie zeigt, dass aktuelle Modelle, die die trochoiden Wege von Schneidezähnen vereinfachen, insbesondere bei hocheffizienten Bearbeitungsstrategien wie dem trochoiden Fräsen zu erheblichen Ungenauigkeiten führen können. Durch die Einführung eines raffinierten mathematischen Apparats berechnet die Forschung die Dicke der Schnittschicht unter Berücksichtigung des radialen Rundlaufs der Zähne genau. Dieser Ansatz ermöglicht eine präzisere Bestimmung von Schnittkräften, Temperaturen und Leistung und steigert letztlich die Produktivität und Effizienz des Fräsprozesses. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Berücksichtigung des radialen Rundlaufs, da er die Lastverteilung zwischen den Zähnen des Fräsers und die gesamte Fräsleistung erheblich beeinflusst. Die Studie schließt mit einer praktischen Anwendung des entwickelten Modells ab, die sein Potenzial zur Verbesserung der Werkzeuglebensdauer, der Prozessüberwachung und der Werkstückgenauigkeit aufzeigt.KI-Generiert
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AbstractConsidered the trajectories of the milling cutter teeth with radial runout. Developed a mathematical model and calculation program to determine the thickness of the removed layer, taking into account the trochoidal movement of the teeth and their radial runout. It was found that with the radial runout of the teeth, the thickness of the layer removed by each tooth changes relative to milling without runout—some teeth receive less load and remove less material, while the load on others increases. The maximum change is observed at small contact angles between the milling cutter tooth and the workpiece, which occurs during contour and trochoidal milling. It was found that the radial runout of the teeth and the feed per tooth significantly affect the change in the thickness of the removed layer. The influence of the diameter of the milling cutter and the radial depth was not identified. -
Stability of Biaxial Gyrostabilizer with a Non-rigid Suspension
Vladimir V. Fateev, Alexander V. KuleshovDieses Kapitel befasst sich mit der Stabilität biaxialer Gyrostabilisatoren mit nicht starren Aufhängungen und konzentriert sich auf die Auswirkungen struktureller Unstarrheit auf die Stabilisierungsgenauigkeit und Systemstabilität. Es untersucht die Auswirkungen der Nichtsteifigkeit sowohl auf die äußere als auch auf die innere Achse von biaxialen Suspensionen und liefert eine detaillierte Analyse der beteiligten mechanischen und Kontrollsysteme. Das Kapitel stellt eine umfassende Untersuchung der Stabilität dieser Systeme dar und unterstreicht die Bedeutung der Berücksichtigung der Unstarrheit bei der Gestaltung und Optimierung von Gyrostabilisatoren. Es bietet praktische Empfehlungen zur Verbesserung der Stabilität und Genauigkeit dieser Systeme und ist damit eine wertvolle Ressource für Fachleute, die ihr Verständnis der Gyrostabilisierungstechnologie verbessern möchten.KI-Generiert
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AbstractThe paper studies the influence of non-rigidity in the stabilization torque transfer circuit from the drive to the platform on the stability of a biaxial indicator gyrostabilizer in a gimbal suspension and presents the results of these theoretical studies. A comparative analysis of physical and mathematical models of such a biaxial gyrostabilizer for each of the stabilization axes has been carried out. The main differences in the character of the influence of non-rigidity in the stabilization loop on the stability of the gyrostabilizer for each axis have been determined. Stability studies have been carried out, including a comparison with a uniaxial indicator gyrostabilizer, both with and without non-rigidity in the stabilization loop. The characteristic differences in the influence of non-rigidity on each of the considered gyrostabilizers are shown. On the basis of this research the requirements to parameters of biaxial indicator gyrostabilizers in a gimbal suspension have been determined. -
Position Support Foot’s Control System Development and Modeling for the Multilink Wall Climbing Robot
Andrey A. Boshlyakov, Sergey V. Kalinichenko, Aslan A. KilovIn diesem Kapitel geht es um die Entwicklung und Simulation eines Steuerungssystems zur Orientierung des tragenden Fußes eines mehrgliedrigen Wandkletterroboters. Die Autoren betonen die Bedeutung von Softwaretools bei der Reduzierung von Entwicklungszeit und -kosten und heben den Einsatz von Gazebo für die Simulation und ROS für die Implementierung von Kontrollsystemen hervor. Das Kapitel beschreibt den Prozess der Erstellung von 3D-Modellen mit Autodesk Inventor Professional und deren Integration in die Gazebo-Umgebung. Außerdem wird der Einsatz von Laser-Entfernungsmessern zur Entfernungsmessung und die Entwicklung eines Kontrollalgorithmus diskutiert, der sicherstellt, dass der Fuß des Roboters parallel zur Zieloberfläche verläuft. Die Simulationsergebnisse zeigen die Fähigkeit des Roboters, seine Fußposition anhand von Sensordaten anzupassen, und zeigen die Effektivität des entwickelten Steuerungssystems. Die Schlussfolgerung unterstreicht die Bedeutung rechnerischer Ansätze bei der Lösung von Orientierungsaufgaben von Robotern, insbesondere für Kletterroboter.KI-Generiert
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AbstractOne of the relatively new directions in the development of mobile robots is the creation of wall climbing robots (WCR), that are capable of performing all kinds of operations on surfaces with an arbitrary angle of inclination. This article discusses the process of developing and modeling a control system for the support foot of a WCR. To fix the support foot, it is necessary to achieve the orientation of the support in parallel with respect to the support surface. Algorithms are being developed to ensure the reversal and fixation of the robot's foot along three coordinates. As a tool for modeling the movements of the supporting foot, the Gazebo environment is used, which allows you to simulate the spatial movement of a virtual robot taking into account the operation of various sensors. In the work, a virtual model of the sensor of the spatial orientation of the robot's foot was created. The control system was designed using the Python high-level language. Also, the ROS Kinetic tool is used for data exchange in the modeling process. In the course of the work, the kinematic structure of the robot node was considered, appropriate formulas for the mathematical description of the support model and its orientation algorithms were obtained, control signals for the foot drives were formed, modeling was carried out, which showed the correctness of the decisions made, which allowed confidently orienting the robot's support foot at different angles of rotation of the support surface relative to the robot. -
Application of Visual Tracking in Multi-Agent Robotics Systems
Yazan Wassouf, Aws Ahmad, Konstantin V. KonovalovDieses Kapitel befasst sich mit der Anwendung der visuellen Nachverfolgung in Multi-Agent-Robotiksystemen und hebt den Einsatz der Bildverarbeitung hervor, um einen Führungsroboter bei gleichzeitiger Einhaltung eines bestimmten Abstandes zu verfolgen. Die Forschung vermeidet kostspielige Sensoren wie Laser und GPS und entscheidet sich stattdessen für ein kamerabasiertes System. Zu den Schlüsselthemen zählen die Feature-Extraktion mit speziellen Features wie dem roten Körper des Roboters, die Führererkennung und -erkennung mittels Haar-ähnlicher Funktionen sowie Tracking-Algorithmen, die das Zentrum des sich bewegenden Objekts bestimmen. Der Unscented Kalman Filter wird zur Pose-Schätzung eingesetzt und stellt eine robuste Lösung zur Geräuschreduzierung und Vorhersage dar. Die auf dem Vrep-Simulator angewandten Ergebnisse zeigen die Effektivität des Tracking-Algorithmus in verschiedenen Szenarien, einschließlich gerader und gekrümmter Bahnen. Die Studie untersucht auch die Auswirkungen des Gaußschen Rauschens auf das System und zeigt die Fähigkeit des Filters auf, seine Auswirkungen zu mildern. Dieser umfassende Ansatz bietet wertvolle Einblicke in die Koordination und Steuerung von Multi-Agent-Robotiksystemen.KI-Generiert
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AbstractThis article discusses a tracking algorithm application in a multi-agent robotics system. This system consists of two robots, the first is the leader and the other is the follower. The main task is tracking the leader with a camera. This task can be done by using many sensors like: LiDAR, encoders, GPS. But the research is done as a solution for that situation when just a camera is available. In general, Tracking the leader aims to keep it in the range of vision and that can be done through many steps. First, the robot body should be detected using a classifier like Haar or HOG (Histogram of oriented objects), These classifiers are trained on photos for the leader in many positions, so detection can be done with help of special features in the leader. After detection, all information that is not important can be deleted which makes the process faster. Secondly, tracking can be done by subtracting the current frame from the last one, resulting in the identification of the moving object's center. The center coordinates perform an input for Unscented Kalman Filter which works as a predictor for the next step and a noise filter. The results can be tested on Vrep and the trajectories of the robots can be compared. Also, the algorithm was tested against the Gaussian noise and gave good results. -
Control of Anthropomorphic Manipulator Using Active Exoskeleton
Andrey A. Boshlyakov, Ilya S. ShchetininDieses Kapitel vertieft sich in die komplexe Welt der Kontrolle anthropomorpher Manipulatoren durch aktive Exoskelette und konzentriert sich auf die Nuancen des Kopierens von Kontrollmethoden und die entscheidende Rolle des Kraft-Moment-Feedbacks. Er untersucht die konstruktiven Herausforderungen mechanischer Teile und betont die Notwendigkeit von Steifigkeit und präziser Ausrichtung auf menschliche Gelenkachsen. Der Text geht auch auf die Bedeutung der Minimierung von Zeitverzögerungen im Kontrollprozess ein, die für das Eintauchen und die Kontrolle des Bedieners von entscheidender Bedeutung sind. Ein wesentlicher Teil des Kapitels widmet sich dem Einsatz eines Kalman-Filters zur Abschätzung störender Kräfte und Momente, der einen neuartigen Ansatz zur Verbesserung der Qualität des Kontrollsystems darstellt. Anhand detaillierter Computerexperimente zeigt das Kapitel die praktische Anwendung dieser Konzepte und bietet wertvolle Einblicke für Fachleute in Robotik und Automatisierung.KI-Generiert
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AbstractThis article discusses the issue of developing a system for copying control of a slave anthropomorphic manipulator using a master device in the form of an active exoskeleton that captures the movements of the operator's hand. The drives in the joints implement the force-torque feedback from the controlled manipulator. The tasks and requirements for the design of the master device, for the collection of information, and the speed of operation are considered. The issue of time delays in the control loop was considered. The question of the difference between the kinematic schemes of the exoskeleton and the manipulator is considered. A method is proposed for obtaining information about forces and torques through current information using an estimation system, a Kalman filter for a serial manipulator. For observation, an alternative description of the manipulator using a generalized momentum is given, which is well compatible with the set of parameters being measured. It also makes it possible not to use generalized accelerations and inversion of the mass-inertia matrix. The principle of the filter structure on the extended model is also used to estimate the external moments in the joints and the vector of forces applied to the end-effector. The computer experiments carried out in MATLAB Simulink showed an acceptable result and satisfactory quality of estimates of the external vector of forces and disturbing moments in the drives. -
Designing a Landing Platform to Explore Saturn’s Moon Enceladus
Mikhail A. Denisov, Vera I. Mayorova, Vladimir A. Igritsky, Veronika A. Pavlyuchenko, Yu. Zhang, Mikhail M. SkobelevDieses Kapitel befasst sich mit der komplizierten Konstruktion einer Landeplattform für den rätselhaften Mond Enceladus. Zu den primären Schwerpunkten gehört die Auswahl eines geeigneten Landeplatzes angesichts der einzigartigen Oberflächeneigenschaften des Mondes und des Vorhandenseins eines unterirdischen Ozeans. Der Text skizziert akribisch die Konstruktionsanforderungen für die Landeplattform und betont die Notwendigkeit eines Geländeerkennungssystems, das in der Lage ist, das Sinkprogramm in Echtzeit anzupassen. Darüber hinaus werden in diesem Kapitel die Instrumente zur Oberflächenerkundung wie ein Seismometer und ein Analysator für Umweltdynamik untersucht, die für die Untersuchung der geologischen Aktivität und der atmosphärischen Zusammensetzung von Enceladus von entscheidender Bedeutung sein werden. Der Höhepunkt dieser Bemühungen ist eine detaillierte Massenschätzung der Landeplattform, die durch Berechnungen und Simulationen gestützt wird und einen umfassenden Überblick über die Machbarkeit und den potenziellen wissenschaftlichen Ertrag der Mission bietet.KI-Generiert
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AbstractThis paper considers the development of a landing platform designed to deliver the rover to the surface of Saturn’s satellite Enceladus and conduct basic research in the landing zone. The concept under consideration was proposed in the framework of the International Youth Scientific School “Space Exploration: Theory and Practice—2022” (SDTP-2022) and includes the issues of general design, energy balance, the choice of energy generation and storage systems. The basic questions of the general design of all major systems of the landing platform are considered. -
Analysis of the Application of Small-Sized Landing Vehicles for Scientific and Industrial Applications
Veronika A. Kameneva, Victor E. MinenkoDieses Kapitel befasst sich mit der Anwendung kleiner Landefahrzeuge, insbesondere kleiner kapselartiger Sinkflugzeuge (SDVs), für wissenschaftliche und industrielle Zwecke. Es untersucht die aktuellen Beschränkungen der Rückführung von Nutzlasten zur Erde mit bemannten Sinkfahrzeugen und hebt die wirtschaftlichen und zeitsparenden Vorteile von SDVs hervor. Der Text diskutiert die Abmessungen und Gewichtsbeschränkungen von SDVs, ihren potenziellen Einsatz sowohl in autonomen als auch in orbitalen Stationsszenarien und ihre Klassifizierung nach Masse. Sie untersucht auch die wirtschaftliche Machbarkeit von SDVs und ihr Potenzial, die Rückkehr kleiner Nutzlasten aus dem All zu revolutionieren. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die Zukunftsaussichten von SDVs im Zusammenhang mit der Entwicklung neuer Orbitalstationen und ihre Rolle in der wissenschaftlichen Forschung und der industriellen Produktion im Weltraum.KI-Generiert
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AbstractThis work is aimed at collecting data and analyzing the requirements for small descent vehicles (SDVs) of the capsule type in the implementation of various scientific programs and industrial applications. The research objects are the schematic-forming features of SDVs, system composition, and stages of work during the development of the vehicle. Additionally, a method for rapid assessment of the mass and volume characteristics of systems based on updated statistical data on modern onboard equipment used in CubeSat format satellites and Earth remote sensing spacecraft is considered. The collected and structured information will form the basis for creating a methodology for designing capsule-type SDVs for scientific and industrial applications and its verification through experimental testing. -
Applying Model-Based Systems Engineering to the Conceptual Design of Autonomous Ice Penetration Probe for Enceladus Exploration
Anastas A. Karagadaev, Veronika A. Kameneva, Vladimir A. Igritskiy, Vera I. MayorovaDieses Kapitel befasst sich mit der konzeptionellen Konzeption einer autonomen Eisdurchdringungssonde zur Erkundung des Saturnmonds Enceladus mithilfe von Model-Based Systems Engineering (MBSE). Die Studie beginnt mit einer Analyse der technischen Voraussetzungen und Umweltbedingungen von Enceladus, wobei der Schwerpunkt auf dem Südpolterrain (SPT) liegt, wo die Eiskruste vermutlich dünner ist. Das Kapitel untersucht dann bestehende Konzepte von eisdurchdringenden Geräten und hebt ihre Vor- und Nachteile hervor. Der Schwerpunkt liegt auf der Anwendung von MBSE, um ein Rahmenwerk für zukünftige Modellierungsaktivitäten zu entwickeln, das ein Metamodell des Konzepts der Eisdurchdringungssonde liefert. Die Studie präsentiert auch eine detaillierte Analyse der Schlüsselfunktionen der Sonde, darunter Nutzlasttransport, Eisdurchdringung, Energieversorgung und Kommunikation. Das Kapitel schließt mit einer Diskussion über die Anwendbarkeit des MBSE-Ansatzes und das Potenzial für zukünftige Studien in diesem Bereich. Die Leser erhalten Einblicke in den methodischen Ansatz, den Designprozess und die möglichen Anwendungen von MBSE bei der Entwicklung interplanetarer Forschungsmissionen.KI-Generiert
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AbstractThis paper describes the process of conceptual design of an autonomous probe for penetration of the ice crust of Enceladus. The developed design is intended to be part of a large-scale training project on exploration of Enceldaus, which was done during the “Space Development: Theory & practice—2022” international workshop. Methodology of this work was based on Model Based System Engineering (MBSE) approach. Work on this project resulted in elaboration of a framework for conceptual design of ice penetration probes, which incorporates a set of newly developed and pre- existing analytical tools. This framework could be used for further development of this project or for any future studies in this field. -
Resistance of Geomaterials to Penetration of Penetrators with a “Power-Law” Head Shape
Sergey V. Fedorov, Tatyana A. Gushchina, Alexey V. Dyukov, Vladimir I. GorelovDieses Kapitel befasst sich mit dem Widerstand von Geomaterialien gegen das Eindringen von Eindringlingen mit einer "Power-Law" -Kopfform, einem entscheidenden Aspekt der Weltraumforschung. Die Studie vergleicht den Penetrationswiderstand verschiedener Kopfformen, einschließlich konischer und ogivaler, und führt die "Power-Law" -Kopfform als potenzielle Verbesserung ein. Schlüsselthemen sind die Methoden der Penetration, der Einfluss der Kopfform auf den Widerstand und der Einsatz empirischer und analytischer Methoden zur Bestimmung der Eindringtiefe. Die Analyse zeigt, dass die "Power-Law" -Kopfform unter bestimmten Bedingungen Vorteile bieten kann, wie etwa größere Eindringtiefe und geringere Überlastung, was sie zu einem vielversprechenden Design für zukünftige Weltraummissionen macht. Das Kapitel diskutiert auch die praktische Anwendung dieser Erkenntnisse in verschiedenen Weltraumforschungsprojekten, wie den Missionen Mars-96 und MoonLITE, wobei das Potenzial zur Verbesserung der Effektivität von Penetratoren in verschiedenen kosmischen Umgebungen hervorgehoben wird.KI-Generiert
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AbstractIn the near future, to study the surface layer of various cosmic bodies (planets, asteroids, comets), the use of high-velocity penetrators capable of penetrating into it due to their existing reserve of kinetic energy is being considered. Research penetrators are equipped with sensors and devices for various purposes, the maintaining functionality of which depends on the penetrator overload during penetration. The penetration depth of penetrators and the overload that they experience are determined by the resistance force of the soil-rock target acting on the penetrator, considered as a non-deformable solid body. Actual problems for research penetrators are to increase the depth of their penetration into soil-rock targets and reduce the overloads that they experience. Based on the local interaction theory, a comparative analysis of the resistance of soil-rock targets to the penetration of penetrators with a conical and “power-law” head shape was carried out. The generatrix of the “power-law” head is described by a power-law equation. The influence on the penetration parameters of the relative height of the “power-law” head and the exponent in the equation of its generatrix was determined. It has been established that at certain values of the exponent, penetrators with a “power-law” head can have a slight advantage in the depth of penetration into soil-rock targets and the experienced overload in comparison with penetrators with a conical head at the same height of the heads. The choice of the optimal exponent value in the head generatrix equation depends on the specific penetration conditions (penetrator velocity and type of soil-rock target). -
Equipment and Tools for Ultra-High-Speed Milling
Vera M. Korneeva, Sergey S. KorneevDieses Kapitel befasst sich mit den technologischen Prozessen des Ultrahochgeschwindigkeitsfräsens und unterstreicht die Notwendigkeit höherer Schnittgeschwindigkeiten, um Produktivität, Genauigkeit und Oberflächengüte zu steigern. Darin werden die Herausforderungen und Lösungen im Zusammenhang mit Ausrüstung und Werkzeugkonstruktion untersucht, wobei der Einsatz hochfrequenter elektrischer Spindeln und die Bedeutung von Auswuchtwerkzeugen betont werden, um Resonanz zu verhindern und Zuverlässigkeit zu gewährleisten. Der Text diskutiert auch die Berechnung der Werkzeugfestigkeit unter Trägheitslasten und die Modernisierung bestehender Fräsmaschinen, um den Anforderungen des Ultrahochgeschwindigkeitsfräsens gerecht zu werden. Darüber hinaus umfasst es die Entsorgung von Chips und die Sicherheitsmaßnahmen, die für solche Hochgeschwindigkeitsoperationen erforderlich sind. Die Schlussfolgerung bietet eine Methode zur Beurteilung der Kraftbelastung von Schneidwerkzeugen und die Ermittlung der Werte der Schneidkräfte bei ultrahohen Geschwindigkeiten und bietet wertvolle Erkenntnisse für Fachleute auf diesem Gebiet.KI-Generiert
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AbstractMachining occupies a significant volume in the technological processes of production and requires an increase in its efficiency. One of the ways to increase the productivity and quality of machining is to process metals with blade tools according to the milling scheme with ultra-high cutting speeds—ultra-high-speed milling. The paper presents the results of approbation of equipment and tools. It is shown that equipment for ultra-high-speed milling can be created on the basis of existing milling machines by their reconstruction with the replacement of the main drive with high-speed electric spindles with their power sources, equipping with chip suction systems, and upgrading the feeding system. The tool requires calculations taking into account inertial loads, critical rotational speed, permissible imbalance, and natural oscillation frequency. -
Features of the Formation of the Quality of the Treated Surface and Accuracy in Ultra-High-Speed Milling of Metals
Vera M. Korneeva, Sergey S. KorneevDieses Kapitel befasst sich mit den Eigenschaften des Ultrahochgeschwindigkeitsfräsens (UHSM) und seinen Auswirkungen auf die Qualität der behandelten Oberflächen und die Bearbeitungsgenauigkeit. Die Studie zeigt, dass UHSM die Rauheit der Oberfläche mit Werten von Ra 0,6 bis 0,16 Mikrometer signifikant reduziert und die Tiefe der gebundenen Schicht von 20 bis 5 Mikrometer verringert. Die Forschung hebt die Lokalisierung plastischer Deformationen bei hohen Geschwindigkeiten hervor, was die Mikrorauheit minimiert und die Oberflächengüte verbessert. Darüber hinaus wird die Verringerung des Werkzeugverschleißes und die Vermeidung von Aufbauten bei Geschwindigkeiten von über 70 m / min diskutiert, was die Gesamtstabilität und -genauigkeit der Bearbeitung erhöht. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass UHSM potenziell traditionelle Veredelungsvorgänge wie Schleifen und Polieren ersetzen und eine effizientere und präzisere Methode der Metallverarbeitung bieten kann.KI-Generiert
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AbstractUltra-high-speed milling is a high-performance method of processing metals with a blade tool that ensures high surface quality and accuracy. In the presented work, based on the analysis of chip formation processes, as well as thermal and dynamic phenomena occurring during ultra-high-speed cutting, a decrease in roughness and waviness of the treated surface, along with a reduction in the size and degree of the riveted layer, is noted. The justification for increasing the stability of movement during cutting is provided, taking into account the specific features of the ultra-high-speed machining. It is shown that ultra-high-speed milling offers more stable machining conditions, which leads to a decrease in the deviation of the shape and dimensions of the processed parts, consequently increasing accuracy. This makes it possible to eliminate operations such as grinding and polishing and reduce the number of metalworking equipment needed. -
Autonomous Robot Control System Based on the Arduino Platform
Vladimir A. Kartashev, Vsevolod V. Kartashev, Paixuan QiuDieses Kapitel untersucht das transformative Potenzial der Arduino-Plattform für autonome Robotersteuerungssysteme. Sie unterstreicht die Vielseitigkeit, Skalierbarkeit und Robustheit der Plattform und macht sie zu einer beliebten Wahl für die Entwicklung fortschrittlicher Roboterlösungen. Der Text untersucht die Fähigkeit des Arduino, mit Sensoren, Aktoren und anderen externen Geräten zu kommunizieren, was die Implementierung komplexer Regelalgorithmen vereinfacht. Außerdem wird das reichhaltige Ökosystem der Plattform an Bibliotheken und Entwicklungswerkzeugen diskutiert, die Entwicklungszeit und -aufwand reduzieren. Ein wesentlicher Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung eines Robotermanipulator-Steuerungssystems, das ohne PC auskommt. Dieses System verfügt über eine 16-kanalige 12-Bit-PWM-Steuerkarte, ein Flüssigkristalldisplay, eine Computertastatur, einen SD-Kartenleser und eine manuelle Fernbedienung. Im Kapitel wird auch eine Robotersteuerungssprache eingeführt, die die analytische Programmierung von Bewegungen, Positionslernen und das Debuggen des Arbeitsprogramms ermöglicht. Die Schlussfolgerung unterstreicht das Potenzial der Arduino-Plattform für die Entwicklung autonomer Steuerungssysteme für komplexe mechanische Geräte und macht sie zu einer wertvollen Ressource für Fachleute auf dem Gebiet der Robotik und Automatisierung.KI-Generiert
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AbstractThe paper describes an autonomous robot control system based on the Arduino microcontroller kit. Without using a personal computer, the control system allows one to control a multi-link manipulator, program complex movements, perform positional training, debug the working program and control its execution. The control system software contains a built-in command editor and a robot control language interpreter. The paper describes an autonomous robot control system based on the Arduino microcontroller kit. Without using a personal computer, the control system allows one to control a multi-link manipulator, program complex movements, perform positional training, debug the working program and control its execution. The control system software contains a built-in command editor and a robot control language interpreter. -
Experimental Evaluation of Ice-Water Jet Effectiveness in Processing Aluminum Alloy Rocket and Space Technology Parts
Pavel V. Kruglov, Sergey E. Korolev, Alexander P. Sova, Nikita A. IzotovDieses Kapitel untersucht die experimentelle Bewertung der Wirksamkeit von Eiswasserstrahlen bei der Verarbeitung von Teilen aus Aluminiumlegierungen für die Raketen- und Raumfahrttechnologie. Die Studie konzentriert sich auf den Einsatz von Eispartikeln als Schleifmittel in Ultrajet-Technologien, die für ihre hohe Schnittgeschwindigkeit, Genauigkeit und Qualität bekannt sind. Die Forschung berücksichtigt verschiedene Kühlsysteme für strahlbildende Elemente und identifiziert das optimale für das Hydroschneiden eines Aluminiumstücks. Das Experiment beinhaltet das Schneiden einer AMg6-Probe aus einer Aluminiumlegierung unter verschiedenen Bedingungen, darunter unterschiedlichem Wasserdruck und der Verwendung von flüssigem Stickstoff als Kryoträger. Die Ergebnisse zeigen, dass die Rauheit des Materials in der Schneidzone bei der Anwendung der Ultrajet-Kühlmethode höher ist als bei der reinen Wasseraufbereitung. Die Schnittiefe nimmt mit dem Einsatz von Ultrajet-Kühlung deutlich zu, wobei bei einem Druck von 150 MPa ein maximaler relativer Anstieg von 540% beobachtet wird. Eine Erhöhung des Wasserdrucks über 150 MPa führt jedoch nicht zu einer signifikanten Erhöhung der Schnitttiefe, sondern zu einer spürbaren Erhöhung des Kantenzuflusses und der Rauheit der Schnittfläche. Die Studie kommt zu dem Schluss, dass die Anwendung der Ultrajet-Technologie eine vielversprechende universelle Methode zur Verarbeitung einer breiten Palette von Materialien ist und der optimale Wasserdruck beim Schneiden von Metallmaterialien mit Wassereisstrahlen bei etwa 150 MPa liegt. Das Kapitel bietet detaillierte Einblicke in den Schneidprozess, einschließlich des Einflusses von Wasserdruck und Kühlmethoden auf die Schneideeffizienz und Oberflächengüte, was es zu einer wertvollen Ressource für Fachleute macht, die innovative Lösungen in der Materialverarbeitung suchen.KI-Generiert
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AbstractUnification of processing methods for the rapidly expanding range of structural materials used in rocket and space technology is an urgent task. This work is devoted to ultrafluid technologies, which are widely used in the processing of most materials in various manufacturing industries around the world. This article explores an innovative approach to hydro-cutting—cooling of jet-forming elements, which can lead to increase processing accuracy, as well as reduce wear of working surfaces due to the formation of a constantly renewed protective ice film. In addition to its protective function, the ice coating ensures the appearance of ice particles in the working jet, which act as an abrasive during the cutting process. Before carrying out experimental testing, three schemes for cooling the jet-forming elements were considered, after which the most appropriate one was selected. An experiment on water–ice cooling of jet-forming elements was carried out on a flat sample of aluminum alloy. As a result of the analysis of experimentally obtained data (cavity depth, bead height, roughness parameters), it was revealed that cooling the hydraulic jet makes it possible to achieve an increase in cutting depth of up to 540% with a slight increase in edge bead and cut roughness. It has also been experimentally confirmed that it is inappropriate to increase the pressure of the outgoing liquid flow above 150 MPa. -
Collaborative Robotic Framework for Emergency Situations Management in Areas of Flood and Landslide Disasters
Evgeni Magid, Tatyana Tsoy, Fumitoshi Matsuno, Jackrit Suthakorn, Mikhail SvininDieses Kapitel befasst sich mit der entscheidenden Rolle kollaborativer robotergestützter Systeme bei der Bewältigung von Notsituationen, insbesondere in Gebieten, die von Überschwemmungen und Erdrutschen betroffen sind. Es untersucht den Einsatz heterogener Roboterteams, darunter Drohnen, UGVs, UUVs und USVs, zur Verbesserung der Katastrophenabwehr und der Rettungsmaßnahmen. Der Text diskutiert die Bedeutung der Echtzeit-Datenerfassung und des Informationsaustauschs für effektives Katastrophenmanagement und hebt den Einsatz moderner Simulationswerkzeuge wie Matlab, Unity und Gazebo zum Testen und Validieren hervor. Außerdem wird die Entwicklung neuer Kontrollstrategien, Schnittstellen und Kommunikationsprotokolle vorgestellt, um die Koordination und Effizienz von Roboterteams in Katastrophengebieten zu verbessern. Das Kapitel schließt mit dem Potenzial dieser Technologien, die Geschwindigkeit und Genauigkeit von Rettungsaktionen deutlich zu erhöhen, letztlich mehr Leben zu retten und wirtschaftliche Verluste zu verringern.KI-Generiert
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AbstractThe Southeast Asia region is vulnerable to extreme precipitation, leading to hydrological disasters that endanger lives and infrastructure. Rapid response measures necessitate search and rescue operations, where rescue robotics can replace human rescuers and provide supplementary capabilities. Effective rescue efforts require information on victim whereabouts and area mapping, necessitating the development of AI-based information systems. This paper outlines an international framework for using heterogeneous robotic teams and developing information collection systems for hazardous site rescue management. The approach leverages expertise in urban search and rescue robotics from Japan, Thailand, and Russia, countries frequently affected by high precipitation and climate change. The joint research aims to create a new framework and control strategies for cooperative behavior among international robotic teams, focusing on interaction protocols, mapping agreements, data fusion, and other collaborative features. The robotic teams comprise various unmanned ground vehicles, aerial vehicles, underwater vehicles, and surface vehicles. These teams provide local data through sensing and mapping activities from water surfaces, underwater, air, and terrain to create a comprehensive disaster site map. The collaborative framework relies on path planning, disaster area coverage algorithms, control strategies, and multi-robot joint SLAM technologies for heterogeneous teams. Robot Operating System (ROS) and Gazebo simulator are used for modeling and validating the algorithms. -
Enhancing Production Safety with a Real-Time Sensor Monitoring System
Danila P. Posevin, Igor P. Ivanov, Aleksandr A. Shteinikov, Anton P. Seregin, Aleksey Y. MartynovIn diesem Kapitel wird die Entwicklung eines Echtzeit-Sensorüberwachungssystems untersucht, das durch die Digitalisierung analoger Sensoren die Produktionssicherheit erhöhen soll. Das System besteht aus drei Hauptkomponenten: Mikrocontrollern mit Kameras, einem Datenverarbeitungsmodul und einer mobilen Anwendung, die alle über einen MQTT-Broker verbunden sind. Der Einsatz von ESP32-Mikrocontrollern und IoT-Technologien stellt sicher, dass das System kostengünstig, skalierbar und einfach zu installieren ist. Das Kapitel vertieft sich in die Architektur des Systems und erklärt, wie Daten übertragen und verarbeitet werden. Außerdem werden die zur Erkennung von Sensorwerten verwendeten Computerbildgebungstechniken diskutiert, wobei der Schwerpunkt auf Zeigermessgeräten liegt. Die mobile Anwendung ermöglicht es dem Benutzer, mehrere Sensoren gleichzeitig zu überwachen und Echtzeitdaten und -alarme zu erhalten. Das Kapitel beleuchtet die während der Implementierung aufgetretenen Herausforderungen wie Verzögerungen bei der Datenübertragung und Verschlüsselungsprobleme sowie die Optimierungen, die zur Überwindung dieser Herausforderungen vorgenommen wurden. Abschließend wird das Erweiterungspotenzial des Systems und die zukünftige Entwicklung des Computer-Vision-Moduls zur Unterstützung einer größeren Bandbreite analoger Sensoren diskutiert.KI-Generiert
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AbstractDespite the technology development and the emergence of various digital devices, which can be integrated into a general enterprise control system, a number of obsolete analog sensors are still used in production facilities. Data from these sensors cannot be obtained in real time. These sensors must be controlled manually, which leads to critical response delays and, consequently, can affect the safety and resilience of the production process. This paper describes a video surveillance and real time budget and scalable monitoring system of pointer gauges. The implementation is based on the Internet of Things technologies, computer vision and microcontrollers. The paper considers the entire process of information system operation, from video capturing, to data processing and transmission to the mobile device. In addition, a mobile application for obtaining video stream and sensor readings in real time is presented. Possible options for further development of the system are also considered, aimed at greater stability and independence of the system from the Internet and expansion of the area of possible application. -
Developing a Prototype Electrode System for Recording HD-EMG of the Upper Limbs
Arina Y. Ustinova, Pavel E. Chibizov, Andrey N. BrikoIn diesem Kapitel geht es um die Entwicklung eines Prototypen eines Elektrodensystems zur Aufzeichnung hochdichter Elektromyographie (HD-EMG) der oberen Extremitäten. Die Studie konzentriert sich auf die Analyse der Muskelaktivität, insbesondere für die Steuerung bionischer Prothesen und die Entwicklung von Mensch-Computer-Schnittstellen. Zu den zentralen Themen zählen die Konzeption und Herstellung eines flexiblen Elektrodenfeldes, die Methodik zur Aufzeichnung und Verarbeitung von HD-EMG-Signalen und die Erstellung von Aktivierungskarten zur Visualisierung der Muskelaktivität. Die Studie zeigt das Potenzial von HD-EMG in der Gestenerkennung auf und hebt die Unterschiede bei der Muskelaktivierung während verschiedener Fingerbewegungen hervor. Die Studie schließt mit der Aussicht auf die Verwendung von HD-EMG-Daten, um die Genauigkeit und Anpassungsfähigkeit prothetischer Kontrollsysteme zu verbessern und so den Weg für fortschrittlichere Rehabilitationstechnologien zu ebnen. Die detaillierten Analysen und praktischen Anwendungen, die in diesem Kapitel vorgestellt werden, machen es zu einer wertvollen Ressource für Fachleute, die die neuesten Fortschritte bei HD-EMG und ihre potenziellen Auswirkungen auf die prothetische Technologie verstehen wollen.KI-Generiert
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AbstractThe development of technology makes it possible to create prostheses with an increasing number of degrees of freedom. However, existing devices are still far from replacing the agility and flexibility inherent in a natural limb. The use of surface high-density electromyography can expand the functionality of bionic prostheses by obtaining a large amount of data suitable for analysis. One of the promising directions in the field of artificial limb management is gesture recognition. The technology based on electromyographic signals generated during muscle contractions is called “electromyography pattern recognition.” The application of this method is not limited to the control of prosthetic limbs, but is also used in the development of the human–computer interface and the diagnosis of lesions of the musculoskeletal system. The main purpose of the study was to obtain a high-density electromyography signal, to achieve which the available research on the development and application of flexible electrode arrays was studied, the necessary parameters of the registration system were determined and its prototype was assembled. As part of this work, signals were received when performing gestures with each finger individually, as well as complex gestures. Activation color maps were constructed for each movement, the analysis of which showed that when performing various gestures, activation of various sections of the study area is observed. -
Analysis of Cutting Moments in Milling Considering Radial Runout of Cutter Teeth
Alexey A. Smirnov, Dmitry V. Vinogradov, Alexey E. DrevalDieses Kapitel vertieft sich in die kritische Analyse von Fräsmomenten bei Fräsvorgängen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf den Auswirkungen des radialen Rundlaufs von Fräszähnen liegt. Sie untersucht verschiedene Frässtrategien wie Hochgeschwindigkeitsfräsen, Fräsen mit großen Vorschüben und trochoides Fräsen und zeigt deren Vorteile und Anwendungen auf. Die Forschung untersucht, wie sich radialer Rundlauf auf Spandicke, Schnittkräfte und Standzeit auswirkt, und betont die Bedeutung präziser Werkzeugfertigung und -spannung. Durch detaillierte numerische Experimente und fortgeschrittene Modellierung zeigt das Kapitel, wie unterschiedliche Parameter wie die Anzahl der Zähne, die radiale Schnitttiefe und die Zahnsteigung das Schnittdrehmoment beeinflussen. Die Ergebnisse unterstreichen die Bedeutung der Berücksichtigung des radialen Rundlaufs bei der Optimierung von Fräsprozessen zur Verbesserung der Werkzeugleistung und Langlebigkeit. Die Schlussfolgerung bietet umsetzbare Einsichten in die Verbesserung der Genauigkeit der Schnittprozessüberwachung und des Werkzeugmanagements.KI-Generiert
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AbstractCurrently, various milling strategies are widely used, most of which share a small radial depth of cut, where the cutter tooth removes thin layers of material. This leads to an increased influence of cutter tool runout on the cutting process characteristics, particularly on the torque during milling. Changes in the forces acting on the cutter can result in product defects or tool breakage. The purpose of this article is to consider the effect of cutter tooth runout on the cutting forces’ torque during milling with a small radial depth. The influence of uneven spacing between cutter teeth, the angles of inclination of helical chip flutes, the number of cutter teeth, and the radial depth on the milling torque under given radial runout of the cutter teeth is considered. It was found that radial runout of the cutter teeth causes an increase in the maximum milling torque and a redistribution of the milling torque between the teeth by up to 20%. It is shown that the number of cutter teeth and the radial depth of cut affect the magnitude of the maximum torque more as the radial runout of the cutter teeth increases. It was established that increasing the number of teeth and the radial depth of cut reduces the effect of runout on the maximum torque during milling. The use of cutters with uneven angular tooth pitch and different helical flute angles increases the influence of runout on the maximum torque during milling.
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- Titel
- Integrated Approaches to Systems Engineering, Intelligent Technology, and Innovation in Space Exploration
- Herausgegeben von
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V. I. Mayorova
A. I. Komkin
- Copyright-Jahr
- 2026
- Verlag
- Springer Nature Switzerland
- Electronic ISBN
- 978-3-032-05754-9
- Print ISBN
- 978-3-032-05753-2
- DOI
- https://doi.org/10.1007/978-3-032-05754-9
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