Tecnología de evitación de peligros en el aterrizaje autónomo

La tecnología de evitación de peligros de aterrizaje autónomo ( ALHAT ) es una tecnología que la NASA está desarrollando para aterrizar de forma autónoma naves espaciales en la Luna, Marte o incluso un asteroide. ^{[ 4 ] [ 5 ]}

Según la página web de la NASA sobre el proyecto, este proporcionará un sistema automatizado de descenso y aterrizaje de última generación para módulos de aterrizaje planetarios. Un conjunto de sensores de seguimiento de superficie con capacidad para evitar obstáculos en tiempo real evaluará la altitud y la velocidad del vehículo en descenso, así como la topografía del lugar de aterrizaje, para permitir un aterrizaje de precisión. El módulo de aterrizaje utilizará los algoritmos ALHAT combinados con los datos de los sensores para navegar hasta el punto de aterrizaje preestablecido, donde identificará de forma autónoma zonas de aterrizaje seguras y lo guiará hasta el contacto con la superficie. La tecnología funcionará en cualquier condición de iluminación, desde el intenso resplandor del Sol sin protección hasta la densa niebla gaseosa de un cuerpo distante del Sistema Solar. ^{[ 6 ]}

Una nave de aterrizaje equipada con ALHAT podrá detectar y evitar obstáculos como cráteres, rocas y pendientes, y aterrizar de forma segura y precisa en una superficie. El proyecto está liderado por el Centro Espacial Johnson (JSC) y cuenta con el apoyo del Laboratorio de Propulsión a Chorro (JPL) y el Centro de Investigación Langley . ^{[ 5 ]} Algunos de los sensores también podrían utilizarse para facilitar el acoplamiento de las naves espaciales. ^{[ 7 ]}

Las tecnologías ALHAT incluyen un sistema de detección de peligros, un velocímetro Doppler lidar , un altímetro láser , software, algoritmos de sensores y procesadores informáticos para la trayectoria al espacio. Estas tecnologías se integran con la instrumentación de navegación a bordo del módulo de aterrizaje. ^{[ 4 ]} El equipo tiene una masa de 400 lb (180 kg) . ^{[ 2 ]}  

La instrumentación se ha probado operando desde vehículos en movimiento: un camión, el helicóptero Huey de la NASA y el módulo de aterrizaje del Proyecto Morpheus . Al finalizar las pruebas, el proyecto tiene como objetivo que el equipo ALHAT haya alcanzado el Nivel de Madurez Tecnológica (TRL) 6. ^{[ 1 ] [ 5 ]}

El proyecto ALHAT ha sido reemplazado por el proyecto COBALT ( Cooperative Blending of Autonomous Landing Technologies ) de la NASA. La NASA afirma que el lidar Doppler de navegación (NDL) de COBALT es un 60 por ciento más pequeño, opera a casi el triple de velocidad y proporciona mediciones de mayor alcance. ^{[ 8 ]}

Los recursos que necesitarán las futuras expediciones se encontrarán frecuentemente en terrenos potencialmente peligrosos; por consiguiente, los exploradores robóticos y humanos deben aterrizar de forma segura cerca de estos recursos. Esto requiere una nueva generación de módulos de aterrizaje planetarios con la capacidad de reconocer automáticamente el lugar de aterrizaje deseado, evaluar los posibles peligros del aterrizaje y ajustarse a medida que descienden a la superficie. ^{[ 9 ]} El Centro Langley de la NASA creó tres sensores lidar (radar de luz): el lidar de destello, el lidar Doppler y el altímetro láser de gran altitud para el proyecto ALHAT. ^{[ 10 ]}

El lidar de flash utiliza tecnología de imágenes para detectar objetos más grandes que el tamaño de una pelota de baloncesto en la superficie de un planeta bajo cualquier condición de iluminación. Si hay un obstáculo, el sistema desviará el vehículo a un lugar de aterrizaje más seguro. ^{[ 10 ]} El motor del sensor de cámara tridimensional también forma parte de la cámara espacial DragonEye utilizada por la nave espacial Dragon para acoplarse con la Estación Espacial Internacional . ^{[ 11 ]}

El lidar de flash emite un láser y actúa como una cámara de flash, permitiendo la generación de mapas e imágenes lidar. ^{[ 10 ]} El lidar Doppler mide la altitud y la velocidad del vehículo para aterrizar con precisión en la superficie, y el altímetro láser de gran altitud proporciona datos que permiten al vehículo aterrizar en el área elegida. ^{[ 10 ]} La tecnología láser lidar escanea un área en busca de peligros como cráteres o rocas antes de que el módulo de aterrizaje toque tierra. El sistema a bordo utiliza los datos para construir un mapa de terreno y elevación de posibles sitios de aterrizaje en tiempo real. ALHAT primero escanea desde una gran altitud, lo que le da a la nave espacial suficiente para responder a obstáculos o cráteres en el sitio de aterrizaje. Los sitios seguros se designan en función de factores que incluyen el ángulo de inclinación de la superficie, la distancia y el costo de combustible para llegar a un sitio y la posición de las patas del módulo de aterrizaje. ^{[ 12 ]}

El Centro Espacial Johnson de la NASA lidera el proyecto ALHAT, iniciado a principios de 2006, para el Programa de Desarrollo de Tecnología de Exploración de la NASA. También cuenta con el apoyo de los Laboratorios Charles Stark Draper y el Laboratorio de Física Aplicada Johns Hopkins, en Baltimore. Langley diseñó dos sensores de detección y medición de luz (lidar) de propósito especial. Paralelamente, el Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA desarrolló algoritmos para analizar el terreno a partir de estas mediciones lidar. ^{[ 13 ]}

El programa Advanced Exploration Systems pretende demostrar y cualificar espacialmente una versión mejorada del sistema ALHAT mediante el lanzamiento de un módulo de aterrizaje Morpheus con dicho sistema a la Luna en el lanzamiento del Space Launch System en 2017. Si ambos sistemas funcionan, Morpheus tiene previsto utilizar ALHAT para aterrizar de forma segura en uno de los polos lunares. ^{[ 4 ]}

Los pilotos humanos pueden beneficiarse de la tecnología ALHAT, que les proporciona una mayor conciencia situacional al aterrizar sus vehículos. ^{[ 14 ]}

En julio de 2013, un ALHAT refrigerado por aire se integró en el módulo de aterrizaje BRAVO de Morpheus y su software de guiado. Se realizaron vuelos de prueba exitosos con el vehículo sujeto mediante un cable. El ALHAT y su equipo fueron enviados al Centro Espacial Kennedy para realizar pruebas de vuelo libre. ^{[ 15 ]}

El 21 de noviembre de 2013, ALHAT, instalado en el prototipo del módulo de aterrizaje Morpheus, llegó al KSC para realizar pruebas de vuelo libre. ^{[ 16 ]} En marzo de 2014, ALHAT y el módulo de aterrizaje Bravo se integraron nuevamente y se realizaron pruebas de vuelo. ^{[ 17 ]}

En noviembre de 2014 se instalaron sensores ALHAT adicionales en el módulo de aterrizaje Morpheus. La nueva óptica permite que el lidar Doppler de navegación mida con precisión la velocidad del vehículo con respecto al suelo. ^{[ 18 ]} El Morpheus/ALHAT realizó con éxito el Vuelo Libre 15 (FF15) el 15 de diciembre de 2015: un vuelo y aterrizaje ALHAT en bucle cerrado. ^{[ 19 ]}

Las conexiones entre el vehículo Morpheus y ALHAT se documentaron en los ICD (Documentos de Control de Interfaz). ^{[ 20 ]}

Se han realizado diversas pruebas de campo en el equipo ALHAT. Estas pruebas se diseñaron para demostrar que el equipo ALHAT ha alcanzado el nivel TRL 6. ^{[ 1 ]}

La capacidad del ALHAT para detectar objetos más grandes que una pelota de béisbol a una distancia de 2500 pies (760 m) mientras se movía se probó colocando el sistema en un camión. El ALHAT pudo tomar imágenes y navegar mientras el equipo conducía. ^{[ 21 ]} La versión más grande del ALHAT se probó utilizando vuelos en helicóptero en el Centro de Investigación de Vuelo Dryden de la NASA , Edwards, California en 2010. ^{[ 22 ]} Se construyó un campo de terreno lunar en el Centro Espacial Kennedy (KSC) para las pruebas del ALHAT en el módulo de aterrizaje Morpheus. El campo tiene una variedad de características de terreno diferentes para probar la capacidad del ALHAT para detectar peligros. Las pruebas iniciales utilizaron el ALHAT ligero en un helicóptero. ^{[ 23 ]} 

Se realizó una prueba en helicóptero del sistema ALHAT integrado con la aviónica Morpheus sobre el campo de peligro planetario ALHAT en el KSC. Las pruebas en helicóptero del KSC incluyeron perfiles de vuelo que simulaban aproximaciones planetarias, con el sistema ALHAT completo conectado a todos los subsistemas Morpheus pertinentes y operando en tiempo real. Durante estos vuelos en helicóptero, el sistema ALHAT capturó imágenes del terreno lunar simulado. El uso del helicóptero permitió realizar la mayor parte de las pruebas, aunque no todas. Se obtuvieron datos fiables de todos los sensores. Todos los problemas detectados se han identificado y corregido para facilitar futuras pruebas en el módulo de aterrizaje Morpheus. ^{[ 24 ]}

En julio de 2013 se reanudó la integración de ALHAT con el hardware de la versión 1.5 del módulo de aterrizaje del Proyecto Morpheus. Las pruebas incluyeron la colocación del módulo de aterrizaje sobre bloques para verificar que la Unidad de Medición Inercial (IMU) de ALHAT funcionara al inclinarse. Las pruebas de inclinación se realizaron a diferentes alturas y direcciones. ^{[ 25 ]}

El 23 de julio de 2013, el equipo Morpheus/ALHAT completó con éxito la Prueba Conectada n.° 26 con el ALHAT integrado en el vehículo Bravo de Morpheus. Se cumplieron todos los objetivos de la prueba, incluido el seguimiento y la obtención de imágenes del ALHAT. Las imágenes se obtuvieron a varias alturas. ^{[ 26 ]} En la imagen se puede ver un ejemplo de las imágenes producidas por el LIDAR.

El 27 de julio de 2013, Bravo y ALHAT volvieron a volar en TT27. El sistema de seguimiento e imágenes de ALHAT cumplió con todos los objetivos de la prueba. ^{[ 15 ]}

Durante el resto de 2013 y principios de 2014, el ALHAT fue retirado de Bravo mientras se realizaban diversas mejoras en el módulo de aterrizaje y se llevaban a cabo pruebas de vuelo. En marzo de 2014, el ALHAT fue reinstalado en el módulo de aterrizaje. El 27 de marzo de 2014, el conjunto realizó con éxito una prueba de vuelo estacionario con sujeción a diferentes alturas. ^{[ 17 ]} El cabezal láser del ALHAT puede verse escaneando el área en la caja durante la TT34 en la parte superior derecha de este video. ^{[ 27 ]} El vuelo libre 10 de Morpheus tuvo lugar el 2 de abril de 2014. El ALHAT estaba en modo de bucle abierto. Además del vuelo, este video incluye tomas de una cámara de testigo montada y cuidadosamente alineada con el cabezal de escaneo láser que muestran lo que vio el láser, pero en el espectro visible. Confirmando que el campo de peligro fue escaneado. ^{[ 28 ]}

El 24 de abril de 2014, el Vuelo Libre 11 (FF11) se completó con éxito en la Instalación de Aterrizaje del Transbordador (SLF) del Centro Espacial Kennedy (KSC). En FF11, al igual que en FF10, ALHAT operó en modo de bucle abierto, capturando imágenes del Campo de Peligro y calculando soluciones de navegación en tiempo real durante el vuelo. El equipo aún no controlaba la navegación del vehículo, lo que significa que Bravo voló de forma autónoma siguiendo una trayectoria preprogramada, como antes. Los ingenieros de ALHAT utilizarán estos datos de vuelo para continuar ajustando y mejorando el rendimiento de su sistema. ^{[ 29 ]}

El 28 de abril de 2014 se realizó una prueba de oscilación para obtener datos precisos del lidar Doppler de navegación de 3 haces de ALHAT para calibrar y confirmar sus mediciones de alcance y velocidad. ^{[ 30 ]} El vuelo libre 12 del 30 de abril de 2014 fue una repetición del vuelo anterior, excepto que el módulo de aterrizaje apuntaba al sitio de aterrizaje identificado por HDS. ^{[ 31 ]}

Vuelo libre 13 el 22 de mayo de 2014. Primer vuelo de ALHAT y el módulo de aterrizaje Morpheus con ALHAT controlando el módulo de aterrizaje en bucle cerrado. Se identificó y voló hasta la ubicación de aterrizaje correcta. Hubo una discrepancia entre la guía, la navegación y el control de ALHAT y Morpheus sobre la ubicación actual del módulo de aterrizaje. ^{[ 32 ]}

El vuelo libre 14, realizado el 28 de mayo de 2014, tuvo lugar de noche. El sistema de detección de peligros (HDS) de ALHAT funcionó correctamente, pero identificó un sitio seguro a tan solo 0,5 m fuera de los límites establecidos de forma conservadora alrededor del centro de la plataforma de aterrizaje. Posteriormente, ALHAT guió al vehículo en modo de bucle cerrado durante toda la aproximación, y el vehículo tomó el control de la navegación durante la fase de descenso de la trayectoria, cuando ALHAT ya estaba navegando por estima. Si unos límites de error de posición menos conservadores hubieran permitido a ALHAT continuar navegando hasta el aterrizaje, el vehículo habría aterrizado igualmente de forma segura en la plataforma. ^{[ 33 ]}

El 13 de noviembre de 2014 se realizó una prueba de oscilación de la nueva óptica para el Lidar de navegación ALHAT. ^{[ 34 ]} El equipo Morpheus/ALHAT realizó el Vuelo Libre 15 (FF15) el 15 de diciembre de 2015. El sexto vuelo libre del conjunto de sensores ALHAT a bordo y el tercer intento de completar un histórico vuelo de bucle cerrado ALHAT. El vehículo voló y aterrizó con éxito bajo el control del ALHAT. ^{[ 19 ]}

El ALHAT es un dispositivo eléctrico, por lo que se aplican las técnicas estándar para la manipulación y reparación de dispositivos eléctricos. El equipo contiene piezas móviles que no deben tocarse cuando están en movimiento o encendidas. El Flash LIDAR y el altímetro emiten haces láser de Clase IV. ^{[ 3 ]}

• Se deben usar gafas de seguridad al utilizar láseres de clase IV y clase 3B. Esto significa siempre que el ALHAT esté encendido.
• Los rayos láser deberán dirigirse en dirección contraria a las personas y a cualquier cosa que puedan dañar.
• No se debe utilizar óptica asistida.
• Durante las pruebas y operaciones, también podrían aplicarse las normas para exteriores.

Las normas para el manejo de láseres en el Centro Espacial Johnson se encuentran en el Capítulo 6-2 del Manual del JSC. ^{[ 35 ]}

El uso del Sistema de Terminación de Empuje (TTS) del Proyecto Morpheus por parte de Range Safety apaga el motor principal del módulo de aterrizaje y detiene el láser Tipo IV en el Sistema de Detección de Peligros (HDS) de ALHAT. ^{[ 36 ]}

• Guía, navegación y control

• Página principal de la tecnología de aterrizaje autónomo y evitación de peligros (ALHAT)
• Página principal del Proyecto Morpheus
• Vídeo de la instalación del sistema ALHAT en un helicóptero Huey.
• (pdf)Tecnología de aterrizaje autónomo y evitación de peligros (ALHAT), presentación de PowerPoint de 2008 por el Dr. Chirold Epp.
• IEEE Xplore: Aterrizaje de precisión autónomo y tecnología de detección y evitación de peligros (ALHAT) por CD Epp – Conferencia Aeroespacial, 2007 IEEE
• Arquitectura del sistema y concepto operativo de IEEE Xplore ALHAT por T. Brady, Charles Stark y J. Schwartz – Conferencia Aeroespacial, 2007 IEEE