SUPER:香港大学の安全性を確保した高速飛行ロボットがドローンナビゲーションに革命をもたらす

アンドリュー・コルセリ

SUPER は、これまで達成できなかったレベルの安全性を備えながら、複雑な環境を高速で移動できます。 （画像：HKU）

驚異的なスピードと機敏性で未知の環境を移動する鳥とは異なり、ドローンは通常、外部の誘導や事前にマップされたルートに依存します。しかし、香港大学 (HKU) 工学部機械工学科の Fu Zhang 教授と研究者らによる開発により、ドローンと超小型飛行機 (MAV) が鳥の飛行能力をこれまで以上に厳密にエミュレートできるようになりました。

同チームは、搭載センサーとコンピューティング能力のみを使用して、秒速20メートル[時速約45マイル]を超える速度で飛行し、電線や小枝などの薄さ2.5ミリメートル[約0.1インチ]の障害物を回避できる安全保証型高速航空機ロボット(SUPER)を開発した。ホイールベースわずか 280 mm [約 11 インチ]、離陸重量 1.5 kg [約 3.3 ポンド] のコンパクトな設計により、SUPER は並外れた機敏性を発揮します。

チャン氏は、この発明をドローン技術の分野での変革をもたらすものであると説明し、「森林の中を素早く操縦し、枝や障害物を高速で難なく回避する『ロボットバード』を想像してください。これは自律飛行技術における重要な前進です。当社のシステムにより、MAVはこれまで達成できなかった安全性レベルで複雑な環境を高速でナビゲートできます。これはドローンに鳥の反射神経を与え、障害物を回避できるようにするようなものです。」目標に向かって走りながらリアルタイムで。」

画期的な点は、ハードウェアとソフトウェアの高度な統合にあります。 SUPER は、最大 70 メートル [約 230 フィート] 離れた障害物をピンポイントの精度で検出できる軽量の 3D 光検出測距 (LiDAR) センサーを利用しています。これは、飛行中に 2 つの軌道を生成する高度な計画フレームワークと組み合わされています。1 つは未知の空間に飛び込むことで速度を最適化し、もう 1 つは既知の障害物のないゾーン内にとどまることで安全を優先します。

LiDAR データを点群として直接処理することにより、システムは計算時間を大幅に短縮し、高速でも迅速な意思決定を可能にします。このテクノロジーは、古代遺跡の自律探索など、さまざまな現実のアプリケーションでテストされ、屋内と屋外の両方の環境でシームレスなナビゲーションを実証しました。

「薄い障害物を回避し、狭い空間を移動できる能力は、一秒を争う捜索救助などのアプリケーションに新たな可能性をもたらします。夜間を含むさまざまな照明条件における SUPER の堅牢性により、SUPER は 24 時間体制の運用で信頼できるツールになります。」と主著者の Yunfan Ren 氏は述べています。

こちらは独占的な技術ブリーフです。 チャン氏とのインタビュー。長さと明瞭さのために編集。

技術概要 :SUPER の開発中に直面した最大の技術的課題は何ですか?

チャン ：最大のハードルは、森林や災害地帯などの未知の荒れた場所を墜落することなく高速で飛行できる小型ドローンを構築することでした。搭載されたセンサーとコンピューターのみを使用して、迅速に考えて反応する必要がありましたが、これは困難でした。ドローンは遠くにある障害物を発見し、安全な経路を数ミリ秒で計画し、まだ完全に把握していないエリアにある隠れた危険を回避する必要がありました。スピード、安全性、リアルタイムの計画など、これらすべての機能を小型ドローンで連携させるのは大きな課題でした。

技術概要 :SUPER がどのように機能するかを簡単に説明してもらえますか?

チャン :SUPER は小型で非常に機敏なドローンで、未知の場所を時速 45 マイルのような高速で何にもぶつからずに移動できます。 LiDAR と呼ばれるレーザー センサーを使用して、最大 230 フィート離れた障害物を「認識」し、木、電線、壁などの周囲の 3D マップを作成します。 SUPER の搭載コンピューターは 10 分の 1 秒ごとに 2 つのパスを計画します。1 つは未踏のエリアが安全であると想定して速度を最大化する高速パス、もう 1 つはクラッシュを回避するために空いているとわかっているエリアに固執するバックアップ パスです。 GPS や追加のコンピューターなどの外部支援を必要とせずに、安全を確保しながら高速飛行するための最適な経路を選択します。

SUPER は、完全な暗闇や雑然とした環境など、さまざまな現実世界のアプリケーションでテストを受けています。 （画像：HKU）

技術概要 ：この仕事を始めたきっかけは何ですか？それはどのようにして生まれたのですか？

チャン ：私たちは、災害地域での人々の発見や、スピードと安全性が重要な困難な場所での物資の配送など、緊急事態に役立つドローンのアイデアにインスピレーションを受けました。ほとんどのドローンは、飛行速度は速いものの墜落の危険があるか、速度が遅すぎてこのような状況では役に立ちません。私たちはギャップを感じました。独自のセンサーのみを使用して、未知の場所で高速かつ安全に動作できるドローンを誰も構築したことがありませんでした。そこで私たちは、新しいレーザー センサーとスマートな計画を組み合わせて、捜索や救助などの現実世界の課題に対処できるドローンを作成する SUPER の作成に着手しました。

技術概要 :今後の研究や仕事などについて、何か決まった計画はありますか?そうでない場合、次のステップは何ですか?

チャン :私たちは SUPER を改善し続けることに興奮しています。大きな計画の 1 つは、人や車両などの移動物体が次にどこに行くかを予測して、よりスムーズで安全な経路を計画することで、移動物体への対処を改善することです。また、おそらくより優れたモーターやより洗練されたデザインを使用して、ドローンをさらに軽量かつ空力的にし、より速く飛行し、より少ないエネルギーで飛行できるようにしたいと考えています。私たちは、より小さな物体やより遠い距離を確認できるように、LiDAR をアップグレードすることを検討しています。さらに、GPU などの強力なチップを使用してソフトウェアを高速化し、未知の領域の探索、橋の検査、荷物の迅速かつ安全な配送などの用途への扉を開く方法を模索しています。

技術概要 :私が触れなかった他に何か追加したいことはありますか?

チャン :SUPER は、昼夜を問わず、密林や狭い空間でも、あらゆる状況で飛行できるため、特別なものになっています。ほとんどのドローンでは認識できない 2.5 ミリメートルのワイヤーのような、非常に細い障害物も避けることができます。これにより、実験室でのテストだけでなく、実際の作業にも対応できるようになります。たとえば、走行中の車を追跡したり、倒壊した建物を探索したりできます。私たちは、SUPER がドローンが研究から実際に災害救援や緊急対応などの困難な状況で人々を助ける方法にどのように移行できるかを示したことを誇りに思っており、これがより実用的なロボット ソリューションのきっかけとなることを願っています。

技術概要 :(大まかに言って) アイデアの実現を目指す研究者に何かアドバイスはありますか?

チャン :生活を楽にする、安全にするなど、人々にとって重要な実際の問題から始めます。ハードウェアの構築が得意な人、コーディングが得意な人、物事の実践的な側面を知っている人など、さまざまなスキルを持つ他の人とチームを組みましょう。コンピュータ シミュレーションや現実世界の実験を使用して、アイデアを早期かつ頻繁にテストして、問題を特定して修正します。失敗を恐れないでください。それぞれのテストはあなたに何かを教えてくれます。クールなアイデアを現実世界で機能するものに変えるには、時間と根性、そして多くの調整が必要になるため、辛抱強く取り組み続けてください。

トランスクリプト

00:00:01 鳥は、マイクロエアと同様に著しく低い故障率を維持しながら、雑然とした環境を高速で移動する能力で長い間人間を魅了してきました。人間が作成した最も機敏な機械の中でも車両は、鳥のような機敏な飛行を実現する可能性を秘めていますが、人間の専門家は鳥のような敏捷性のバランスを再現することができます。

00:00:24 自律飛行における高速性と安全性は依然として課題です 現在のアプローチでは、速度のために安全性が犠牲になることが多く、またその逆も同様です。これは、安全性が保証された超高速航空機を導入する自律飛行型マブが未知の現実世界の環境でどのようにして高速性と安全性の両方を実現できるかという重大な疑問を引き起こします。

00:00:51 ロボット スーパーは、ホイールベースがわずか 280 mm、離陸重量が 1.5 kg とコンパクトで、5.0 を超える推力重量比を達成しています。360° の光検出と測距センサーが装備されており、200,000 ヘルツを超えるポイントレートで最大 70 M 離れた物体を検出できます。高度な嘘つき認識に基づいた安全性が保証された計画と最適化が施されています。

00:01:20 制御モジュールは、オンボードのセンシングと計算に完全に依存して、未知の環境を 20 m/s 以上の速度で超航行します。高度な嘘つきベースの知覚システムにより、安全性を損なうことなく、非常に混雑した環境を高速で機敏に移動でき、超効率的に実行できます。

00:01:51 送電線などの細い障害物を検出して回避し、さらに 2.5 mm 未満の薄い物体をわずか 20 ミリ秒で識別できるため、最先端のビジョンベースの商用製品にとって重大な困難をもたらす困難な環境でも正確なナビゲーションが可能になります。また、lar のアクティブ検出メカニズムにより、超高速な動作も可能になります。

00:02:21 これらの卓越した機能のおかげで、完全な暗闇の中でも一日中動作し、現実世界のさまざまなアプリケーションでテストされています。自律的に古代遺跡を探索するのに適用でき、屋内と屋外の両方のスペースをスムーズに移動できます。また、安全性が保証されている密林を横断することもできます。

00:02:51 複雑な障害物を克服する敏捷性は、物体追跡ミッションにも拡張され、高速ナビゲーション能力により、昼夜を問わず屋内外の環境で目標を厳密に追跡し、障害物を回避できます。安全性が保証された設計と堅牢なパフォーマンスは、最高の評価を獲得します。

00:03:22 高速自律ナビゲーションを実験室から現実世界のアプリケーションに移行する上での重要なマイルストーンであるが、完璧ではないものの研究者らは、スーパーが自律配送検査マッピングや捜索救助ミッションなど、将来の実世界のシナリオで新たな可能性を解き放つことを期待している