Sistema de Navegación Lunar Basado en Visión para Alunizadores de Próxima Generación

En julio de 2015, la NASA publicó NASA Technology Roadmaps — TA9: Entry, Descent, and Landing Systems (EDL). En él, delinearon sus objetivos EDL para los próximos años: Desarrollar tecnología nueva e innovadora, no solo para la luna, sino también para futura exploración a lo largo de nuestro sistema solar. Hacia el logro de estos objetivos, la NASA otorgó un contrato al Laboratorio Charles Stark Draper, o Draper para abreviar, para desarrollar y probar su navegador multi-entorno (DMEN), que usa técnicas de navegación basadas en visión, como medio para guiar naves pequeñas a aterrizar en la luna.

Entrevistamos al Dr. Brett Streetman, Miembro Principal, Personal Técnico en Draper, para aprender sobre el DMEN.

Tech Briefs: ¿Por qué ese nombre —DMEN?

Streetman: La razón de ese nombre, que significa Draper Multi-Environment Navigator, es que estábamos construyendo sobre mucho trabajo que Draper ya estaba haciendo, no solo para navegación espacial, sino también en Tierra y en órbita. Gran parte de este trabajo proviene de navegación visual en paracaídas guiados, donde intentamos navegar el descenso de la nave a través de la atmósfera, relativo a un punto de aterrizaje. Estamos tomando esa tecnología y desarrollándola para el espacio. Además, estamos usando tecnología que habíamos desarrollado para pequeños drones que volaban cerca del nivel del suelo, tanto en interiores como exteriores. Además, hicimos trabajo para rastrear astronautas en la Estación Espacial Internacional. Construimos el DMEN para que lo llevaran y rastrearan su ubicación dentro de la estación. Juntamos todas esas tecnologías de interiores, exteriores, en la Tierra, en el aire y en el espacio, para navegar un pequeño alunizador lunar.

Tech Briefs: ¿Podría describir el dispositivo?

Streetman: 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 voló en el globo tenía dos cámaras. Estábamos probando qué puntos de vista y tamaños de lente nos interesaban para vuelos futuros. 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 un computador de vuelo ejecutando nuestros algoritmos.

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

El prototipo pesa aproximadamente 3 kg y mide unos 12" de ancho por 10" de alto por 10" de profundo. Los lentes de las cámaras están montados en el exterior de la caja pero están incluidos dentro de esa ventana dimensional.

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 NASA por World View® Enterprises. (Imagen: cortesía de World View Enterprises)

Streetman: Lo principal que estamos desarrollando aquí es el software que procesa las imágenes para llegar a una posición estimada de dónde está la cámara. Tenemos unos pocos algoritmos diferentes en los que trabajamos —esencialmente uno hace odometría visual, donde rastrea características de cuadro a cuadro para decir cómo te estás moviendo relativo a la escena que estás viendo. También hemos mejorado el rendimiento incluyendo 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 para ubicaciones absolutas de características en la misma escena exacta.

Tech Briefs: ¿Cuál es el papel de la medición inercial?

Streetman: Nuestro sistema de medición inercial usa acelerómetros estándar de 3 ejes y giroscopios de 3 ejes. Añade robustez y una segunda corriente de información que te ayuda a predecir qué mostrará tu próxima imagen. Así, al combinar estos dos tipos de información, puedes obtener una medición mucho más precisa. En un vehículo espacial exterior, tiendes a hacer más que solo estar quieto —te estás moviendo y rotando. Así, tu vista del suelo está cambiando, basado en tus movimientos hacia adelante y atrás y tu rotación. La medición inercial te permite rastrear esos cambios entre capturas de imagen. Luego puedes hacer predicciones basadas en lo que pasó entre la imagen actual y la anterior. La precisión del sistema mejora comparando lo que esperas ver en la próxima imagen y cómo esa imagen difiere de tu expectativa.

Tech Briefs: ¿Hay algo especial sobre la óptica?

Figura 3. El nuevo sistema de navegación basado en visión de Draper fue puesto a prueba durante un vuelo sobre Arizona, EE. UU., a una altitud de 108,000 pies. (Imagen cortesía: Draper)

Streetman: Para estas demostraciones, no había características especiales para la óptica. Compramos cámaras y lentes estándar para probar nuestros algoritmos y software. No compramos ópticas calificadas para espacio ni nada que realmente enviarías al espacio. Ópticas estándar más baratas fueron efectivas para las pruebas que estábamos haciendo.

Para estas pruebas, no necesariamente necesitamos una tasa de imagen muy alta, así que no tenemos que usar obturadores globales o rodantes. Cuando vayamos a diseñar para operación espacial real, donde necesitaremos mayor precisión, eso tendrá que ser considerado.

Tech Briefs: ¿Puede resumir en qué punto está su proyecto ahora?

Streetman: En general, lo que estamos intentando hacer aquí es desarrollar un sistema pequeño para guiar efectivamente un aterrizaje lunar y operaciones similares. Cuando se usa solo detección pasiva de imagen e inercial, puedes desarrollar un sistema mucho más pequeño. Pero hay limitaciones en comparación con una técnica que usa una señal activa como lidar o radar. Puedes reducir a tamaños y pesos mucho menores, pero pierdes algo de capacidad —digamos operar en la oscuridad o en sombras fuertes. Hay un trade-off entre sensores pasivos y activos. Pero con un sensor pasivo, puedes reducir el tamaño de lo que necesitas para navegar con precisión en un lugar como la luna. Por ejemplo, en el último gran impulso lunar de NASA —tecnología de evitación de peligros y aterrizaje autónomo (ALHAT)— desarrollaron un gran conjunto de sensores con un gran lidar flash activo, pero también es unas 40 veces más masivo que el nuestro. Aunque ha volado en la Tierra, no ha ido a la luna.

Predecimos que los alunizadores 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 Tecnología de Fotónica e Imagen.