火星探査機パーサヴィアランスが自動運転記録を樹立

この記事は、IEEE Xplore と提携した独占的な IEEE Journal Watch シリーズの一部です。

過去の火星ミッションでは、 好奇心 そして 機会 探査機と同様に、ロボットは火星の地形を安全に移動するために、何百万マイルも離れたところからの人間の指示に主に依存していました。の 忍耐力 一方、探査車は、岩だらけの異星地をほぼ完全に自律走行して、火星での自動運転のこれまでの記録を打ち破った。

一方、 好奇心 探査機は自律走行の約 6.2% を完了しました。 忍耐力 着陸から火星1,312日目（2024年10月28日）の時点で、自律飛行の約90パーセントを完了していた。 忍耐力 そのような偉業を達成することができました—使用するコンピューティング能力が著しく少ない—特別に設計された自動運転アルゴリズム、Enhanced Autonomous Navigation (ENav) のおかげで。

ENav の内部動作と火星でのパフォーマンスの詳細については、 フィールドロボティクスに関するIEEEトランザクション 2025 年 11 月に。

火星での自律航行に関しては、いくつかの利点がありますが、いくつかの深刻な課題もあります。プラスの面としては、地球上のほとんど何も動かないということです。岩や砂利の斜面は、手強い障害物がある一方で静止したままであるため、探査機の計算と経路探索において一貫性と予測可能性を提供します。一方、火星の大部分は未知の地形です。

「この巨大な不確実性が大きな課題です」と、ENav の開発に貢献した NASA ジェット推進研究所のロボット表面モビリティ グループのスーパーバイザー、マサヒロ “ヒロ” オノは言います。

高度に自律的なローバーの作成

宇宙飛行する火星偵察軌道船からの画像もいくつか存在しますが、これらは通常、探査機による地上でのナビゲーションには十分な解像度ではありません。 12月、NASAのエンジニアは、より完全な自動化を実現するために、AnthropicのAIに基づくモデルを使用してMRO画像を分析し、ウェイポイント（探査車の経路を案内するために使用される座標）を生成するナビゲーション技術の最初のテストを実施した。

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しかし、今日のナビゲーションの大部分では、 忍耐力 探査機自体が撮影した画像に依存し、それらを分析して何千もの異なる経路を評価し、自らの消滅を招かない適切な経路を選択する必要があります。キッカー？これは、同等のコンピューティング能力で実行する必要があります。 iMac G3、1990年代後半に販売されたAppleコンピュータ。

これは、古い CPU は、火星で経験する極端なレベルの太陽放射や宇宙線に対する耐性を高めるプロセスである放射線強化を受ける可能性があるためです。一方、より多くの計算能力を備えた新しい CPU は、このような極端な条件下では動作できません。したがって、研究者は自分が持っているもの、つまり 1990 年代のコンピューター コアを使って研究する必要があります。

限られたコンピューティング リソースを考慮して、ENav アルゴリズムは、困難な地形を走行する場合にのみ最も負荷の高いコンピューティングを実行するように戦略的に設計されています。周囲の画像を分析し、探査車の現在位置から通常 6 メートル以内にある可能性のある約 1,700 の進路を評価することで機能します。移動時間や地形の粗さなどの要素を評価して、可能な経路をランク付けします。最後に、少数の上位にランクされた潜在的なパスに対してのみ、ACE (近似クリアランス推定) と呼ばれる、計算量の多い衝突チェック アルゴリズムを実行します。

2024 年 10 月の時点で、パーサヴィアランスは 30 キロメートル (18.65 マイル) 以上を走行し、24 個の岩石とレゴリスのサンプルを収集しました。 出典: JPL-カリフォルニア工科大学/ASU/MSSS/NASA

ENav で赤い惑星を探索する

忍耐力 小野氏らは研究の中で、火星滞在の最初の64日間、火星での探査機が当初は人間の強力な航行監視の下でどのように配備されたが、その後主にENavを使用して主要な探査目標の1つ、つまり数十億年前にジェゼロ・クレーターに流れ込んだ古代の川によって形成されたデルタ地帯に移動するようになったのかについて説明している。科学者らは、もし火星に生命が存在したなら、過去の地球外生命体の証拠を発見するのに最適な場所になる可能性があると考えている。

着陸地点の南西の地域を簡単に探索した後、 忍耐力 砂丘の周りを反時計回りに古代の川デルタに向かって速いペースで噴射され、火星の一日あたり平均 201 メートルの速度で噴出します。 （探査機は夜に移動するには寒すぎる。）わずか 24 火星日の運転中に、探査機はデルタ地帯の麓まで約 5 キロメートル移動した。その月のすべての運転の 95% が自動運転モードを使用して実行され、その結果、火星では前例のない量の自動運転が行われました。

過去の探査車など 好奇心、前に進む前に、立ち止まって自分たちの道について「考える」必要がありました。 「あれが主なスピードバンプだった」 好奇心なぜ自動運転がこんなに遅かったのか」と小野氏は説明する。

対照的に、 忍耐力 思考と運転を同時に行うことができます。 “時々 [Perseverance] 特に安全な経路をすぐに見つけられない場合は、立ち止まって考える必要があります。しかし、ほとんどの場合、特に緩やかな地形では、停止することなく運転を続けることができます。「そのため、自動運転は桁違いに速くなりました。」と小野氏は言います。

機会 火星での自動運転のこれまでの記録を保持し、火星の 1 日で 109 メートルを移動しました。しかし、2023 年 4 月 3 日には、 忍耐力 火星の1日で331.74メートル（合計347.69メートル）を自律運転して新記録を樹立した。

小野氏は、ENav アルゴリズムの微調整には多大な労力がかかったが、そのパフォーマンスには満足していると述べています。同氏はまた、人間が宇宙のさらに奥深くまで探査を続けたいのであれば、自律航法を進化させ続ける努力が重要であると強調しており、そこでは探査車や他の宇宙船と地球上の通信がますます困難になるだろう。

「宇宙システムの自動化は、宇宙をさらに深く探索したいなら、私たちが進まなければならない止められない方向です」と小野氏は言います。 「これは、宇宙探査の限界と最前線を押し広げるために私たちが進まなければならない方向です。」