ティーンが洪水検知 CubeSat を開発 – IEEE Spectrum

現在、衛星、合成開口レーダー、GPS は、洪水被害に関するデータの収集、犠牲者の位置追跡、緊急対応者との通信に使用されています。しかし、テクノロジーの障害やデータ伝送速度の遅さにより、応答時間の遅れが生じるとマーチャント氏は言います。世界的な洪水の増加により、より正確で信頼性の高い方法の必要性が高まっています。

昨年、マーチャントさんは、洪水時にデータを追跡して収集するためのより効果的な方法であると彼女が言うもの、つまり人工知能と統合された小型で安価な標準化された CubeSat を構築しました。この小型衛星は 10 × 10 × 10 センチメートルの倍数のユニットを使用するため、メーカーはバッテリー、ソーラー パネル、コンピューター、その他の部品を既製のコンポーネントとして開発できます。

CubeSat はエリアの画像を撮影し、パターン認識を使用して洪水を検出し、インフラストラクチャの損傷を評価し、生存者を追跡します。

マーチャント氏は、今年の IEEE リージョン 3 年次カンファレンス IEEE SoutheastCon で、このデバイスに関する論文を発表しました。

「IEEE は、若い研究者としての私の成長の基礎的な部分です」と彼女は言います。 「それはエンジニアリングを私の夢から現実に変えてくれました。」

MIT で CubeSat を構築する

マーチャントさんは、救急隊員が衛星データを受信するまでに数時間かかることを知って、災害対応に興味を持ったという。

もっと高速な方法を見つけようと決意して、彼女はテクノロジーの研究を開始し、CubeSats で何ができるかを発見しました。

「CubeSat は非常に機敏で拡張性があり、ほぼリアルタイムでデータを更新するコンステレーション (複数の衛星グループ) を形成することができます」と彼女は言います。 「手のひらに収まるこれらの小型衛星が、従来のシステムよりも早く人命を救う洞察を提供できるという考えは、私にこのコンセプトをさらに推進するインスピレーションを与えてくれました。」

昨年、マーチャントさんとクラスメートの 3 人は、MIT のビーバー ワークス ビルド ア キューブサット チャレンジに合格しました。このチャレンジでは、最大 5 人の米国の高校生からなるチームに、宇宙ベースの研究ミッションを完了できる衛星を開発するための 8 か月の時間が与えられました。

マーチャントのチームである衛星センチネルは、畳み込みニューラル ネットワーク (>) を活用した CubeSat を構築しました。> は、甚大な影響を受けた洪水地帯を特定し、災害救援や環境監視のためのデータを遠隔から収集できます。 > はパターン認識のために画像データを分析します。

マーチャントはグループのペイロード プログラマーであり、計画、ハードウェアの構成、ペイロードを管理するための自律型ソフトウェアとアルゴリズムの開発を含む、ミッションの設計とシミュレーションの取り組みを主導しました。

チームは、デバイスの 3D モデルを作成して、部品の配置を視覚化し、調整することから始めました。 Raspberry Pi、複数のセンサー、カメラなどの使用されたテクノロジーは、透明なプラスチックの立方体に収められていました。

中央の CubeSat は、MIT Beaver Works Build a CubeSat Challenge 中にマーチャントとそのチームによって開発されました。左側は市販の 1U CubeSat で、右側は Merchant の現在の設計のプロトタイプです。 アビゲイルの商人

このデバイスの製作費は 310 ドルで、重量は約 495 グラムで、地上でのテスト中は Bluetooth 経由でラップトップにリモート接続されました。このコンピューターには、マーチャントが Python を使用して作成した機械学習アルゴリズムが組み込まれており、収集された画像を分析してフラッディングを検出します。

CubeSat は、周囲の高解像度画像を 2 分ごとに撮影し、ラップトップに送信します。この衛星は毎日最大 1,500 枚の画像を転送し、16 ギガバイトの SD カードに保存します。

次にアルゴリズムは、水の色や画像のピクセル密度の変化などのパターンを分析します。アルゴリズムが洪水を検出すると、デバイスは緊急対応者に警告できます。

「多くの既存システムは数時間のサイクルで動作しますが、CubeSat は 2 分ごとに高解像度の画像をキャプチャします」とマーチャント氏は言います。 「その後、システムはアラートをトリガーし、SMS または電子メールを通じて初期対応者に配信されます。」

システムをテストするために、マーチャントと彼女のチームは空の浴槽にレゴ ブロックで作られた都市モデルを構築しました。彼らはその上に CubeSat を配置し、現場の画像を撮影しました。次に、水と土を加えて、本物の洪水のように見せました。 CubeSat は画像をラップトップに転送することに成功し、アルゴリズムがフラッディングを検出しました。

30 チーム中、サテライト センチネルズは 3 位になりました。

アクセンチュアでの仕事を続ける

マーチャントさんはバージニア州リッチモンドのアクセンチュアで洪水防止技術の研究を続けており、同社の CubeSat 立ち上げチームのペイロード所有者および設計者としてリモートで働いています。

MIT プログラムが終了した後、マーチャントはプロジェクトを拡大することにしました。彼女は、元メンターであり、アクセンチュアで宇宙サイバーセキュリティのグローバル技術責任者を務めるクリス・ハドソン氏に連絡を取りました。彼は彼女にインターンシップを申し出た。

マーチャントさんはプロトタイプから実用的な製品への移行に取り組んでいますが、MIT プロジェクトで遭遇した障害を克服する必要があると彼女は言います。

主な問題は、モデルが変動する条件で洪水を検出するのに苦労したことです。それは、> モデルにはコンテキストが必要だからだと彼女は言います。これがないと、モデルは複雑な視覚的手がかりを誤って解釈する可能性があります。この問題を解決するために、Merchant は個々のピクセルの色を識別することでフラッディングを特定するようにアルゴリズムをトレーニングしました。

Bluetooth を使用して画像を送信することは、彼女のバスルームでは機能しましたが、CubeSat が地上 700 キロメートル上空を周回している場合、それほど役に立ちません。

「以前に Bluetooth ヘッドセットを使用したことがある場合は、接続されているデバイスから離れるとすぐに切断されることをご存知でしょう」と彼女は言います。 「CubeSat 星座が軌道上にあるときは、それは機能しません。」

彼女は、Accenture チームに SubMiniature Version A (SMA) アンテナに切り替えるよう提案しました。 RF アンテナは、SMA コネクタを使用して CubeSat に接続します。

「開発プロセスは、これまでの私のキャリアの中で最も形成された経験の 1 つです」とマーチャントは言います。 「ペイロードの設計と検証に取り組み、これらのチームと会うことで、特に私の年齢としては非常に多くの経験を得ることができました。」

彼女のペイロードは来年初めに打ち上げられる予定です。

MITでの航空宇宙インターンシップ

マーチャントは、60 の研究グループを擁する同校最大の学際的研究室である MIT コンピュータ サイエンスおよび人工知能研究所のインターンです。 CSAIL は、2025 年 IEEE エジソン メダルを受賞した IEEE フェローのダニエラ・ラス氏によって率いられています。

インターンシップは遠隔地で行われ、マーチャントはオーランドにあるセントラルフロリダ大学の研究室で研究を行っています。

「IEEE は、若手研究者としての私の成長の基礎的な部分を占めています。IEEE はエンジニアリングを夢から現実に変えてくれました。」

その役割において、マーチャントは、複雑な情報を意味マップに構造化し、アイデアや概念がどのように相互に関連しているかを明らかにする方法である認知地図作成に焦点を当てています。彼女は、情報を数値表現に変換する機械学習の一種である埋め込みモデルを使用しています。埋め込みにより、コンピューターは、概念が異なる方法で記述されている場合でも、概念間の類似点や関係を認識できるようになります。このアプローチは、AI 製品が各データを孤立したものとして扱うのではなく、アイデアがどのように結びついているかを理解するのに役立ちます。

「研究室の中で最年少の一人になるのは気が遠くなるようなことです」とマーチャントは言う。 「しかし、私はこの分野の最先端で働いているエンジニアや研究者から学ぶことに本当に興奮しています。」

彼女はMITかスタンフォードに進学したいと考えているという。

IEEEの将来

マーチャントを IEEE に紹介したのは、IEEE オーランド支部の元財務委員長であるジョー ジュサイ氏です。

この組織との彼女の最初の個人的な経験は、2023 年にサイエンス フェア プロジェクトの調査を行っていたときに起こりました。彼女は、脳波と Bluetooth を使用してアイテムを拾うことができるロボット アームの開発に取り組んでいました。このプロジェクトは、運動障害を患い車椅子生活を送っていた彼女の祖母からインスピレーションを得たものでした。

「私が見つけたすべての規制や規格で IEEE について言及されているのを目にし続けました」とマーチャント氏は言います。オーランド支部の会議が近づいていることを知ったとき、彼女は母親に連れて行ってくれるように頼んだ。

会議では数名のメンバーが研究を発表しました。マーチャントさんは、支部長兼共同議長であるマスード・エジャズ氏とヴァラドラジ・グルプール氏に、サイエンスフェアのプロジェクトについて話し合ってもらえないかと尋ねた。

「私の作品を発表した後、IEEE はすぐにコミュニティになり、エンジニアリングが何を達成できるかについての私の理解を形作りました」と彼女は言います。

IEEE SouthEastCon で CubeSat プロジェクトに関する論文を発表したとき、彼女は世界の頂点にいると感じたと彼女は言います。

「それはあなたを本当に変える経験の一つです」と彼女は言います。

大学に入学したら、IEEE 学生会員になれることに興奮している、と彼女は言います。彼女はまた、いつかその会長に選出されることを目指しています。

「彼女が IEEE 会長に選出される前に、地元の IEEE イベントでキャスリーン クレイマーに会い、私の仕事について話しました」と彼女は言います。 「彼女が選出された後、いつかIEEEの会長になりたいと思いました。

「いつか私も彼女と同じ立場になって、私が助けてくれたのと同じようにIEEEを助け続けられることを願っています。」