RT23 |Simulation d'un atterrisseur lunaire autonome guidé par la vision - une simulation Hardware in Loop (HiL)

L'étude présentée dans cet article est une approche basée sur HiL Simulation pour simuler la phase de descente assistée (PD) d'un atterrisseur lunaire en utilisant un modèle physique représentatif, une trajectoire de descente spécifiée avec des contraintes de vitesse et d'attitude et des images lunaires réelles obtenues à partir de bases de données d'images lunaires accessibles au public et d'autres sources restreintes. L'hypothèse retenue est celle d'un atterrissage lunaire en trois phases, comprenant une orbite de descente en roue libre (DO), une descente assistée (PD) et enfin une phase de descente terminale (TD). On suppose également que l'atterrisseur est équipé de plusieurs capteurs tels que l'unité de mesure inertielle (IMU), une caméra de suivi de la surface et un altimètre à laser pulsé (PLA). Le contrôle de l'attitude et de la cinématique de l'atterrisseur est supposé être guidé par des signaux dérivés de la fusion des capteurs. Alors que l'atterrisseur et ses contrôleurs embarqués sont simulés sur une plateforme OpalRT OP4500, le matériel de traitement d'images est interfacé par MATLAB. La solution finale envisage un fonctionnement compact basé sur un microcontrôleur avec un FPGA de traitement d'image et un cœur de processeur sur la même carte qui est en cours de développement. Afin d'éliminer les risques associés aux missions lunaires habitées, l'atterrissage lunaire autonome s'est imposé comme l'état de l'art en matière d'exploration de l'espace lointain. Les récentes expéditions lunaires de la Chine et de l'Inde en sont des exemples. Le système autonome de détection et d'évitement des dangers basé sur la vision est l'un des principaux domaines de recherche derrière toute mission d'atterrissage autonome pour un atterrissage sûr et en douceur sur un corps planétaire et une étude complète de ces technologies est disponible dans la littérature contemporaine. La technologie ALHAT (Autonomous Precision Landing and Hazard Avoidance Technology) de la NASA est la plus importante de ces technologies. Parmi les développements plus récents, on peut citer COBALT (Co-operative Blending of Autonomous Landing Technologies) de la NASA ou NPAL (Navigation for Planetary Approach and Landing) de l'ESA, qui utilisent le contrôle et la navigation guidés par la vision (VGCN), lesquels font appel à l'extraction de caractéristiques en temps réel pour la navigation du vaisseau spatial vers des coordonnées désignées (contrôle cinématique) et pour la correction des données des capteurs de position et d'attitude. Une fantastique reconstitution de la trajectoire de descente de l'atterrisseur Change-3 est également disponible. La phase PD de l'étude présentée dans cet article commence à 15 km et pendant cette phase, l'engin spatial est soumis à une décélération dans le plan horizontal et dans la direction verticale par la mise à feu de ses propulseurs. . Le contrôleur est un contrôleur adaptatif proportionnel-dérivé (PD) hybride basé sur une machine à états finis (FSM) et les erreurs de vitesse sont corrigées par l'ajustement de la poussée verticale et des angles d'attitude avec une programmation de gain appropriée. Le vaisseau spatial s'appuie sur des IMU embarqués et sur la navigation relative au terrain (TRN) [10] qui utilise l'extraction de caractéristiques en temps réel et la mise en correspondance d'images successives afin de corriger les erreurs des IMU. Cette phase, pour la présente étude, est supposée se poursuivre jusqu'à environ 1,2 km de la surface lorsque la phase TD commence et que les points de consigne de contrôle pour la navigation sont générés à un rythme plus rapide, c'est-à-dire à un intervalle d'une seconde, pour un contrôle plus serré de la position et de la vitesse. Lorsque l'atterrisseur se trouve à ± 1 km de son point d'atterrissage souhaité dans le plan horizontal et que les vitesses dans le plan horizontal sont inférieures à ± 10 cm/s, la stabilisation de l'attitude est lancée de manière à ce que le plan optique de la caméra de suivi au sol soit aligné avec le plan central de l'atterrisseur et que les altimètres laser de l'atterrisseur soient allumés. L'atterrisseur descend ensuite à une altitude d'environ 140 m et commence à planer en utilisant la roue de réaction embarquée pour créer un mouvement de lacet autour de l'axe z afin de détecter les dangers mineurs. Si des dangers sont détectés, l'atterrisseur effectue une manœuvre de reciblage pour se diriger vers une zone sans danger et se pose à une vitesse de 1,8 m/s, moteurs éteints, à 1 m au-dessus de la surface lunaire. L'ensemble de la simulation a été réalisé sur Opal RT avec des données et des images lunaires représentatives sur une plateforme OP4500.