Cet article est republié dans le cadre de la prochaine Fête de la science (du 5 au 13 octobre 2019 en métropole et du 9 au 17 novembre en outre-mer et à l’international) dont The Conversation France est partenaire. Cette nouvelle édition aura pour thème : « À demain, raconter la science, imaginer l’avenir ». Retrouvez tous les débats et les événements de votre région sur le site Fetedelascience.fr.
La mission réussie d'Apollo 11 il y a 50 ans a marqué un tournant dans l'industrie spatiale.
Il est comparable au vol des frères Wright en 1903, qui a marqué le début de l'industrie aéronautique, et l'invention par James Watt de la machine à vapeur, le point de repère de l'ère industrielle. Le premier pas sur la surface de la Lune est reconnu comme le début de l'ère de l'exploration spatiale.
Les récentes grandes initiatives internationales d'exploration et d'exploitation de l'espace, telles que le Programme d'exploration de Mars, le Programme d'accélération de l'exploration lunaire, la Station spatiale internationale (ISS) et OSIRIS-Rex, visent à répondre à certaines des questions fondamentales pour l'être humain :
Quelle est l'origine de l'univers et de la vie ?
Quelles sont les sources alternatives d'énergie et de matériaux pour les générations futures ?
Comment se protéger contre les menaces extraterrestres telles que les collisions de comètes ou d'astéroïdes ?
Je suis le fondateur et directeur du Laboratoire autonome de robotique spatiale et de mécatronique (ASRoM-Lab), où notre équipe de recherche se concentre sur le développement d'algorithmes et de méthodologies pour le guidage, la navigation et le contrôle intelligents des systèmes robotiques spatiaux de prochaine génération, notamment des robots aériens manipulateurs et des rovers (véhicules automobiles destinés à l'exploration planétaire) autonomes.
Des robots autonomes
Aujourd'hui, la recherche sur les technologies des systèmes robotiques de pointe qui permettent de mener à bien des missions spatiales constitue un élément indissociable de tout programme spatial. Le Canadarm 1 et le Canadarm 2 et Dextre (SPDM : Manipulateur agile spécialisé) sont des exemples de systèmes de manipulation qui ont été utilisés dans la construction et l'exploitation de la Station spatiale internationale.
L'objectif de la station spatiale était d'étudier les effets de la microgravité et des environnements spatiaux hostiles sur les organismes vivants, et de tester l'instrumentation et les technologies d'ingénierie afin de se préparer à la prochaine phase d'exploration spatiale.
Un programme spatial durable nécessite des systèmes robotiques fiables et entièrement autonomes, tant pour maintenir les infrastructures spatiales existantes que pour en construire de nouvelles au-delà des orbites terrestres basses.
L'autonomie est particulièrement essentielle pour les systèmes robotiques spatiaux, car ils doivent fonctionner dans des environnements difficiles et en partie inconnus. Ils doivent également remplir des missions rapides, fréquentes et complexes, qui exigent des décisions prises sur-le-champ en raison de retards dans la communication.
Récupérer les débris spatiaux
Tous les aspects de notre vie, des sciences et de la technologie à la sûreté et à la sécurité, dépendent de nos systèmes satellitaires. Les satellites fournissent des services tels que l'observation astronomique, les télécommunications, l'observation de la Terre, le système mondial de navigation, la surveillance militaire et les prévisions météorologiques, qui sont tous essentiels à la vie quotidienne.
Pour maintenir leurs services ininterrompus sur Terre et protéger les satellites en orbite, l'entretien en orbite des satellites anormaux et l'enlèvement des débris spatiaux sont essentiels.
Après des années d'exploration et d'exploitation de l'espace, des dizaines de milliers de débris d'origine humaine gravitent autour de la planète. Sans une tentative active de retirer ces objets de l'orbite, les futures missions spatiales sont sujettes à l'échec.
Une approche prometteuse pour l'enlèvement actif des débris consiste à utiliser un système de chenillard-manipulateur, dont le guidage, la navigation et le contrôle pendant les opérations de proximité sont difficiles en raison de la dynamique de mouvement couplé du chenillard et du manipulateur et du mouvement non contrôlé des débris.
De plus, pour que la mission d'enlèvement des débris soit couronnée de succès, l'opération robotique doit être résiliente aux scénarios imprévus tels que les tentatives ratées, les changements d'environnement et l'impact pendant la phase de capture, qui peuvent affecter considérablement le mouvement du système chenillard-manipulateur et celui des débris.
Une mission autonome d'enlèvement de débris nécessite un système robotique qui doit inclure des mesures de sécurité appropriées et être capable de générer des décisions rapides basées sur des scénarios inattendus. Par exemple, le système robotique devrait être en mesure de retrouver sa stabilité et de changer sa direction d'approche après une tentative ratée de capture des débris.
La communauté spatiale internationale se concentre actuellement sur les programmes la Porte lunaire et Deep Space Exploration qui nécessitent la construction d'habitats permanents sur les orbites lunaire et martienne.
L'assemblage de grandes structures situées à des millions de kilomètres de la Terre nécessite le déploiement de nombreux manipulateurs rentables, autonomes et en vol libre qui fonctionnent en collaboration et sans intervention humaine pendant plusieurs jours. Ces manipulateurs de nouvelle génération devraient être capables de gérer des environnements dynamiques, de gérer de grandes structures flexibles et de communiquer entre eux sans fil.
À la recherche de vie extraterrestre
Une autre catégorie de systèmes robotiques spatiaux est celle des plates-formes à roues, qui sont utilisées pour l'exploration de la surface planétaire. Ces systèmes ont une longue durée de vie au cours de laquelle ils doivent traverser des terrains inconnus et éventuellement dynamiques, manipuler des objets, distinguer des échantillons de valeur scientifique et les collecter. En raison des difficultés de communication, ils ont également besoin d'un grand degré d'intelligence pour prendre des décisions et parfois pour diagnostiquer, réparer ou se calibrer eux-mêmes.
Des flottes de satellites en orbite, d'atterrisseurs et de rovers ont été envoyées vers d'autres objets célestes à la recherche de signes de vie. Les missions les plus réussies impliquant des rovers autonomes ont été Sojourner (Mars, 1997), Spirit (Mars, 2004-2010), Opportunity (Mars, 2003-2018) et, enfin, Curiosity (Mars, 2012), qui explore encore la planète.
Les caractéristiques uniques des rovers présentent des défis dans leurs systèmes de guidage, de navigation et de contrôle. Certains de ces défis incluent de concevoir des pneus pour terrains inconnus et d'enseigner au rover comment éviter les obstacles.
Un autre défi consiste à identifier l'emplacement relatif et absolu d'un rover. L'odométrie de la roue - calculer où le rover est basé en comptant le nombre de rotations de ses roues - est une technologie de localisation populaire. Mais elle est sujette à d'importantes erreurs au fil du temps en raison du patinage des roues sur les terrains à faible traction, comme les sols mouvants.
L'exemple évident d'un échec de mission dû à une perte de traction est le Spirit rover qui s'est enlisé dans un sol mouvant et est devenu non opérationnel.