未来人工智能技术应用在轨服务场景设想

在轨燃料补加

高价值航天器大多分布在中高轨道,一旦燃料耗尽将会丧失支撑能力。利用空间智能机器人对其补加燃料,是挽回损失、延长航天器寿命的重要措施。通过设计在轨补加任务关键场景、规划在轨补加任务流程、建立在轨补加验证平台,为研究和验证机器人在轨补加智能化技术奠定基础。

图1 空间机器人在轨补加应用场景

图2 空间机器人在轨补加智能化关键技术

在轨组装与维护

用于在轨服务的空间平台,通常情况下都需要具备航天器的停泊、转运、加注、维修、养护、分解、组装、分离功能,一般应建设航天器停泊站、转运机械臂、推进剂和材料储存装置、在轨维修维护等设施。智能操控是集成感知、决策、执行三位一体的智能化技术,针对合作目标操控任务,设计在轨组装大型空间设施并兼顾日常维护的场景,开展组装操控任务训练和进行相关智能算法验证,为组装与维护技术的智能化发展奠定基础。

图3 在轨组装与维护应用场景

图4 在轨组装与维护的智能化技术

星表太阳能电站建造

依据未来星表极区太阳能电站在轨建造的任务需求和环境特点,构建星表机器人智能技术验证支撑平台,突破基于大数据的多源信息感知与星表三维环境重构、视觉与触觉融合的目标特征识别、基于VR/AR环境的空间操作任务深度学习与训练、多机器人动态任务分配与分布式智能协作等核心关键技术,开展模拟复杂星表环境下智能机器人在轨建造太阳能电站的地面演示验证,为未来星表无人科研站的建设提供机器人智能技术支撑,对推动我国深空探测领域基地建设、有效利用星表资源具有重要作用。

图5 星表太阳能建造的应用场景

图6 星表太阳能建造的智能化技术

微小飞行器“镜群”试验

为了防止小天体撞击地球,提出微小飞行器“镜群”试验构想:发射一个航天器群,每颗航天器携带一个小镜子,通过统一的星务系统进行管理,组建成一个天基群镜系统。把反射太阳光聚焦于小天体表面的某一指定点,将小天体的表面加热到至少2100 ℃,使小天体汽化。汽化后的小天体内部会喷射出气体,产生一个与喷射方向相反的推力,进而改变轨道。

图7 “镜群”试验应用场景

图8 “镜群”试验智能化技术

阶段发展目标与规划

国务院印发的《新一代人工智能发展规划》的通知(国发2017〕35号)提出了三步走的战略目标,规划在基础理论、关键共性技术、基础支撑平台、智能化基础设施方面构建开放协同的人工智能科技创新体系。通过深化论证,在自主无人系统的空间机器人智能技术领域规划了空间机器人智能感知与智能测量技术、空间机器人智能诊断-自主重构与管理技术、空间机器人机器学习与基于VR/AR操控技术、集群机器人智能自主协同控制决策、轨道机器人智能技术验证支撑平台、星表机器人智能技术验证支撑平台等6个研究方向,定位于实现地面演示验证,并体现出2030年的前沿技术特征。

针对四个应用场景牵引的人工智能技术包括:复杂环境下的目标智能感知与识别、复杂系统的环境自适应与自诊断、任务自主规划-智能决策及协同控制、基于VR/AR环境的人机共融协调操作、基于航天器的分层智能与群体智能。下图给出了实现上述四个应用场景的2020-2030年远景规划和发展目标。

图9 实现四个应用场景的2020-2030年远景规划与发展目标

结束语

随着国家在轨服务与维护重大科技专项、新一代人工智能发展规划的实施,在后续重大工程中,对自主智能技术的应用需求日益迫切。在轨抓捕、在轨维修、在轨构建等应用服务的使能载体包含(但不仅限于)具有不同程度智能化水平的机器人、载荷装置和空间飞行器。人工智能技术已经取得可观的成就,可广泛应用于在轨自主智能服务,空间机器人的发展必将推进空间操控的智能化和自主化发展,2030年极有可能涌现出有意识、可思维、善学习的新一代自主智能系统。

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