Sistema de Navegação Lunar Baseado em Visão para Próxima Geração de Módulos de Pouso

Em julho de 2015, a NASA publicou NASA Technology Roadmaps — TA9: Entry, Descent, and Landing Systems (EDL). Nele, eles delinearam seus objetivos EDL para os próximos anos: Desenvolver tecnologia nova e inovadora, não apenas para a lua, mas também para futura exploração por todo nosso sistema solar. Rumo a alcançar estes objetivos, a NASA concedeu um contrato ao Laboratório Charles Stark Draper, ou Draper para abreviar, para desenvolver e testar seu navegador multi-ambiente (DMEN), que usa técnicas de navegação baseadas em visão, como meio para guiar pequenas naves a pousar na lua.

Entrevistamos Dr. Brett Streetman, Membro Principal, Equipe Técnica no Draper, para aprender sobre o DMEN.

Tech Briefs: Por que esse nome — DMEN?

Streetman: A razão para esse nome, que significa Draper Multi-Environment Navigator, é que estávamos construindo sobre muito trabalho que o Draper já estava fazendo, não apenas para navegação espacial, mas também na Terra e em órbita. Muito deste trabalho vem de navegação por visão em parafoils guiados, onde estamos tentando navegar a descida da nave através da atmosfera, relativa a um local de pouso. Estamos pegando essa tecnologia e desenvolvendo-a para o espaço. Adicionalmente, estamos usando tecnologia que desenvolvemos para pequenos drones que voavam perto do nível do solo, tanto em ambientes internos quanto externos. Além disso, fizemos algum trabalho para rastrear astronautas na Estação Espacial Internacional. Construímos o DMEN para eles carregarem e rastrearem sua localização dentro da estação. Juntamos todas aquelas tecnologias de ambientes internos, externos, na Terra, no ar e no espaço, para navegar um pequeno módulo de pouso lunar.

Tech Briefs: Poderia descrever o dispositivo.

Streetman: Testamos nosso DMEN voando-o a bordo de um balão da World View Enterprises sobre Arizona a uma altitude de 108.000 pés. O dispositivo que voou no balão tinha duas câmeras. Estávamos testando quais pontos de vista e tamanhos de lente estávamos interessados em ter para voos futuros. Tinha uma câmera voltada para baixo e uma câmera ligeiramente voltada para frente. Suas saídas vão para uma placa de sensor desenvolvida internamente. Os dados das câmeras são combinados com dados de outros sensores e enviados para um computador de voo rodando nossos algoritmos.

Figura 1. A tecnologia dentro do navegador da Draper é o tipo requerido para um pouso lunar preciso. (Imagem cortesia: Draper)

O protótipo pesa cerca de 3 kg e tem cerca de 12" de largura por 10" de altura por 10" de profundidade. As lentes das câmeras são montadas do lado de fora da caixa mas estão incluídas dentro daquela janela de dimensão.

Tech Briefs: Qual é a base de sua tecnologia de navegação?

Figura 2. Draper demonstrou a capacidade de navegar precisamente um balão em voo suborbital durante um teste conduzido para a NASA pela World View® Enterprises. (Imagem: cortesia da World View Enterprises)

Streetman: A principal coisa que estamos desenvolvendo aqui é o software que processa as imagens para chegar a uma posição estimada de onde a câmera está. Temos alguns algoritmos diferentes nos quais estamos trabalhando — essencialmente um faz odometria visual, onde rastreia características de quadro a quadro para dizer como você está se movendo relativo à cena que está vendo. Também melhoramos o desempenho incluindo um componente de medição inercial. Para nossas tecnologias de medição de posição absoluta, pegamos uma imagem capturada em alta altitude e a comparamos a um banco de dados de imagens de satélite para chegar a uma correspondência para locais absolutos de características na mesma cena exata.

Tech Briefs: Qual é o papel da medição inercial?

Streetman: Nosso sistema de medição inercial usa acelerômetros padrão de 3 eixos e giroscópios de 3 eixos. Ele adiciona robustez e uma segunda corrente de informação que ajuda você a prever o que sua próxima imagem mostrará. Então, combinando estes dois tipos de informação, você pode obter uma medição muito mais precisa. Em um veículo espacial, você tende a fazer mais do que apenas ficar parado — você está se movendo e rotacionando. Então, sua visão do solo está mudando, baseada em seus movimentos para frente e para trás e sua rotação. A medição inercial permite que você acompanhe essas mudanças entre capturas de imagem. Você é então capaz de fazer previsões baseadas no que aconteceu entre a imagem atual e a última. A precisão do sistema é melhorada comparando o que você espera ver na próxima imagem e como aquela imagem difere da sua expectativa.

Tech Briefs: Há algo especial sobre a óptica?

Figura 3. O novo sistema de navegação baseado em visão da Draper foi posto à prova durante um voo sobre Arizona, EUA, a uma altitude de 108.000 pés. (Imagem cortesia: Draper)

Streetman: Para estas demonstrações, não havia características especiais para a óptica. Compramos câmeras e lentes prontas prateleira para testar nossos algoritmos e software. Não compramos ópticas qualificadas para espaço ou algo que você possa realmente enviar para o espaço. Ópticas prontas prateleira mais baratas foram eficazes para os testes que estávamos fazendo.

Para estes testes, não necessariamente precisamos de uma taxa de imagem muito alta, então não temos que usar obturadores globais ou rolantes. Quando formos projetar para operação espacial real, onde precisaremos de maior precisão, isso terá que ser considerado.

Tech Briefs: Pode resumir onde seu projeto está agora.

Streetman: No geral, o que estamos tentando fazer aqui é desenvolver um sistema pequeno para guiar efetivamente um pouso lunar e operações similares. Ao usar apenas detecção passiva de imagem e inercial, você pode desenvolver um sistema muito menor. Mas há limitações em comparação com uma técnica que usa um sinal ativo como lidar ou radar. Você pode reduzir para tamanhos e pesos muito menores, mas perde alguma capacidade — digamos operar no escuro ou em sombras pesadas. Há um trade-off entre sensores passivos e ativos. Mas com um sensor passivo, você pode encolher o tamanho do que precisa para navegar com precisão em algum lugar como a lua. Por exemplo, no último grande impulso lunar da NASA — tecnologia autônoma de evasão de perigos de pouso (ALHAT) — eles desenvolveram um grande conjunto de sensores com um flash-lidar ativo muito grande, mas também é cerca de 40 vezes mais massivo que o nosso. Embora tenha sido voado na Terra, não foi para a lua.

Prevemos que módulos de pouso baseados em nosso sistema DMEN terão um futuro muito produtivo em nossas próximas explorações espaciais.

Este artigo foi escrito por Ed Brown, Editor Associado de Fotônica & Tecnologia de Imagem.