Protótipo para aquisição de imagem LIDAR 3D vai integrar futuras missões espaciais

O Centro de Fotónica Aplicada (CAP) do INESC TEC concluiu o primeiro protótipo de um sistema com tecnologia Light Detection And Ranging (LIDAR), que mede as propriedades da luz refletida de modo a obter informações como a distância e a forma 3D de um determinado objeto. O sistema poderá auxiliar na aterragem de sondas, na navegação de robôs na superfície de planetas ou na recolha e transporte de amostras do solo, e deverá equipar os veículos das próximas missões de exploração do planeta Marte. O protótipo foi desenvolvido no âmbito do projeto CYCLOPS que junta o INESC TEC e a Agência Espacial Europeia (ESA).

Sensor com um pixel captura imagens 3D com resolução de 1024x768

Mais leve, compacto, eficaz e sustentável, o LIDAR (parecido com um radar mas com radiação laser), que foi desenvolvido com base numa teoria revolucionária denominada de “compressive sensing” (sensorização compressiva), permite medir distâncias e capturar imagens 2D e 3D com uma resolução de 1024 por 768 pixéis.

A tecnologia diferencia-se dos sistemas convencionais sobretudo por não ter partes móveis (o que é vantajoso para aplicações a nível espacial, pois não levanta problemas de alinhamento, vibração ou lubrificação, por exemplo), por não realizar varrimento da área a inspecionar e por ter um sensor com apenas um pixel que permite, ainda assim, adquirir imagens com 1024 por 768 pixéis e com menos medições do que o habitualmente necessário. “Outra vantagem do sistema é a possibilidade de miniaturizar o sensor, reduzindo substancialmente a massa e a potência consumida, exponenciando o número de aplicações e missões espaciais para o qual pode ser considerado no futuro”, acrescenta o Technical Officer da ESA, João Pereira do Carmo.  

A integração deste sistema desenvolvido pelos investigadores do CAP, Filipe Magalhães e Francisco Araújo, permitirá identificar qual a melhor localização para a aterragem dos veículos espaciais na Lua ou em Marte, através da análise topográfica do terreno, tendo por base a aquisição de imagens e as respetivas distâncias registadas para cada pixel da imagem. Os robôs exploradores na superfície do planeta também podem detetar obstáculos e movimentar-se mais facilmente graças às potencialidades abertas por este sistema. Além disso, o protótipo pode ainda facilitar a recolha e o transporte de amostras do solo de Marte para a Terra, ao localizar a posição exata da cápsula em órbita com as amostras.

No entanto, o sistema não se aplica apenas à exploração de planetas ou corpos celestes e esta tecnologia pode ter também diversas utilizações em cenários mais habituais, como levantamento topográfico, navegação autónoma de veículos ou aplicações militares (por exemplo, visão através de camuflados ou visão noturna). 

Protótipo chegará ao Planeta Vermelho em 2018

Para já o protótipo laboratorial está apenas a ser utilizado como prova de conceito, mas em 2018 poderá pisar o solo de Marte. Nessa altura terá de ser adaptado às condições algo adversas do Planeta Vermelho, tais como temperaturas extremamente baixas, tempestades de areia e ventos fortes. “Os componentes eletrónicos, óticos e mecânicos deverão então atender a requisitos de temperatura, radiação e vibração característicos das cruzadas espaciais já que são vulgarmente produzidos para temperaturas que podem variar entre os -20ºC e os 40ºC, ao passo que no espaço as temperaturas podem descer até -100ºC ou subir até +300ºC, pelo que é preciso utilizar componentes especiais que suportem tais gamas de operação”, explica o investigador do CAP Filipe Magalhães.

O INESC TEC é uma das poucas instituições do mundo a trabalhar na aplicação desta tecnologia à exploração espacial e concorre com diversos organismos que querem ver a sua tecnologia associada à exploração espacial, um mercado de infinitas potencialidades. “A inexistência, na Europa, de detetores de grande resolução para a obtenção de imagens 3D (como os necessários para as aplicações espaciais referidas) e os elevados custos do seu possível desenvolvimento, levaram a ESA a promover soluções alternativas e de grande potencial como a proposta pelo INESC TEC”, refere João Pereira do Carmo.

Ainda assim, não é a primeira vez que o Laboratório Associado dá provas no espaço e já noutra ocasião foi escolhido pela ESA para criar soluções que podem ser adaptadas à engenharia aeroespacial. Recorde-se, por exemplo, o projeto europeu ESA-ONE, de monitorização de dióxido de carbono na atmosfera.

Sistema entrará numa segunda fase já no início do próximo ano

O protótipo foi gerado no âmbito do projeto CYCLOPS (em alusão aos gigantes da mitologia grega possuidores de um só olho, tal como o sistema tem um detetor com só um pixel) cujo principal objetivo é o desenvolvimento de um sistema para aquisição de imagens LIDAR com uma câmara de um único-pixel baseada em sensorização compressiva para ser usado em missões espaciais, em particular a Marte. É um projeto que reúne exclusivamente o INESC Porto e a Agência Espacial Europeia (ESA).

O INESC TEC conta arrancar com uma segunda fase de desenvolvimento deste sistema inovador já no início de 2014. Nesta próxima fase, os investigadores esperam desenvolver um sistema com um nível de maturação tecnológica superior (TRL 4 ou superior) e, por conseguinte, mais bem adaptado às exigências da operação no Espaço. “Deverá também ser ainda mais rápido, compacto, leve e com menores requisitos de potência elétrica”, revela Filipe Magalhães.

A partir dessa altura, o projeto, que até agora tem sido desenvolvido em exclusivo pelo INESC TEC e pela ESA, deverá contar com a colaboração da empresa EFACEC, através da sua área de desenvolvimento aeroespacial.