L'uso dei rover per l'esplorazione spaziale, veicoli autonomi capaci di muoversi e svolgere attività di ricerca su corpi celesti, ha contribuito attivamente al ritorno all'esplorazione della superficie di corpi celesti come Marte e la Luna. Tuttavia, l'impossibilità di azione diretta da parte dell'uomo e le limitate capacità di comunicazione, ad esempio con Marte, mettono a rischio il completamento delle missioni, sollevando seri dubbi sulla possibile perdita di rilevanti dati scientifici. Per evitare ciò, anomalie e danneggiamenti devono essere rilevati e affrontati tempestivamente per aumentare la disponibilità delle missioni attraverso l'implementazione di adeguate azioni correttive.

È, quindi, evidente come stia crescendo l'interesse per la realizzazione sia di digital twin che di repliche fisiche da parte di agenzie spaziali come la NASA e l'ESA, al fine di testare linee di comando che implementino azioni mitigative o correttive o per affrontare problemi specifici. È in questo contesto che è nato, si è sviluppato e si avvia ormai a conclusione il progetto DIGES (DIGital twin di sistemi di ESplorazione lunare), grazie alla collaborazione tra l'ASI e il Politecnico di Milano, per sviluppare un digital twin di un rover per l'esplorazione spaziale per possibili future applicazioni lunari. Il progetto è coordinato dai professori Marco Giglio e Francesco Cadini della sezione di Costruzione di Macchine e Veicoli del Dipartimento di Meccanica.

Il progetto ha riguardato lo sviluppo di un digital twin di un rover per l’esplorazione spaziale con la finalità di implementare un sistema di monitoraggio della salute e dell'utilizzo (HUMS, Health and Usage Monitoring System) al fine di massimizzare la durata della missione, supportando il processo decisionale attraverso il monitoraggio continuo dello stato di salute del rover.

Il digital twin implementato si ispira ai rover della NASA e dell'ESA, come Spirit, Curiosity e Perseverance per la NASA, e Rosalind Franklin per l'ESA. Il rover modellato è alimentato a energia solare tramite l’uso di pannelli solari ed è dotato di batterie per immagazzinare l'energia elettrica, con entrambi i componenti ispirati al rover dell’ESA Rosalind Franklin. In maniera analoga, e prendendo ispirazione da Perseverance, un rover della NASA, sono stati sviluppati anche la driveline, il braccio robotico ed il sistema di regolazione termica. Quest’ultimo è stato successivamente surrogato tramite l’utilizzo di algoritmi di machine learning al fine di ridurre il costo computazionale del digital twin, e quindi per favorirne l’operabilità in tempo reale.

Per replicare il comportamento di un rover sia in condizioni nominali che anomale, sono stati introdotti danneggiamenti, come l’insorgenza di corto circuiti interni delle batterie, corto circuiti dei motori elettrici e fenomeni di degrado delle prestazioni dei pannelli solari. In questo modo è stato possibile creare un database di segnali acquisiti in entrambe le condizioni, su cui progettare e testare sia algoritmi di rilevamento di danneggiamenti ed anomalie che algoritmi di aggiornamento dei parametri del digital twin, come ad esempio il filtro di Kalman che consente la stima dello stato di carica delle batterie e la stima della resistenza interna che causa il corto circuito delle stesse.

Il digital twin sviluppato è in grado di navigare sul suolo lunare e di raccogliere campioni del terreno grazie al braccio robotico. Vari modelli del terreno possono essere utilizzati tramite l’utilizzo di file .stl e, in particolare, sono stati testati tre modelli del suolo lunare resi disponibili dalla NASA. Per favorire la versatilità del digital twin, sono stati implementati modelli di effemeridi e le operazioni necessarie alla valutazione della disponibilità della luce solare in base alla posizione del rover sulla luna. Infine, sono state sviluppate interfacce software per consentire la comunicazione del digital twin con possibili digital twin di stazioni orbitanti o a terra.

Quindi, il digital twin sviluppato può essere utilizzato sia per progettare e testare algoritmi per il rilevamento di danneggiamenti e per l’aggiornamento dei parametri del digital twin che per rappresentare lo stato effettivo del sistema reale durante la sua fase operativa per testare azioni correttive atte a massimizzare la durata della missione, evitando la perdita di informazioni scientifiche rilevanti.

DIGital twin di sistemi di ESplorazione lunare (DIGES) è un progetto sviluppato nell’ambito dell’accordo attuativo n.2021-41-HH.0 nell’alveo dell’accordo quadro ASI-Politecnico di Milano n. 2016-27-H.0.