Système de navigation lunaire piloté par vision pour les atterrisseurs de nouvelle génération

En juillet 2015, la NASA a publié les Feuilles de route technologiques de la NASA — TA9 :Systèmes d'entrée, de descente et d'atterrissage (EDL). Ils y exposent leurs objectifs EDL pour les années à venir :développer une technologie nouvelle et innovante, non seulement pour la Lune, mais également pour l'exploration future de notre système solaire. Pour atteindre ces objectifs, la NASA a attribué un contrat au laboratoire Charles Stark Draper, ou Draper en abrégé, pour développer et tester son navigateur multi-environnement (DMEN), qui utilise des techniques de navigation basées sur la vision, comme moyen de guider les petites embarcations vers l'atterrissage sur la lune.

Nous avons interviewé le Dr Brett Streetman, membre principal du personnel technique de Draper, pour en savoir plus sur le DMEN.

Tech Briefs :Pourquoi ce nom – DMEN ?

Homme de la rue : La raison de ce nom, qui signifie Draper Multi-Environment Navigator, est que nous nous appuyions sur de nombreux travaux que Draper effectuait déjà, non seulement pour la navigation spatiale, mais aussi sur Terre et en orbite. Une grande partie de ce travail découle de la navigation par vision sur des parafoils guidés, où nous essayons de suivre la descente de l'engin dans l'atmosphère, par rapport à un point d'atterrissage. Nous prenons cette technologie et la développons pour l’espace. De plus, nous utilisons une technologie que nous avons développée pour les petits drones qui volaient près du sol, à l’intérieur comme à l’extérieur. De plus, nous avons effectué des travaux de suivi des astronautes sur la Station spatiale internationale. Nous avons construit le DMEN pour qu'ils puissent transporter et suivre leur emplacement à l'intérieur de la station. Nous avons rassemblé toutes ces technologies intérieures, extérieures, sur Terre, dans les airs et dans l'espace, pour naviguer dans un petit atterrisseur lunaire.

Fiches techniques :Pourriez-vous décrire l'appareil.

Homme de la rue : Nous avons testé notre DMEN en le faisant voler à bord d'un ballon World View Enterprises au-dessus de l'Arizona à une altitude de 108 000 pieds. L'appareil qui volait sur le ballon était équipé de deux caméras. Nous testions les points de vue et les tailles d'objectifs qui nous intéressaient pour les futurs vols. Il avait une caméra orientée vers le bas et une caméra légèrement orientée vers l'avant. Leurs sorties sont envoyées à une carte de capteurs développée en interne. Les données des caméras sont combinées avec les données d'autres capteurs et envoyées à un ordinateur de vol exécutant nos algorithmes.

Figure 1. La technologie à l’intérieur du navigateur de Draper est celle requise pour un atterrissage lunaire précis. (Image gracieuseté :Draper)

Le prototype pèse environ 3 kg et mesure environ 12" de large sur 10" de haut sur 10" de profondeur. Les objectifs de la caméra sont montés à l'extérieur de la boîte mais sont inclus dans cette fenêtre de dimension.

Tech Briefs :Quelle est la base de votre technologie de navigation ?

Figure 2. Draper a démontré sa capacité à diriger avec précision un ballon en vol suborbital lors d'un test mené pour la NASA par World View® Enterprises. (Image :avec l'aimable autorisation de World View Enterprises)

Homme de la rue : La principale chose que nous développons ici est le logiciel qui traite les images afin d’estimer la position de la caméra. Nous travaillons sur différents algorithmes :l'un d'entre eux est essentiellement l'odométrie visuelle, qui suit les caractéristiques d'une image à l'autre pour indiquer comment vous vous déplacez par rapport à la scène que vous regardez. Nous avons également amélioré les performances en incluant un composant de mesure inertielle. Pour nos technologies de mesure de position absolue, nous prenons une image capturée à haute altitude et la comparons à une base de données d'images satellite pour obtenir une correspondance avec les emplacements absolus d'entités dans la même scène exacte.

Tech Briefs :Quel est le rôle de la mesure inertielle ?

Homme de la rue : Notre système de mesure inertielle utilise des accéléromètres 3 axes standards et des gyroscopes 3 axes. Il ajoute de la robustesse et un deuxième flux d'informations qui vous aident à prédire ce que montrera votre prochaine image. Ainsi, en combinant ces deux types d’informations, vous pouvez obtenir une mesure beaucoup plus précise. Dans un véhicule spatial, vous avez tendance à faire plus que simplement rester assis :vous vous déplacez et tournez. Ainsi, votre vision du sol change en fonction de vos mouvements d'avant en arrière et de votre rotation. La mesure inertielle vous permet de suivre ces changements entre les captures d'images. Vous êtes alors en mesure de faire des prédictions basées sur ce qui s'est passé entre l'image actuelle et la dernière. La précision du système est améliorée en comparant ce que vous attendez de voir dans l'image suivante et en quoi cette image diffère de vos attentes.

Notes techniques :y a-t-il quelque chose de spécial à propos de l'optique ?

Figure 3. Le nouveau système de navigation basé sur la vision de Draper a été testé lors d'un vol au-dessus de l'Arizona, aux États-Unis, à une altitude de 108 000 pieds. (Image gracieuseté :Draper)

Homme de la rue : Pour ces démonstrations, il n'y avait pas de caractéristiques particulières pour l'optique. Nous avons acheté des appareils photo et des objectifs du commerce afin de tester nos algorithmes et nos logiciels. Nous n’avons pas acheté d’optiques qualifiées pour l’espace ni quoi que ce soit que vous pourriez réellement envoyer dans l’espace. Les optiques moins chères du commerce se sont avérées efficaces pour les tests que nous effectuions.

Pour ces tests, nous n’avons pas nécessairement besoin d’une cadence d’imagerie très élevée, nous n’avons donc pas besoin d’utiliser des volets globaux ou roulants. Lorsque nous passerons à la conception pour une opération spatiale réelle, où nous aurons besoin d'une plus grande précision, cela devra être pris en compte.

Notes techniques :pouvez-vous résumer où en est actuellement votre projet.

Homme de la rue : Dans l’ensemble, ce que nous essayons de faire ici est de développer un petit système permettant de guider efficacement un atterrissage sur la Lune et des opérations similaires. En utilisant uniquement l’image passive et la détection inertielle, vous pouvez développer un système beaucoup plus petit. Mais il existe des limites par rapport à une technique utilisant un signal actif comme le lidar ou le radar. Vous pouvez passer à des tailles et des poids beaucoup plus petits, mais vous perdez une certaine capacité, par exemple en travaillant dans l'obscurité ou dans des ombres épaisses. Il existe un compromis entre les capteurs passifs et actifs. Mais avec un capteur passif, vous pouvez réduire la taille de ce dont vous avez besoin pour naviguer avec précision dans un endroit comme la lune. Par exemple, lors de la dernière grande avancée lunaire de la NASA – la technologie autonome d’évitement des risques d’atterrissage (ALHAT) – ils ont développé une grande suite de capteurs avec un très grand flash-lidar actif, mais il est également environ 40 fois plus massif que le nôtre. Même s'il a volé sur la Terre, il n'est pas allé sur la Lune.

Nous prévoyons que les atterrisseurs basés sur notre système DMEN auront un avenir très productif dans nos prochaines explorations spatiales.

Cet article a été rédigé par Ed Brown, rédacteur en chef adjoint de Photonics &Imaging Technology.