IA visuelle pour la détection d’obstacles par la robotique spatiale

Modification 004 - Une pièce jointe a été ajoutée afin de prolonger la date de fermeture de ce défi au 03 novembre 2022 à 14:00 HAE

Modification 003 - Une pièce jointe a été ajoutée afin de prolonger la date de fermeture de ce défi au 27 octobre 2022 à 14:00 HNE

La modification 002 est émise pour ajouter des détails sur les exigences relatives à la sécurité, mettre à jour le lien vers le manuel de sécurité des contrats et ajouter la liste de vérification des exigences relatives à la sécurité en tant que document joint, annexe C

Avant l'attribution d'un contrat, les conditions suivantes doivent être respectées :

a) le soumissionnaire doit détenir une attestation de sécurité d’organisme valable tel qu’indiqué.

b) les personnes proposées par le soumissionnaire et qui doivent avoir accès à des informations ou à des biens à caractère protégé ou classifié ou à des établissements de travail dont l'accès est réglementé doivent répondre aux exigences de sécurité

c) le soumissionnaire doit fournir le nom de tous les individus qui devront avoir accès à des renseignements ou à des biens de nature protégée ou classifiée ou à des établissements de travail dont l'accès est réglementé;

Voir le manuel de sécurité des contrats pour plus d'informations - Manuel de la sécurité des contrats - Exigences de sécurité des contrats du gouvernement du Canada – Filtrage de sécurité - Sécurité nationale - Sécurité nationale et défense – Canada.ca (tpsgc-pwgsc.gc.ca)

Modification 001 - Une pièce jointe a été ajoutée. Le document comprend des questions et des réponses liées au défi.

Le présent avis du défi est publié en vertu de l’appel de propositions (003) du programme Solutions innovatrices Canada (SIC) (EN578-20ISC3). Pour obtenir des renseignements généraux sur le SIC, les soumissionnaires peuvent visiter le site Web du SIC à cet effet.

Veuillez consulter les documents de l’appel de propositions qui contiennent le processus de soumission d’une proposition.

Étapes à suivre :

Étape 1 : lisez ce défi

Étape 2 : lisez l’appel de propositions

Étape 3 : proposez votre solution ici

Titre du défi : IA visuelle pour la détection d’obstacles par la robotique spatiale

PROMOTEUR DU DÉFI : Agence spatiale canadienne (ASC)

Méchanisme de financement : contrat

VALEUR MAXIMALE DU MARCHÉ

De multiples contrats pourraient résulter de ce défi.

Phase 1 :

• Le financement maximal disponible pour tout contrat de la phase 1 résultant de ce défi est de : 150 000 $ CAD, à l'exclusion des taxes applicables, des frais d'expédition, de déplacement et de subsistance, selon les besoins.
• La durée maximale de tout contrat de la phase 1 résultant de ce défi est de 6 mois (à l'exclusion de la présentation du rapport final).
• Estimation du nombre de contrats de la phase 1 : 2

Phase 2 :

N.B.: Seulement les entreprises qui auront complété avec succès la Phase 1 seront invitées à soumettre une proposition pour la Phase 2.

• Le financement maximal disponible pour tout contrat de la phase 2 résultant de ce défi est de : 1 000 000 CAD, à l'exclusion des taxes applicables, des frais d'expédition, de voyage et de séjour, selon les besoins.
• La durée maximale de tout contrat de la phase 2 résultant de ce défi est de 24 mois (à l'exclusion de la présentation du rapport final).

• Estimation du nombre de contrats de la phase 2 : 1

Le fait de divulguer l'estimation du financement disponible n'engage aucunement le Canada à payer cette somme. Les décisions finales sur le nombre de bourses des phases 1 et 2 seront prises par le Canada en fonction de facteurs tels que les résultats de l'évaluation, les priorités ministérielles et la disponibilité des fonds.

N.B.: les entreprises sélectionnées peuvent recevoir un contrat par phase, par défi. 

Déplacements 

Lors de la Phase 1, un soumissionnaire retenu pourrait devoir se déplacer à l’Agence spatiale canadienne, Longueuil (Québec), pour la réunion d’examen final.

Réunion de lancement

Téléconférence/videoconference

Réunions d'étape

Téléconférence/videoconference

Réunion d’examen final

Par téléconférence ou vidéoconférence, ou Longueuil (Québec)

Les autres communications pourront se faire par téléphone, ou par vidéoconférence.

Sommaire du problème

L’Agence spatiale canadienne (ASC) recherche des solutions qui amélioreront l’autonomie des futurs systèmes robotiques spatiaux grâce à l’utilisation d’un système de vision reposant sur des techniques d’intelligence artificielle (IA) pour détecter, en temps réel, les obstacles potentiellement dangereux et vérifier les marges de dégagement dans des environnements dynamiques et incertains

Énoncé du problème

L’exécution de trajectoires autonomes sans collision dans un environnement dynamique et incertain est un problème important que l’ASC cherche à résoudre afin d’augmenter l’autonomie du système robotique pour les futures missions spatiales. Les systèmes robotiques fonctionnent sur des infrastructures spatiales ou dans d’autres environnements où les collisions peuvent potentiellement être catastrophiques. Les futurs systèmes spatiaux devront avoir une plus grande autonomie afin d’être moins dépendants des communications avec les stations au sol et de réduire la charge de travail de l’équipage; par conséquent, ils devront s’appuyer sur plusieurs couches de logiciels intelligents pour la supervision et l’assurance de la sécurité.

Les caméras intégrées au robot et montées sur l’infrastructure fournissent une solution ayant une masse, une puissance et un volume relativement modérés pour détecter l’espace de travail robotique. Le Canadarm2, par exemple, est équipé de caméras embarquées dans ses effecteurs et le long de ses mâts afin de permettre à des opérateurs humains de guider et de surveiller ses opérations. Les futures missions telles que la station spatiale cislunaire Gateway nécessitent des opérations robotiques autonomes pendant les périodes où la vidéo ne peut pas être reliée au sol pour la surveillance.

Ce défi vise à explorer la faisabilité d’un système de vision fondé sur l’IA pour aider ou décharger les contrôleurs humains au sol de la surveillance des dégagements robotiques. Pour l’ASC, un système de supervision de robot efficace se traduit par une amélioration de la sécurité et de l’efficacité opérationnelle de la mission. L’ASC estime qu’un système de vision par ordinateur fondé sur l’apprentissage automatique sera en mesure de détecter les obstacles et de surveiller la proximité des structures et des obstacles lors de la manipulation des charges utiles.

Résultats souhaites et éléments à considérer

Résultats essentiels (obligatoires)

La solution proposée doit :

1. Fonctionner en temps réel, dans un environnement spatial sous toutes les conditions d’éclairage solaire.
2. Utiliser les données de caméra 2D (images fixes et flux vidéo) des caméras existantes intégrées dans un manipulateur spatial ou montées sur son infrastructure et n’assumer aucune fonctionnalité de capteur supplémentaire.
3. Avoir une résolution et une précision suffisantes pour détecter la présence d’objets minces (~ 2 cm de large) tels que des faisceaux de câbles et des attaches liées aux activités extravéhiculaires (EVA).
4. Avoir un taux de faux positifs de 2% ou moins et de faux négatifs de 1% ou moins.
5. Partir du principe que les caméras pourraient être montées sur les mâts ou les effecteurs du manipulateur (c’est-à-dire qu’ils pourraient ne pas être immobiles pendant le fonctionnement.
6. Travailler avec une bande passante de données (flux vidéo de la caméra au processeur) limitée à 512 kbps et une fréquence de mise à jour d’au moins 2 Hz.
7. Fournir un affichage du monde virtuel 3D du manipulateur et des obstacles détectés.
8. Fournir une détection d’obstacles sur toute la longueur du bras robotique spatial et autour de toutes les charges utiles attachées ou manipulées.
9. Être capable de fonctionner sur une plate-forme spatiale type (telle qu’un système FPGA sur puce de 2 à 4 cœurs fondé sur ARM, exécutant VxWorks ou Linux, quelques Go de RAM, un disque SSD, un budget de puissance d’environ 10 watts, une connectivité Ethernet capable de taux de transfert d’au moins 100 Mbps).

Résultats souhaités supplémentaires

Les solutions proposées devraient :

1. Avoir une performance robuste malgré la déformation et le flou des images diffusées par les caméras embarquées en raison des oscillations causées par les mouvements du bras robotique.
2. Entraîner des augmentations minimes aux allocations de puissance, de masse, de volume de ressources de calcul (UCT et mémoire), du concept avionique d’un robot spatial.
3. Étudier la possibilité d’ajouter du matériel informatique de trajectoire de vol à l’avionique embarquée si la puissance de calcul de l’avionique du robot spatial s’avère insuffisante.
4. Être capable de détecter des caractéristiques à l’intérieur d’un volume de dégagement donné ou d’une zone interdite, par exemple un cylindre d’une profondeur de 2,4 m et d’un diamètre de 2 m. Étudier l’utilisation de plusieurs caméras pour couvrir tout le volume de la zone hors de portée.
5. Utiliser un algorithme de vision demandant un nombre minimum de vues de caméra indépendantes (devrait faire partie de l’étude). 
6. Pouvoir s’appliquer à un robot articulé décalé à 7 degrés de liberté similaire au manipulateur agile spécialisé de la Station spatiale internationale.

Historique et contexte

L’enjeu de sécurité est essentiel pour le robot manipulateur d’entretien de l’espace afin d’éviter qu’il n’entre en contact involontaire pendant les opérations. Par exemple, la prévention des collisions commence au stade de la planification. Les trajectoires robotiques sont conçues à l’aide d’un simulateur cinématique qui utilise des modèles graphiques haute-fidélité de la structure externe de la Station spatiale internationale (SSI), le système de télémanipulateur de la station spatiale (SSRMS) et le manipulateur agile spécialisé (MAS). Les concepteurs de missions robotiques utilisent cet outil pour définir une série de poses et de trajectoires pour le manipulateur. Un outil de planification graphique permet de vérifier que la trajectoire répond aux besoins de la mission, en évitant les singularités, les auto-collisions, les limites articulaires, et en respectant les dégagements à la structure et les éventuelles zones interdites définies (ex : un volume autour d’une antenne rayonnante).

Bien que ces chemins planifiés soient un bon point de départ, ils ne peuvent pas être exécutés aveuglément pour les raisons suivantes :

• Les perturbations dans la géométrie de la station dues aux effets de la pression aux ports d’amarrage et à la dilatation/contraction thermique ne peuvent pas être prises en compte dans le modèle de conception assistée par ordinateur (CAO).
• Des différences peuvent exister entre le modèle conforme à la conception et l’état définitif des modules fabriqués.
• Les véhicules spatiaux ont des appendices tels que des panneaux solaires et des antennes qui peuvent se déployer ou s’articuler pour maintenir leur pointage requis. Si leurs états d’articulation sont inconnus, le robot doit éviter tout le volume qu’ils pourraient balayer.
• La configuration extérieure du véhicule peut être physiquement modifiée par des membres d’équipage affectés aux activités extravéhiculaires (EVA), des débris abandonnés ou l’installation de charges utiles logistiques et scientifiques qui n’étaient pas représentées dans le modèle au moment de la planification.
• Des défauts de fixation des composants externes peuvent survenir, tels que des faisceaux de câbles qui se détachent ou une attache de véhicule flottante, et ceux-ci peuvent interférer avec l’espace de travail opérationnel du système robotique.
• Les membres de l’équipage EVA peuvent ne pas connaître ou mal évaluer le prochain mouvement du manipulateur, et peuvent donc se trouver accidentellement dans la trajectoire prévue de l’effecteur terminal ou des flèches.

Toujours dans l’exemple du Canadarm2, au moment de l’exécution, lorsque l’effecteur terminal du manipulateur s’approche de la proximité de la station, un opérateur humain doit observer tous les mouvements pour s’assurer que le dégagement est maintenu entre la structure de la station, le bras et la charge utile. Les caméras panoramiques/inclinables/zooms situées au niveau des coudes du SSRMS, les caméras de l’infrastructure de la station, ou les deux, peuvent fournir les vues vidéo nécessaires pour cette tâche. Pour les opérations du MAS, les vues de caméra idéales sont rarement disponibles. Il est important de noter que la surveillance du dégagement repose sur le système perceptuel de la personne pour filtrer le bruit, déduire la profondeur et s’adapter aux conditions d’éclairage difficiles et variables en orbite.

Pour les futures missions spatiales, telles que la station spatiale cislunaire Gateway, la majorité des opérations robotiques devraient être effectuées de manière autonome, sans équipage à bord et sans liaison de communication avec le sol. En tant que telle, la fonction de contrôle des dangers qui était auparavant fournie par l’opérateur regardant la vidéo en liaison descendante doit être exécutée par un certain aspect du système embarqué. Le système de vision fondé sur l’IA est une solution possible pour fournir ce contrôle des risques.

Il peut être possible pour le robot de construire ou de corriger son modèle du monde fondé sur certains capteurs extéroceptifs à haute densité (par exemple, une caméra stéréo ou un lidar). Cette approche nécessiterait une reconstruction, un enregistrement et une segmentation 3D précis et fiables, et ces problèmes n’ont pas été résolus au point de pouvoir faire entièrement confiance à la sécurité d’un véhicule spatial avec équipage sans supervision humaine. En tant que tel, un système réactif fondé sur le comportement qui utilise la détection en temps réel pour remplacer convenablement les commandes qui entraîneraient des collisions semble être une solution plus appropriée.

La solution recherchée adopte l’approche inverse en utilisant des capteurs existants ou facilement adaptables (c’est-à-dire des caméras) et un algorithme de prise de décision plus avancé. Des approches fondées sur l’IA telles que l’apprentissage automatique, la reconnaissance de formes ou le raisonnement spatio-temporel peuvent être utilisées pour détecter les obstacles et surveiller la proximité de la structure. L’opération est alors interrompue (ou éventuellement ajustée de manière autonome) si un objet inattendu se trouve à proximité du bras.

Voici un exemple de cas d’utilisation du système de vision:

• Un manipulateur agile manœuvre de manière autonome pour insérer une charge utile dans un emplacement d’a.
• Le centre de contrôleur de mission, et en particulier le personnel responsable de la robotique qui a planifié l’opération, ignore qu’une antenne effilée d’un site adjacent s’est détachée et flotte maintenant en bloquant partiellement le couloir d’approche.
• Lorsque la charge utile est mise en place, le système de vision estime qu’il n’y a pas suffisamment d’espace entre la charge utile et l’antenne.
• L’agent autonome arrête le mouvement du bras, et signale au sol que l’opération ne peut se poursuivre comme prévu.

ENQUÊTES

Toutes les demandes de renseignements doivent être présentées à TPSGC.SIC-ISC.PWGSC@tpsgc-pwgsc.gc.ca au moins dix jours civils avant la date de clôture. Pour ce qui est des demandes de renseignements reçues après ce délai, il est possible qu'on ne puisse pas y répondre.

*Comment préparer une soumission