La planète rouge dans la ville rose : le sol martien vu du ciel à Toulouse

Un prototype de robot en essai sur le site du SEROM (Crédit image : CNES)

Une parcelle de terre bien rouge. Elle est visible en voiture, lorsqu’on rejoint depuis l’échangeur du Palays la bretelle d’accès au parc technologique du Canal en longeant le site du Centre Spatial de Toulouse. Une terre fertile pour un potager ? N’y pensez pas : rien ne poussera sur ce terrain. A l’intérieur de l’enceinte du CNES (Centre National d’Etudes Spatiales), il s’agit en réalité de la réplique de sol martien du SEROM : Le Site d'Essai pour les Rovers Mobiles (Planetary Rover Test facility, marsyard) destiné à reproduire les conditions d'environnement que rencontrent les véhicules d'exploration planétaire. Ce terrain d’expérimentation est utilisé en particulier pour mettre au point et valider des méthodes de navigation utilisant la vision par ordinateur.

Mars en juin :

Le laboratoire de Robotique Mobile du CNES est intégré au service DCT/SB/VS (Validation et moyens Systèmes). Ses travaux portent sur l'autonomie aux robots d'exploration planétaire, en particulier en ce qui concerne la navigation autonome et le déplacement dans un environnement inconnu. Magellium apporte son expertise en traitement d'image et systèmes intelligents. Le laboratoire robotique travaille en étroite collaboration avec l'ESA dans le cadre du projet ExoMars.

Le robot, équipé de caméras permettant une vue stéréo, découvre son environnement et en construit progressivement une représentation : une carte tridimensionnelle du terrain et des obstacles. A partir de cette connaissance, d’autres algorithmes permettent de définir une trajectoire et de piloter les mouvements du robot.

Cet été ont eu lieu les premiers essais de téléopération du rover IARES entre le site opérationnel de l’Agence Spatiale Européenne (ESTEC) à Noordwijk aux Pays-Bas et le site d'essai du SEROM au CNES à Toulouse. Pour être dans des conditions proches d’une véritable mission, les seules informations disponibles à l’ESTEC étaient les images vidéo acquises par les caméras du robot. L’objectif était de vérifier la qualité de la reconstruction de l’environnement de ce robot et commander ses déplacements à distance.

Afin de disposer d’une carte de référence du terrain à haute résolution, le CNES a eu l’idée d’utiliser la nacelle NOTE (Nacelle d’Observation de la Terre) développée pour des ateliers et des animations pédagogiques. Accrochée sous un petit dirigeable gonflé à l’hélium, une nacelle embarque un appareil photo commandé à distance.

Préparation de la nacelle NOTE par l'équipe de Planète Sciences Midi-Pyrénées et acquisition des images
au dessus du sol martien du SEROM (Crédit image : CNES)

La cartographie produite par l’équipe de Planète Sciences Midi-Pyrénées a été utilisée opérationnellement pour les essais effectués pendant l’été, comme le montrent les copies d’écran ci-dessous. Les images numériques ont été acquises en juin 2010 avec la nacelle NOTE par Philippe Layeb et Guillaume Bracco. Plus d’une centaine de photos ont été prises au dessus du sol martien du SEROM, avec des conditions météorologiques défavorables (vent et ciel couvert). Plusieurs dizaines de photographies ont été assemblées numériquement par Guillaume Bracco, bénévole de Planète Sciences Midi-Pyrénées et, également, ingénieur en traitement d’image chez Magellium.

La société Magellium, installée à Ramonville Saint-Agne travaille en particulier sur les systèmes de vision qui sont testés sur le terrain du SEROM : deux caméras effectuent l’acquisition d’une scène à partir de deux points de vue différents. Des traitements permettent ensuite de procéder à la reconstruction 3D de la scène, afin d’y détecter des obstacles ou de mesurer un déplacement.

La mosaïque obtenue, une très grande image « virtuelle », a été livrée à l’ESTEC en juin 2010. Cette photo haute définition a permis de simuler des images d'un orbiter à différentes résolutions et donc de se familiariser avec l'interprétation croisée d'images prises au sol et prises à la verticale.

A gauche, une version réduite de la mosaïque d'images produite par Planète Sciences Midi-Pyrénées
(Crédit image : Planète Sciences Midi-Pyrénées). A droite, deux copies d'écran des essais menés à l'ESTEC
avec la trajectoire du robot et la reconstruction de son environnement (Crédit image : ESA)

NOTE, Nacelle d’Observation de la Terre : un outil pédagogique étonnant

Cet outil pédagogique, développé par Planète Sciences Midi-Pyrénées pour le compte du CNES, a déjà fait l’objet d’articles sur ce blog (voir ci-dessous). NOTE fait partie des outils d’animation du Spatiobus, un véhicule développé par le CNES pour la diffusion de la culture spatiale auprès des jeunes, à travers des animations et des ateliers, qui peut être mis à disposition des collectivités locales. A l’occasion d’animations grand public ou d’ateliers en classe, la nacelle NOTE a pour objectif d’initier les jeunes à l’acquisition et au traitement des images spatiales. Son utilisation est un moyen très concret et spectaculaire de susciter questionnement et intérêt pour aborder les thèmes de l’acquisition des images et de l’observation de la Terre.

L’équipe de Planète Sciences Midi-Pyrénées est très heureuse d’avoir pu ici contribuer directement à un projet professionnel : c’est un de ses objectifs de maintenir un lien étroit entre les jeunes et les laboratoires de recherches ou les industriels, afin de leur faire découvrir les activités scientifiques et techniques et les métiers associés.

A gauche, pendant l'opération "Ciel en Fête" à la cité de l'espace, ciseaux, tirages papier et ruban
adhésif : les ingrédients d'un atelier pédagogique pour découvrir les questions de géométrie des images
et de production de mosaïques. A droite, un résultat montrant la Cité de l'espace vue du ciel.
(Crédit image : Planète Sciences Midi-Pyrénées)

ExoMars :

ExoMars est une mission robotique du programme d’exploration de l’ESA. Elle doit qualifier des technologies permettant à l’Europe de réaliser les futures missions d’exploration habitées et robotiques : l’entrée, la descente et l’atterrissage d’une charge utile sur la surface de Mars ; Un « rover » doit se déplacer à la surface de Mars et prélever des échantillons. C’est Astrium qui assure la maîtrise d’œuvre du Rover, développe la plate-forme d’atterrissage et les boucliers thermiques. Le projet ExoMars comporte deux missions. Le premier lancement est prévu en 2016.

 

Mars Science Laboratory (MSL) :

Mars Science Laboratory est une mission du programme d'exploration de la planète Mars de la NASA. MSL est un rover (véhicule d'exploration) destiné à étudier si Mars fut, ou est encore actuellement, un environnement habitable. Les principaux objectifs sont de déterminer si la vie a pu exister sur la planète Mars, caractériser son climat et sa géologie, préparer l'exploration humaine de Mars. Le lancement de MSL est prévu fin 2011.

En 2008 et 2009, plus de 150 élèves en classe de BTS dans les lycées techniques de la région Midi-Pyrénées ont vécu une aventure extraordinaire à l’initiative de l’équipe projet MSL du CNES et du CESR (Centre d’Etude Spatiale des Rayonnements), un des laboratoires impliqués : ils ont participé à un projet associant plusieurs classes pour concevoir et réaliser une maquette fonctionnelle du rover MSL.

Le robot MSL des lycées techniques en démonstration à Toulouse pendant la Novela 2009 (Crédit image: Gédéon)

Alain Gaboriaud (CNES), chef de projet des instruments français du MSL, Sylvestre Maurice (CESR), « co-principal investigateur » de l’instrument Chemcam, et Marc Rubaud, inspecteur d’académie, très impliqués dans ce projet pédagogique, ont été impressionnés par les résultats obtenus par les élèves et leurs enseignants : la maquette à l’échelle un a été la vedette du pavillon CNES pendant le salon de l’aéronautique et de l’espace au Bourget en 2009.

Sur Mars, les dernières nouvelles de Spirit et Opportunity :

Les deux rovers Spirit et Opportunity ont démarré leur aventure martienne à Cap Canaveral en juin et juillet 2003. Août 2003 correspondait à une période favorable avec une distance terre-mars minimale. Après un voyage agrémenté de plusieurs manœuvres et un freinage atmosphérique, amorcé à la vitesse de 5,4 km/s, les atterrissages, avec un astucieux système d’airbag, ont eu lieu respectivement le 4 et le 25 janvier 2004. Dommage qu’il n’y ait pas eu de caméra pour filmer cela : plusieurs dizaines de rebonds sur le sol martien avant l’arrêt définitif à quelques kilomètres des cibles visées. Belle précision après un trajet de plus de 450 millions de kilomètres.

Equipés de plusieurs instruments scientifiques pour étudier la géologie martienne (caméra panoramique, spectromètres, microscope imageur, etc.), les deux rovers ont eu une longévité exceptionnelle, dépassant largement les prévisions les plus optimistes, bien au-delà des 3 mois de mission nominale, et transmettant un impressionnant volume d’images et de données scientifiques.

Après 6 années et demi, Opportunity fonctionne toujours : Parti du cratère victoria il y a deux ans, il est actuellement en route, à peu près à mi-chemin, vers son nouvel objectif : le cratère Endeavour.

Spirit, quant à lui, n’a plus donné de nouvelles depuis le 22 mars 2010. Survivra t’il à l’hibernation pendant son quatrième hiver martien ?  Les équipes qui contrôlent la mission au JPL à Pasadena ne désespèrent pas de recevoir un « coup de fil » d’ici quelques mois.

Une vue panoramique prise par le rover Opportunity le 19 juillet 2009 à partir de la position Sol 1950,
à proximité du cratère victoria. La direction sud est au centre de l'image, le nord aux deux extrémités.
Pour donner une idée de l'échelle, l'écartement des roues du rover est d'envrion un mètre.
(Crédit image : NASA/JPL-Caltech)

Des robots conçus par des jeunes : les Trophées de robotique et la coupe de France de robotique, organisés par Planète Sciences

Les Trophées de robotique sont des défis scientifiques et techniques qui proposent à des équipes de jeunes (7 à 18 ans) de créer un robot filoguidé afin de découvrir, de façon ludique et pédagogique, les domaines de la robotique : mécanique, électricité, informatique et électronique. Pendant l’année scolaire, en classe ou pendant les heures de loisirs, les équipes doivent concevoir, construire un robot suivant un règlement original : le défi proposé se renouvelle chaque année et un nouveau thème est abordé.

Le résultat du travail des équipes est présenté et valorisé pendant les rencontres (régionales et nationales pour les équipes qualifiées) durant lesquelles elles disputent des matchs : plusieurs actions, de niveaux de difficulté différents, sont à réaliser par les robots pilotés. Au-delà des matchs, c’est surtout l’opportunité de vivre un projet en équipe pour réussir à « livrer » à temps un objet technologique complexe faisant appel à plusieurs types de compétences. Respect d’un planning, cahier des charges à respecter, répartition des tâches au sein de l’équipe, intégration, essais : tous les ingrédients sont réunis pour découvrir la démarche de projet industriel.

Avec une logique similaire pour des jeunes plus âgés, La Coupe de France de Robotique s’adresse à des équipes de jeunes passionnés de la robotique (université, écoles d’ingénieurs, clubs). Il s’agit dans ce cas de réaliser des robots autonomes (ils ne sont plus filoguidés). Cette rencontre permet de nombreux échanges de savoirs et savoir-faire entre les participants. Ils peuvent être encadrés par un enseignant, mais la conception et la réalisation des robots doivent être le fruit de leurs réflexions. Les deux premières équipes françaises, et une équipe ayant reçu un prix spécial, rencontreront leurs homologues internationaux au cours de la finale d’Eurobot Open.

Chaque année, les trophées de robotique organisés par Planète Sciences Midi-Pyrénées à la
Cité de l'espace réunissent les équipes de la région grand-sud (Crédit image : Gédéon)

En savoir plus :

• Les robots d’exploration planétaire sur le site de l’ESA.
• Le projet MSL sur le site du CNES.
• Le projet MSL sur le site du CESR.
• Le site internet du LAAS (Laboratoire d'Analyse et d'Architecture des systèmes) à Toulouse et une découverte des robots du LAAS.
• L’actualité des missions Spirit et Opportunity sur le site du JPL.

Suggestion d’utilisations pédagogiques en classe :

• D’autres articles décrivant des utilisations de la nacelle pédagogique NOTE sur le blog « Un autre regard sur la Terre », à la Cité de l’espace et place du Capitole à Toulouse.
• Un projet pédagogique exceptionnel : une maquette fonctionnelle du rover MSL conçue et réalisée par des lycées techniques, un poster décrivant le projet et la démarche pédagogique des scientifiques.
  
• Les activités robotique de Planète Sciences.
• Sur le site du CNES, une présentation du Spatiobus.
  
• Travail sur les trajectoires des missions martiennes : distance terre-mars, quelle chemin emprunter, l'atterrissage sur Mars, les hivers martiens... pas toujours intuitif !