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Un sixième vol compliqué pour Ingenuity

Samedi 22 mai 2021, l’hélicoptère martien Ingenuity a effectué son sixième vol qui avait pour but de démontrer les capacités d’imagerie aérienne. Cependant, tout ne s’est pas déroulé comme prévu…

Pour son sixième vol, l’hélicoptère Ingenuity avait reçu l’ordre de monter à une altitude de 10 mètres avant de se déplacer de 150 mètres vers le sud-ouest à une vitesse de 4 mètres par seconde. À ce stade, il devait se déplacer de 15 mètres vers le sud tout en prenant des images vers l’ouest, puis voler de nouveau de 50 mètres vers le nord-est et atterrir.
La télémétrie du vol montre que la première étape de 150 mètres du vol s’est déroulée sans problème. Mais vers la fin de cette étape, une anomalie s’est produite : Ingenuity a commencé à s’incliner d’avant en arrière. Ce comportement a persisté pendant tout le reste du vol avant un atterrissage en toute sécurité.
Image prise par Ingenuity à une altitude de 10 mètres lors de son sixième vol le 22 mai 2021 (source : NASA)
Afin de mieux comprendre ce qu’il s’est passé lors de ce sixième vol, il faut se pencher sur le système de vol autonome du petit hélicoptère.
Lorsqu’il est en vol, Ingenuity suit son mouvement à l’aide d’une unité de mesure inertielle (IMU) embarquée. L’IMU mesure les accélérations et les taux de rotation d’Ingenuity. En intégrant ces informations dans le temps, il est possible d’estimer la position, la vitesse et l’attitude de l’hélicoptère (où il se trouve, à quelle vitesse il se déplace et comment il est orienté dans l’espace). Le système de commande embarqué réagit aux mouvements estimés en ajustant rapidement les entrées de commande (à un rythme de 500 fois par seconde).
Si le système de navigation reposait uniquement sur l’IMU, il ne serait pas très précis à long terme : les erreurs s’accumuleraient rapidement et l’hélicoptère finirait par s’égarer. Pour maintenir une meilleure précision dans le temps, les estimations basées sur l’IMU sont corrigées régulièrement et c’est là que la caméra de navigation d’Ingenuity entre en jeu. Pendant la majeure partie du temps passé en vol, la caméra de navigation orientée vers le sol prend 30 images par seconde et les transmet immédiatement au système de navigation de l’hélicoptère. Chaque fois qu’une image arrive, l’algorithme du système de navigation effectue une série d’actions. Premièrement, il examine l’horodatage qu’il reçoit avec l’image afin de déterminer quand l’image a été prise. Ensuite, l’algorithme fait une prédiction sur ce que la caméra aurait dû voir à ce moment précis, en termes de caractéristiques de surface qu’il peut reconnaître à partir d’images précédentes prises quelques instants auparavant (généralement en raison de variations de couleur et de protubérances comme des rochers et des rides de sable). Enfin, l’algorithme examine l’endroit où ces caractéristiques apparaissent réellement dans l’image. L’algorithme de navigation utilise la différence entre les emplacements prédits et réels de ces caractéristiques pour corriger les estimations de position, de vitesse et d’attitude.

 

Cette séquence d’images, prise par la caméra de navigation à bord de l’hélicoptère Ingenuity, illustre les 29 dernières secondes de son sixième vol. La fréquence d’images est de 3,3 images par seconde jusqu’au moment de sa descente finale, moment durant lequel il a recueilli une image toutes les deux secondes.

Environ 54 secondes après le début du vol, un problème est survenu dans le processus de transmission des images par la caméra de navigation. Ce problème a entraîné la perte d’une seule image, mais surtout,  toutes les images de navigation ultérieures ont été livrées avec des horodatages inexacts. À partir de ce moment, chaque fois que l’algorithme de navigation effectuait une correction sur la base d’une image de navigation, il fonctionnait sur la base d’informations incorrectes concernant le moment où l’image avait été prise. Les incohérences qui en résultaient dégradaient considérablement les informations utilisées pour piloter l’hélicoptère. Cela a provoqué de grandes oscillations dans le vol d’Ingenuity.
Image d’Ingenuity prise le 23 mai 2021 (le lendemain de son sixième vol) par l’instrument Mastcam-Z à bord du rover martien Perseverance (source : NASA)
Malgré cette anomalie, Ingenuity a pu maintenir son vol et se poser en toute sécurité à la surface, à environ 5 mètres de l’endroit prévu pour l’atterrissage. L’une des raisons pour lesquelles il a pu le faire est l’effort considérable déployé pour s’assurer que le système de commande de vol de l’hélicoptère dispose d’une grande « marge de stabilité ». En effet, Ingenuity a été conçu pour qu’il puisse tolérer des erreurs importantes sans devenir instable, y compris des erreurs de synchronisation. Cette marge intégrée n’était pas totalement nécessaire lors des vols précédents d’Ingenuity, car le comportement de l’hélicoptère correspondait aux attentes des ingénieurs mais cette marge est venue à la rescousse lors de ce sixième vol.
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