Sistema de navegação lunar baseado em visão para sondas de última geração

Em julho de 2015, a NASA publicou NASA Technology Roadmaps — TA9:Entry, Descent, and Landing Systems (EDL). Nele, eles estabeleceram os seus objetivos EDL para os próximos anos:Desenvolver tecnologia nova e inovadora, não apenas para a Lua, mas também para exploração futura em todo o nosso sistema solar. Para atingir esses objetivos, a NASA assinou um contrato com o Laboratório Charles Stark Draper, ou Draper, para desenvolver e testar seu navegador multiambiente (DMEN), que usa técnicas de navegação baseadas em visão, como um meio de guiar pequenas naves para pousar na lua.

Entrevistamos o Dr. Brett Streetman, membro principal da equipe técnica da Draper, para aprender sobre o DMEN.

Resumos técnicos:Por que esse nome — DMEN?

Homem de rua: A razão para esse nome, que significa Draper Multi-Environment Navigator, é que estávamos desenvolvendo muito trabalho que a Draper já estava fazendo, não apenas para navegação espacial, mas também na Terra e em órbita. Muito deste trabalho decorre da navegação visual em parafoils guiados, onde tentamos navegar pela descida da nave através da atmosfera, em relação a um local de pouso. Estamos pegando essa tecnologia e desenvolvendo-a para o espaço. Além disso, estamos usando tecnologia que desenvolvemos para pequenos drones que voavam perto do nível do solo, tanto em ambientes internos quanto externos. Além disso, fizemos alguns trabalhos para rastrear astronautas na Estação Espacial Internacional. Construímos o DMEN para que eles carregassem e rastreassem sua localização dentro da estação. Reunimos todas essas tecnologias internas, externas, na Terra, no ar e no espaço, para navegar em um pequeno módulo lunar.

Resumos técnicos:você poderia descrever o dispositivo.

Homem de rua: Testamos nosso DMEN voando a bordo de um balão da World View Enterprises sobre o Arizona, a uma altitude de 108.000 pés. O aparelho que voou no balão tinha duas câmeras. Estávamos testando quais pontos de vista e tamanhos de lentes estávamos interessados ​​em voos futuros. Ele tinha uma câmera voltada para baixo e uma câmera ligeiramente voltada para a 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 que executa nossos algoritmos.
Figura 1. A tecnologia dentro do navegador de Draper é do tipo necessário 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 da câmera são montadas na parte externa da caixa, mas estão incluídas dentro dessa janela de dimensão.

Resumos técnicos:Qual é a base da sua tecnologia de navegação?

Figura 2. Draper demonstrou a capacidade de navegar com precisão em um balão em vôo suborbital durante um teste realizado para a NASA pela World View® Enterprises. (Imagem:cortesia da World View Enterprises)
Homem de rua: O principal que estamos desenvolvendo aqui é o software que processa as imagens para chegar a uma estimativa da posição de onde a câmera está. Temos alguns algoritmos diferentes nos quais estamos trabalhando - essencialmente, um deles faz odometria visual, onde rastreia recursos quadro a quadro para saber como você está se movendo em relação à cena que está visualizando. Também melhoramos o desempenho incluindo um componente de medição inercial. Para nossas tecnologias de medição de posição absoluta, pegamos uma imagem capturada em grandes altitudes e a comparamos com um banco de dados de imagens de satélite para encontrar uma correspondência para localizações absolutas de feições na mesma cena exata.

Resumos técnicos:Qual é o papel da medição inercial?

Homem de rua: Nosso sistema de medição inercial usa acelerômetros padrão de 3 eixos e giroscópios de 3 eixos. Ele adiciona robustez e um segundo fluxo de informações que ajuda a prever o que sua próxima imagem mostrará. Assim, ao combinar esses 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 girando. Portanto, sua visão do solo está mudando, com base em seus movimentos para frente e para trás e em sua rotação. A medição inercial permite acompanhar essas mudanças entre as capturas de imagens. Você poderá então fazer previsões com base 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 essa imagem difere da sua expectativa.

Resumos técnicos:Há algo especial sobre a ótica?

Figura 3. O novo sistema de navegação baseado em visão da Draper foi testado durante um voo sobre o Arizona, EUA, a uma altitude de 108.000 pés. (Imagem cortesia:Draper)
Homem de rua: Para estas demonstrações não houve características especiais para a ótica. Compramos câmeras e lentes prontas para uso para testar nossos algoritmos e software. Não compramos óptica qualificada para uso espacial ou qualquer coisa que você possa realmente enviar para o espaço. Ópticas mais baratas e disponíveis no mercado foram eficazes para os testes que estávamos fazendo.

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

Resumos técnicos:você pode resumir a situação atual do seu projeto.

Homem de rua: No geral, o que estamos tentando fazer aqui é desenvolver um pequeno sistema para orientar eficazmente um pouso lunar e operações semelhantes. Ao usar apenas imagem passiva e detecção inercial, você pode desenvolver um sistema muito menor. Mas existem limitações em comparação com uma técnica que utiliza um sinal ativo como lidar ou radar. Você pode negociar tamanhos e pesos muito menores, mas perde alguma capacidade – digamos, operar no escuro ou em sombras intensas. Existe uma compensação entre sensores passivos e ativos. Mas com um sensor passivo, você pode reduzir 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 para evitar riscos 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 voado na Terra, não foi à lua.

Prevemos que os módulos de aterragem baseados no nosso sistema DMEN terão um futuro muito produtivo nas nossas próximas explorações espaciais.

Este artigo foi escrito por Ed Brown, editor associado da Photonics &Imaging Technology.