次世代着陸船向けの視覚駆動型月航法システム

2015 年 7 月、NASA はNASA テクノロジー ロードマップ — TA9:突入、降下、着陸システム (EDL) を発行しました。 その中で、彼らは今後数年間の EDL の目標を示しました。それは、月だけでなく、太陽系全体の将来の探査のための、新しく革新的な技術を開発することです。これらの目標の達成に向けて、NASA はチャールズ スターク ドレイパー研究所 (略してドレイパー) と契約を締結し、小型宇宙船を月面に着陸させる手段として、ビジョンベースのナビゲーション技術を使用するマルチ環境ナビゲーター (DMEN) を開発およびテストしました。

DMEN について学ぶために、Draper の技術スタッフの主席メンバーであるブレット ストリートマン博士にインタビューしました。

技術概要:なぜその名前が DMEN なのか?

ストリートマン: Draper Multi-Environment Navigator の略であるその名前の理由は、宇宙ナビゲーションだけでなく、地球上や軌道上でも、Draper がすでに行っていた多くの作業を私たちが構築していたからです。この作業の多くは、誘導パラフォイルでの視覚ナビゲーションから生じており、着陸地点に対して大気中を航空機が降下するようナビゲートしようとしています。私たちはそのテクノロジーを宇宙向けに開発しています。さらに、屋内と屋外の両方で地上付近を飛行していた小型ドローン用に開発したテクノロジーを使用しています。さらに、国際宇宙ステーションで宇宙飛行士を追跡するための作業も行いました。私たちは、彼らがステーション内で自分の位置を持ち運び、追跡できるように DMEN を構築しました。私たちは、小型月着陸船を航行するために、屋内、屋外、地上、空中、宇宙のテクノロジーをすべて結集しました。

技術概要:デバイスについて説明していただけますか。

ストリートマン: 私たちは、高度 108,000 フィートのアリゾナ上空でワールド ビュー エンタープライズの気球に乗せて DMEN を飛行させてテストしました。気球で飛行した装置には 2 台のカメラが搭載されていました。私たちは将来のフライトでどのような視点とレンズ サイズを使用することに興味があるかをテストしていました。下向きのカメラと少し前向きのカメラがありました。その出力は社内で開発されたセンサーボードに送られます。カメラからのデータは他のセンサーからのデータと結合され、アルゴリズムを実行するフライト コンピューターに送信されます。

図 1. ドレイパーのナビゲーターに組み込まれたテクノロジーは、正確な月面着陸に必要な種類のものです。 （画像提供：ドレイパー）

プロトタイプの重さは約 3 kg、幅は約 12 インチ、高さ 10 インチ、奥行きは 10 インチです。カメラ レンズは箱の外側に取り付けられていますが、その寸法枠内に含まれています。

技術概要:ナビゲーション テクノロジーの基礎は何ですか?

図 2. ドレイパーは、World View® Enterprises が NASA のために実施したテスト中に、準軌道飛行で気球を正確に航行する能力を実証しました。 (画像:World View Enterprises 提供)

ストリートマン: 私たちがここで開発している主なものは、カメラの推定位置を割り出すために画像を処理するソフトウェアです。私たちはいくつかの異なるアルゴリズムに取り組んでいます。基本的に 1 つはビジュアル オドメトリを行うもので、フレームからフレームへと特徴を追跡して、見ているシーンに対してユーザーがどのように移動しているかを伝えます。また、慣性測定コンポーネントを組み込むことでパフォーマンスも強化しました。当社の絶対位置測定テクノロジーでは、高高度で撮影された画像を取得し、それを衛星画像のデータベースと比較して、まったく同じシーン内の対象物の絶対位置の一致を見つけ出します。

技術概要:慣性測定の役割は何ですか?

ストリートマン: 当社の慣性測定システムは、標準的な 3 軸加速度計と 3 軸ジャイロスコープを使用します。これにより、堅牢性と、次の画像に何が表示されるかを予測するのに役立つ 2 番目の情報ストリームが追加されます。したがって、これら 2 種類の情報を組み合わせることで、より正確な測定を行うことができます。宇宙船では、ただ座っているだけではなく、移動したり回転したりすることが多くなります。したがって、地面の見方は、前後の動きと回転に基づいて変化します。慣性測定により、画像キャプチャ間の変化を追跡できます。その後、現在の画像と最後の画像の間に何が起こったかに基づいて予測を行うことができます。次の画像に何が表示されると期待されるか、そしてその画像が期待とどのように異なるかを比較することによって、システムの精度が向上します。

技術概要:光学系について何か特別なことはありますか?

図 3. ドレイパーの新しい視覚ベースのナビゲーション システムは、米国アリゾナ州上空、高度 108,000 フィートの飛行中にテストされました。 （画像提供：ドレイパー）

ストリートマン: これらのデモンストレーションでは、光学系に特別な特徴はありませんでした。アルゴリズムとソフトウェアをテストするために、既製のカメラとレンズを購入しました。私たちは宇宙認定の光学機器や、実際に宇宙に送る可能性のあるものは購入しませんでした。私たちが行っていたテストでは、既製の安価な光学系が効果的でした。

これらのテストでは、必ずしも非常に高いイメージング レートを必要とするわけではないため、グローバル シャッターやローリング シャッターを使用する必要はありません。実際の宇宙運用に向けた設計を行う場合、より高い精度が必要となるため、それを考慮する必要があります。

技術概要:プロジェクトの現在の状況を要約していただけますか。

ストリートマン: 全体として、私たちがここでやろうとしているのは、月面着陸や同様の作戦を効果的に誘導するための小さなシステムを開発することです。パッシブイメージと慣性センシングのみを使用する場合は、はるかに小型のシステムを開発できます。ただし、LIDAR やレーダーなどのアクティブ信号を使用する技術と比較すると制限があります。サイズや重量を大幅に小さくすることはできますが、暗闇や濃い影の中での操作など、一部の機能が失われます。パッシブセンサーとアクティブセンサーの間にはトレードオフがあります。しかし、パッシブ センサーを使用すると、月のような場所を正確に移動するために必要なセンサーのサイズを縮小できます。たとえば、NASA の月面への最後の大きな取り組みである自律着陸危険回避技術 (ALHAT) では、非常に大型のアクティブ フラッシュ ライダーを備えた大型センサー スイートが開発されましたが、それは私たちのものよりも約 40 倍も大きいものでもあります。地球上を飛行したことはありますが、月には行っていません。

私たちは、DMEN システムに基づいた着陸船が今後の宇宙探査において非常に生産的な未来をもたらすものと予測しています。

この記事は、Photonics &Imaging Technology の副編集長である Ed Brown によって執筆されました。