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Que va faire Thomas Pesquet avec un Oculus Quest sur la Station spatiale internationale ?

Le Centre national d'études spatiales (CNES) avait innové en 2017 en envoyant un casque de réalité virtuelle sur la Station spatiale internationale pour que Thomas Pesquet puisse se livrer à certaines expériences de neurosciences. Pour la deuxième mission du spationaute, qui débutera en avril, l'agence spatiale française réitère l'expérience avec l'activité de simulation télérobotique Pilote.
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Que va faire Thomas Pesquet avec un Oculus Quest sur la Station spatiale internationale ?
Le CNES a effectué des tests lors de vols paraboliques pour s'assurer du bon fonctionnement de l'Oculus Quest en micropesanteur. © CNES - Novespace

Le spationaute français Thomas Pesquet s'envolera pour la deuxième fois vers la Station spatiale internationale (ISS) en avril prochain, dans le cadre de la mission Alpha. Il s'agira de la première expédition d'un spationaute européen à bord de Crew Dragon, la capsule spatiale de SpaceX. La mission sera d'une durée de six mois, avec un retour sur Terre prévu en septembre 2021.

Parmi les activités au programme de la mission Alpha, le Centre national d'études spatiales (CNES) en a prévu deux en réalité virtuelle. Elles utiliseront un casque Oculus Quest. La première est une expérience scientifique de neurosciences baptisée Pilote. Elle mettra en pratique des tâches de pilotage : une de guidage où il faut contrôler un véhicule pour qu’il suive une trajectoire, et une autre de capture à l'aide d'un bras télérobotique.

La seconde activité est un démonstrateur sur les expériences de sport. Les astronautes font en moyenne 2h30 de sport par jour pour limiter la perte musculaire et osseuse dans l'espace. Thomas Pesquet fera du vélo avec une scène terrestre en réalité virtuelle qui lui permettra de garder un lien avec la vie terrestre. Il s'agit de scènes filmées à 360° qui ont pour objectif de renforcer le bien-être psychologique, ainsi que de rendre l'activité ludique. Le rythme de la vidéo est notamment corrélé à la vitesse du pédalage. Ce démonstrateur a été développé par la société Fit Immersion, basée à Montpellier.

Casque de réalité virtuelle et contrôle à retour de force
Pour Pilote, l'avantage de la réalité virtuelle est qu'elle permet d'avoir un contrôle précis et complet de l’information visuelle fournie à un sujet quand il réalise des tâches visiomotrices. "Il s'agit d'attraper un véhicule sans système d’amarrage automatique lorsqu'il arrive vers la station, explique Maurice Marnat, ingénieur à l'Institut de Médecine et de Physiologie Spatiales (MEDES-IMPS), et responsable du développement de l’expérience Pilote au CADMOS, le centre dédié aux vols habités au sein du CNES. Ces activités existent déjà et sont régulièrement effectuées, mais elles sont à haute risque. Outre le fait de fournir un entraînement avec plus de liberté et moins de risques, l'objectif est d'optimiser l'accompagnement visuel et haptique du pilote."
 


Test du dispositif de contrôle Sigma-7


Le casque VR sera couplé à un dispositif haptique à retour d’effort 6DOF appelé Sigma-7. Il pourra également être agrémenté d'une space mouse (joystick à 3DOF plus inclinaisons) pour un contrôle bimanuel suivant les exercices. Pilote est développé avec l'aide d'investigateurs de l’Université de Paris, du CNRS, et de l'Institut de recherche espagnol Tecnalia, plus le support d'Oculus.

Optimiser les paradigmes de contrôle en environnement spatial
Pour la partie guidage, un véhicule virtuel devra passer une série d’anneaux assez rapprochés, et sera ralenti à chaque frottement. Il faudra donc avoir une trajectoire très optimisée, l'indicateur de performance étant le temps mis pour conclure l'exercice. Les expériences consisteront à changer les référentiels à la fois visuels et de contrôle.

"Sur le casque VR, nous changerons soit le référentiel du véhicule, soit celui qui utilise la pesanteur [être en haut ou en bas], et sur le véhicule lui-même l’orientation est relative au véhicule." Pour le mode de contrôle, les commandes utiliseront soit le référentiel du véhicule, soit un référentiel terrestre, ou un modèle hybride. Les différences de performances entre chaque mode seront ensuite étudiées. "Avoir différents référentiels de vision et de commande est difficile, mais Thomas Pesquet est déjà pilote, donc ce type d’activité lui plaît."

Pour l'exercice de capture, la principale différence est que la trajectoire n’est pas contrainte. Le véhicule part d’un point défini et doit s’amarrer à un autre point. L'astronaute est libre de définir la marche à suivre : est-ce qu'il veut d’abord se mettre dans l’axe puis aller tout droit ou faire autrement. "Là aussi on va jouer avec différentes situations : d’abord attraper avec le bras robotique, diriger le véhicule avec ses propres commandes, etcetera. L’idée est de confirmer et valider des hypothèses sur les stratégies d’assistance à ces tâches. Il aura des accompagnements fournis de façon visuelle dans le casque, mais aussi de façon haptique, et on comparera dans quelles conditions on est le plus efficace."
 


Le patch de l'expérience Pilote


L'Oculus Quest remplace le Rift
Ces expériences font suite à celles réalisée lors de la première mission de Thomas Pesquet, Proxima, en 2017. "Nous avions monté une mission basée sur l’Oculus Rift, et trois expériences avaient été réalisées : deux européennes et une canadienne," commente Maurice Marnat. "Nous faisons évoluer cette plateforme, et nous avons pour cela qualifié un Oculus Quest, qui a l’avantage de fonctionner sans fil et qui nous libère des contraintes liées à l’ordinateur pour faire fonctionner le casque."

Qualifier un ordinateur pour s'assurer qu'il soit sans danger de l'envoyer dans l'espace, puis de l'utiliser sur l'ISS, est en effet très compliqué. Lors de la mission Proxima, ce sont les ordinateurs déjà qualifiés par la Nasa, l'agence spatiale américaine, qui avaient été utilisés. Mais ils ne sont pas adaptés à ce type de tâches et les faire fonctionner avec un Oculus Rift avait déjà été un tour de force.

Les processus de qualification technique sont lourds de manière générale. Dans le cas du Quest, la batterie a notamment été un challenge. "Il a fallu approvisionner certaines batteries provenant du même lot, et nous avons reçu un support technique et logistique de la part d'Oculus," détaille Maurice Marnat. L'utilisation de la réalité virtuelle dans l'espace est soumise à une autre contrainte, liée cette fois au tracking. L'Oculus Quest simplifie là encore les choses, car il intègre tout dans un seul appareil tandis que l'Oculus Rift utilisait des capteurs externes.

La problématique du TRACKING en micropesanteur
Cependant la vraie problématique pour le tracking est liée à la micropesanteur. "Ces systèmes utilisent à de nombreuses étapes la pesanteur pour le calcul de la position et des déplacements [ndlr: par le biais de leur unité de mesure inertielle], et ils fonctionnent mal – voire pas du tout – en micropesanteur." Le CNES a donc dû modifier le fonctionnement de ce capteur dans les couches logicielles basses de l'appareil.

L'agence spatiale française a bénéficié là-aussi de l'aide d'Oculus. "Dans le cadre de la première mission, on avions eu leur support uniquement sur la qualification pour voler, c’était assez marginal. Ils nous ont aidé de façon plus étendue et enthousiaste sur le Quest, et ils sont pleinement partenaires du projet, précise Maurice Marnat. Ils nous ont fourni un firmware débridé pour accéder aux données brutes ainsi qu'un support logiciel." Il faut dire que ces problématiques intéressent aussi Oculus, par exemple pour faire fonctionner un casque dans une voiture qui roule, car cela nécessite également de ne pas utiliser le vecteur pesanteur.

Pour tester le bon fonctionnement du système dans ces conditions, le CNES a effectué des tests lors de vols paraboliques (voir photo d'en-tête), qui permettent de se mettre en micropesanteur pendant plusieurs courtes sessions d'une vingtaine de secondes. Pour la Station spatiale internationale, la première session en vol aura lieu dans les 40 premiers jours de la mission Alpha (le décollage est prévu 20 avril). Elle se fera avec l’Oculus Rift qui se trouve déjà à bord de l'ISS.

L'expérience basculera sur l'Oculus Quest dès qu'il sera expédié vers la station, ce qui devrait se produire le 1er juillet. Et son utilisation ne s'arrêtera pas après la mission de Thomas Pesquet. "Nous avons déjà des demandes de l’agence spatiale allemande pour réutiliser cet équipement," confie Maurice Marnat.

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