Abstract: The interest of major space agencies in the world for vision sensors in their mission designs has been increasing over the years. Indeed, cameras offer an efficient solution to address the ever-increasing requirements in performance. In addition, these sensors are multipurpose, lightweight, proven and a low-cost technology. Several researchers in vision sensing for space application currently focuse on the navigation system for autonomous pin-point planetary landing and for sample and return missions to small bodies. In fact, without a Global Positioning System (GPS) or radio beacon around celestial bodies, high-accuracy navigation around them is a complex task. Most of the navigation systems are based only on accurate initialization of the states and on the integration of the acceleration and the angular rate measurements from an Inertial Measurement Unit (IMU). This strategy can track very accurately sudden motions of short duration, but their estimate diverges in time and leads normally to high landing error. In order to improve navigation accuracy, many authors have proposed to fuse those IMU measurements with vision measurements using state estimators, such as Kalman filters. The first proposed vision-based navigation approach relies on feature tracking between sequences of images taken in real time during orbiting and/or landing operations. In that case, image features are image pixels that have a high probability of being recognized between images taken from different camera locations. By detecting and tracking these features through a sequence of images, the relative motion of the spacecraft can be determined. This technique, referred to as Terrain-Relative Relative Navigation (TRRN), relies on relatively simple, robust and well-developed image processing techniques. It allows the determination of the relative motion (velocity) of the spacecraft. Despite the fact that this technology has been demonstrated with space qualified hardware, its gain in accuracy remains limited since the spacecraft absolute position is not observable from the vision measurements. The vision-based navigation techniques currently studied consist in identifying features and in mapping them into an on-board cartographic database indexed by an absolute coordinate system, thereby providing absolute position determination. This technique, referred to as Terrain-Relative Absolute Navigation (TRAN), relies on very complex Image Processing Software (IPS) having an obvious lack of robustness. In fact, these software depend often on the spacecraft attitude and position, they are sensitive to illumination conditions (the elevation and azimuth of the Sun when the geo-referenced database is built must be similar to the ones present during mission), they are greatly influenced by the image noise and finally they hardly manage multiple varieties of terrain seen during the same mission (the spacecraft can fly over plain zone as well as mountainous regions, the images may contain old craters with noisy rims as well as young crater with clean rims and so on). At this moment, no real-time hardware-in-the-loop experiment has been conducted to demonstrate the applicability of this technology to space mission. The main objective of the current study is to develop autonomous vision-based navigation algorithms that provide absolute position and surface-relative velocity during the proximity operations of a planetary mission (orbiting phase and landing phase) using a combined approach of TRRN and TRAN technologies. The contributions of the study are: (1) reference mission definition, (2) advancements in the TRAN theory (image processing as well as state estimation) and (3) practical implementation of vision-based navigation. / Résumé: L’intérêt des principales agences spatiales envers les technologies basées sur la vision artificielle ne cesse de croître. En effet, les caméras offrent une solution efficace pour répondre aux exigences de performance, toujours plus élevées, des missions spatiales. De surcroît, ces capteurs sont multi-usages, légers, éprouvés et peu coûteux. Plusieurs chercheurs dans le domaine de la vision artificielle se concentrent actuellement sur les systèmes autonomes pour l’atterrissage de précision sur des planètes et sur les missions d’échantillonnage sur des astéroïdes. En effet, sans système de positionnement global « Global Positioning System (GPS) » ou de balises radio autour de ces corps célestes, la navigation de précision est une tâche très complexe. La plupart des systèmes de navigation sont basés seulement sur l’intégration des mesures provenant d’une centrale inertielle. Cette stratégie peut être utilisée pour suivre les mouvements du véhicule spatial seulement sur une courte durée, car les données estimées divergent rapidement. Dans le but d’améliorer la précision de la navigation, plusieurs auteurs ont proposé de fusionner les mesures provenant de la centrale inertielle avec des mesures d’images du terrain. Les premiers algorithmes de navigation utilisant l’imagerie du terrain qui ont été proposés reposent sur l’extraction et le suivi de traits caractéristiques dans une séquence d’images prises en temps réel pendant les phases d’orbite et/ou d’atterrissage de la mission. Dans ce cas, les traits caractéristiques de l’image correspondent à des pixels ayant une forte probabilité d’être reconnus entre des images prises avec différentes positions de caméra. En détectant et en suivant ces traits caractéristiques, le déplacement relatif du véhicule (la vitesse) peut être déterminé. Ces techniques, nommées navigation relative, utilisent des algorithmes de traitement d’images robustes, faciles à implémenter et bien développés. Bien que cette technologie a été éprouvée sur du matériel de qualité spatiale, le gain en précision demeure limité étant donné que la position absolue du véhicule n’est pas observable dans les mesures extraites de l’image. Les techniques de navigation basées sur la vision artificielle actuellement étudiées consistent à identifier des traits caractéristiques dans l’image pour les apparier avec ceux contenus dans une base de données géo-référencées de manière à fournir une mesure de position absolue au filtre de navigation. Cependant, cette technique, nommée navigation absolue, implique l’utilisation d’algorithmes de traitement d’images très complexes souffrant pour le moment des problèmes de robustesse. En effet, ces algorithmes dépendent souvent de la position et de l’attitude du véhicule. Ils sont très sensibles aux conditions d’illuminations (l’élévation et l’azimut du Soleil présents lorsque la base de données géo-référencée est construite doit être similaire à ceux observés pendant la mission). Ils sont grandement influencés par le bruit dans l’image et enfin ils supportent mal les multiples variétés de terrain rencontrées pendant la même mission (le véhicule peut survoler autant des zones de plaine que des régions montagneuses, les images peuvent contenir des vieux cratères avec des contours flous aussi bien que des cratères jeunes avec des contours bien définis, etc.). De plus, actuellement, aucune expérimentation en temps réel et sur du matériel de qualité spatiale n’a été réalisée pour démontrer l’applicabilité de cette technologie pour les missions spatiales. Par conséquent, l’objectif principal de ce projet de recherche est de développer un système de navigation autonome par imagerie du terrain qui fournit la position absolue et la vitesse relative au terrain d’un véhicule spatial pendant les opérations à basse altitude sur une planète. Les contributions de ce travail sont : (1) la définition d’une mission de référence, (2) l’avancement de la théorie de la navigation par imagerie du terrain (algorithmes de traitement d’images et estimation d’états) et (3) implémentation pratique de cette technologie.

Dans cette thèse, nous nous intéressons au problème de l’atterrissage lunaire autonome et nous proposons une méthode innovante amenant une alternative à l’utilisation de capteurs classiques qui peuvent se révéler encombrants, énergivores et très onéreux.La première partie est consacrée au développement et à la construction de capteurs de mouvement inspirés de la vision des insectes volants et mesurant le flux optique.Le flux optique correspond à la vitesse angulaire relative de l’environnement mesurée par la rétine d’un agent. Dans un environnement fixe, les mouvements d’un robot génèrent un flux optique contenant des informations essentielles sur le mouvement de ce dernier. En utilisant le principe du « temps de passage », nous présentons les résultats expérimentaux obtenus en extérieur avec deux versions de ces capteurs.Premièrement, un capteur mesurant le flux optique dans les deux directions opposées est développé et testé en laboratoire. Deuxièmement un capteur adapté à la mesure des faibles flux optiques similaires à ceux pouvant être mesurés lors d’un alunissage est développé, caractérisé et enfin testé sur un drone hélicoptère en conditions extérieures.Dans la seconde partie, une méthode permettant de réaliser le guidage, la navigation et la commande (GNC pour Guidance Navigation and Control) du système est proposée. L’innovation réside dans le fait que l’atterrissage en douceur est uniquement assuré par les capteurs de flux optique. L’utilisation des capteurs inertiels est réduite au maximum. Plusieurs capteurs orientés dans différentes directions de visée, et fixés à la structure de l’atterrisseur permettent d’atteindre les conditions finales définies par les partenaires industriels. Les nombreuses informations décrivant la position et l’attitude du système contenues dans le flux optique sont exploitées grâce aux algorithmes de navigation qui permettent d’estimer les flux optiques ventraux et d’expansion ainsi que le tangage.Nous avons également montré qu’il est possible de contrôler l’atterrisseur planétaire en faisant suivre aux flux optiques estimés une consigne optimale au sens de la consommation d’énergie. Les simulations réalisées durant la thèse ont permis de valider le fonctionnement et le potentiel de la solution GNC proposée en intégrant le code du capteur ainsi que des images simulées du sol de la lune. / In this PhD thesis, the challenge of autonomous lunar landing was addressed and an innovative method was developed, which provides an alternative to the classical sensor suites based on RADAR, LIDAR and cameras, which tend to be bulky, energy consuming and expensive. The first part is devoted to the development of a sensor inspired by the fly’s visual sensitivity to optic flow (OF). The OF is an index giving the relative angular velocity of the environment sensed by the retina of a moving insect or robot. In a fixed environment (where there is no external motion), the self-motion of an airborne vehicle generates an OF containing information about its own velocity and attitude and the distance to obstacles. Based on the “Time of Travel” principle we present the results obtained for two versions of 5 LMSs based optic flow sensors. The first one is able to measure accurately the OF in two opposite directions. It was tested in the laboratory and gave satisfying results. The second optic flow sensor operates at low velocities such as those liable to occur during lunar landing was developed. After developing these sensors, their performances were characterized both indoors and outdoors, and lastly, they were tested onboard an 80-kg helicopter flying in an outdoor environment. The Guidance Navigation and Control (GNC) system was designed in the second part on the basis of several algorithms, using various tools such as optimal control, nonlinear control design and observation theory. This is a particularly innovative approach, since it makes it possible to perform soft landing on the basis of OF measurements and as less as possible on inertial sensors. The final constraints imposed by our industrial partners were met by mounting several non-gimbaled sensors oriented in different gaze directions on the lander’s structure. Information about the lander’s self-motion present in the OF measurements is extracted by navigation algorithms, which yield estimates of the ventral OF, expansion OF and pitch angle. It was also established that it is possible to bring the planetary lander gently to the ground by tracking a pre-computed optimal reference trajectory in terms of the lowest possible fuel consumption. Software-in-the-loop simulations were carried out in order to assess the potential of the proposed GNC approach by testing its performances. In these simulations, the sensor firmware was taken into account and virtual images of the lunar surface were used in order to improve the realism of the simulated landings.