TriDAR

TriDAR , o Triangulación y LIDAR: Encuentro y Acoplamiento Automatizados , ^{[ 1 ]} es un sistema de visión de navegación relativa desarrollado por Neptec Design Group y financiado por la Agencia Espacial Canadiense y la NASA . Proporciona información de guiado que puede utilizarse para guiar un vehículo no tripulado durante las operaciones de encuentro y acoplamiento en el espacio. TriDAR no depende de marcadores de referencia ubicados en la nave espacial objetivo. En cambio, TriDAR se basa en un sensor 3D láser y una cámara termográfica . El software propietario de TriDAR utiliza la información geométrica contenida en imágenes 3D sucesivas para compararla con la forma conocida del objeto objetivo y calcular su posición y orientación.

TriDAR realizó su vuelo de demostración inaugural a bordo del transbordador espacial Discovery en la misión STS-128 , lanzada el 28 de agosto de 2009. En la misión STS-128, TriDAR proporcionó a los astronautas información de guiado en tiempo real durante el encuentro y el acoplamiento con la Estación Espacial Internacional (EEI). Adquirió y rastreó automáticamente la EEI utilizando únicamente información sobre su forma. Esto marcó la primera vez que se utilizó en el espacio un sistema de visión de seguimiento "sin objetivo" basado en sensores 3D.

Hasta la fecha, la mayoría de las soluciones operativas de seguimiento para la estimación de la pose y el seguimiento en órbita se han basado en marcadores cooperativos colocados en el/los objeto(s) objetivo. El Sistema de Visión Espacial (SVS) utilizaba objetivos de puntos negros sobre fondo blanco o blancos sobre fondo negro. Estos objetivos se capturaban con cámaras de vídeo del Transbordador Espacial o de la Estación Espacial Internacional (ISS) para calcular la pose relativa de los módulos de la ISS que se iban a ensamblar. ^{[ 2 ]}

El Sistema de Control de Trayectoria (TCS) se utilizó a bordo del transbordador espacial para proporcionar información de guía durante el encuentro y el acoplamiento con la Estación Espacial Internacional (ISS). Este sistema basado en láser rastrea los retroreflectores ubicados en la ISS para proporcionar información de rumbo, distancia y velocidad de aproximación. Si bien son fiables, los sistemas basados ​​en objetivos tienen limitaciones operativas, ya que los objetivos deben instalarse en las cargas útiles objetivo. Esto no siempre es práctico ni siquiera posible. ^{[ 3 ]} Por ejemplo, el mantenimiento de satélites existentes que no tienen reflectores instalados requeriría una capacidad de seguimiento sin objetivos.

El sistema TriDAR se probó por primera vez en el espacio a bordo del transbordador espacial Discovery durante la misión STS-128 a la ISS . El objetivo de la prueba era demostrar la capacidad del sistema TriDAR para rastrear un objeto en el espacio sin utilizar marcadores como los retrorreflectores. Para esta misión, el TriDAR se ubicó en la bahía de carga útil del Sistema de Acoplamiento del Orbitador (ODS), junto al Sistema de Control de Trayectoria (TCS) del transbordador.

El sistema se activó durante el acoplamiento cuando el transbordador se encontraba a unos 75 km (47 millas) de la ISS. Una vez dentro del alcance del sensor 3D, TriDAR determinó automáticamente la dirección y la distancia a la ISS. Durante el acoplamiento, TriDAR activó el seguimiento basado en la forma, que proporcionó una guía completa de 6 grados de libertad y una velocidad de aproximación precisa. La tripulación recibió información clave del sistema en tiempo real a través de pantallas de acoplamiento mejoradas en una computadora portátil ubicada en el compartimento de la tripulación del transbordador.

El sistema fue diseñado para realizar toda la misión de forma autónoma. Monitoreaba automáticamente su sistema de seguimiento y volvía a localizar la ISS si se perdía el rastro. TriDAR también se probó durante las operaciones de desacoplamiento y sobrevuelo.

El TriDAR fue llevado nuevamente a bordo del transbordador espacial Discovery durante la misión STS-131 a la Estación Espacial Internacional . El TriDAR operó durante el acoplamiento del transbordador con la ISS y adquirió datos útiles hasta la maniobra de cabeceo de la barra R del transbordador. En ese momento, un problema de cableado provocó la pérdida de comunicaciones. ^{[ 4 ]} Utilizando un cable de respaldo para el desacoplamiento y el sobrevuelo, el TriDAR funcionó "sin fallas", según el director de vuelo Richard Jones. ^{[ 5 ]}

TriDAR estuvo a bordo del transbordador espacial Atlantis durante la misión STS-135 a la Estación Espacial Internacional. ^{[ 1 ]}

TriDAR se basa en los recientes avances en tecnologías de detección 3D y visión por computadora , logrando inmunidad a la iluminación en sistemas de visión espacial. ^{[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ]} Esta tecnología proporciona la capacidad de encontrarse y acoplarse automáticamente con vehículos que no fueron diseñados para tales operaciones.

El sistema incluye un sensor activo 3D, una cámara termográfica y el software de seguimiento basado en modelos de Neptec. Utilizando únicamente información sobre la geometría de la nave espacial objetivo y los datos 3D adquiridos por el sensor, el sistema calcula directamente la pose relativa de 6 grados de libertad (6DOF). Los algoritmos de visión artificial desarrollados por Neptec permiten que este proceso se ejecute en tiempo real en un ordenador de vuelo, logrando la robustez y fiabilidad necesarias para operaciones críticas. La rápida adquisición de datos se consigue mediante una estrategia de escaneo inteligente denominada "Más información, menos datos" (MILD), en la que el sensor solo adquiere los datos necesarios para estimar la pose. Esta estrategia minimiza los requisitos de tiempo de adquisición, ancho de banda, memoria y capacidad de procesamiento.

El sensor TriDAR es una cámara 3D híbrida que combina la tecnología de triangulación láser autosincronizada con el radar láser (LIDAR) en un único paquete óptico. Esta configuración aprovecha la naturaleza complementaria de estas dos tecnologías de imagen para proporcionar datos 3D tanto a corto como a largo alcance sin comprometer el rendimiento. ^{[ 9 ]} El subsistema de triangulación láser se basa en gran medida en el Sistema de Cámara Láser (LCS) utilizado para inspeccionar el sistema de protección térmica del Transbordador Espacial después de cada lanzamiento. ^{[ 10 ]} Al multiplexar las trayectorias ópticas de los dos subsistemas activos, el TriDAR puede proporcionar las funcionalidades de dos escáneres 3D en un paquete compacto. Los subsistemas también comparten la misma electrónica de control y procesamiento, lo que proporciona ahorros adicionales en comparación con el uso de dos sensores 3D separados. También se incluye una cámara termográfica para extender el alcance del sistema más allá del alcance operativo del LIDAR.

Gracias a su amplio rango operativo, el sensor TriDAR puede utilizarse para diversas aplicaciones dentro de una misma misión. TriDAR se puede emplear para el encuentro y acoplamiento, el aterrizaje planetario, la navegación de rovers y la inspección de sitios y vehículos. Las capacidades de TriDAR para la exploración planetaria se demostraron recientemente durante las pruebas de campo realizadas en Hawái por la NASA y la Agencia Espacial Canadiense (CSA). Para estas pruebas, TriDAR se instaló en el rover lunar Scarab de la Universidad Carnegie Mellon , lo que le permitió navegar automáticamente hacia su destino. Una vez que el rover llegó a su destino, TriDAR se utilizó para obtener imágenes 3D de alta resolución del área circundante, buscando sitios de perforación ideales para obtener muestras lunares.

Las aplicaciones de TriDAR no se limitan al espacio. La tecnología TriDAR es la base del producto OPAL de Neptec. OPAL proporciona visión a las tripulaciones de helicópteros cuando su visibilidad se ve reducida por nubes bajas o ventiscas. La tecnología TriDAR también se puede aplicar a numerosas aplicaciones terrestres, como vehículos automatizados, detección de peligros, posicionamiento de pacientes en radioterapia, montaje de grandes estructuras y seguimiento del cuerpo humano para captura de movimiento o controles de videojuegos.

• Kurs (sistema de navegación de acoplamiento) , utilizado en las naves espaciales Soyuz y Progress.

• Sitio web de Neptec