用于下一代着陆器的视觉驱动月球导航系统

2015 年 7 月，NASA 发布了NASA 技术路线图 — TA9：进入、下降和着陆系统 (EDL)。 在其中，他们制定了未来几年的 EDL 目标：开发新的创新技术，不仅是为了月球，也是为了未来整个太阳系的探索。为了实现这些目标，NASA 与 Charles Stark Draper 实验室（简称 Draper）签订了一份合同，以开发和测试他们的多环境导航器 (DMEN)，该导航器使用基于视觉的导航技术，作为引导小型飞船登陆月球的手段。

我们采访了 Draper 的主要成员、技术人员 Brett Streetman 博士，以了解 DMEN。

技术简介：为什么叫这个名字 - DMEN？

街头人： 该名称代表 Draper 多环境导航器，其原因是我们正在 Draper 已经完成的大量工作的基础上进行构建，不仅适用于太空导航，还适用于地球和轨道上的导航。这项工作的大部分源于制导翼伞上的视觉导航，我们试图引导飞行器相对于着陆点在大气层中下降。我们正在利用这项技术并将其开发用于太空。此外，我们正在使用为小型无人机开发的技术，这些无人机可以在室内和室外接近地面飞行。此外，我们还做了一些跟踪国际空间站宇航员的工作。我们为他们建造了 DMEN，以便携带和跟踪他们在空间站内的位置。我们汇集了室内、室外、地球上、空中和太空中的所有技术，用于小型月球着陆器的导航。

技术简介：您能描述一下该设备吗？

街头人： 我们通过乘坐 World View Enterprises 气球在亚利桑那州上空 108,000 英尺的高度飞行来测试 DMEN。气球上飞行的设备有两个摄像头。我们正在测试我们对未来飞行感兴趣的视点和镜头尺寸。它有一个朝下的摄像头和一个稍微朝前的摄像头。它们的输出发送到内部开发的传感器板。来自摄像机的数据与来自其他传感器的数据相结合，并发送到运行我们算法的飞行计算机。

图 1. Draper 导航仪内部的技术是精确登月所需的技术。 （图片提供：德雷珀）

原型重约 3 公斤，约 12 英寸宽 x 10 英寸高 x 10 英寸深。相机镜头安装在盒子的外部，但包含在该尺寸窗口内。

技术简介：你们的导航技术的基础是什么？

图 2. Draper 在 World View® Enterprises 为 NASA 进行的测试中展示了在亚轨道飞行中精确导航气球的能力。 （图片：世界观企业提供）

街头人： 我们在这里开发的主要内容是处理图像的软件，以便得出相机所在的估计位置。我们正在研究几种不同的算法——本质上是一种视觉里程计，它从帧到帧跟踪特征，以告诉你相对于你正在观看的场景如何移动。我们还通过添加惯性测量组件来增强性能。对于我们的绝对位置测量技术，我们拍摄在高空捕获的图像，并将其与卫星图像数据库进行比较，以得出同一场景中特征的绝对位置的匹配结果。

技术简介：惯性测量的作用是什么？

街头人： 我们的惯性测量系统使用标准的 3 轴加速度计和 3 轴陀螺仪。它增加了稳健性和第二个信息流，可帮助您预测下一张图像将显示的内容。因此，通过结合这两种信息，您可以获得更准确的测量结果。在外太空飞行器中，你要做的不仅仅是静止不动——你还要移动和旋转。因此，根据您的前后运动和旋转，您对地面的看法正在发生变化。惯性测量允许您跟踪图像捕获之间的这些变化。然后，您可以根据当前图像和上一个图像之间发生的情况进行预测。通过比较您期望在下一张图像中看到的内容以及该图像与您的期望有何不同，可以提高系统的准确性。

技术简介：光学器件有什么特别之处吗？

图 3. Draper 的新型视觉导航系统在美国亚利桑那州海拔 108,000 英尺的飞行过程中接受了测试。 （图片提供：德雷珀）

街头人： 对于这些演示，光学器件没有特殊的特性。我们购买了现成的相机和镜头来测试我们的算法和软件。我们没有购买符合太空要求的光学器件或任何可能实际发送到太空的东西。现成的更便宜的光学器件对于我们正在进行的测试来说是有效的。

对于这些测试，我们不一定需要非常高的成像率，因此我们不必使用全局或卷帘快门。当我们进行实际空间操作的设计时，我们需要更高的精度，这是必须考虑的。

技术简介：您能总结一下您的项目目前的情况吗？

街头人： 总的来说，我们在这里试图做的是开发一个小型系统来有效引导月球登陆和类似的操作。仅使用无源图像和惯性传感时，您可以开发更小的系统。但与使用激光雷达或雷达等有源信号的技术相比，存在局限性。你可以换成更小的尺寸和重量，但你确实会失去一些能力——比如在黑暗或浓重的阴影中操作。无源和有源传感器之间需要权衡。但使用无源传感器，您可以缩小精确导航月球等地方所需的尺寸。例如，在 NASA 的最后一次大型登月计划中——自主着陆避险技术 (ALHAT)——他们开发了一个带有非常大的主动闪光激光雷达的大型传感器套件，但它的质量也比我们的大约 40 倍。虽然在地球上飞过，但没有去月球。

我们预测，基于我们的 DMEN 系统的着陆器将在我们未来的太空探索中拥有非常富有成效的未来。

本文由 Photonics &Imaging Technology 副主编 Ed Brown 撰写。