Система лунной навигации с визуальным управлением для посадочных модулей нового поколения

В июле 2015 года НАСА опубликовало Технологические дорожные карты НАСА — TA9:Системы входа, спуска и посадки (EDL). В нем они изложили свои цели EDL на ближайшие годы:разработать новые и инновационные технологии не только для Луны, но и для будущих исследований по всей нашей солнечной системе. Для достижения этих целей НАСА заключило контракт с Лабораторией Чарльза Старка Дрейпера, или для краткости Дрейпера, на разработку и испытание их мульти-средового навигатора (DMEN), который использует методы навигации на основе видения в качестве средства для направления небольших кораблей на посадку на Луну.

Чтобы узнать о DMEN, мы взяли интервью у доктора Бретта Стритмана, главного технического сотрудника Draper.

Технические обзоры:почему такое название — DMEN?

Стритмен: Причина этого названия, которое расшифровывается как Draper Multi-Environment Navigator, заключается в том, что мы основывались на большом количестве работ, которые уже делал Дрейпер, не только в области космической навигации, но также на Земле и на орбите. Большая часть этой работы связана с визуальной навигацией на управляемых парафойлах, где мы пытаемся управлять спуском корабля в атмосфере относительно места приземления. Мы берем эту технологию и развиваем ее для космоса. Кроме того, мы используем технологию, которую мы разработали для небольших дронов, летающих вблизи уровня земли, как в помещении, так и на открытом воздухе. Далее мы провели некоторую работу по слежению за космонавтами на Международной космической станции. Мы построили для них DMEN, чтобы они могли переносить и отслеживать свое местоположение внутри станции. Мы объединили все эти технологии, используемые в помещении, на открытом воздухе, на Земле, в воздухе и космосе, для управления небольшим лунным кораблем.

Технические обзоры:не могли бы вы описать устройство?

Стритмен: Мы протестировали наш DMEN, пролетев на воздушном шаре World View Enterprises над Аризоной на высоте 108 000 футов. Аппарат, летавший на воздушном шаре, имел две камеры. Мы проверяли, какие точки обзора и размеры объективов нам интересны для будущих полетов. У него была камера, обращенная вниз, и камера, обращенная немного вперед. Их выходы поступают на сенсорную плату собственной разработки. Данные камер объединяются с данными других датчиков и отправляются на бортовой компьютер, на котором работают наши алгоритмы.

Рисунок 1. Технология внутри навигатора Дрейпера необходима для точной посадки на Луну. (Изображение предоставлено:Дрейпер)

Прототип весит около 3 кг, имеет ширину около 12 дюймов, высоту 10 дюймов и глубину 10 дюймов. Объективы камеры установлены снаружи коробки, но находятся внутри этого габаритного окна.

Технические обзоры:на чем основана ваша навигационная технология?

Рисунок 2. Дрейпер продемонстрировал способность точно управлять воздушным шаром в суборбитальном полете во время испытаний, проведенных для НАСА компанией World View® Enterprises. (Изображение:любезно предоставлено World View Enterprises)

Стритмен: Главное, что мы здесь разрабатываем, — это программное обеспечение, которое обрабатывает изображения, чтобы определить примерное положение камеры. У нас есть несколько разных алгоритмов, над которыми мы работаем. По сути, один из них выполняет визуальную одометрию, отслеживая особенности от кадра к кадру, чтобы определить, как вы движетесь относительно просматриваемой сцены. Мы также улучшили производительность, включив компонент инерциального измерения. В наших технологиях измерения абсолютного положения мы берем изображение, снятое на большой высоте, и сравниваем его с базой данных спутниковых изображений, чтобы определить соответствие абсолютного местоположения объектов в той же самой сцене.

Технические обзоры:какова роль инерционных измерений?

Стритмен: В нашей инерциальной системе измерения используются стандартные 3-осевые акселерометры и 3-осевые гироскопы. Это добавляет надежности и второго потока информации, который поможет вам предсказать, что покажет ваше следующее изображение. Таким образом, объединив эти два вида информации, вы можете получить гораздо более точные измерения. В космическом корабле вы, как правило, делаете больше, чем просто сидите на месте — вы двигаетесь и вращаетесь. Итак, ваш взгляд на землю меняется в зависимости от ваших движений вперед и назад и вашего вращения. Инерционное измерение позволяет отслеживать эти изменения между захватами изображений. Затем вы сможете делать прогнозы на основе того, что произошло между текущим и последним изображениями. Точность системы повышается за счет сравнения того, что вы ожидаете увидеть на следующем изображении, и того, насколько это изображение отличается от ваших ожиданий.

Технические обзоры:есть ли что-нибудь особенное в оптике?

Рисунок 3. Новая система визуальной навигации Дрейпера была испытана во время полета над Аризоной, США, на высоте 108 000 футов. (Изображение предоставлено:Дрейпер)

Стритмен: Для этих демонстраций не было особых характеристик оптики. Мы купили готовые камеры и объективы, чтобы протестировать наши алгоритмы и программное обеспечение. Мы не покупали космическую оптику или что-то еще, что можно было бы отправить в космос. Имеющаяся в наличии более дешевая оптика оказалась эффективной для проведенных нами тестов.

Для этих тестов нам не обязательно нужна очень высокая скорость визуализации, поэтому нам не нужно использовать глобальные или скользящие шторки. Когда мы перейдем к проектированию реальных космических операций, где нам потребуется большая точность, это придется учитывать.

Технические обзоры. Можете ли вы подвести итоги, в которых сейчас находится ваш проект?

Стритмен: В целом, мы пытаемся разработать небольшую систему для эффективного управления высадкой на Луну и подобными операциями. Используя только пассивное изображение и инерционное зондирование, вы можете разработать систему гораздо меньшего размера. Но есть ограничения по сравнению с методами, использующими активный сигнал, такими как лидар или радар. Вы можете уменьшить размеры и вес до гораздо меньших размеров, но при этом потеряете некоторые возможности — скажем, работу в темноте или в тяжелых тенях. Существует компромисс между пассивными и активными датчиками. Но с помощью пассивного датчика вы можете уменьшить размер того, что вам нужно для точной навигации где-нибудь, например, на Луне. Например, во время последнего крупного проекта НАСА на Луну — технологии автономного предотвращения опасностей при посадке (ALHAT) — они разработали большой набор датчиков с очень большим активным импульсным лидаром, но он примерно в 40 раз массивнее нашего. Хотя Он летал на Земле, на Луну он не летал.

Мы прогнозируем, что у посадочных модулей на базе нашей системы DMEN будет очень продуктивное будущее в наших предстоящих исследованиях космоса.

Эту статью написал Эд Браун, заместитель редактора журнала Photonics &Imaging Technology.