Visiegestuurd maannavigatiesysteem voor landers van de volgende generatie

In juli 2015 publiceerde NASA NASA Technology Roadmaps – TA9:Entry, Descent, and Landing Systems (EDL). Daarin legden ze hun EDL-doelen voor de komende jaren uiteen:het ontwikkelen van nieuwe en innovatieve technologie, niet alleen voor de maan, maar ook voor toekomstige verkenningen in ons hele zonnestelsel. Om deze doelen te bereiken heeft NASA een contract gegund aan het Charles Stark Draper Laboratory, of kortweg Draper, voor het ontwikkelen en testen van hun multi-environment navigator (DMEN), die gebruik maakt van op visie gebaseerde navigatietechnieken, als middel om kleine vaartuigen naar de maan te leiden.

We interviewden Dr. Brett Streetman, hoofdlid van de technische staf bij Draper, om meer te weten te komen over de DMEN.

Technische briefs:waarom die naam:DMEN?

Straatman: De reden voor die naam, die staat voor Draper Multi-Environment Navigator, is dat we voortbouwden op veel werk dat Draper al deed, niet alleen voor ruimtenavigatie, maar ook op aarde en in een baan om de aarde. Veel van dit werk komt voort uit visienavigatie op geleide parafoils, waarbij we proberen de afdaling van het vaartuig door de atmosfeer te navigeren, ten opzichte van een landingsplaats. We nemen die technologie en ontwikkelen deze voor de ruimte. Daarnaast gebruiken we technologie die we hebben ontwikkeld voor kleine drones die terugvliegen tot op het maaiveld, zowel binnen als buiten. Verder hebben we wat werk verricht voor het volgen van astronauten op het internationale ruimtestation. We hebben de DMEN gebouwd zodat ze hun locatie in het station kunnen dragen en volgen. We hebben al die technologieën van binnen, buiten, op aarde, in de lucht en in de ruimte samengebracht voor het navigeren door een kleine maanlander.

Technische informatie:kunt u het apparaat beschrijven.

Straatman: We hebben onze DMEN getest door hem aan boord van een World View Enterprises-ballon boven Arizona te laten vliegen op een hoogte van 38.000 voet. Het apparaat dat op de ballon vloog, had twee camera's. We waren aan het testen in welke gezichtspunten en lensgroottes we geïnteresseerd waren voor toekomstige vluchten. Het had een naar beneden gerichte camera en een iets naar voren gerichte camera. Hun output gaat naar een intern ontwikkeld sensorbord. De gegevens van de camera's worden gecombineerd met gegevens van andere sensoren en naar een vluchtcomputer gestuurd waarop onze algoritmen draaien.

Figuur 1. De technologie in de navigator van Draper is van het soort dat nodig is voor een nauwkeurige maanlanding. (Afbeelding:Draper)

Het prototype weegt ongeveer 3 kg en is ongeveer 30 cm breed, 30 cm hoog en 30 cm diep. De cameralenzen zijn aan de buitenkant van de doos gemonteerd, maar vallen binnen dat afmetingsvenster.

Technische briefing:wat is de basis van uw navigatietechnologie?

Figuur 2. Draper demonstreerde het vermogen om nauwkeurig door een ballon te navigeren tijdens een suborbitale vlucht tijdens een test die voor NASA werd uitgevoerd door World View® Enterprises. (Afbeelding:met dank aan World View Enterprises)

Straatman: Het belangrijkste dat we hier ontwikkelen is de software die de beelden verwerkt om een geschatte positie te bepalen waar de camera zich bevindt. We hebben een paar verschillende algoritmen waar we aan werken. In wezen doet één algoritme aan visuele odometrie, waarbij functies van frame tot frame worden gevolgd om te vertellen hoe je beweegt ten opzichte van de scène die je bekijkt. We hebben de prestaties ook verbeterd door een traagheidsmeetcomponent op te nemen. Voor onze technologieën voor het meten van absolute posities nemen we een beeld dat op grote hoogte is vastgelegd en vergelijken dit met een database met satellietbeelden om tot een overeenkomst te komen voor absolute locaties van kenmerken in exact dezelfde scène.

Technische informatie:wat is de rol van traagheidsmeting?

Straatman: Ons traagheidsmeetsysteem maakt gebruik van standaard 3-assige versnellingsmeters en 3-assige gyroscopen. Het voegt robuustheid toe en een tweede informatiestroom waarmee u kunt voorspellen wat uw volgende afbeelding zal laten zien. Door deze twee soorten informatie te combineren, kunt u dus een veel nauwkeurigere meting verkrijgen. In een ruimtevaartuig doe je meestal meer dan alleen maar stilzitten:je beweegt en draait rond. Je zicht op de grond verandert dus, gebaseerd op je voorwaartse en achterwaartse bewegingen en je rotatie. Met de traagheidsmeting kunt u deze veranderingen tussen beeldopnames bijhouden. Vervolgens kunt u voorspellingen doen op basis van wat er tussen de huidige en de laatste afbeelding is gebeurd. De systeemnauwkeurigheid wordt verbeterd door te vergelijken wat u verwacht te zien in de volgende afbeelding en hoe die afbeelding verschilt van uw verwachting.

Technische informatie:Is er iets speciaals aan de optica?

Figuur 3. Drapers nieuwe, op visie gebaseerde navigatiesysteem werd op de proef gesteld tijdens een vlucht boven Arizona, VS, op een hoogte van 38.000 voet. (Afbeelding:Draper)

Straatman: Voor deze demonstraties waren er geen speciale kenmerken voor de optica. We kochten kant-en-klare camera's en lenzen om onze algoritmen en software te testen. We hebben geen voor de ruimte gekwalificeerde optica gekocht of iets anders dat je daadwerkelijk de ruimte in zou kunnen sturen. Kant-en-klare, goedkopere optica was effectief voor de tests die we deden.

Voor deze tests hebben we niet noodzakelijkerwijs een zeer hoge beeldsnelheid nodig, dus we hoeven geen globale of rolling shutters te gebruiken. Wanneer we gaan ontwerpen voor feitelijk gebruik in de ruimte, waarbij we een grotere nauwkeurigheid nodig hebben, zal daar rekening mee moeten worden gehouden.

Technische briefing:kunt u samenvatten waar uw project nu staat.

Straatman: Over het geheel genomen proberen we hier een klein systeem te ontwikkelen voor het effectief begeleiden van een maanlanding en soortgelijke operaties. Als u alleen passief beeld en inertiële detectie gebruikt, kunt u een veel kleiner systeem ontwikkelen. Maar er zijn beperkingen in vergelijking met een techniek die gebruik maakt van een actief signaal zoals lidar of radar. Je kunt inruilen voor veel kleinere maten en gewichten, maar je verliest wel wat mogelijkheden, bijvoorbeeld als je in het donker of in zware schaduwen werkt. Er is een afweging tussen passieve en actieve sensoren. Maar met een passieve sensor kun je de grootte verkleinen van wat je nodig hebt om nauwkeurig ergens zoals de maan te navigeren. Bij de laatste grote NASA-maanstoot – autonome landingsgevarenvermijdingstechnologie (ALHAT) – ontwikkelden ze bijvoorbeeld een grote sensorsuite met een zeer grote actieve flits-lidar, maar deze is ook ongeveer 40 keer massiever dan de onze. Hoewel hij over de aarde is gevlogen, is hij niet naar de maan gegaan.

We voorspellen dat landers gebaseerd op ons DMEN-systeem een zeer productieve toekomst zullen hebben bij onze komende ruimteverkenningen.

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