Asservissement visuel de l'orientation d'un satellite d'observation de la Terre

Visual servoing of the orientation of an Earth observation satellite

• Auteur / Autrice : Maxime Robic
• Direction : François Chaumette, Éric Marchand
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique, productique et robotique
• Date : Soutenance le 12/12/2023
• Etablissement(s) : Université de Rennes (2023-....)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Mathématiques, télécommunications, informatique, signal, systèmes, électronique (Rennes ; 2022-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut national de recherche en informatique et en automatique (France). Unité de recherche (Rennes, Bretagne-Atlantique) - RAINBOW
• Jury : Président / Présidente : Paolo Robuffo Giordano
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Guillaume Allibert
• Jury : Rapporteur / Rapporteuse : Viviane Cadenat, Pascal Vasseur

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites artificiels -- Systèmes de commande d'orientation

Robotique

Commande automatique

Satellites artificiels en télédétection

Mots clés libres

Asservissement visuel

Robotique spatiale

Suivi visuel

Commande automatique

Système de commande d'orientation

Visual servoing

Space robotic

Visual tracking

Automatic control

Attitude control subsystem

Résumé

Cette thèse vise à développer des lois de commande basées vision pour un satellite d'observation en basse orbite capable de s'orienter sur ses trois degrés de liberté. En effet, les satellites d'observation de la Terre doivent pointer précisément leur capteur vers la surface de la Terre, et les méthodes de commande traditionnelles font face à des problèmes en raison de la vitesse orbitale du satellite et des perturbations externes devenant fortes en orbite terrestre basse. Un guidage en temps réel de l'attitude d'un satellite à partir des informations d'un capteur de vision peut offrir davantage de fonctionnalités pour améliorer la robustesse, la précision et la flexibilité du pointage, et permettre des missions plus complexes, telles que le suivi d'un objet en mouvement, ce qui restait jusqu'à présent un problème ouvert. L'asservissement visuel est une approche prometteuse dans ce contexte. Elle a en effet déjà prouvé son efficacité pour effectuer des tâches robotiques (déplacement, manipulation, observation,..), avec de récentes applications à la robotique spatiale. En formulant la mission d'un satellite comme une tâche d'asservissement visuel, il devient possible d'appliquer ces techniques pour contrôler précisément son orientation. Cette thèse propose des lois d'asservissement visuel pour résoudre les problèmes liés aux mouvements rapides du satellite, à ses contraintes mécaniques, à la poursuite de cibles mobiles, et à la qualité de l'image, en atténuant spécifiquement le flou de mouvement lors d'une acquisition.

This thesis aims to develop vision-based control laws for a low orbit observation satellite capable of moving on its three rotational degrees of freedom. Indeed, Earth observation satellites are used to precisely point their sensor toward the Earth's surface, and traditional control methods face challenges due to orbital motion and external perturbations becoming intense in low Earth orbits. Real-time satellite attitude guidance through vision sensor feedback can offer more features to improve the robustness, accuracy, and flexibility of the pointing, and allows for more complex missions, such as tracking a moving target. Visual servoing, a vision-based closed-loop control approach, is appealing in this context. Visual servoing has indeed already proven its effectiveness in performing various robotic tasks (navigation, manipulation, observation..), with recent applications to space robotics. By defining the mission of an observation satellite as a visual servoing task, it becomes possible to apply these different techniques to precisely control its orientation. This thesis proposes personalized visual control laws to address issues related to fast satellite motion, its mechanical constraints, on-board visual tracking of moving targets, and image quality, specifically mitigating motion blur during an acquisition.