Modeling, dynamics and control of meta-drones for planetary exploration

Many concepts and vehicles have been proposed to maximize mobility and enhance the cost effectiveness and efficiency of future missions for planetary exploration. Progress in recent technologies has made drones valuable platforms for planetary exploration of bodies with atmospheres, and NASA’s technology demonstration with the Ingenuity helicopter can now help figure out how to design and build aerial craft for future planetary missions. Furthermore, the study and use of modular robots have spread due to the great advantages they can offer. Teams of autonomous robots can reduce costs, optimize tasks among themselves and reconfigure to account for team member failures. They can adapt to a changing environment or recover from damage, thus increasing the likelihood of mission success. The purpose of this work, as part of an on-going JPL Blue Sky Study, is to present the development of a new mission concept, based on the idea of performing planetary exploration using meta-drones. A meta-drone is conceived as an asset comprised of multiple individual vehicles that can act together to form a larger multi-functional vehicle. This new robotic system can enable new kinds of missions with greater science return on bodies such as Venus, Mars, and Titan. The meta-drone paradigm can offer a system capable of performing at a much higher level from the cognitive, functional, and scientific points of view with respect to specialized individual robots. Its key property is the possibility of having aggregation or disaggregation of assets when needed. The attachment of multiple vehicles can provide significant performance improvements since it allows to save resources and cover larger distances. Similarly, the detachment and reconnection of assets can offer the ability to perform individual tasks and distributed measurements, which can enable new science objectives as exemplified by CubeSats applications. This work examines some initial aspects of the meta-drone concept. For this purpose, a fixed-wing drone design is adopted to quantify significant performance parameters with basic calculations, and to perform forming simulations of the meta-drone system. The objective of this study is to show how the meta-drone paradigm can be useful for future space exploration missions. To do this, the flight performance benefits deriving from such a configuration are emphasized. Furthermore, different control architectures are investigated to determine the viability and the capabilities of the new mission concept.

Al fine di massimizzare la mobilità e di incrementare economicità ed efficienza delle future missioni di esplorazione planetaria, sono stati proposti numerosi concetti e veicoli. I progressi nelle recenti tecnologie hanno reso i droni piattaforme preziose per l'esplorazione planetaria di corpi con atmosfere e la dimostrazione tecnologica della NASA con l'elicottero Ingenuity può ora aiutare a capire come progettare e realizzare velivoli per future missioni. Si è diffuso, inoltre, lo studio e l'utilizzo di robot modulari per i grandi vantaggi che questi possono offrire. Gruppi di robot autonomi, infatti, possono ridurre i costi, ottimizzare tra loro i compiti e riconfigurarsi per far fronte ad eventuali malfunzionamenti dei singoli membri. Molteplici agenti possono adattarsi ad un ambiente mutevole o arginare i guasti, andando così ad aumentare la probabilità di successo della missione stessa. Lo scopo di questo lavoro, parte di un attuale studio al JPL (JPL Blue Sky Study), è presentare lo sviluppo di un nuovo concetto di missione, basato sull’idea di compiere esplorazioni planetarie utilizzando meta-droni. Un meta-drone è inteso come una risorsa composta da più veicoli individuali capaci di agire insieme per formare un veicolo multifunzionale più grande. Questo innovativo sistema robotico consentirebbe nuove tipologie di missioni con un maggiore ritorno scientifico su corpi come Venere, Marte e Titano. Il paradigma del meta-drone può offrire un sistema in grado di funzionare a un livello molto più elevato dal punto di vista cognitivo, funzionale e scientifico rispetto a singoli robot specializzati. La sua proprietà fondamentale si basa sulla possibilità degli agenti di aggregarsi o disaggregarsi secondo necessità. L'unione di più veicoli può fornire miglioramenti significativi delle prestazioni poiché consente di risparmiare risorse e coprire distanze maggiori. D’altra parte, lo sganciamento e la riconnessione dei droni offrono la possibilità di eseguire attività individuali e misurazioni distribuite, le quali a loro volta potrebbero consentire di prefissare nuovi obiettivi scientifici, come esemplificato dalle applicazioni CubeSats. Questo lavoro esamina alcuni aspetti iniziali del concetto di meta-drone. A tal fine, viene adottato un drone ad ala fissa per quantificare parametri di prestazione significativi con calcoli basilari e per eseguire simulazioni di formazione del sistema meta-drone. L'obiettivo di questo studio è dimostrare come il paradigma del meta-drone possa essere utile per future missioni di esplorazione spaziale. Per fare ciò, vengono enfatizzati i benefici, in termini di prestazioni di volo, derivanti da tale configurazione. Inoltre, vengono studiate diverse architetture di controllo per determinare la fattibilità e le capacità del nuovo concetto di missione.