Meccanica Magazine n. 4

Il progetto DIGES:
DIGital twin di sistemi
di ESplorazione lunare
meccanica magazine
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ITA
DIGES è un progetto di ricerca che coinvolge l’Agenzia Spaziale Italiana
(ASI) ed il Politecnico di Milano (POLIMI), finalizzato alla realizzazione
preliminare di un modello digitale (digital-twin) di sistemi spaziali per
l’esplorazione lunare.
L’esplorazione spaziale ha da sempre attirato l’interesse della
comunità scientifica e della società civile, sia per il fascino intrinseco,
che ha sempre stimolato la fantasia dell’uomo, sia per le opportunità
scientifiche ed economiche che questa potrebbe generare.
Tra le diverse fasi dell’esplorazione spaziale, l’analisi della superficie
dei corpi celesti ricopre un ruolo fondamentale, sia per una maggiore
comprensione della formazione del sistema solare e dell’universo
in generale, che per l’atavico desiderio dell’uomo di trovare tracce
di forme di vita nuove. In questo contesto, la Luna per prima è stata
oggetto di esplorazione, che, più recentemente, si è estesa anche ad
altri corpi celesti, in particolare attraverso l’invio di rover (si pensi ad
esempio all’esplorazione della superficie di Marte).
I rover permettono di esplorare la superficie attraverso la raccolta di
materiale di interesse scientifico, ad es. immagini e dati ambientali,
analisi di campioni di rocce, etc. Risulta evidente che il ruolo
ricoperto dai rover sia diventato cruciale e che la loro affidabilità sia
fondamentale per il successo della missione stessa.
La complessità e i costi ingenti di tali sistemi richiedono ad oggi
un’elevata affidabilità di funzionamento ed efficienza di gestione,
anche autonoma. Infatti, eventuali guasti improvvisi, anomalie o il
degrado delle prestazioni (spesso inevitabili), potrebbero causare una
perdita considerevole o conseguenze catastrofiche, soprattutto a
causa dell’impossibilità di un intervento umano diretto.
Al fine di evitare che un guasto o un’anomalia pregiudichino la buona
riuscita della missione, la comunità scientifica, di concerto con le
industrie del settore, hanno recentemente sviluppato tecnologie
avanzate applicabili al monitoraggio remoto ed in tempo reale dello
stato di salute del rover.
Tra queste, riveste estrema importanza la creazione di un modello
dettagliato Digital Twin (DT) del sistema.
Esso è in grado di replicare fedelmente, il funzionamento del rover,
e di simularne i segnali acquisiti attraverso la sensoristica di bordo,
mediante la modellazione delle interazioni multi-fisiche tra i diversi
sottosistemi che ne compongono l’architettura, permettendo una
più consapevole gestione del sistema durante tutto il suo ciclo vita
operativo.
Proprio in questo contesto si svilupperà il contributo del gruppo
di ricerca del Dipartimento di Meccanica del Politecnico di Milano.
Esso ha infatti sviluppato, attraverso molteplici attività passate, una
metodologia innovativa di Health and Usage Monitoring applicata a
piattaforme complesse, prevalentemente di tipo aeronautico.
Questa metodologia fa uso di modelli DT, che nel progetto DIGES
potranno essere usati allo scopo di ottimizzare sia la progettazione dei
sistemi che la loro gestione operativa. In particolare, la metodologia
potrà essere usata in diverse fasi della vita del rover, tra cui:
- la fase di progettazione,
- la fase di testing,
- la fase operativa e decisionale della missione,
- la fase di ottimizzazione della vita residua.
Il progetto si propone quindi lo sviluppo preliminare di una architettura
DT per un sistema spaziale del tipo Rover per esplorazione lunare.
Tale DT si baserà sulla realizzazione di modelli multi-fisici,
rappresentativi del sistema spaziale, da utilizzarsi per la generazione
di pattern caratteristici utili all’interpretazione dei segnali acquisiti in
tempo reale, sia in condizioni sane che danneggiate/anomale.
Questi verranno processati da algoritmi di intelligenza artificiale e, più
in generale, di signal processing statistici, in modo da restituire una
fotografia in tempo reale del sistema.
In tale contesto, tre principali obiettivi progettuali garantiranno la
futura implementazione della tecnologia su piattaforme reali:
- il modello deve essere caratterizzato da un peso computazionale
relativamente basso, permettendo una sua fruibilità real time. Ciò si
otterrà mediante l’implementazione di modelli surrogati;
- il modello deve potersi adattare in tempo reale e autonomamente