Visual navigation for autonomous planetary landing

Exploration of celestial bodies as the Moon, Mars, or even of smaller ones as comets and asteroids is becoming now days the next frontier of the space exploration. One of the most interesting and attractive purposes from the scientific point of view in this field, is the capability for a spacecraft to land on such bodies. In this context, it is often not possible to directly control the spacecraft from Earth during its descent, which is a delicate phase in which even a delay of a few seconds for a control command can result in a catastrophic event. For these reasons, the necessity for a completely autonomous landing system able to operate during the landing phases arises. This thesis presents the current development status of an autonomous navigation system designed from scratch, based on a monocular camera working in the visible spectrum. Vision based navigation works extracting salient features from the images and tracking them during motion. Position and orientation of the camera for each consecutive frame are retrieved with respect to the observed scenario thanks to this informations, and trajectory is reconstructed up to a scale factor. A description of all the building blocks constituting the system architecture is given, along with the different methods and approaches which have been tested in order to find the configuration which best fit for the application on a spacecraft landing scenario. Performance assessment of the navigation system using both synthetic video sequences of different landing trajectories on the Moon surface and a computer vision dataset benchmark is presented. To conclude, future work to be done to continue the development is listed in detail.

L'esplorazione di corpi celesti come la Luna, Marte, ma anche di altri più piccoli come comete e asteroidi sta diventando oggigiorno la nuova frontiera dell'esplorazione spaziale. Una delle più interessanti e attraenti proposte dal punto di vista scientifico in questo campo, è la possibilità per un satellite di atterrare su questi corpi. In questo contesto, spesso non è possibile avere un controllo diretto del satellite dalla Terra durante l'atterraggio, che rappresenta una fase delicata in cui anche solo un piccolo ritardo di pochi secondi di un comando di controllo può risultare in un evento catastrofico per la missione. Questo è il motivo per cui nasce la necessità di avere a bordo un sistema di navigazione completamente autonomo operativo durante tutta la fase di atterraggio. Questa tesi presenta il corrente stato di sviluppo di un sistema di navigazione autonoma progettato da zero, basato su una singola camera che lavora nello spettro del visibile. La navigazione ottica lavora estraendo punti d'interesse dalle immagini e tracciandoli durante il movimento della camera. Posizione e orientamento di quest'ultima per ogni immagine consecutiva sono poi ricavate rispetto allo scenario osservato usando queste informazioni, e la traiettoria del satellite ricostruita a meno di un fattore di scala. Vengono descritti tutti i blocchi che costituiscono l'architettura del sistema, insieme anche hai differenti metodi e approcci che sono stati studiati e testati per trovare la configurazione che meglio si adatta ad essere applicata per l'atterragio di un satellite. Viene inoltre presentata una valutazione delle prestazioni del sistema di navigazione utilizzando sia sequenze video sintetiche di differenti traiettorie di atterraggio sulla superficie lunare, sia dataset normalmente utilizzati in computer vision. Per concludere, un progetto dettagliato del lavoro necessario per proseguire lo sviluppo del sistema è presentato.