世界を驚かせたNASAの火星無人機はどのように設計されたのか？

すべてがうまくいけば、インジェニュイティは火星上空を飛行する最初の航空機となる。

「インジェニュイティ」と名付けられたこの無人ヘリコプターは、「パーセベランス」火星探査車の下に吊り上げられ、はるばる赤い惑星まで送られた。インジェニュイティ探査車の重さはわずか1.8キログラムで、ティッシュ箱ほどの大きさだが、4本の機械脚には長さ1.2メートルのカーボンファイバー製ローターが2つ装備されている。写真撮影以外には科学的なミッションは実行せず、火星上で自律飛行する能力を検証することが主な目的です。

この困難なミッションを達成するために、インジェニュイティは、厳しい気温、厳しい電力制限などの一連のテストに耐え、地球から 10 光分離れた火星での 90 秒間の飛行ミッションを完了する必要がありました。距離が長すぎるため、リアルタイムの通信や制御は当然不可能であり、自律飛行する必要があります。

では、NASA ジェット推進研究所 (JPL) はこのヘリコプターをどのように設計したのでしょうか? NASA JPL の火星ドローン運用責任者、ティム・キャンハム氏にインタビューしました。

設計プロセス全体の中で最も重要な戦略は、設計と火星ドローンのミッションコンテキストのバランスをとることであり、それがこの技術実証の最大の意義でもあります。インジェニュイティは、パーセベランス探査車のように科学的な探査作業を完了する必要はなく、任務を遂行して一定の距離を飛行するだけでよい。運が良ければ、Ingenuity は数枚の航空写真を撮影できるかもしれないが、それだけだ。このミッションの価値は、低高度航空機が火星の表面を飛行できることを証明し、次世代の火星用回転翼航空機の設計と製造の指針となるデータをさらに収集したいという点にあります。これはまだ始まりに過ぎず、今後さらにエキサイティングな展開が待っています。

火星ドローンのコンセプトは十分に複雑なので、Ingenuity は複雑なタスクを実行する必要はありません。火星でドローンを飛ばすのは極めて困難です。電力と通信の制限に加えて、もう一つの大きな課題があります。火星の大気の密度は地球のわずか 1% です。

上記を踏まえて、ティム・キャンハム氏は、インジェニュイティが火星の表面に一度でも着陸して離陸できれば、それはNASAにとって素晴らしい勝利となるだろうと語った。 Canham 氏は、Ingenuity の業務を制御するソフトウェア アーキテクチャの開発に貢献しました。インジェニュイティ運用チームの責任者として、キャンハム氏は現在、パーセベランス探査車チームとドローン プログラムの調整を担当しています。コミュニケーションを通じて、Ingenuity UAV がどのようにして火星の表面に自律的に離着陸できるかについて、より深い理解が得られることを期待しています。

Q：「Ingenuity」ドローンのハードウェア構成についてお話しいただけますか？

ティム・キャンハム：インジェニュイティ・ドローンは技術実証プロジェクトなので、JPL は失敗のリスクを負っても構わないと思っています。これは火星探査車や深宇宙探査機とは異なります。深宇宙探査機はクラス B ミッションであり、多くの NASA 従業員がこの部分のハードウェアとソフトウェアの開発作業に長年を費やしてきました。

純粋な技術デモンストレーションの場合、JPL はより新しい実装を試す傾向があります。そこで、手作業の制約を可能な限り排除し、市販のコンシューマー向けハードウェアを積極的に活用することにしました。頑丈で放射線耐性のある航空電子機器コンポーネントはすでに市場に多数存在しており、その技術の多くは商用グレードです。

プロセッサを例にとると、Qualcomm が提供する Snapdragon 801 チップを使用します。これは実際には携帯電話用のプロセッサであり、サイズが非常に小さいです。正直に言うと、Snapdragon 801 は実際にこのミッションで最も先進的なプロセッサであり、そのパフォーマンスは火星探査車 Perseverance のプロセッサよりもはるかに強力です。実際、このドローンに使用されているチップの計算能力は、Mars Force のものより数桁も高い。このチップは、誘導中に 500 Hz のメイン周波数で動作し、火星の大気圏でドローンがバランスよく飛行し続けるようにする役割を担っている。さらに重要なのは、30 Hz でフレームごとに画像のコンテンツを追跡しながら、画像をキャプチャして特徴を分析する必要があることです。つまり、これらのタスクはプロセッサのパフォーマンスに極めて高い要求を課し、NASA が現在使用しているすべての航空電子機器コンポーネントはこれらの要件を満たすことができません。実際にSparkFunから部品の発注を開始しました。私たちの理念は非常にシンプルです。これは単なる商用ハードウェアですが、徹底的にテストし、うまく動作すればすぐに使用できる状態にします。

Q: Ingenuity で使用されているナビゲーション センサーについて紹介していただけますか?

Tim Canham:私たちは、携帯電話グレードの IMU、レーザー高度計 (SparkFun 製)、および単眼特徴追跡用の下向き VGA カメラを使用しています。ドローンは、ナビゲーション時に数十の特徴をフレームごとに比較し、相対的な位置を追跡して方向と速度を算出します。これらはすべて、特徴を覚えたり地図を作成したりすることなく、位置を推定することによって行われます。

画像: NASA の Ingenuity ドローンの底面図。レーザー高度計とナビゲーション カメラが映っています。

離陸時に地面の傾斜を測定するための傾斜計も備えています。さらに、ドローンには携帯電話レベルの13メガピクセルのカラーカメラが搭載されています。これはナビゲーションとは何の関係もなく、飛行中に美しい写真を撮るだけです。私たちはそれを RTE と呼んでいます。宇宙計画では、さまざまなシステムを略語で参照するのが伝統となっています。実は、以前からシステムに危険検知機能を追加することを検討していたのですが、時間的な制約により断念せざるを得ませんでした。

Q: このドローンはどうやって自律飛行するのですか?

ティム・キャンハム:このドローンは、シーケンス エンジンが搭載された従来の JPL 宇宙船と考えることができます。私たちは、このドローン用に複数のシーケンスと関連コマンドを作成し、実行のためにファイルをアップロードしました。

シミュレーション中、低高度飛行誘導部分を複数のウェイポイントに分割し、各ウェイポイントは誘導ソフトウェアで設定したコマンドシーケンスに対応しています。飛行する時が来たら、ドローンに指示を与え、誘導ソフトウェアが引き継いで離陸、ウェイポイントの通過、そして着陸を完了します。

しかし、この方法における各ウェイポイントは特別に設計されており、真の自律飛行とは言えません。目標やルールを設定しておらず、高度な推論も行っていないため、これは半自律的なソリューションとしか考えられません。もっと簡単で直接的な方法は、ジョイスティックを使って飛行を遠隔制御する人を指名することですが、地球は火星から遠すぎるため、即時の遠隔制御は不可能です。プロジェクトのスケジュールが厳しいため、ドローンが完了する必要のある所定の飛行軌道を理解できるように、事前に一般的な飛行計画を作成することしかできませんでした。実際の飛行中、ドローン自体は風速、風向、その他の実際の環境要因に応じて飛行モードを調整し、常に設定されたルートに沿って移動するようにします。これは、打ち上げ前に計画された飛行ルートを正常に完了するために使用される半自律ソリューションでもあります。

個人的には、これは高度な自律技術ではなく、スクリプト化された飛行誘導であると考えています。ドローンに「あの岩の写真を撮って」と直接指示し、ドローンがそれを実行する場合にのみ、真の自律飛行とみなすことができます。しかし、今回は最初のミッションとして、宇宙船が火星の表面を正常に飛行できることを証明するだけで十分です。完全自律飛行ソリューションについては、今後のミッションで徐々に試していく予定です。そのためには、より強力な自律機能を実現できる高度なハードウェアを搭載した大型ドローンの製造が必要になる可能性があります。

ところで、火星に初めて訪れた探査機「パスファインダー」について振り返ってみましょう。その任務はもっと単純で、基地を一周し、できれば岩石やその他のサンプルの写真を撮ることです。したがって、予備的な技術実証としては、火星への最初のドローンにあまり厳しい要求をする必要はありません。

Q: 極端なケースでは、ドローンが予定の飛行経路から外れてしまう可能性はありますか?

Tim Canham:ガイダンス ソフトウェアは、各センサーの動作状態を継続的に監視し、高品質のデータが生成されるようにします。センサーが故障した場合、ドローンはそれに応じて反応し、最後の飛行誘導情報を維持し、着陸を試み、状況レポートを送信してアクションを待ちます。つまり、センサーの故障を検出すると、ドローンは飛行を停止します。 Ingenuity には合計 3 つのセンサーが搭載されており、いずれも飛行プロセスに密接に関係しています。3 つのセンサーからのデータは統合され、Ingenuity のナビゲーション ガイダンスとして提供されます。

画像: 火星探査ミッションのアーティストによる構想図。 (画像提供/NASA/JPL-Caltech)

Q: 初期飛行計画はどのように作成されますか?

ティム・キャンハム:私たちは、パーサヴィアランス探査車の予定着陸地点周辺の環境から始めて、包括的な場所選定プロセスを実施しました。実際の状況を踏まえて軌道画像を整理し、ローバーが次々に到達するであろういくつかの地点を大まかに特定しました。周囲の岩の傾斜や高さ、特定エリアの表面の質感などを考慮して、ドローンの飛行に適したエリアを慎重に選定しました。

ここでも多くのトレードオフがあります。最も安全な表面にはテクスチャがなく、つまりこのエリアには岩がないはずです。しかし、地面にテクスチャがないため、ドローンがその特徴を正確に捉えることができず、誘導能力が失われる可能性もあります。これを行うには、着陸の妨げになる大きな岩がなく、わかりやすい地形の砂利浜を選ぶのが最適です。

Q: このドローンはどのようなミッションを達成する予定ですか?

ティム・キャンハム:初めての試みだったので、メインミッションは 3 つだけ計画し、離着陸地点はすべて同じ場所に設定しました。この方法によってのみ、ドローンが常に調査された安全飛行エリア内にいることを保証できます。私たちの時間枠も非常に限られており、わずか 30 日間です。もっと時間があれば、もっと安全そうな新しい場所に着陸させてみるかもしれません。しかし、計画されていたミッションのうち少なくとも 3 つは離陸し、飛行した後、戻って同じ場所に着陸しました。

Q: JPL はロボット工学の分野で豊富な経験を有しており、同研究所が開発するロボットは、主なミッションが完了した後も長期間運用を継続できることが多いです。しかし、今回のミッションは30日間のみの実施となっている。ということは、予期せぬ事態が起こらない限り、まだ完全に機能するこの無人機は火星の表面に直接放置されるということだろうか？

ティム・キャンハム:はい、それが計画です。探査車はどこか別の場所へ行き、主なミッションを継続します。 Perseverance チームは私たちに多くのリソースを割り当て、30 日間の猶予を与えてくれました。私たちはこれに深く感謝しています。その後、ドローンの状態に関係なく、ローバーは前進し続けます。したがって、飛行ミッションは自由に手配できますが、30 日間の制限を超えてはなりません。

最後の 2 回の飛行はまだ計画していませんが、最初の 3 回の飛行ミッションの実行速度に基づくと、新しい試みを行うのに約 1 週間かかる可能性があります。しかし、今のところは、最初の 3 ラウンドのタスクを慎重に完了する必要があります。

飛行を無事に完了できれば、私たちの目標は基本的に達成されることになります。次に飛行範囲を少し広げ、それでも成功すれば、最後の 2 回の飛行でもう少し冒険することができます。たとえば、100メートル飛んだり、大きなループをしたりといったことです。しかし、最も重要なことは、ドローンが火星の表面でどのように飛行するかを理解することであり、したがって最初の一連のミッションが最も重要であり、ドローンの飛行能力を注意深く観察する必要があります。

Q: 最初の 4 回の飛行がうまくいけば、最終回の試みではどのような飛行ミッションを計画する予定ですか? リスクは高いが成功すれば意味のあるものを行う予定ですか? それとも、リスクは低いが重要性は同等に低いものを行う予定ですか?

ティム・キャンハム：それは良い質問です。私たちは真剣に考えています。残りラウンドが 1 回だけの場合、いずれにせよドローンは最終的に放棄されることを考慮すると、大胆な探索を行う可能性があります。しかし、まだその段階には達していません。現時点では、最初の 3 回の飛行のみが注目に値し、ボーナス部分は後で検討されます。

Q: JPL のエンジニアは探査中に他にどのような特別な発見をしましたか? それについて教えていただけますか?

Tim Canham:火星環境で Linux を使用するのは今回が初めてです。そうです、私たちのドローンは Linux システムを使用しており、ソフトウェア フレームワークは JPL が社内で開発したキューブ衛星と機器用の特別なフレームワークです。

数年前、私たちはこのプロジェクトをオープンソース化し、今では火星ドローンの飛行ソフトウェアを GitHub から直接ダウンロードして、独自のプロジェクトで使用できるようになりました。これはオープンソースにとって大きな勝利であり、オープンソース システムとオープンソース フライト ソフトウェア フレームワークを商用コンポーネントと統合したものです。

自分で試してみたい場合は、まったく問題ありません。この組み合わせは JPL にとって新しいものであり、JPL では従来、極めて安全で信頼性の高いコンポーネントを使用してきました。しかし、このインスピレーションの衝突は人々を非常に興奮させ、私たちはこの新しいアイデアが将来さらに大きなエネルギーで溢れ出ることを期待しています。