火星探査機が自動運転記録を樹立

この記事は、IEEE Xplore と提携した特別な IEEE Journal Watch シリーズの一部です。

キュリオシティ探査車やオポチュニティ探査車のように、これまでの火星探査ミッションでは、ロボットは主に、火星の地形を安全に移動するために何百万マイルも離れたところから人間の指示に頼っていました。一方、パーサヴィアランス探査機は、岩が多い異星にほぼ完全に自律走行で到達し、火星での自動運転のこれまでの記録を破った。

探査機キュリオシティは自律走行の約 6.2% を完了しましたが、 着陸（2024年10月28日）から火星1,312日目、パーサヴィアランスは自律飛行の約90パーセントを完了した。忍耐力がそのようなことを達成することができました—使用するコンピューティング能力が大幅に削減される—特別に設計された自動運転アルゴリズム、Enhanced Autonomous Navigation (eNAV) のおかげで。

ENAV の内部動作の完全な詳細と、ENAV が火星でどの程度うまく機能したかについては、 フィールドロボティクスに関するIEEEトランザクション。

火星の自律航行にはいくつかの利点がありますが、いくつかの深刻な課題もあります。幸いなことに、地球上で動くものはほとんどありません。岩や砂利の斜面は、手強い障害物がある一方で安定しており、探査車の計算や経路探索において安定性と予測可能性をもたらします。一方、火星の大部分は未知の地形にあります。

「この大きな不確実性が大きな課題です」と、eNAV の開発に貢献した NASA ジェット推進研究所のロボット表面モビリティ グループのスーパーバイザーである小野正博 (ヒロ) 氏は言います。

高度に自律的なローバーの構築

宇宙を飛行する火星偵察オービターの画像もいくつか存在しますが、これらは一般に、探査車による地上でのナビゲーションには十分な解像度ではありません。 12月、NASAのエンジニアは、AnthropicのAIに基づくモデルを使用してMRO画像を分析し、より完全な自動化のために探査車の経路を案内するために使用される座標を生成するナビゲーション技術の最初のテストを実施した。

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しかし、今日のナビゲーションのほとんどでは、パーサヴィアランスは探査機自体が撮影した画像に依存し、それらを分析して何千もの異なる経路を評価し、自らの破壊に終わらない正しい経路を選択する必要があります。キッカー？これを行うには、 iMac G31990 年代後半に販売された Apple コンピューター。

これは、古い CPU は、火星で経験する極端なレベルの太陽放射や宇宙線に対する耐性を高めるプロセスである放射線強化を受ける可能性があるためです。一方、より多くの計算能力を備えた新しい CPU は、そのような極端な状況では動作できません。したがって、研究者は所有する 1990 年代のコンピューター コアを使用して作業する必要があります。

eNAV アルゴリズムは、限られたコンピューティング リソースを考慮して、困難な地形を走行する場合にのみ最も負荷の高いコンピューティングを実行するように戦略的に設計されています。周囲の画像を分析し、通常探査車の現在位置から 6 メートル以内にある可能性のある約 1,700 の前進経路を推定することによって機能します。移動時間や地形の粗さなどの要素を評価して、可能な経路をランク付けします。最後に、ACE (近似避難推定) と呼ばれる、計算量の多い衝突チェック アルゴリズムを、上位にランク付けされたいくつかの可能なパスのみに対して実行します。

2024 年 10 月の時点で、パーサヴィアランスは 30 キロメートル (18.65 マイル) 以上を走行し、24 個の岩石とレゴリスのサンプルを収集しました。 出典: JPL-カリフォルニア工科大学/ASU/MSSS/NASA

ENav で赤い惑星を探索する

パーサヴィアランスは、2021年2月18日に火星に着陸した。研究の中で、小野氏らは、この探査車が火星での最初の64日間、強力な有人航行観測を伴って最初に配備されたが、その後、主要な探査目標の1つである、かつて数十億年前にジェゼロ・クレーターに流れ込んだ古代の川によって形成されたデルタ地帯を訪問するために主にENAVを使用した方法について説明している。科学者たちは、火星に生命が存在したなら、過去の地球外生命体の証拠を見つけるのに最適な場所になる可能性があると考えています。

着陸地点の南西地域を短時間探索した後、パーサヴィアランスは砂丘の周りを反時計回りに古代の川デルタ地帯に向かって、火星の1日当たりの平均速度201メートルで飛行した。 （探査機は夜に移動するには寒すぎる。）わずか 24 火星日の運転で、探査機はデルタ地帯の麓を約 5 キロメートル移動した。その月の運転の 95% は自動運転モードを使用して行われ、その結果、火星では前例のない量の自動運転が行われました。

キュリオシティのようなこれまでの探査機は、前進する前に立ち止まって進路について「考える」必要がありました。 「これがキュリオシティにとって主な速度制約であり、自動運転がこれほど遅い理由でした」と小野氏は説明する。

対照的に、Perseverance は思考と運転を同時に行うことができます。 “時々 [Perseverance] 特に安全な方法をすぐに見つけられない場合は、立ち止まって考えなければなりません。しかし、ほとんどの場合、特に走りやすい地形では、停止することなく走行できます。「これにより、自動運転がはるかに速くなりました。」とオノ氏は言います。

オポチュニティは、火星上で 1 日に 109 メートル移動し、火星での自動運転のこれまでの記録を樹立しました。しかし、2023年4月3日、パーサヴィアランスは火星の1日で331.74メートル（合計347.69メートル）を自動運転し、新記録を樹立した。

小野氏は、eNav アルゴリズムを微調整するのに多大な労力がかかったが、そのパフォーマンスには満足していると語ります。同氏はまた、人類がさらに深い宇宙への探査を続けたいのであれば、自律航行を推進する取り組みが不可欠であると強調しており、そこでは探査車や他の宇宙船との地球上の通信はますます困難になるだろう。

「宇宙システムの自動化は、宇宙をより深く探索したい場合、私たちが進むべき止められない方向です」と小野氏は言います。 「これは、宇宙探査の境界と限界を押し広げるために私たちが進むべき方向です。」