Rovers et drones se préparent à l'exploration des cavités lunaires en toute autonomie

La découverte de tunnels de lavetunnels de lave et de grottes sur la Lune et sur Mars pourrait constituer un abri et devenir un avant-poste humain protégé des radiations et des météorites. Si, dans un premier temps, les astronautes séjourneront dans les modules qui les auront amenés sur la Lune, des séjours de plus en plus prolongés et une présence humaine permanente nécessiteront des infrastructures en dur, voire des bases enfouies dans le sous-sol lunaire ou à l'intérieur de ces cavités lunaires naturelles. Mais, avant d'envisager de pouvoir les utiliser pour des activités humaines, un travail d'exploration sera nécessaire pour évaluer la fiabilité de ces tunnels et cavités plus ou moins profondes. Pour des raisons de sécurité et de logistique, cette tâche ne sera pas réalisée par des humains mais par des robotsrobots.

Au laboratoire des concepts spatiaux avancés de l'Isae-Supaéro, le SaCLaB, des étudiants développent le projet Collaborative Rover and Drone (CoRoDro). Dans la perspective d'une installation humaine sur la Lune, les robots interviendraient en support d'activités critiques (surveillance des équipements, sécurité, par exemple). CoRoDro vise à étudier et à démontrer la faisabilité technique de la « navigation et les opérations autonomes pour les systèmes robotiquesrobotiques spatiaux, dont l'exploration de ces tunnels. Mais pas seulement », nous explique Stéphanie Lizy-Destrez, enseignant-chercheur à l'Isae-Supaéro qui supervise le projet CoRoDro.

Cette étude scientifique fait partie des douze projets technologiques universitaires sélectionnés dans huit pays différents dans le cadre de l'initiative IGLuna* 2021 soutenue par l'Agence spatiale européenneAgence spatiale européenne. Cela dit, le SaCLaB ne se limite pas à ce seul aspect de l'exploration. Les possibilités  d'applications futures sont nombreuses et concernent les « servitudes de la future station spatialestation spatiale -- son ravitaillement et le transport des équipages, l'optimisation de trajectoires, etc. -- l'exploitation des ressources de la Lune, ou encore sur l'analyse de la collaboration entre l'équipage et les robots pour les activités critiques et dangereuses ».

Un puit à ciel ouvert à la surface de la Lune débouchant sur des tunnels de lave. © Nasa, Lunar Reconnaissance Orbiter Camera (LROC), Science Operations Center (SOC)

Développer les interactions d’un drone et d’un rover

Avant d'envoyer des humains s'aventurer à l'intérieur de ces cavités et d'y installer par la suite des infrastructures telles que des habitations pouvant abriter des humains, « il sera nécessaire d'envoyer des rovers et des drones afin de s'assurer que la zone ne présente pas de risques pour ces astronautes ». En raison de l'absence d'atmosphèreatmosphère, ces drones seront différents de ceux habituellement utilisés car, typiquement, un drone a besoin d'une atmosphère pour voler. « Ils seront donc équipés de propulseurspropulseurs ».

L'exploration robotique de ces tunnels ne pourra évidemment pas être pilotée depuis l'extérieur, que ce soit depuis la surface, l'orbiteorbite lunaire ou des Centres de contrôle sur Terre en raison de contraintes, principalement liées aux communications. Aujourd'hui, les « systèmes robotiques existants pour effectuer ces repérages sont téléopérés ou supervisés par l'humain ». Dans le cas de ces tunnels et cavités, il sera nécessaire d'utiliser des systèmes robotiques dotés d'une très grande autonomieautonomie, ce qui permettra de « réaliser un travail d'éclaireur et de cartographie ».

Pour y parvenir, l'équipe de CoRoDro travaille au développement d'un système spécifiquement conçu pour l'exploration de ces tunnels en se «  focalisant sur l'autonomie de la navigation et des opérations » dans le cadre d'un scénario où un « drone réalise un repérage et une cartographie de son environnement, qu'il transmet au rover afin que ce dernier l'analyse et choisisse les points les plus pertinents pour se déplacer et y mener des expériences scientifiques ». L'idée qui prévaut est d'utiliser de « petits drones qui se déplacent par bonds à l'intérieur de ces tunnels ». Capables de cartographier leur environnement (relief, distance) et d'échanger des données avec le rover mère, ils « pourront adapter leur charge de travail aux circonstances sans en référer aux Centres de contrôle sur Terre ».

Au SaCLaB de l'Isae-Supaéro, les étudiants développent le projet Collaborative Rover and Drone (CoRoDro) qui vise à coordonner le travail des deux véhicules d’exploration et ce, en totale autonomie. © Space Innovation

Grâce à la cartographie réalisée par le drone, le rover est « capable de choisir lui même le chemin le plus court et de déterminer les obstacles éventuels ainsi que l'ordonnancement des tâches, voire d'en supprimer certaines si nécessaire ».

Sans surprise, l'autonomie de ces drones est le « principal point dur du développement ». Le positionnement et les communications entre les drones et le rover mère sont aussi des sujets de préoccupation. « Dans les tunnels, l'utilisation du Wi-FiWi-Fi et des services de la future constellationconstellation MoonlightMoonlight, de l'ESA autour de la Lune, ne sont à priori pas envisageables, bien que cela soit à l'étude et que cela pourrait être dans le cahier des charges ».

Le niveau de cette autonomie dépendra des algorithmes dont certains devront être générés automatiquement, en fonction des besoins du drone. Une première démonstration est prévue cet été, « en dehors de l'environnement protégé des laboratoires ». Ces algorithmes seront donc mis à l'essai sur le terrain, « à 2.000 mètres d'altitude sur le Mont Pilatus en Suisse, du 16 au 25 juillet prochain ».

L'objectif de CoRoDro est de voir « jusqu'où il est possible de faire confiance au travail des robots pour se déplacer et prendre des décisions en totale autonomie », et de déterminer quel « niveau décisionnel on attribue à l'humain pour réagir notamment aux imprévus : panne, obstacles, erreurs... ». Il s'agit donc « d'étudier la navigation et les opérations autonomes pour les systèmes robotiques spatiaux ».

À la différence de ce que la NasaNasa et le JPLJPL réalisent sur Mars avec Ingenuity et Perseverance, CoRoDro peut être considéré comme l'étape suivante en démontrant l'utilité et l'intérêt d'un véhicule aérien en complément d'un rover et comment l'utilisation de ce binôme pourrait bénéficier à l'exploration future de Mars et d'autres mondes.