This thesis deals with a methodology for unmanned autonomous spacecraft docking using vision-based sensor and its on-ground implementation with space robotics experiment facility (SREF). Automated rendezvous and docking problem between two spacecrafts have become of increasing importance in a recent decade coincidence with space station era. Two vehicles in docking phase are: one is chaser and the other is target. The chaser, having vision sensor, can detect relative attitude/position to the target. In this case, a priori knowledge is not required. Simple geometric calculation makes it possible to obtain attitude/position and performance of estimation will be improved when extended Kalman filter (EKF) is utilized imposing spacecraft dynamics.
As experimental study of autonomous docking, free-flying robot is also used to simulate in-plane motion of spacecraft. The robot which contains whole sub-systems itself flies a few micro meters from the flat granite table minimizing the surface friction so that it makes similar environment of real space. For planar motion, the command system of robot has state feedback controller as well as vision-based estimator using one CCD camera and beacon combination. Sensor fusion technique is implemented to correct inertial sensor drift error. The robot has total eight on-off thrusters as an actuator and their each operation algorithm for desired force/torque is also included in flight software.
우주 정거장의 시대가 열리면서 최근 두 대 혹은 그 이상의 우주 비행체가 랑데부와 도킹을 하는 일이 자주 발생하게 되고 그 중 시각 기반의 무인 자동 도킹 시스템은 높은 정밀도와 간단한 시스템으로 각광을 받고 있다. 본 논문은 근접 위치에서 시각 센서의 도움을 받아 자동적으로 서로의 상대적 자세와 위치 정보를 추정하고 이를 토대로 상호 부드러운 도킹을 하기 위한 방법 연구 및 실험에 대해 다루었다. 3차원 상에서 추적자로 불리는 비행체가 다른 센서의 도움 없이 CCD 카메라로 목표물에 있는 표식을 보면서 자신의 항법 정보를 추정하고 확장 칼만 필터를 사용하여 성능을 향상 시킬 수 있음을 시뮬레이션을 통해 보였다.
자동 도킹 시스템에 대한 실험을 실제 우주 공간에서 하는 것은 막대한 비용과 위험이 따르기 때문에, 이를 지상에서 실험할 수 있도록 하기 위한 장치 제작 역시 연구 범위에 포함된다. 미세한 석정반 표면 위를 제작된 로봇이 몇 마이크로 미터 떠 다니게 함으로써 표면과의 마찰의 최소화 시킬 수 있는데, 이는 실제 우주 공간 상에서 우주 비행체의 3자유도 움직임을 효과적으로 묘사할 수 있다. 자유-유영 로봇이라 불리는 이 물체는 전력, 연료, 제어 컴퓨터, 각종 탑재체를 모두 지니고 있으며 목표물까지 시각 센서를 사용하여 정확히 도달하는 목적을 가지고 있다. 이러한 자유-유영 로봇을 사용하여 수행된 각종 실험 결과 및 데이터 역시 기술되어 있다.
