Sistema de navegación lunar impulsado por visión para módulos de aterrizaje de próxima generación

En julio de 2015, la NASA publicó Hojas de ruta tecnológicas de la NASA:TA9:Sistemas de entrada, descenso y aterrizaje (EDL). En él, expusieron sus objetivos de EDL para los próximos años:desarrollar tecnología nueva e innovadora, no sólo para la luna, sino también para la exploración futura en todo nuestro sistema solar. Para lograr estos objetivos, la NASA otorgó un contrato al Laboratorio Charles Stark Draper, o Draper para abreviar, para desarrollar y probar su navegador multiambiente (DMEN), que utiliza técnicas de navegación basadas en visión, como medio para guiar pequeñas naves hacia el aterrizaje en la luna.

Entrevistamos al Dr. Brett Streetman, miembro principal del personal técnico de Draper, para conocer más sobre el DMEN.

Resúmenes técnicos:¿Por qué ese nombre:DMEN?

Hombre de la calle: La razón de ese nombre, que significa Draper Multi-Environment Navigator, es que estábamos basándose en mucho trabajo que Draper ya estaba haciendo, no sólo para la navegación espacial, sino también en la Tierra y en órbita. Gran parte de este trabajo surge de la navegación visual en parafoils guiados, donde intentamos guiar el descenso de la nave a través de la atmósfera, en relación con un lugar de aterrizaje. Estamos tomando esa tecnología y desarrollándola para el espacio. Además, estamos utilizando tecnología que habíamos desarrollado para pequeños drones que volaban cerca del nivel del suelo, tanto en interiores como en exteriores. Además, trabajamos un poco para rastrear a los astronautas en la Estación Espacial Internacional. Construimos el DMEN para que pudieran transportar y rastrear su ubicación dentro de la estación. Reunimos todas esas tecnologías del interior, del exterior, de la Tierra, del aire y del espacio para navegar en un pequeño módulo de aterrizaje lunar.

Resúmenes técnicos:¿podría describir el dispositivo?

Hombre de la calle: Probamos nuestro DMEN volándolo a bordo de un globo de World View Enterprises sobre Arizona a una altitud de 108.000 pies. El dispositivo que volaba en el globo tenía dos cámaras. Estuvimos probando qué puntos de vista y tamaños de lentes nos interesaba tener para futuros vuelos. Tenía una cámara orientada hacia abajo y una cámara ligeramente orientada hacia adelante. Sus salidas van a una placa de sensores desarrollada internamente. Los datos de las cámaras se combinan con datos de otros sensores y se envían a una computadora de vuelo que ejecuta nuestros algoritmos.

Figura 1. La tecnología dentro del navegador de Draper es la necesaria para un aterrizaje lunar preciso. (Imagen cortesía:Draper)

El prototipo pesa alrededor de 3 kg y mide aproximadamente 12" de ancho por 10" de alto por 10" de profundidad. Las lentes de la cámara están montadas en el exterior de la caja, pero se incluyen dentro de esa ventana de dimensiones.

Tech Briefs:¿Cuál es la base de su tecnología de navegación?

Figura 2. Draper demostró la capacidad de navegar con precisión un globo en vuelo suborbital durante una prueba realizada para la NASA por World View® Enterprises. (Imagen:cortesía de World View Enterprises)

Hombre de la calle: Lo principal que estamos desarrollando aquí es el software que procesa las imágenes para obtener una posición estimada de dónde está la cámara. Tenemos algunos algoritmos diferentes en los que estamos trabajando; esencialmente uno hace odometría visual, donde rastrea características de cuadro a cuadro para indicar cómo te mueves en relación con la escena que estás viendo. También hemos mejorado el rendimiento al incluir un componente de medición inercial. Para nuestras tecnologías de medición de posición absoluta, tomamos una imagen capturada a gran altitud y la comparamos con una base de datos de imágenes satelitales para encontrar una coincidencia de ubicaciones absolutas de características en la misma escena exacta.

Resúmenes técnicos:¿Cuál es el papel de la medición inercial?

Hombre de la calle: Nuestro sistema de medición inercial utiliza acelerómetros y giroscopios de 3 ejes estándar. Agrega solidez y un segundo flujo de información que le ayuda a predecir lo que mostrará su próxima imagen. Entonces, al combinar estos dos tipos de información, se puede obtener una medición mucho más precisa. En un vehículo espacial, tiendes a hacer algo más que quedarte quieto:te mueves y giras. Entonces, tu visión del suelo está cambiando, según tus movimientos hacia adelante y hacia atrás y tu rotación. La medición inercial le permite realizar un seguimiento de esos cambios entre capturas de imágenes. Luego podrá hacer predicciones basadas en lo que sucedió entre la imagen actual y la última. La precisión del sistema mejora al comparar lo que espera ver en la siguiente imagen y en qué se diferencia esa imagen de sus expectativas.

Resúmenes técnicos:¿Hay algo especial en la óptica?

Figura 3. El nuevo sistema de navegación basado en visión de Draper se puso a prueba durante un vuelo sobre Arizona, EE. UU., a una altitud de 108.000 pies. (Imagen cortesía:Draper)

Hombre de la calle: Para estas demostraciones no hubo características especiales para la óptica. Compramos cámaras y lentes disponibles en el mercado para probar nuestros algoritmos y software. No compramos ópticas calificadas para el espacio ni nada que realmente pueda enviarse al espacio. Las ópticas más baratas disponibles en el mercado fueron efectivas para las pruebas que estábamos realizando.

Para estas pruebas, no necesitamos necesariamente una velocidad de imagen muy alta, por lo que no tenemos que utilizar persianas globales o enrollables. Cuando pasemos a diseñar para operaciones espaciales reales, donde necesitaremos mayor precisión, eso habrá que tenerlo en cuenta.

Resúmenes técnicos:¿Puede resumir dónde se encuentra actualmente su proyecto?

Hombre de la calle: En general, lo que estamos tratando de hacer aquí es desarrollar un pequeño sistema para guiar eficazmente un alunizaje y operaciones similares. Cuando se utiliza únicamente imagen pasiva y detección inercial, se puede desarrollar un sistema mucho más pequeño. Pero existen limitaciones en comparación con una técnica que utiliza una señal activa como lidar o radar. Puede cambiar a tamaños y pesos mucho más pequeños, pero pierde algo de capacidad, por ejemplo, operar en la oscuridad o en sombras intensas. Existe un equilibrio entre sensores pasivos y activos. Pero con un sensor pasivo, puedes reducir el tamaño de lo que necesitas para navegar con precisión a algún lugar como la luna. Por ejemplo, en el último gran impulso lunar de la NASA, la tecnología autónoma para evitar peligros de aterrizaje (ALHAT), desarrollaron un gran conjunto de sensores con un lidar de flash activo muy grande, pero también es unas 40 veces más masivo que el nuestro. Aunque ha volado sobre la Tierra, no ha ido a la Luna.

Predecimos que los módulos de aterrizaje basados en nuestro sistema DMEN tendrán un futuro muy productivo en nuestras próximas exploraciones espaciales.

Este artículo fue escrito por Ed Brown, editor asociado de Photonics &Imaging Technology.