Système de navigation lunaire piloté par la vision pour les alunisseurs de prochaine génération

En juillet 2015, la NASA a publié NASA Technology Roadmaps — TA9 : Systèmes d'entrée, de descente et d'atterrissage (EDL). Dans celui-ci, ils ont exposé leurs objectifs EDL pour les années à venir : développer de nouvelles technologies innovantes, pas seulement pour la lune, mais aussi pour l'exploration future à travers notre système solaire. Pour atteindre ces objectifs, la NASA a attribué un contrat au Laboratoire Charles Stark Draper, ou Draper pour faire court, pour développer et tester leur navigateur multi-environnement (DMEN), qui utilise des techniques de navigation basées sur la vision, comme moyen de guider de petits engins pour atterrir sur la lune.

Nous avons interviewé le Dr Brett Streetman, Membre principal, Personnel technique chez Draper, pour en apprendre davantage sur le DMEN.

Tech Briefs : Pourquoi ce nom — DMEN ?

Streetman : La raison de ce nom, qui signifie Draper Multi-Environment Navigator, est que nous nous appuyions sur beaucoup de travail que Draper faisait déjà, pas seulement pour la navigation spatiale, mais aussi sur Terre et en orbite. Beaucoup de ce travail découle de la navigation par vision sur parafoils guidés, où nous essayons de naviguer la descente de l'engin à travers 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 avions développée pour de petits drones qui volaient près du niveau du sol, tanto à l'intérieur qu'à l'extérieur. En outre, nous avons fait du travail pour le suivi d'astronautes sur la Station spatiale internationale. Nous avons construit le DMEN pour qu'ils le portent et suivent leur position à l'intérieur de la station. Nous avons réuni toutes ces technologies de l'intérieur, l'extérieur, sur Terre, dans l'air, et dans l'espace, pour naviguer un petit alunisseur lunaire.

Tech Briefs : Pourriez-vous décrire le dispositif.

Streetman : 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. Le dispositif qui a volé sur le ballon avait deux caméras. Nous testions quels points de vue et tailles d'objectif nous étions intéressés à avoir pour les futurs vols. Il avait une caméra orientée vers le bas et une caméra légèrement orientée vers l'avant. Leurs sorties vont vers une carte de capteur 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 du genre requis pour un alunissage précis. (Image courtoisie : Draper)

Le prototype pèse environ 3 kg et mesure environ 12" de large sur 10" de haut sur 10" de profondeur. Les objectifs de 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 la capacité de naviguer avec précision un ballon en vol suborbital lors d'un test conduit pour la NASA par World View® Enterprises. (Image : courtoisie de World View Enterprises)

Streetman : La chose principale que nous développons ici est le logiciel qui traite les images afin de produire une position estimée de où la caméra est. Nous avons quelques algorithmes différents sur lesquels nous travaillons — essentiellement l'un fait de l'odométrie visuelle, où il suit les caractéristiques d'image en image pour dire comment vous bougez par rapport à la scène que vous visualisez. 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'imagerie satellite pour trouver une correspondance pour les emplacements absolus des caractéristiques dans la même scène exacte.

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

Streetman : Notre système de mesure inertielle utilise des accéléromètres 3 axes standard et des gyroscopes 3 axes. Il ajoute de la robustesse et un second flux d'information qui vous aide à prédire ce que votre prochaine image montrera. Donc, en combinant ces deux sortes d'informations, vous pouvez obtenir une mesure beaucoup plus précise. Dans un véhicule spatial, vous avez tendance à faire plus que juste rester immobile — vous bougez et tournez autour. Donc, votre vue du sol change, basée sur vos mouvements avant et arrière et votre rotation. La mesure inertielle vous permet de suivre ces changements entre les captures d'image. Vous êtes alors capable 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 vous attendez à voir dans la prochaine image et comment cette image diffère de votre attente.

Tech Briefs : Y a-t-il quelque chose de spécial sur l'optique ?

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

Streetman : Pour ces démonstrations, il n'y avait pas de caractéristiques spéciales pour l'optique. Nous avons acheté des caméras et objectifs prêts à l'emploi afin de tester nos algorithmes et logiciels. Nous n'avons pas acheté d'optiques qualifiées pour l'espace ou quoi que ce soit que vous pourriez réellement envoyer dans l'espace. Des optiques moins chères prêtes à l'emploi étaient efficaces pour les tests que nous faisions.

Pour ces tests, nous n'avons pas nécessairement besoin d'un taux d'imagerie très élevé, donc nous n'avons pas à utiliser des obturateurs globaux ou roulants. Quand nous passerons à la conception pour une opération spatiale réelle, où nous aurons besoin d'une plus grande précision, cela devra être considéré.

Tech Briefs : Pouvez-vous résumer où en est votre projet maintenant.

Streetman : Dans l'ensemble, ce que nous essayons de faire ici est de développer un petit système pour guider efficacement un alunissage lunaire et des opérations similaires. En utilisant seulement la détection d'image et inertielle passive, vous pouvez développer un système beaucoup plus petit. Mais il y a des limitations par rapport à une technique qui utilise un signal actif comme le lidar ou le radar. Vous pouvez réduire à des tailles et poids beaucoup plus petits, mais vous perdez quelque capacité — disons opérer dans le noir ou dans les ombres lourdes. Il y a un compromis entre capteurs passifs et actifs. Mais avec un capteur passif, vous pouvez réduire la taille de ce dont vous avez besoin pour naviguer avec précision quelque part comme la lune. Par exemple, lors de la dernière grande poussée lunaire de la NASA — technologie d'évitement de danger d'atterrissage autonome (ALHAT) — ils ont développé une grande suite de capteurs avec un grand lidar flash actif, mais c'est aussi environ 40 fois plus massif que le nôtre. Bien qu'il ait été volé sur Terre, il n'est pas allé sur la lune.

Nous prédisons que les alunisseurs basés sur notre système DMEN auront un avenir très productif dans nos explorations spatiales à venir.

Cet article a été écrit par Ed Brown, Rédacteur associé de Photonics & Imaging Technology.