Bridging the Basilisk Astrodynamics Framework with ROS 2 for Modular Spacecraft Simulation and Hardware Integration

📄 arXiv: 2512.09833v1 📥 PDF

作者: Elias Krantz, Ngai Nam Chan, Gunnar Tibert, Huina Mao, Christer Fuglesang

分类: cs.RO

发布日期: 2025-12-10

备注: Presented at the International Conference on Space Robotics (iSpaRo) 2025. To appear in IEEE Xplore

💡 一句话要点

提出Basilisk与ROS 2的轻量级桥接方案，用于模块化航天器仿真与硬件集成

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 航天动力学仿真 ROS 2 通信桥 模块化航天器 自主控制 硬件在环测试 编队飞行

📋 核心要点

  1. 现有航天器高保真仿真器与模块化机器人框架的集成面临挑战，阻碍了自主系统的快速开发与验证。
  2. 论文提出Basilisk与ROS 2之间的轻量级通信桥，实现实时双向数据交换，无需修改Basilisk核心。
  3. 通过领-从者编队飞行实验，验证了该桥梁在仿真和硬件平台上的有效性，支持快速部署和硬件在环测试。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种轻量级的开源通信桥，用于连接高保真航天动力学仿真器Basilisk和机器人操作系统ROS 2，旨在解决自主开发中高保真仿真器与模块化机器人框架集成的问题。该桥梁无需修改Basilisk的核心代码，并能与ROS 2节点无缝集成，实现航天器控制的实时双向数据交换。论文通过一个领-从者编队飞行场景展示了其应用，该场景采用了非线性模型预测控制，并在仿真和ATMOS平面微重力测试台上进行了相同的部署。该方案支持快速开发、硬件在环测试以及从仿真到硬件的无缝过渡，为模块化航天器自主性和可重复研究工作流程提供了一个灵活且可扩展的平台。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决航天器自主控制算法在仿真环境和实际硬件之间迁移的难题。现有方法通常需要复杂的集成过程或对仿真器进行大量修改，导致开发周期长、可移植性差，难以支持快速原型验证和硬件在环测试。

核心思路：论文的核心思路是构建一个轻量级的、非侵入式的通信桥，使得Basilisk仿真器能够与ROS 2机器人框架进行实时双向数据交换。通过ROS 2的标准化接口，可以方便地将仿真环境与各种硬件设备连接起来，实现控制算法的快速部署和验证。

技术框架：该桥接方案主要包含两个部分：Basilisk侧的接口和ROS 2侧的接口。Basilisk侧的接口负责将仿真数据发布到ROS 2网络中，并接收来自ROS 2的控制指令。ROS 2侧的接口则负责订阅Basilisk发布的数据，并将控制指令发送给Basilisk。整个框架基于ROS 2的发布/订阅机制，实现了数据的实时传输和同步。

关键创新：该方案的关键创新在于其轻量级和非侵入式的设计。该桥梁无需修改Basilisk的核心代码，而是通过外部接口进行数据交换，从而保证了Basilisk的稳定性和可维护性。此外，该桥梁还充分利用了ROS 2的模块化和可扩展性，可以方便地与其他ROS 2节点集成，构建复杂的航天器自主控制系统。

关键设计：该桥梁的关键设计包括：1) 数据类型的映射：需要将Basilisk中的数据类型映射到ROS 2中的数据类型，以保证数据的正确传输。2) 实时性保证：需要保证数据的实时传输，以支持控制算法的实时性要求。3) 错误处理：需要对数据传输过程中可能出现的错误进行处理，以保证系统的稳定性。

📊 实验亮点

论文通过领-从者编队飞行实验验证了该桥梁的有效性。实验结果表明，该桥梁能够实现仿真环境和硬件平台之间的无缝切换，并且控制算法在仿真和硬件平台上的性能表现一致。这表明该桥梁能够有效地支持航天器自主控制算法的快速开发和验证。

🎯 应用场景

该研究成果可广泛应用于航天器自主控制系统的开发、测试和验证。例如，可用于编队飞行、自主导航、姿态控制等任务的算法开发。此外，该桥梁还可用于教育和科研领域，为学生和研究人员提供一个方便易用的航天器仿真平台，促进航天技术的创新和发展。

📄 摘要（原文）

Integrating high-fidelity spacecraft simulators with modular robotics frameworks remains a challenge for autonomy development. This paper presents a lightweight, open-source communication bridge between the Basilisk astrodynamics simulator and the Robot Operating System 2 (ROS 2), enabling real-time, bidirectional data exchange for spacecraft control. The bridge requires no changes to Basilisk's core and integrates seamlessly with ROS 2 nodes. We demonstrate its use in a leader-follower formation flying scenario using nonlinear model predictive control, deployed identically in both simulation and on the ATMOS planar microgravity testbed. This setup supports rapid development, hardware-in-the-loop testing, and seamless transition from simulation to hardware. The bridge offers a flexible and scalable platform for modular spacecraft autonomy and reproducible research workflows.