Lunar landing navigation with mono-camera

Autonomous landing of space vehicles is a challenging problem and navigation is the most critical aspect. The application of computer vision in such problem is still a new and not fully tested approach, although being used for minor navigation tasks in other space missions. The aim of this work was the development of a computer vision algorithm suitable for descent and landing phases of a moon lander using a single camera as main sensor. Generality, fast computation and reduced costs were the main driver for the navigation system design. The algorithm performance have been assessed in an experimental campaign carried out at the Space Robotics Lab in Tohoku University. Spacecraft dynamics and environment have been simulated by a camera and an inertial measurement unit, moved by a manipulator over a lunar surface reference. The algorithm has been designed within the imposed limitations and the experimental activity increased the design robustness by showing a partial weakness in the computer vision algorithm that has been corrected accordingly. The experiments have shown that the proposed navigation algorithm is capable to reconstruct the motion of a lander with good precision even without the use of any filter, whose application could even increase such performance.

L'allunaggio di veicoli autonomi è un problema stimolante il cui aspetto più critico è la navigazione. L'applicazione della computer vision è un approccio relativamente nuovo e non completamente testato, sebbene sia stato utilizzato per minori attività di navigazione in altre missioni spaziali. Lo scopo di questo lavoro è stato lo sviluppo un algoritmo di computer vision adatto per fasi di discesa e allunaggio di un lander usando una camera singola come sensore principale. Generalità, computazione veloce e costi ridotti sono stati gli obiettivi primari per il design del sistema di navigazione. Le performance dell'algoritmo sono state determinate con una campagna sperimentale portata avanti allo Space Robotics Lab della Tohoku University. La dinamica del veicolo e l'ambiente sono stati simulati con una camera e un'unità inerziale mosse da un manipolatore verso una superficie lunare di riferimento. L'algoritmo è stato progettato entro le limitazioni imposte e l'attività sperimentale ha incrementato la robustezza del design mostrando una parziale debolezza dell'algoritmo di computer vision che è stato concordemente corretto. Gli esperimenti mostrano che l'algoritmo di navigazione proposto è capace di ricostruire il moto di un lander con buona precisione anche senza l'uso di filtri addizionali, la cui applicazione potrebbe anche incrementare tali performance.