Probe arm motion techniques for miradas multi-object spectrograph

Abstract

Desde tiempos remotos, los humanos se han sentido atraídos por los objetos brillantes que pueblan el cielo. A pesar de lo mucho que sabemos actualmente sobre ellos, quedan por desentrañar varios misterios que aún esconde la Vía Láctea. ¿Cómo se formó? ¿Cómo ha cambiado a través del tiempo? Estas son sólo dos de las múltiples preguntas para las que la astrofísica moderna no tiene respuesta. Los científicos han estado construyendo diferentes modelos que intentan simular la evolución de nuestra galaxia. Sin embargo, muchas más observaciones son necesarias para poder dar valores razonables a las diversas variables presentes en esos modelos. Fruto de esta búsqueda, en las últimas décadas se han destinado muchos esfuerzos al desarrollo de nuevas instalaciones de espectroscopía multi-objeto.

El Mid-resolution InfRAreD Astronomical Spectrograph (MIRADAS) es un espectrógrafo Echelle multi-objeto en el infrarrojo cercano para el Gran Telescopio Canarias (GTC) diseñado por un consorcio internacional. Gracias a su potente resolución y a su capacidad de multiplexación, este instrumento será clave para abordar algunos de los principales desafíos científicos de las siguientes décadas. MIRADAS, con la ayuda de sus 12 unidades autónomas de campo integral, observará simultáneamente hasta 12 objetivos celestes ubicados en distintos puntos del cielo. Cada una de estas unidades opto-mecánicos tiene la forma de un brazo robótico. Las estructuras de estos dispositivos han estado especialmente concebidas para: (i) asegurar la simplicidad del camino óptico (ii) ofrecer un gran grado de estabilidad cuando el brazo trabaje invertido. Pero, desafortunadamente, el costo de este diseño se traduce en un comportamiento del brazo complejo y nada intuitivo.

En esta tesis, incluimos un estudio exhaustivo del brazo robótico de MIRADAS. En concreto, se presenta un modelo matemático, así como soluciones para los problemas de cinemática directa e inversa. Además, también se analizan las particularidades que limitan su movimiento. Primero, se estudia su espacio de articular y las regiones prohibidas del mismo debido a la naturaleza del brazo. En segundo lugar, se aborda como la incapacidad de interpolación de los controladores que gobiernan los actuadores afecta a la generación de trayectorias. Finalmente, se discuten varias estrategias de patrullaje, prestando especial atención a sus ventajas y puntos débiles.

Por otro lado, los brazos de MIRADAS están distribuidos alrededor de una plataforma circular en la que no hay mucho espacio. Así pues, con el fin adquirir los objetivos requeridos por el usuario, los brazos del sistema deben moverse extremo cuidado. En MIRADAS, el cómputo de trayectorias se ha dividido en tres procesos diferentes, tratados todos en detalle en este trabajo. El primero de ellos, la segmentación de campo, organiza los distintos objetivos presentes en un campo disperso de estrellas de tal manera que estos puedan ser observados adecuadamente. Específicamente, esta fase calcula varios grupos, los integrantes de los cuales se emplean posteriormente en la etapa de asignación de brazos. Adicionalmente, también se determina el centro geométrico de cada uno de estos grupos, información requerida para apuntar correctamente el telescopio.Con respecto a la asignación de brazos, etapa responsable de determinar la asociación más adecuada <objetivo-brazo>. La primera se basa en programación lineal y, como demuestran las pruebas, es la que obtiene mejores resultados en términos de las diferentes métricas utilizadas. Sin embargo, este método deja de ser práctico cuando se tiene enfrente campos grandes. En estos escenarios, la segunda solución, estructurada entorno a una metaheurística, obtiene buenos resultados en un tiempo de ejecución asumible. Finalmente, los planes de asignación resultantes se pasan a un planificador de trayectorias.

El planificador de trayectorias es el tercer y último paso del proceso. Este analiza individualmente cada plan de asignación, devolviendo movimientos coordinados para todos los brazos involucrados. Estos movimientos, una vez traducidos a instrucciones de bajo nivel y ejecutados por el software que controla los correspondientes actuadores, colocarán el espejo de cada brazo en en la ubicación del cielo correspondiente. Las pruebas experimentales muestran que el planificador es capaz de calcular movimientos exitosos. Esto es así tanto en un escenario típico en el que se producen varias instancies de los dos tipos de conflictos que puede surgir en MIRADAS como en una serie de escenarios con objetivos científicos reales.