米航空宇宙局（NASA）は最新の火星探査機「Perseverance（パーセヴェランス）」を7月30日（米国時間）に打ち上げる。そのミッションとは、火星の地質学的な標本を収集し、最終的に地球に持ち帰れるときのために保管しておくことだ。
パーセヴェランスは、火星のジェゼロ・クレーターを探索することになる。ここは太古の昔の火星にあったとされる河川の三角州で、そこで採取された標本には地球外生命体が存在する初の証拠が含まれる可能性もある。
だが、まずは標本を見つける必要がある。そのためには、少なくとも火星の基準でも非常に優れたコンピューターが必要になってくる。
「第2のコンピューター」がもたらす進化
パーセヴェランスは、NASAがこれまでに火星に送り込んだ4つの探査機と比べて最も自律性が高い。NASAジェット推進研究所 （JPL）のロボットシステムエンジニアのフィリップ・トゥウいわく、「火星の自律走行車」となるべく設計されている。
パーセヴェランスは地球上の自律走行車と同じように、マシンヴィジョンのアルゴリズムにデータを供給するさまざまなセンサーを介して動作する。だが、地球上を走る自律走行車には買える限りで最高水準のコンピューターが搭載されている。これに対してパーセヴェランスのメインコンピューターは、1997年製の高性能PCとほぼ同じくらいの性能にとどまる。パーセヴェランスの決して“賢い”とは言えない頭脳が自動運転に対応できる唯一の方法は、ロボットドライヴァーのような動作をする第2のコンピュータを搭載することだった。
従来の探査機のナヴィゲーションのソフトウェアは、限られたコンピューティングリソースをほかのシステムと共有する必要があった。このため探査機は、ある地点から別の地点へと移動する際に、写真を撮影して周囲の状況を把握し、少し運転してから数分間停車して次の行動を考えていた。
これに対してパーセヴェランスは、視覚的なナヴィゲーションプロセスの多くを専用のコンピューターで処理できることから、火星探査の際に止まったり動いたりを繰り返す必要がない。メインコンピューターが目的地までのルートを導き出し、マシンヴィジョン・コンピューターが移動中に岩との衝突を回避する。「運転しながら考え続けられるところまで、かなり近づいてきています」と、NASAのトゥウは言う。
LiDARを使わない自動運転
自律性はパーセヴェランスの使命にとって不可欠なものだ。地球と火星との距離は非常に離れていることから、電波信号が光速で飛んだとしても片道22分かかる。この大幅な遅延によって探査機をリアルタイムで操作できなくなり、コマンドが火星と地球の間を1時間近くかけて往復するまで待つのも現実的ではない。
火星でのパーセヴェランスは非常に忙しい。飛行テスト用の小型ヘリコプターを降ろし、数十個の岩石標本を収集し、地表に保管する場所を見つけなければならない。保管した標本に生命の痕跡があるか調べられるように、今後のミッションで地球に持ち帰れるようにしておくためだ。本来のミッションに充てられた1年間でこれらすべてを達成できる見込みがあるとすれば、パーセヴェランスはナヴィゲーションにまつわる多くの判断を自律的にこなす必要がある。
地球上の自律走行車は通常、レーザーを使って物体の位置や距離を判断する。だが、レーザー光を用いたセンサー「LiDAR（ライダー）」はかさばる上に大量のエネルギーを消費し、機械的な故障が起きやすいという欠点がある。
そこでパーセヴェランスは、LiDARの代わりにステレオヴィジョンとヴィジュアル・オドメトリのシステムを用いて、火星上での位置を認識する。具体的には、まずステレオヴィジョンが左右ふたつのカメラの画像を組み合わせて、探査機の周囲の3D画像を作成する。そしてヴィジュアル・オドメトリのソフトウェアが、画像を時系列に分析することで、探査機がどのくらい移動したかを推定する仕組みだ。
「わたしたちは、宇宙ミッションで用いるLiDARの機械的な信頼性を懸念していました」と、NASAジェット推進研究所のシニア・リサーチ・サイエンティストでコンピューターヴィジョングループを統括するラリー・マティースは言う。「JPLではLiDARの技術がまだ成熟していなかった数十年前から、3Dでの環境の認識にステレオヴィジョンを使い始めました。それがかなりうまくいったのです」
これまでにマティースは、火星に行った探査機すべての視覚ナヴィゲーションシステムの構築に携わってきた。火星上にあるNASA初の探査機「Sojourner（ソジャーナ）」を除くすべての探査機は、ステレオヴィジョンとヴィジュアル・オドメトリを組み合わせて移動している。これに対してパーセヴェランスの最大の特徴は、ナヴィゲーション専用のハードウェアとマシンヴィジョン用の新しいアルゴリズムを備えていることだ。
1日に200mでも「速い」と言える理由
パーセヴェランスが備えた新型のステレオカメラによって、従来の数倍の速度で周囲を自律的に移動できるようになる。つまり、探査機が本来の科学的な目的に集中できる時間が増えることになる。
それでもパーセヴェランスは、ナマケモノが1時間に移動する距離と同じだけ移動するために1日かかってしまう。だが、NASAの従来の火星探査機と比べると、パーセヴェランスはドラッグレースに出場するホットロッドのようなものだ。
「これまでに火星探査機が1日に移動した最長の距離は、219mでした。」と、トゥウは言う。「パーセヴェランスは1日に約200mを走れる設計なので、平均すると火星探査機の現在の記録に到達するか、更新することになるはずです」
処理速度が遅いのはパーセヴェランスのせいではない。放射線のせいなのだ。火星には、太陽から届く荷電粒子を遮断する磁場や厚い大気がないことから、これらの荷電粒子がコンピューターを大きく混乱させる場合がある。
荷電粒子は、トランジスターのスイッチを入れたり切ったりすべきでないときに動作させる。これらのエラーが積み重なると、コンピューターをクラッシュさせてしまう場合があるのだ。そしてコンピューターがクラッシュすると、貴重なデータの喪失やミッション全体の失敗につながる可能性がある。このためNASAのエンジニアは、最初の段階でクラッシュを防ぐためにできる限りの手を打つのだ。
旧式の技術が、なぜ好まれるのか
コンピューターに放射線に対する“免疫”をもたせる技術は多くある。例えば、スイッチを入れたり切ったりしにくいトランジスターを追加することで、厄介なイオンがスイッチを入れにくくさせることができる。
パーセヴェランスのマシンヴィジョンのチップを設計・構築した半導体企業ザイリンクスの宇宙システムアーキテクトのミナル・サワントによると、このチップは意図的に放射線硬化させたものだという。ザイリンクスの評価試験では、チップはメモリーに格納されている情報のビットがイオンによって1から0、または0から1などに変化するビット反転エラーは、年間2回以下であるべきだとされている。
しかし、一般的にプロセッサーを放射線から保護するには、プロセッサーの性能を犠牲にする必要がある。これはプロセッサーの設計や、部品の放射線に対する耐性の試験に長時間を要するという事実とも関係してくる。プロセッサーなどのコンポーネントが認証されるころには、最先端のプロセッサに性能で大きく差をつけられてしまうのだ。
NASAのエンジニアたちは古い技術を使いたくはないが、うまくいくとわかっている技術を使いたいと考えている。実際にパーセヴェランスで採用されたザイリンクスのチップは、同じ種類のものが過去数回の宇宙ミッションで飛行している。ほぼ10年という期間のパフォーマンスデータが、成功を裏付けているわけだ。
「米国の宇宙産業は昔からリスクを嫌う傾向が非常に強いのですが、それには理論的な理由があるのです」と、ザイリンクスのサワントは言う。「ひとつの小さなミスでミッション全体が失敗に終わる可能性すらあります。そこで新しい技術を試すより、すでに宇宙で使った部品を使いたいと考えているわけです。信頼性こそが鍵なのです」
アルゴリズムのミスを防ぐために
ザイリンクスのマシンヴィジョンコンピューターは、NASAのトゥウとマティースらが開発したまったく新しい視覚アルゴリズムを実行する。地球上の自律走行車とは異なり、パーセヴェランスのトランクに画像処理用の高性能なコンピューターが搭載されているわけではない。火星ではエネルギーと処理能力が貴重な資源となる。つまり、パーセヴェランスが移動時に使うアルゴリズムは、精度を損なうことなく、できるだけ無駄のない効率的なものである必要があるということだ。
「ハードウェアが完璧であっても、アルゴリズムは常にミスを犯す可能性があります」と、マティースは言う。「コンピュータヴィジョンには、アルゴリズムのミスを誘発する異常値があります。その可能性をなくす必要があるのです」
こうした異常値には、探査機が物体を見ることができなかったり、何かほかのものと間違えたりするような状況が含まれている場合がある。問題の解決策のひとつには、探査機のナヴィゲーションシステムにほかのセンサーからもデータを供給することで、移動時に視覚だけに依存させないようにする方法がある。例えば、ジャイロスコープや加速度計は、探査機が地面の傾斜や状態を理解しやすくする。
もうひとつの解決策は、打ち上げ前に探査機のアルゴリズムをできるだけ多くのシナリオに対応させておくことで、火星に到着したあとで“想定外”の事態がないようにしておくものだ。
巨大な実験場で探査機が“学ぶ”こと
カリフォルニア州パサデナにあるNASAのジェット推進研究所には、火星の環境を模して岩や赤土を敷き詰めた大きな屋外実験場がある。過去数年にわたってパーセヴェランスを導くアルゴリズムの試験場としての役割を果たしてきた「マーズヤード」だ。
トゥウらは探査機のレプリカを定期的にマーズヤードにもちこみ、探査機を混乱させるようなシナリオを意図的に作成してきた。例えば、袋小路に突っ込んでしまった場合に、探査機は引き返して新しいルートを進むことができるのだろうか、といった具合だ。
「システムが複雑になればなるほど、下すことのできる意思決定の種類が増えてきます」と、トゥウは言う。「探査機が遭遇する可能性がある、あらゆるシナリオを網羅させることは非常に困難でした。でも、こうした多数の実地テストを実施することで、アルゴリズムの“癖”を見つけることができるのです」
そうは言っても、巨大な砂場に大きな岩を並べる方法は限られている。そこでパーセヴェランスのナヴィゲーション・アルゴリズムの試験の大半は、仮想シミュレーションによって実施された。探査機の開発チームが考えうるあらゆるシナリオを探査機のソフトウェアで試し、探査機がどんな状況でどう対応するのかを理解するのが狙いだ。
最もリスクの高いテストに向けて
このシミュレーションは、主にヴァーチャルな岩を入れ替えているだけだったが、モデル化できる風景や、シナリオの種類には制限がなかった。トゥウによると、この視覚的アルゴリズムの大規模な試験と、探査機が取り込んだセンサーデータのすべてを組み合わせることで、パーセヴェランスはほかのどの火星探査機よりはるかに複雑な地形でも移動できるようになるという。
だが、いくら完璧なシミュレーションであっても、本物とは比べ物にならない。探査機は2021年2月に火星に着陸するとき、これまでで最もリスクの高いテストを経験することになる。すべてがうまくいけば、パーセヴェランスが描く経路が地球外生命体が存在する証拠へと導いてくれる可能性もあるのだ。
※『WIRED』による宇宙の関連記事はこちら。
RELATED ARTICLES
INFORMATION
限定イヴェントにも参加できるWIRED日本版「メンバーシップ」会員募集中！
次の10年を見通すためのインサイト（洞察）が詰まった選りすぐりのロングリード（長編）を、週替わりのテーマに合わせてお届けする会員サーヴィス「WIRED SZ メンバーシップ」。限定イヴェントへの参加も可能な刺激に満ちたサーヴィスは、2週間の無料トライアルを実施中！
"コンピューター" - Google ニュース
July 26, 2020 at 04:00PM
https://ift.tt/300fc6r
「火星の自律走行車」は、かくして完成した：NASAが打ち上げる火星探査機「パーセヴェランス」ができるまで - WIRED.jp
"コンピューター" - Google ニュース
https://ift.tt/2Pm3Z9Y
Shoes Man Tutorial
Pos News Update
Meme Update
Korean Entertainment News
Japan News Update
No comments:
Post a Comment