Automated waypoint extraction for a cleaning apparatus for space applications

Abstract

Particulate contamination can lead to disturbances in the optical train of satellites and can redistribute in all phases of a satellite’s life time, especially during launch. Thisis one of the many reasons satellites are assembled, integrated and tested in cleanrooms. To remove particulate contamination, the van-der-Waals forces holding particles to surfaces must be overcome. This can be achieved by using CO2 snow cleaning.Until now, at Orbitale Hochtechnologie Bremen (OHB) only smaller and less complex structures were cleaned by hand. Larger structures with more complex or narrow features cannot be cleaned by hand without risking damage to personnel or hardware.This makes a cleaning apparatus necessary which reads a point recipe as input for cleaning operations. The CO2 Reinigung (CO2RE) mobile apparatus was designed to accomplish this by lifting and lowering hardware with a fork and a lance, containing the CO2 nozzle and a laser distance sensor and which can move in the xy-plane. To avoid damage to hardware caused by the apparatus, as well as all following consequences, a safety distance was determined between the lance and the hardware to be cleaned.The goal of this thesis was to develop tools to help automate the extraction of points representing positions of the lance for cleaning flight hardware while also considering the movement between such points and to facilitate the validation of the process. Based on the V-model, the apparatus as a system is analysed resulting in objectives and a list of requirements.They form the basis for the concept and programming choices. The implementation of an algorithm is presented with which the lance does not come closer to hardware than the safety distance at any position during operations. Extracting the resulting contours and selecting points at a maximum predefined distance along the contour serves as a basis for the resulting cleaning positions. To guarantee the safety distance is kept between such cleaning points, the A* algorithm is applied to binary images. To reduce unnecessary turns, ’highways’ were implemented which lower the weights in distinct columns and rows of the provided graph. A suggested process to use the main program for the point extraction and the tools to verify the distance from the part of interest are also presented.After the validation of the algorithm to various geometries, a short discussion arguesto what extent the requirements are met. Finally, suggestions for future work on the correct placement of contours, a higher level of automation, coverage of the CO2 jetand pathfinding are given. The presented algorithm can serve as a basis for future development to be able to automatically extract cleaning points for the application of CO2 snow to flight hardware.

Partikuläre Kontamination kann zu Störungen in optischen Systemen von Satellitenführen und kann in allen Lebensphasen eines Satelliten auftreten, speziell durch Umverteilung beim Start. Das ist einer von vielen Gründen, warum Satelliten in Reinräumen zusammengebaut, integriert und getestet werden. Um pertikuläre Kontamination zu entfernen, müssen die van-der-Waals-Kräfte überwunden werden, die die Partikel auf Oberflächen haften lassen. Das kann durch die Anwendung von CO2-Schneereinigung erreicht werden.Bisher wurden bei OHB (Orbitale Hochtechnologie Bremen) kleine und weniger komplexe Bauteile per Hand gereinigt. Größere Strukturen, mit komplexeren und engeren Strukturen, können nicht mehr per Hand gereinigt werden, ohne eine Gefahr für Personal oder die Hardware darzustellen. Dies machte einen Reinigungsapparat notwendig, der ein Punkterezept als Input für den Reinigungsvorgang einliest. Der CO2RE (CO2Reinigung) Reinigungsapparat wurde speziell dafür designed. Er hebt und senkt die Hardware über eine Gabel und hat eine Lanze, die sich in der xy-Ebene bewegen kann. Um Schäden durch den Reinigungsapparat zu vermeiden, und die damit einhergehenden Konsequenzen, wurde ein Sicherheitsabstand zwischen der Lanze und der zu reinigenden Hardware definiert. Das Ziel dieser Diplomarbeit besteht darin, Werkzeuge zu entwickeln, die die Extraktion von Punkten, welche die Position der Lanze darstellen, an denen gereinigt wird, zu automatisieren, die die Bewegung zwischen diesen Punkten beachten und die Validierung des Gesamtprozesses vereinfachen sollen. Basierend auf dem V-Modell wurde der Reinigungsapparat als gesamtes System analysiert, was zu Zielen und einer Liste von Anforderungen führte. Sie bilden die Basis für das Konzept und Entscheidungen hinsichtlich der Programmierung. Die Implementierung des Algorithmus, durch welchen die Lanze während der Durchführung nicht näher als den Sicherheitsabstand kommt, wird präsentiert. Die Extrahierung der resultierenden Konturen und die Wahl von Punkten entlang dieser Konturen anhand einer vordefinierten, maximalen Länge, ergibt die Positionen für die Reinigung. Um zu garantieren, dass der Sicherheitsabstand zwischen den Reinigungspunkten eingehalten wird, wird der A* Algorithmus auf binären Bildern angewandt. Um die Anzahl an Eckpunkten zu reduzieren, wurden ’Autobahnen’ implementiert, welche niedrigere Kosten entlang bestimmter Zeilen und Spalten des Graphen mit sich bringen. Ein Prozessvorschlag zur Verwendung des Hauptprogramms, in dem die Punktextraktion geschieht, und die Werkzeuge für die Verifikation, wird vorgestellt. Nach der Validierung des Algorithmus anhand von verschiedenen Geometrien, begründet die Diskussion die Einhaltung der Anforderungen. Zuletzt werden Vorschläge für zukünftige Arbeiten zu der korrekten Platzierung der Konturen, einem höheren Automatisierungsgrad, der Verteilung des CO2-Strahls und der Wegfindung aufgelistet. Der präsentierte Algorithmus kann als Grundlage für zukünftige Entwicklungen in der automatisierten Extraktion von Reinigungspunkten dienen, um CO2-Schnee zur Reinigung von Flughardware zu applizieren.