MIT研究者、高速でも障害物を回避できるドローン学習アルゴリズムを開発
自律型ドローンレースを追っている人なら、勝利よりも墜落の方を多く覚えているはずだ。ドローンレースでは、障害物コースを飛行するのに最も適した機体はどれかを、各チームが競い合って確かめる。しかし、ドローンは速く飛ぶほど不安定になる。高速域では空力を予測するのが難しい。墜落は日常茶飯事だ。
ドローンをより速く、より機敏に動かせるようになれば、レースコースの外でも時間が重要な任務に使えるようになる。たとえば、自然災害の被災者の捜索などだ。
マサチューセッツ工科大学（MIT）の航空宇宙工学者たちは、ドローンが墜落せずに障害物の周りを最短ルートで飛ぶのを助けるアルゴリズムを開発した。このアルゴリズムは、仮想の障害物コースをドローンが飛ぶ様子のシミュレーションと、同じルートを物理空間で飛ぶ実際のドローンの実験データを組み合わせる。
研究者らは、新しいアルゴリズムで学習したドローンが、従来の計画アルゴリズムで学習したドローンより20%速く障害物コースを通過したことを確認した。ただし、新しいアルゴリズムが常にレース全体を通じてライバルを追い越せるとは限らなかった。時には、難しいカーブを曲がるためにドローンを減速させたり、エネルギーを温存して後で加速し、最終的にライバルを追い抜いたりする判断をすることもあった。
「高速域では、モデル化が難しい複雑な空力が生じる。そのため、現実世界での実験を使ってこうしたブラックボックスを埋め、たとえば、まず減速してから加速する方が良い場合があるかどうかを確かめている。このような全体的なアプローチによって、コース全体をできるだけ速く飛ぶ軌道を見つけ出している」
MITの航空学准教授で、本研究に関わるサータック・カラマン氏によれば、こうしたアルゴリズムは、複雑な条件下で非常に素早く移動できる未来のドローンを作るための、非常に価値ある一歩だという。「私たちは、物理的な能力が許す限り速く移動できるよう、限界を押し広げたいと本当に考えています。
高速飛行の影響
ドローンに障害物を避けて飛ばせることは、低速で飛ばせるなら比較的簡単だ。低速では抵抗などの空力はふつう無視でき、ドローンの挙動をモデル化する際にも考慮しなくてよいからだ。しかし高速になると、こうした影響ははるかに顕著になり、機体がどう振る舞うかを予測するのがずっと難しくなる。
高速飛行中は、ドローンが自分の位置を把握するのも難しい。エンジンへの信号送信に遅延が生じたり、電圧が急に低下したりして、ほかの動的な問題を引き起こすことがある。こうした影響は、従来の計画手法ではモデル化できない。
高速の空力が飛行中のドローンにどう影響するかを理解するため、研究者は実験室で数多くの試験を行い、さまざまな速度や軌道でドローンを設定して、どれが速く、かつ墜落せずに飛べるかを確かめなければならない。これは高コストで、しばしば墜落を伴う工程だ。
MITのチームは、その代わりに高速飛行計画アルゴリズムを開発した。このアルゴリズムは、シミュレーションと実験を組み合わせ、速くて安全な飛行軌道を特定するために必要な実験の数を最小限に抑える。
研究者らはまず、物理学に基づく飛行計画モデルから始めた。このモデルで、仮想の障害物コースをドローンが飛ぶ挙動をまずシミュレーションした。各シナリオには異なる飛行軌道と速度があり、数千のレースシナリオをシミュレーションした。
次に、各シナリオが実行可能（安全）か、実行不可能（墜落につながる）かを記録した。この表から、研究者らは有望なシナリオやレース軌道をいくつか素早く選び、実験室で試すことができた。
「この高速で低コストのシミュレーションによって、速くて現実的かもしれない興味深い軌道を見つけられる。次に、それらの軌道で実験を行い、実際の世界で何が可能かを確かめる。最終的には、可能な限り最短の時間をもたらす最適な軌道に近づいていく」
減速してから加速する
新しいアプローチを実証するため、研究者らは、市松模様に配置された5つの大きな正方形の障害物がある単純なコースを飛ぶ無人航空機をシミュレーションした。
彼らは同じ配置を屋内の物理トレーニング施設に設置し、事前にシミュレーションで選んだ速度と軌道でコースを飛ぶようドローンをプログラムした。また、計画時に実験を含まない従来型のアルゴリズムで学習したドローンでも同じコースを飛ばした。
全体として、新しいアルゴリズムで学習したドローンは、すべてのレースで「勝利」し、従来型で学習したドローンより短い時間でコースを走破した。一部のシナリオでは、勝ったドローンは、スタートがやや遅い軌道を選んだ場合でも、ライバルより20%速くレースを終えた。たとえば、ターンにもう少し時間がかかった場合などだ。
研究者らは、アルゴリズムを改良するため、より高速でより複雑な条件での実験を増やす計画だ。また、ドローンを遠隔操作する人間のパイロットの飛行データを取り入れることもできる。パイロットの判断や操縦は、さらに速いが実行可能な飛行計画の実現に役立つ可能性がある。
