Determinación del Relieve 3D de la Superficie de Marte usando un UAV

Abstract

Determinación del Relieve 3D de la Superficie de Marte usando un UAV Mars Surface 3D relief using a UAV Drone, UAV, Marte, relieve 3D, procesamiento de imagen, fotogrametría. Universidad Tecnológica del Perú, Lima 001 DOI: https://doi.org/10.33017/RevECIPeru2015.0005/ Resumen En este artículo se presenta el desarrollo de un UAV (Quadcopter) para la determinación del relieve en 3D de la superficie del planeta Marte, el propósito de esta investigación es proveer una herramienta moderna y confiable a los tripulantes en futuras exploraciones espaciales, los cuales tendrán la oportunidad de enviar al equipo para realizar el reconocimiento y mapeo de un área específica. El objetivo del desarrollo de este dispositivo es asegurar la integridad física de las personas en cualquier misión de investigación y exploración de lugares desconocidos, ya que podrá ser monitoreado remotamente y brindar información relevante previa a la exploración humana lo que dará una mejor visión del terreno a investigar. Este proyecto fue desarrollado en el programa de experimentación y simulación en el MDRS (Mars Desert Research Station) organizado por The Mars Society, estación ubicada en el desierto de Utah, Estados Unidos, en este lugar se desarrolló también la simulación de supervivencia marciana. El desarrollo del equipo constó de dos etapas principales, la primera parte se enfocó en el análisis de hardware y software para el Quadcopter, se seleccionaron las diferentes piezas, el frame principal y los parámetros de control para un vuelo estable, la segunda parte se orientó a la creación del algoritmo para el procesamiento de las imágenes y la determinación del relieve en 3D, todo ello desarrollado en Matlab. En la estación de investigación MDRS se desarrollaron las simulaciones, pruebas de vuelo y toma de datos. El Quadcopter puede ser piloteado usando un control remoto para mapear diversas zonas, además de ello, gracias al GPS con el que cuenta, tiene la capacidad de establecer puntos en el aire para realizar un recorrido predeterminado y mapear una región definida. El principio que se emplea en el procesamiento de imágenes es la fotogrametría, la cual emplea fotografías digitales, mediante las cuales se realiza un reconocimiento de patrones y puntos de referencia para poder determinar la superficie fotografiada en 3D. Una cámara GoPro fue utilizada para la recolección de imágenes ya que brinda fotografías de buena calidad además de ser resistente a ambientes adversos como el polvo y a humedad. Las zonas contiguas a la estación en el Desierto de Utah fueron los lugares de experimentación, lo cual sirvió para poder calibrar los parámetros de control de vuelo del Quadcopter y los del algoritmo para el procesamiento de imágenes en Matlab. Los resultados obtenidos durante las primeras pruebas fueron óptimos, lo que demuestra que los métodos utilizados son los adecuados, pero aún no se han alcanzado resultados precisos, ya que se tiene un porcentaje de error mayor al esperado. Actualmente se viene trabajando en el mejoramiento del hardware del Quadcopter y en el programa de procesamiento de imágenes para obtener mejores resultados. Este trabajo es un aporte a la literatura científica en el área de exploración espacial, ya que este tema no ha sido muy desarrollado, se espera que esta investigación sirva como base para el desarrollo de nuevos aparatos relacionados a este contenido. Palabras clave: Drone, UAV, Marte, relieve 3D, procesamiento de imagen, fotogrametría. Abstract In this article its presented the development of an UAV (Quadcopter) about 3D relief obtainment of Mars surface, the purpose of the research it to provide a modern and reliable tool to crewmembers on future space explorations, which will have the opportunity of send this machine to perform recognizing and mapping mission of an specific area. The main objective about the development of this device is to ensure the phisic integrity of people in any research mission or exploration mission of unknown places. It could be driven remotely and receive precise relevant information previously to the human exploration, which give a better vision of the researched area. This project was developed in the simulation program at MDRS (Mars Desert Research Station) organized by The Mars Society, the station is located in Utah desert in the USA. In that place was performed the simulation of mars survival. The development of the entire project consisted into two main stages, the first part was focused on hardware and software analysis of the Quadcopter. It was selected the main components, main frame and control parameters for a stable flight. The second part was oriented to the creation of an image processing algorithm and 3D relief obtaining, which was built on Matlab. On the Research Station the simulations, flight proofs and data collection were performed. The Quadcopter could be operated using a remote controller for mapping many zones, also it is provided of a GPS unit, which allow to set points in the air and follow a given range recording a defined region. The principle used in image processing is called photogrammetry, which use digital photos. Then, patterns and reference points are recognized to define the photographed surface into a 3D model. A GoPro camera was used to get pictures because this kind of devices are very resistant to dust and humidity also it gives high quality photos, important for the subsequent analysis. Close places to the station in the Utah desert were experimentation places. It helped to calibrate control flight parameters of quadcopter and image processing parameters on Matlab. Reached results during first tests were optimum, which demonstrate that methods used are correct, but precise results haven’t reached yet, because there is an average error percentage. Currently it’s been working on the improvement of the Quadcopter hardware and in the image processing program to get better results. This work is a contribution to the scientific literature in the space exploration field. This specific topic was not well developed, so it’s hoped that it serve as base for many new projects and the development of innovative devices related to this. Keywords: Drone, UAV, Mars, 3D relief, image processing, photogrammetry.