Airbus Defence and Space

INVERITAS : la robotique qui va « nettoyer » l’espace

L’enlèvement des débris spatiaux

La maîtrise de la robotique spatiale est une compétence clé pour l'avenir. L’exemple d’INVERITAS montre comment Airbus Defence and Space fait progresser ce thème dans le cadre d’un groupe de recherche.

INVERITAS (« Innovative technologies for relative navigation and capture ») est un projet de recherche collaboratif associant Airbus Defence and Space Brême, Jena-Optronik et le RIC DFKI de Brême (Centre d’innovation en robotique de l’Institut de recherche allemand pour l’intelligence artificielle). Ce groupe s’est fixé l’objectif de développer le prototype d’un système multitâche de rendez-vous et de capture, ainsi que les technologies-clés associées, jusqu’au niveau de maturité TRL 4 (Technology Readiness-Level 4), c’est-à-dire le démonstrateur sol.

Modèle de satellite cible non stabilisé, utilisé pour l'expérimentation du démonstrateur système INVERITAS

Modèle de satellite cible non stabilisé, utilisé pour l’expérimentation du démonstrateur système INVERITAS

Le projet vise à mettre au point des technologies permettant de fabriquer des « robots-service » capables de s’arrimer à des satellites hors-service ou à des débris spatiaux de grande dimension. Une fois appréhendés, ces derniers pourront être réparés ou bien placés sur une trajectoire de rentrée contrôlée. Airbus Defence and Space investit sur ses propres crédits de recherche pour développer son savoir-faire technologique dans ce domaine, sachant que le Centre aérospatial allemand (DLR) soutient ce projet à hauteur de 50 %.

« L’homme a envoyé un nombre incalculable d’objets dans l’espace au cours de ces dernières décennies », explique Bernd Mädiger, Chef de projet chez Airbus Defence and Space. Au bout du compte, la quantité de débris spatiaux accumulés là-haut commence aujourd’hui à menacer les futures missions spatiales. « A chaque nouvelle collision, le nombre de débris augmente de manière dramatique. Et avec lui, la probabilité que les prochains satellites soient impactés. C’est ce que l’on appelle l’effet Kessler ».

A partir d’une certaine densité de débris, le risque d’utiliser l’orbite polluée ne fait qu’augmenter. Certaines d’entre elles sont déjà assez proches de cette situation critique. Il est donc impératif d’imaginer des stratégies pour inverser la tendance. « Le risque de multiplication des débris peut être atténué en désorbitant les objets volumineux, qui produisent la plus grande quantité de nouveaux déchets », poursuit Bernd Mädiger. Ce qui représenterait cinq à dix objets volumineux par an, dont la masse varie de 200 à 800 kg.

Un socle de technologies éprouvées

Le développement de technologies spatiales robotiques suppose la réalisation de véritables prouesses dans le domaine de l’ingénierie, dans un contexte pluridisciplinaire conjuguant l’intelligence artificielle, les systèmes autonomes, la réalité virtuelle, la miniaturisation, les sciences des matériaux, la mécatronique et les technologies de l’information et de la communication. Dans la plupart de ces domaines, les technologies mises au point dans le cas exemplaire du véhicule de transfert automatique ATV constituent déjà de solides points d’appui. L’ATV réalise en effet un rendez-vous et un arrimage avec une cible coopérative, à savoir la Station spatiale internationale (ISS). Sur la base de cette expérience, la prochaine étape logique, selon Bernd Mädiger, consiste à réussir une telle manœuvre avec une cible non coopérative.

Une cible coopérative est capable de s’identifier et dispose d’une correction d’attitude et de marqueurs visuels. De plus, il est généralement possible d’établir une liaison radio avec elle. Les cibles non coopératives, telles que des satellites en panne par exemple, sont au contraire des objets passifs qui n’émettent aucun signal leur permettant d’être localisés, ne disposent pas de marqueurs d’identification et, dans la majorité des cas, dérivent en autorotation faute de contrôle d’attitude pour stabiliser l’orientation.

Bernd Mädiger, Chef de projet INVERITAS au laboratoire de robotique de Brême.

Bernd Mädiger, Chef de projet INVERITAS au laboratoire de robotique de Brême.

« Nous les connaissons malgré tout, sous forme de modèles, mais ne pouvons pas envoyer d’ordres à ce type de cibles. Il est vrai qu’en règle générale, nous connaissons aussi leur trajectoire, mais pas leur comportement. Ce point doit être analysé durant la mission de capture », précise Bernd Mädiger.

Nouvelle frontière technologique

Les briques technologiques apportées par Airbus Defence and Space dans le cadre d’INVERITAS représentent des enjeux considérables pour les concepteurs et les techniciens impliqués. Le traitement des données du senseur multimodal (multimodal sensor data processing) est particulièrement délicat. Il s’agit ici de trier, corriger et combiner des données complexes, issues de divers systèmes de capteurs, c'est-à-dire d’assurer la connexion fonctionnelle de ces différents systèmes entre eux. Les données des images 3D font partie du lot. « Nous ne disposons pas d’un capteur unique avec lequel on puisse résoudre toutes les tâches liées au repérage d’un satellite et à l’approche qui s’ensuit », explique Bernd Mädiger. Plusieurs caméras sont nécessaires dans ce cas, ainsi qu’un LIDAR (scanneur laser) que fournit Jena-Optronik dans le cadre du projet INVERITAS et éventuellement un radar.

Une fois que les données livrées par les capteurs ont été traitées, les systèmes GNC (guidance, navigation, control) sont à leur tour activés. Leur rôle consiste à calculer des trajectoires d’approche vers le satellite et, dès que le robot de maintenance (robot-service) se trouve à proximité, à réguler sa distance par rapport à la cible. « Nous avons une cible qui divague, c’est-à-dire dont l’attitude n’est pas stable, et nous devons pourtant nous en approcher, à seulement un ou deux mètres, tout en évitant le risque de collision », explique Bernd Mädiger.

Le système de détection et d’évitement d’obstacles par caméra et LIDAR pour l’alunissage (Camera- and LIDAR-based Hazard Detection and Avoidance for Lunar Landing) figure aussi parmi les travaux conduits dans le cadre d’INVERITAS. Il s’agit ici de procédés de traitement d’images qui doivent également pouvoir être mis en œuvre à l’avenir dans le cas d’alunissages. Selon Bernd Mädiger : « Ce projet a cela d’avantageux que les algorithmes de reconnaissance de formes que nous élaborons pourront également être appliqués aux futures missions d’alunissages automatisés, notamment en phase d’approche finale, afin de détecter les obstacles et d’amorcer les mesures d’évitement appropriées, car la collision du véhicule avec un rocher serait fatale... »

Les différents systèmes d’un robot-service doivent pouvoir communiquer entre eux pour pouvoir exécuter des tâches prédéfinies. Traitement d’image, GNC, bras robotique de préhension des objets, plate-forme satellite spécifique, chacun de ces sous-systèmes représente déjà, en soi, une unité intelligente. Il convient désormais de créer un concept qui fusionne ces sous-systèmes et assure leur coordination.

Hall d'expérimentation du DFKI abritant le démonstrateur système INVERITAS.

Hall d’expérimentation du DFKI abritant le démonstrateur système INVERITAS

Mise en œuvre expérimentale

En tant que partenaire du projet, le DFKI a mis à disposition, à Brême, un hall de 15 x 20 m dans lequel sont installés deux robots. Le premier est un petit robot industriel capable de déplacer une charge de 60 kg et dont le rôle, dans le protocole d’essai, consiste à reproduire le mouvement erratique de la cible. Le second est un système de traction par câble auquel est fixé le module de service, c’est-à-dire le satellite propulsé. Ce dispositif, éclairé par diverses sources d’éclairage latéral, permet ainsi de simuler l’ensemble du processus de rendez-vous.

A la question de savoir si le projet INVERITAS est complexe, Bernd Mädiger répond : « Je pense que nous évoluons vraiment à la frontière de ce qu’il est possible de faire aujourd’hui. C’est particulièrement vrai en ce qui concerne le traitement des données des capteurs, rendu extrêmement difficile par les conditions d’éclairement. Dans l’espace, on a des ombres portées très dures : dans l’ombre, il fait totalement noir, tandis qu’au soleil, la clarté est très vive, la transition étant quasiment inexistante. Le traitement d’image à partir des données des caméras est donc très délicat, lorsque nous cherchons à distinguer des contours ou des éléments séparés. Un autre défi réside dans le fait de pouvoir disposer en orbite d’une capacité de calcul suffisante pour le traitement des données images ».

Toutes les revues de jalon ont jusqu’à présent été franchies avec succès. Les tests de capteurs et d’algorithmes se déroulent actuellement dans le hall de simulation du DFKI. INVERITAS respecte pleinement son calendrier et le projet doit s’achever début 2012. Et ensuite ? « D’autres projets de recherche et technologie vont prendre le relais pour assurer, à terme, l’enlèvement des débris spatiaux, mais en abordant cette fois la problématique sous un angle commercial », conclut Bernd Mädiger.

Financé par le DLR, l’agence spatiale allemande, avec une contribution du Ministère allemand de l’Economie et de la Technologie, selon un décret parlementaire. Projet référence n: 50RA0908.

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