Visie-gestuurd Lunaire Navigatiesysteem voor Next-Gen Landers

In juli 2015 publiceerde NASA NASA Technology Roadmaps — TA9: Entry, Descent, and Landing Systems (EDL). In het legden ze hun EDL doelen voor de komende jaren vast: Om nieuwe en innovatieve technologie te ontwikkelen, niet alleen voor de maan, maar ook voor toekomstige exploratie doorheen ons zonnestelsel. Naar deze doelen toe, wist NASA een contract aan het Charles Stark Draper Laboratory, of Draper voor kort, om hun multi-environment navigator (DMEN) te ontwikkelen en testen, die visie-gebaseerde navigatietechnieken gebruikt, als middel om kleine schepen te leiden om op de maan te landen.

We interviewden Dr. Brett Streetman, Principal Member, Technical Staff bij Draper, om te leren over de DMEN.

Tech Briefs: Waarom die naam — DMEN?

Streetman: De reden voor die naam, wat staat voor Draper Multi-Environment Navigator, is dat we bouwden op heel veel werk dat Draper al deed, niet alleen voor ruimtenavigatie, maar ook op aarde en in orbit. Veel van dit werk stamt van visienavigatie op geguidde parafoils, waar we proberen het schip's daling door de atmosfeer te navigeren, relatief tot een landingsplek. We nemen die technologie en ontwikkelen het voor de ruimte. Daarnaast gebruiken we technologie die we ontwikkeld hebben voor kleine drones die laag over de grond vlogen, zowel binnen als buiten. Verder deden we werk voor het tracken van astronauten op het Internationale Ruimtestation. We bouwden de DMEN voor hen om te dragen en hun locatie binnen het station te tracken. We brachten al die technologieën van binnen, buiten, op aarde, in de lucht, en in de ruimte samen, voor het navigeren van een kleine maanlander.

Tech Briefs: Kunt u het apparaat beschrijven.

Streetman: We testten onze DMEN door het te vliegen aan boord van een World View Enterprises ballon over Arizona op een hoogte van 108.000 voet. Het apparaat dat op de ballon vloog had twee camera's. We testten welke viewpoints en lensformaten we geïnteresseerd waren in voor toekomstige vluchten. Het had een naar beneden kijkende camera en een licht naar voren kijkende camera. Hun outputs gaan naar een in-house ontwikkeld sensorbord. De data van de camera's wordt gecombineerd met data van andere sensoren en gestuurd naar een flight computer die onze algoritmes draait.

Figuur 1. De technologie binnen Draper's navigator is het soort vereist voor een nauwkeurige maanlanding. (Afbeelding courtesy: Draper)

De prototype weegt ongeveer 3 kg en is ongeveer 12" breed bij 10" hoog bij 10" diep. De camera lenzen zijn gemonteerd aan de buitenkant van de doos maar vallen binnen die dimensievenster.

Tech Briefs: Wat is de basis van uw navigatietechnologie?

Figuur 2. Draper demonstreerde de mogelijkheid om een ballon in suborbitale vlucht nauwkeurig te navigeren tijdens een test uitgevoerd voor NASA door World View® Enterprises. (Afbeelding: courtesy of World View Enterprises)

Streetman: Het hoofd ding dat we hier ontwikkelen is de software die de afbeeldingen verwerkt om tot een geschatte positie te komen van waar de camera is. We hebben een paar verschillende algoritmes waar we aan werken - eigenlijk doet er een visual odometry, waar het features van frame naar frame trackt om te vertellen hoe je beweegt relatief tot de scène die je bekijkt. We hebben ook de prestaties verbeterd door een inertiële meetcomponent toe te voegen. Voor onze absolute positie meettechnologieën, nemen we een afbeeldingen op hoge hoogte en vergelijken we het met een database van satellietbeelden om een match te vinden voor absolute locaties van features in exact dezelfde scène.

Tech Briefs: Wat is de rol van inertiële meting?

Streetman: Ons inertieel meetsysteem gebruikt standaard 3-as versnellingsmeters en 3-as gyroscopen. Het voegt robuustheid toe en een tweede stroom informatie die helpt voorspellen wat je volgende afbeelding zal tonen. Dus, door deze twee soorten informatie te combineren, kun je een veel nauwkeurigere meting krijgen. In een buitenaards voertuig, ben je geneigd meer te doen dan alleen stilzitten - je beweegt en roteert. Dus, je kijk op de grond verandert, gebaseerd op je voorwaartse en achterwaartse bewegingen en je rotatie. De inertiële meting stelt je in staat om die veranderingen tussen afbeeldingen bij te houden. Je bent dan in staat om voorspellingen te maken gebaseerd op wat er gebeurde tussen de huidige en laatste afbeeldingen. De systeernauwkeurigheid wordt verbeterd door te vergelijken wat je verwacht te zien in de volgende afbeelding en hoe die afbeelding afwijkt van je verwachting.

Tech Briefs: Is er iets bijzonders aan de optica?

Figuur 3. Draper's nieuwe visie-gebaseerde navigatiesysteem werd getest tijdens een vlucht over Arizona, VS, op een hoogte van 108.000 voet. (Afbeelding courtesy: Draper)

Streetman: Voor deze demonstraties waren er geen speciale kenmerken voor de optica. We kochten off-the-shelf camera's en lenzen om onze algoritmes en software te testen. We kochten geen space-gekwalificeerde optica of iets wat je daadwerkelijk in de ruimte zou sturen. Off-the-shelf goedkopere optica waren effectief voor de tests die we deden.

Voor deze tests hebben we niet noodzakelijk een heel hoge imaging rate nodig, dus hoeven we geen global of rolling shutters te gebruiken. Wanneer we gaan ontwerpen voor daadwerkelijke ruimteoperatie, waar we grotere nauwkeurigheid nodig zullen hebben, moet dat overwogen worden.

Tech Briefs: Kunt u samenvatten waar uw project nu staat.

Streetman: Overkoepelend, wat we hier proberen te doen is een klein systeem te ontwikkelen voor effectief leiden van een maanlanding en vergelijkbare operaties. Bij gebruik van alleen passieve afbeeldings en inertiële sensing, kun je een veel kleiner systeem ontwikkelen. Maar er zijn beperkingen in vergelijking met een techniek die een actief signaal gebruikt zoals lidar of radar. Je kunt afwegen naar veel kleinere maten en gewichten, maar je verliest wel enige capaciteit - zeg opereren in het donker of in zware schaduwen. Er is een afweging tussen passieve en actieve sensoren. Maar met een passieve sensor, kun je de grootte van wat je nodig hebt om ergens als de maan nauwkeurig te navigeren, verkleinen. Bijvoorbeeld, bij de laatste grote NASA maan push — autonomous landing hazard avoidance technology (ALHAT) — ontwikkelden ze een grote sensor suite met een heel grote active flash-lidar, maar het is ook ongeveer 40 keer zwaarder dan de onze. Hoewel het op aarde gevlogen is, is het niet naar de maan gegaan.

We voorspellen dat landers gebaseerd op ons DMEN systeem een heel productieve toekomst zullen hebben in onze komende ruimteverkenningen.

Dit artikel is geschreven door Ed Brown, Associate Editor of Photonics & Imaging Technology.