Sistem Navigasi Bulan Berbasis Visi untuk Pendarat Generasi Berikutnya

Pada bulan Juli 2015, NASA menerbitkan Peta Jalan Teknologi NASA — TA9:Sistem Masuk, Turun, dan Pendaratan (EDL). Di dalamnya, mereka memaparkan tujuan EDL untuk tahun-tahun mendatang:Mengembangkan teknologi baru dan inovatif, tidak hanya untuk bulan, namun juga untuk eksplorasi masa depan di seluruh tata surya kita. Untuk mencapai tujuan ini, NASA memberikan kontrak kepada Laboratorium Charles Stark Draper, atau disingkat Draper, untuk mengembangkan dan menguji navigator multi-lingkungan (DMEN), yang menggunakan teknik navigasi berbasis penglihatan, sebagai sarana untuk memandu pesawat kecil mendarat di bulan.

Kami mewawancarai Dr. Brett Streetman, Anggota Utama, Staf Teknis di Draper, untuk mempelajari tentang DMEN.

Ringkasan Teknis:Mengapa nama itu — DMEN?

Penjaga jalanan: Alasan dari nama tersebut, yang merupakan singkatan dari Draper Multi-Environment Navigator, adalah kami mengembangkan banyak pekerjaan yang telah dilakukan Draper, tidak hanya untuk navigasi luar angkasa, tetapi juga di Bumi dan di orbit. Sebagian besar pekerjaan ini berasal dari navigasi penglihatan pada parafoil berpemandu, di mana kami mencoba menavigasi turunnya pesawat melalui atmosfer, relatif terhadap tempat pendaratan. Kami menggunakan teknologi itu dan mengembangkannya untuk ruang angkasa. Selain itu, kami menggunakan teknologi yang telah kami kembangkan untuk drone kecil yang terbang kembali ke permukaan tanah, baik di dalam maupun di luar ruangan. Selanjutnya, kami melakukan beberapa pekerjaan untuk melacak astronot di Stasiun Luar Angkasa Internasional. Kami membangun DMEN agar mereka dapat membawa dan melacak lokasi mereka di dalam stasiun. Kami menyatukan semua teknologi tersebut dari dalam ruangan, luar ruangan, di Bumi, di udara, dan di luar angkasa, untuk menavigasi pendarat kecil di bulan.

Ringkasan Teknologi:Bisakah Anda menjelaskan perangkatnya.

Penjaga jalanan: Kami menguji DMEN kami dengan menerbangkannya menggunakan balon World View Enterprises di atas Arizona pada ketinggian 108.000 kaki. Alat yang menerbangkan balon itu memiliki dua kamera. Kami sedang menguji sudut pandang dan ukuran lensa apa yang ingin kami miliki untuk penerbangan mendatang. Itu memiliki kamera menghadap ke bawah dan kamera sedikit menghadap ke depan. Outputnya disalurkan ke papan sensor yang dikembangkan sendiri. Data dari kamera digabungkan dengan data dari sensor lain dan dikirim ke komputer penerbangan yang menjalankan algoritme kami.

Gambar 1. Teknologi di dalam navigator Draper adalah jenis yang diperlukan untuk pendaratan di bulan secara tepat. (Sumber gambar:Draper)

Prototipe ini berbobot sekitar 3 kg dan lebarnya sekitar 12", tinggi 10", dan kedalaman 10". Lensa kamera dipasang di bagian luar kotak, namun disertakan dalam jendela dimensi tersebut.

Ringkasan Teknologi:Apa dasar teknologi navigasi Anda?

Gambar 2. Draper mendemonstrasikan kemampuan menavigasi balon secara akurat dalam penerbangan suborbital selama pengujian yang dilakukan untuk NASA oleh World View® Enterprises. (Gambar:milik World View Enterprises)

Penjaga jalanan: Hal utama yang kami kembangkan di sini adalah perangkat lunak yang memproses gambar untuk menghasilkan perkiraan posisi kamera berada. Kami memiliki beberapa algoritme berbeda yang sedang kami kerjakan — pada dasarnya salah satunya melakukan odometri visual, yang melacak fitur dari bingkai ke bingkai untuk mengetahui bagaimana Anda bergerak relatif terhadap pemandangan yang Anda lihat. Kami juga meningkatkan kinerja dengan menyertakan komponen pengukuran inersia. Untuk teknologi pengukuran posisi absolut, kami mengambil gambar yang diambil di ketinggian dan membandingkannya dengan database citra satelit untuk menghasilkan kecocokan lokasi absolut fitur dalam pemandangan yang sama persis.

Ringkasan Teknologi:Apa peran pengukuran inersia?

Penjaga jalanan: Sistem pengukuran inersia kami menggunakan akselerometer 3 sumbu standar dan giroskop 3 sumbu. Ini menambah kekokohan dan aliran informasi kedua yang membantu Anda memprediksi apa yang akan ditampilkan gambar Anda berikutnya. Jadi, dengan menggabungkan kedua jenis informasi ini, Anda bisa mendapatkan pengukuran yang jauh lebih akurat. Di dalam kendaraan luar angkasa, Anda cenderung melakukan lebih dari sekadar duduk diam — Anda bergerak dan berputar. Jadi, pandangan Anda terhadap tanah berubah, berdasarkan gerakan maju dan mundur serta rotasi Anda. Pengukuran inersia memungkinkan Anda melacak perubahan tersebut di antara pengambilan gambar. Anda kemudian dapat membuat prediksi berdasarkan apa yang terjadi antara gambar saat ini dan gambar terakhir. Akurasi sistem ditingkatkan dengan membandingkan apa yang Anda harapkan pada gambar berikutnya dan perbedaan gambar tersebut dari harapan Anda.

Ringkasan Teknologi:Apakah ada yang istimewa tentang optik?

Gambar 3. Sistem navigasi berbasis visi baru Draper diuji selama penerbangan di atas Arizona, AS, pada ketinggian 108.000 kaki. (Sumber gambar:Draper)

Penjaga jalanan: Untuk demonstrasi ini, tidak ada karakteristik khusus untuk optiknya. Kami membeli kamera dan lensa siap pakai untuk menguji algoritme dan perangkat lunak kami. Kami tidak membeli optik yang memenuhi syarat ruang angkasa atau apa pun yang mungkin Anda kirim ke luar angkasa. Optik yang tersedia dan lebih murah efektif untuk pengujian yang kami lakukan.

Untuk pengujian ini, kami tidak memerlukan kecepatan pencitraan yang sangat tinggi, sehingga kami tidak perlu menggunakan penutup jendela global atau penutup jendela bergulir. Saat kami merancang untuk pengoperasian ruang angkasa sebenarnya, yang memerlukan akurasi lebih tinggi, hal ini harus dipertimbangkan.

Ringkasan Teknologi:Bisakah Anda menyimpulkan posisi proyek Anda saat ini.

Penjaga jalanan: Secara keseluruhan, apa yang kami coba lakukan di sini adalah mengembangkan sistem kecil yang dapat memandu pendaratan di bulan dan operasi serupa secara efektif. Bila hanya menggunakan gambar pasif dan penginderaan inersia, Anda dapat mengembangkan sistem yang jauh lebih kecil. Namun ada keterbatasan jika dibandingkan dengan teknik yang menggunakan sinyal aktif seperti lidar atau radar. Anda dapat menukarnya ke ukuran dan bobot yang jauh lebih kecil, namun Anda kehilangan beberapa kemampuan — misalnya beroperasi dalam kegelapan atau dalam bayangan tebal. Ada trade-off antara sensor pasif dan aktif. Namun dengan sensor pasif, Anda dapat memperkecil ukuran yang Anda perlukan untuk bernavigasi secara akurat di suatu tempat seperti bulan. Misalnya, pada misi besar NASA ke bulan yang terakhir – teknologi penghindaran bahaya pendaratan otonom (ALHAT) – mereka mengembangkan rangkaian sensor besar dengan flash-lidar aktif yang sangat besar, tetapi ukurannya juga sekitar 40 kali lebih besar dari milik kita. Meski sudah diterbangkan di bumi, namun belum sampai ke bulan.

Kami memperkirakan bahwa pendarat yang didasarkan pada sistem DMEN kami akan memiliki masa depan yang sangat produktif dalam eksplorasi ruang angkasa kami yang akan datang.

Artikel ini ditulis oleh Ed Brown, Associate Editor Photonics &Imaging Technology.