SUPER：香港大学の安全性保証付き高速空中ロボットがドローンナビゲーションに革命

Andrew Corselli

SUPERは、これまでにないレベルの安全性で複雑な環境を高速ナビゲートできます。（画像：HKU）

鳥が未知の環境を驚異的な速度と敏捷性でナビゲートするのに対し、ドローンは通常、外部誘導や事前マッピング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教授と研究者たちによる開発により、ドローンとマイクロ航空機（MAV）が鳥の飛行能力をこれまで以上に正確に模倣できるようになりました。

チームは、秒速20メートル（約45マイル/時）を超える速度で飛行し、電線や小枝のようなわずか2.5ミリメートル（約0.1インチ）の障害物を、オンボードセンサとコンピューティングパワーのみを使用して回避できる、安全性保証付き高速空中ロボット（SUPER）を開発しました。ホイールベースわずか280mm（約11インチ）、離陸重量1.5kg（約3.3ポンド）のコンパクトな設計で、SUPERは例外的な敏捷性を示します。

Zhang氏はこの発明をドローン技術分野におけるゲームチェンジャーと表現します。「森を素早く機動し、枝や障害物を高速で楽々とかわす『ロボット鳥』を想像してください。これは自律飛行技術における大きな前進です。我々のシステムにより、MAVはこれまでにないレベルの安全性で複雑な環境を高速ナビゲートできます。ドローンに鳥のような反射神経を与え、ゴールに向かって疾走しながらリアルタイムで障害物を回避できるようにするのです。」

ブレークスルーは、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、ピンポイント精度で最大70メートル（約230フィート）先の障害物を検出できる軽量3D光検出と測距（LiDAR）センサを使用。これに、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が組み合わされています：未知領域に踏み込んで速度を最適化する軌道と、既知の障害物フリーゾーン内に留まることで安全性を優先する軌道です。

LiDARデータをポイントクラウドとして直接処理することで、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。この技術は、古代遺跡の自律探査などさまざまな実用応用でテストされ、屋内外両環境での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、狭いスペースをナビゲートする能力は、一秒を争う捜索救助などの応用に新たな可能性を開きます。SUPERのさまざまな照明条件（夜間を含む）での堅牢性は、24時間体制の運用に信頼できるツールとなります」と筆頭著者のYunfan Ren氏。

ここでは、Zhang氏への独占的なTech Briefsインタビューを、長さと明確さのために編集して掲載します。

Tech Briefs：SUPER開発中に直面した最大の技術的課題は何でしたか？

Zhang：最大のハードルは、森林や災害区域のような未知で複雑な場所を本当に速く飛び、墜落せずに通過できる小型ドローンを作ることでした。オンボードセンサとコンピュータのみを使って素早く考え、反応する必要があり、これは困難でした。ドローンは遠くの障害物を発見し、数ミリ秒で安全な経路を計画し、まだ完全には見ていない領域の隠れた危険を回避しなければなりませんでした。これらすべての要素（速度、安全性、リアルタイム計画）を小さなドローンで一緒に動作させることは巨大な課題でした。

Tech Briefs：簡単に言うと、SUPERはどう動作しますか？

Zhang：SUPERは、時速45マイルのような高速で未知の場所をズームし、何にもぶつからない小型で超敏捷なドローンです。レーザーセンサであるLiDARを使って、木、電線、壁などの障害物を最大230フィート先まで「見」て、周囲の3Dマップを作成します。0.1秒ごとに、SUPERのオンボードコンピュータは2つの経路を計画します：未探索領域は安全だと仮定して速度を最大化する速い経路、そして墜落を避けるために既知のクリアな領域に留まるバックアップ経路。外部の助け（GPSや追加コンピュータ）なしで、速く飛びながら安全を保つ最良の経路を選択します。

Tech Briefs：この仕事の触媒は何でしたか？どのように生まれたのですか？

Zhang：災害地域での人命救助や、速度と安全性が重要な困難な場所への物資輸送など、緊急時のドローン活用というアイデアにインスパイアされました。ほとんどのドローンは速いが墜落リスクが高いか、これらの状況で役立つには遅すぎました。誰も、自分のセンサのみを使って未知の場所で速くかつ安全に飛べるドローンを作っていませんでした。そこで、新しいレーザーセンサとスマートな計画を組み合わせ、捜索救助のような実世界の課題を処理できるドローン、SUPERを作ることにしました。

Tech Briefs：今後の研究・作業などの具体的な計画はありますか？なければ次のステップは？

Zhang：SUPERの改良を継続することにワクワクしています。大きな計画の1つは、人や車両のような動く物体への対応を改善し、次にどこへ行くかを予測してより滑らかで安全な経路を計画することです。また、より良いモーターやより洗練された設計でドローンをさらに軽量化・空力化し、より速く、より少ないエネルギーで飛べるようにしたいと考えています。より小さな物体をより遠くまで見えるようLiDARのアップグレードも検討中。さらに、GPUのような強力なチップを使ってソフトウェアを高速化し、未知領域の探査、橋梁検査、迅速かつ安全な荷物配達などの用途への扉を開きます。

Tech Briefs：触れられなかったことで追加したいことはありますか？

Zhang：SUPERがあらゆる条件下（昼夜、密林、狭いスペース）で飛行できることが特別です。ほとんどのドローンが見えない2.5ミリメートルのワイヤーのような超薄い障害物をかわせます。これは実験室テストだけでなく、実世界の仕事に対応できることを意味します。例えば、移動する車を追跡したり、倒壊した建物を探査したり。SUPERが研究から実際に人々を困難な状況（災害救援、緊急対応など）で助ける段階に移行したことを示せて誇りに思います。より実用的なロボティクスソリューションにインスピレーションを与えることを願っています。

Tech Briefs：アイデアを実現させようとする研究者たちへのアドバイスはありますか（広く言えば）？

Zhang：人々の生活をより簡単に、より安全にするような、実際に重要な問題から始めてください。ハードウェア構築が得意な人、コーディングが得意な人、実用的な側面を知っている人など、異なるスキルを持つ人々とチームを組んでください。コンピュータシミュレーションと実世界実験を用いて、アイデアを早期かつ頻繁にテストし、問題を発見して修正してください。失敗を恐れないでください。各テストが何かを教えてくれます。忍耐強く、押し進め続けてください。クールなアイデアを実世界で機能するものに変えるには、時間、粘り強さ、そして大量の調整が必要です。

トランスクリプト

00:00:01 鳥は長らく、雑然とした環境を高速でナビゲートしながら驚くほど低い失敗率を維持する能力で人間を魅了してきました。同様に、人間が作った最も敏捷な機械の一つであるマイクロ航空機は、鳥のような敏捷な飛行を達成する潜在能力を持っています。人間の専門家が鳥のような敏捷性を再現し、高速と安全性のバランスを取ることはできますが、

00:00:24 自律飛行において高速と安全性の両立は課題のままです。現在のアプローチはしばしば安全性を速度のために犠牲にするか、その逆です。これは重要な疑問を提起します：自律MAVは未知の実世界環境でいかに高速かつ安全な飛行を達成できるか？SUPER、安全性保証付き高速空中

00:00:51 ロボットを紹介します。SUPERはコンパクトで、ホイールベースわずか280mm、離陸重量1.5kg、推力重量比5.0超を達成。360°光検出測距センサを搭載し、200,000Hzを超えるポイントレートで最大70m先の物体を検出可能。高度なLiDARベース知覚、安全性保証付き計画、最適

00:01:20 制御モジュールにより、SUPERはオンボードセンシングと計算のみに依存し、未知環境を20m/s超の速度でナビゲート。高度なLiDARベース知覚システムにより、極めて雑然とした環境を高速で機動しながら安全性を損なわずナビゲートできます。SUPERは効率的に

00:01:51 薄い障害物（電線など）を検出・回避。さらに、20ミリ秒で2.5mm未満の薄い物体を特定可能。最先端のビジョンベース商用製品にとって重大な困難をもたらす挑戦的環境での精密ナビゲーションを可能に。LiDARのアクティブ検出メカニズムにより、SUPERは

00:02:21 終日、完全な暗闇でも運用可能。これらの例外的能力により、SUPERはさまざまな実用応用でテストされています。古代遺跡を自律探査し、屋内外をシームレスにナビゲートできます。また、安全保証付きで

00:02:51 複雑な障害物を克服し、密林を横断できます。SUPERの敏捷性は物体追跡ミッションにも及び、昼夜を問わず屋内外でターゲットを密接に追従し障害物を回避できます。高速ナビゲーション能力、安全性保証付き設計、堅牢なパフォーマンスにより、SUPERは

00:03:22 高速自律ナビゲーションを実験室から実用応用へ移行させる重要なマイルストーンを刻みます。完璧ではありませんが、研究者たちはSUPERが自律配送、検査、マッピング、捜索救助ミッションなど、将来の実用シナリオで新たな可能性を開くことを期待しています。