火星やその他の世界を飛行することは、並外れた挑戦です。地球上で介入できるパイロットや技術者から何百万マイルも離れたところで動作する自律型宇宙船は、不慣れで変化する環境を航行し、障害物を回避し、不確実な地形に着陸し、完全に単独で意思決定を行うことができなければなりません。それぞれの操縦は、厳密な認識、計画、フォールトトレラントな制御システムに依存しており、何か問題が発生した場合でも船舶の回復が可能です。たった 1 つの計算ミスで、数百万ドルの宇宙船が逆さまになり、ミッションが開始される前に終了してしまう可能性があります。
マサチューセッツ工科大学航空宇宙学科（エアロアストロ）のジェローム・C・ハンスカー教授ニコラス・ロイ氏は、「この問題は産業界でも研究現場でもまったく解決されていない」と語る。 「多くのコード、ソフトウェアをまとめ、複数のハードウェア コンポーネントを統合する必要があります。それらを組み合わせるのは簡単ではありません。」
些細なことではありませんが、コース 16 で学部生活のピークに近づいている学生にとっては、不可能ではありません。クラス 16.85 Autonomy Capstone (自律走行車の設計とテスト) では、学生は飛行自律システムのための完全なソフトウェア アーキテクチャを設計、実装、展開、テストします。これらのシステムは、都市の航空モビリティや再利用可能な打ち上げロケットから地球外探査まで、幅広い用途があります。強力な自律技術により、エンジニアがエアロアストロの自律システム コラプス センターの高台にあるミッション コントロール センターから監視している間、車両は自宅から遠く離れた場所で運用することができます。
フォード工学教授のロイとジョナサン・ハウは、コース 16.405 (ロボット工学: 科学とシステム) の基礎を築く新しいコースを開発しました。このコースでは、複雑なロボット プラットフォームの操作と、事前に構築されたソフトウェアを備えた地上車両による自律ナビゲーションを学生に紹介します。 16.85 は、基本的なクアッドローター ドローンと完全に白紙の状態で独自のナビゲーション システムを構築することで、同じ原則を飛行に適用します。次に、車両は、疑わしい着陸パッドや未舗装の地形を含む障害物コースでテストされます。学生は、役割の調整が不可欠な現実世界のミッションを反映するように設計された大規模なチーム (最初の実行では、7 人からなる 2 つのチーム、SLAMdunkers と Spelunkers) で作業します。
「車両は、ミッション内にあるこれらすべての隠れた危険と車両が置かれている環境を区別し、それでも生き残ることができなければなりません」とハウ氏は言います。 「私たちは学生たちに、信頼できるシステムの作り方を学んでもらいたいと思っています。」
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自動運転車の設計とテスト
ビデオ: MIT AeroAstro
課題: 一緒に考え出す
「今学期、私たちが彼らに与えた具体的な課題は、あなたがある種の宇宙船であると想像して、火星や月のような地球外の天体の表面を探索しに行くことです」とロイは説明します。 「内蔵センサーを使用して飛行し、探索し、地図を作成し、対象の物体を識別し、おそらく平らではない、または完全に水平面ではない場所に安全に着陸する必要があります。」
この規模のタスクは、1 人のエンジニアが単独で処理するには複雑すぎますが、大規模なチームにとっても課題です。 「最近の最も難しい問題は調整の問題です」と、空気制御研究室の大学院生で、このコースのティーチング・アシスタント (TA) 3 人のうちの 1 人であるアンドリュー・フィッシュバーグ氏は言います。 「ロボット工学という用語を使うと、この規模のチームは一種の異質な集団です。誰もが同じスキルを持っているわけではありませんが、誰もが貢献できる何かを持って現れ、それを一緒に管理するのは困難です。」
この課題では、学生に数種類の「システム思考」を課題に適用するよう求めます。関係、相互依存性、フィードバック ループはソフトウェア アーキテクチャにとって重要であり、学生がチームメイトとコミュニケーションし調整する方法においても同様に重要です。 「レポートを書いたり、チームとコミュニケーションを取ったりするのは、頭がかかるように感じることもありますが、コミュニケーションをとらなくても、チームは 1 人だけです」とフィッシュバーグ氏は言います。 「私たちには、1 人がすべてを理解するような『単独発明者』のような状況はありません。この巨大なものを構築するのは何百人もの人々です。」
フライトの新しい顔
クラスの生徒たちは、従来のアプリケーションを超えた型破りなツールや車両を使って、急速に進化する分野に参入したいと考えていると述べています。
「私たちは探査車を地球外天体に送り続けています。しかし、地球を探索するために無人システムを導入することへの関心が高まっています」とロイ氏は言います。 「地球上にはロボットを派遣して探検させたい場所、人間が行くのは危険な場所がたくさんあります。」この応用範囲の拡大こそが、学生をこの分野に引き付けるものです。
「新しいクラス、特に自律性に焦点を当てたクラスのアイデアに本当に興奮しました。それが私のキャリアの方向だと考えているからです」とシニアのノラ・ミラーは言います。 「このクラスは、完全な飛行ミッションに向けてソフトウェアをゼロから開発することがどのような感じかを知る、本当に素晴らしい経験をさせてくれました。」
自動運転車の設計とテストコースでは、多くの学生を学部時代から知っているインストラクターや TA に独自の視点を提供します。これは基礎として、成長が一周するのを見る機会を提供します。 「数年前、私たちは微分方程式を解いていましたが、今では彼らが作成したソフトウェアをハイ ベイのクワッドローターに適用しています」とハウ氏は言います。
数週間にわたる学習、構築、テスト、改良、そして最終的な飛行を経て、結果はコースの目標を反映しました。 「これはまさに私たちが望んでいたことが起こります」とロイは言います。 「私たちは彼らに、かなり難しい課題を与えました。私たちは彼らに、その課題を完了できるはずのハードウェアを与えましたが、それが保証されているわけではありません。そして、学生たちは多大な努力を払って、その課題に本当に立ち向かいました。」
