title: Energy management system of vehicles for space missions
title: Σύστημα διαχείρισης ενέργειας οχημάτων για διαστημικές αποστολές
Creators: name: Κοντονικολης Νικολαος
Publisher: name: Technical University of Crete
Year: 2025

description: The exploration of the lunar south pole has emerged as a prime objective for space agencies and companies, driven by the need to develop long term operations in the Moon. A critical component of this endeavor is the efficient utilization of lunar resources, particularly volatiles, which can support the production of propellant and oxygen. Permanently shadowed regions (PSRs), known for their extremely low temperatures, are promising locations for volatile deposits. However, these areas present significant operational challenges for robotic missions due to perpetual darkness and harsh environmental conditions. Conventional photovoltaic-battery systems are often inadequate, requiring disproportionally large batteries or frequent mission downtime for recharging, while radioisotope-based systems pose environmental and technical risks. This thesis introduces SELAS (Solar Energy Lightweight Adjustable Station), a solar-powered charging rover designed to operate in illuminated regions of the lunar south pole and recharge prospecting rovers working in PSRs. SELAS features an advanced energy management system (EMS) and an optimized power architecture developed using the particle swarm optimization (PSO) algorithm, minimizing system mass while ensuring reliability. By exclusively employing components of high technology readiness, SELAS adopts a pragmatic approach. A custom algorithm optimizes SELAS's daily traversing and charging schedules. The capabilities of SELAS were tested through MATLAB simulations considering varying power consumption scenarios and operational conditions of missions in Henson Crater. Two configurations were evaluated: a 1:1 setup, where one SELAS charges a single rover, and a 2:1 setup, where one SELAS charges two rovers. Results demonstrated SELAS's superior performance compared to conventional power solutions, particularly in robotic swarm operations, where it effectively supports multiple rovers. 
description: Η εξερεύνηση του νότιου πόλου της Σελήνης έχει αναδειχθεί ως προτεραιότητα για διαστημικές υπηρεσίες και ιδιωτικούς φορείς παγκοσμίως, καθοδηγούμενη από την ανάγκη για εγκαθίδρυση μιας βιώσιμης ανθρώπινης παρουσίας στη Σελήνη. Ένα κρίσιμο στοιχείο αυτής της προσπάθειας είναι η αποτελεσματική αξιοποίηση των σεληνιακών πόρων, ιδιαίτερα των πτητικών υλικών και του νερού, τα οποία μπορούν να υποστηρίξουν την παραγωγή καυσίμων καθώς και οξυγόνου. Οι μόνιμα σκιασμένες περιοχές (PSRs), γνωστές για τις εξαιρετικά χαμηλές θερμοκρασίες τους, είναι τοποθεσίες με πιθανώς υψηλή συγκέντρωση πτητικών υλικών και χρήζουν περεταίρω εξερεύνησης και μελέτης με τη χρήση ρομποτικών οχημάτων (rovers). Ωστόσο, αυτές οι περιοχές παρουσιάζουν σημαντικές λειτουργικές προκλήσεις λόγω της έλλειψης ηλιοφάνειας και των ακραίων περιβαλλοντικών συνθηκών. Τα συμβατικά συστήματα που περιλαμβάνουν φωτοβολταϊκές διατάξεις και μπαταρίες συχνά δεν επαρκούν, απαιτώντας δυσανάλογα μεγέθη μπαταριών ή συχνές διακοπές της αποστολής για επαναφόρτιση, ενώ τα συστήματα που βασίζονται σε ραδιοϊσότοπα ενέχουν περιβαλλοντικούς και τεχνικούς κινδύνους. Στη παρούσα διπλωματική εργασία αναπτύχθηκε το SELAS (Solar Energy Lightweight Adjustable Station), ένα rover που λειτουργεί σαν κινητός φορτιστής αξιοποιώντας την ηλιακή ενέργεια περιοχών του νότιου πόλου της Σελήνης με υψηλή ηλιοφάνεια για να επαναφορτίσει rovers που βρίσκονται στις μόνιμα σκιασμένες περιοχές. Για την βέλτιστη λειτουργία του SELAS αναπτύχθηκε ένα προηγμένο σύστημα διαχείρισης ενέργειας (EMS) ενώ η αρχιτεκτονική του έχει βελτιστοποιηθεί με τη χρήση του αλγορίθμου σμήνους σωματιδίων (PSO), μειώνοντας τη συνολική μάζα του συστήματος. Η σχεδίαση του SELAS υιοθετεί μια ρεαλιστική προσέγγιση χρησιμοποιώντας αποκλειστικά εξαρτήματα υψηλής τεχνολογικής ωριμότητας (TRL). Επιπρόσθετα, προκειμένου να βελτιστοποιηθούν οι χρόνοι φόρτισης που ακολουθεί το SELAS σχεδιάστηκε ένας αλγόριθμος καθορισμού της πορείας του. Οι δυνατότητες του SELAS δοκιμάστηκαν μέσω προσομοιώσεων στο MATLAB, λαμβάνοντας υπόψη διάφορα σενάρια κατανάλωσης ενέργειας ρομποτικών αποστολών στον κρατήρα Henson. Τέλος, δύο ξεχωριστές διατάξεις αξιολογήθηκαν: μία διάταξη 1:1, όπου ένα SELAS φορτίζει ένα rover, και μία διάταξη 2:1, όπου ένα SELAS φορτίζει δύο rovers. Το SELAS  αποδεικνύεται εξαιρετικά αποτελεσματικό σε σύγκριση με συμβατικές λύσεις, ιδιαίτερα σε επιχειρήσεις ρομποτικών σμηνών, όπου έχει την δυνατότητα να υποστηρίζει επαρκώς πολλαπλά rover (διάταξη 2:1) μειώνοντας αισθητά τη συνολική μάζα του συστήματος συνεπώς και το τελικό κόστος της αποστολής.