MITの研究者ら、衝突回避を形式的に保証するドローン経路計画システム「SANDO」を発表

MITの研究者らが、無人航空機（UAV）向けの軌道計画システム「SANDO」を発表した。名称はSafe AutoNomous trajectory planning for Dynamic unknOwn environments（動的な未知環境のための安全な自律軌道計画）の略である。7日にこの研究を発表したMIT Newsによると、このシステムはドローンが一度もマッピングしたことのない環境の中で、たとえその中の物体が誰にも予測できない動きをする場合でもルートを描き出す。研究チームは、得られた軌道が衝突を回避することを数学的に証明したという。論文はIEEE Transactions on Roboticsに掲載されている。研究者らは、倒壊した建物への捜索救助飛行、鉱山内の隠れたトンネル網の探査、人通りの多い住宅地での荷物配送といった用途を挙げている。

この種の計画システムは、機体のカメラやセンサーのデータを目的地までの経路に変換する。MITによると、既存のシステムの多くは、未知の空間の障害物が静止していると仮定するか、衝突が起きないという形式的な保証なしに動く障害物を避けて飛行するかのいずれかだという。そうした保証を提供する広く使われているシステムは、一般に静的な環境か、事前に分かっている障害物を必要とする。研究者らによると、変化する環境であらゆる衝突の可能性を検証するのは、実用には時間がかかりすぎるという。筆頭著者のKota Kondo氏は、MITの発表の中で次のように述べている。「未知の動的環境では、頼れる前提がそれほど多くありません」

SANDOはまず、安全回廊（safety corridor）を構築する。これは障害物を含まず、ドローンが通過してよい、互いにつながった3D領域の連なりである。従来の回廊とは異なり、この回廊は時間とともに変化する。専用モジュールが動く障害物を検出し、グループ化して追跡し、それらの向かう先を推定する。障害物の将来の正確な経路は分からないため、計画システムは各障害物の最大速度を用いて、一定時間内にどこまで到達し得るかを算出し、到達し得るすべての点を覆う球で障害物を包み込む。回廊はこれらの球を避ける形で形成される。ヒートマップ・プランナーが混雑した「ホット」な領域を示し、ドローンがそこから離れるよう誘導する。SANDOは回廊の内部で目的地への最速ルートを探索し、飛行中も回廊と軌道の両方を更新し続ける。研究チームは、機載コンピューターが素早く再計画できるよう、基盤となる最適化を簡素化した。

研究者らによると、シミュレーションではSANDOは複数の最先端（state-of-the-art）システムより速く目的地に到達し、テストしたどの環境でも衝突はなかった。実際のUAVによる12回の試験飛行では、機体自身のコンピューターとセンサーで動作し、動く障害物をすべて回避した。「SANDOの開発で最も難しかったのは数学でした」とKondo氏は語る。最近MITで航空宇宙工学の博士号を取得したKondo氏は、現在マドリードのコミージャス教皇大学（Comillas Pontifical University）で助教を務めるJesús Tordesillas氏、およびMITの大学院生三人、Juan Rached氏、Lili Sun氏、Yixuan Jia氏と共に論文を執筆した。MITの情報・意思決定システム研究所（LIDS）と航空宇宙制御研究所に所属するJonathan P. How氏が責任著者（senior author）を務めた。研究資金の一部はシンガポール国防科学技術庁が提供した。

このプロジェクトに関与していない中国・浙江大学の准教授Fei Gao氏は、この計画システムが対象とする問題を次のようにまとめた。「計画した時点では安全な経路も、環境の変化に伴って安全でなくなる可能性がある」。同氏は、SANDOの時間変化する（time-varying）飛行回廊、ハード制約付きの軌道最適化、そしてハードウェアでの試験が、複雑な動的環境に対する実用的なアプローチを提供していると評価している。今後の取り組みとして研究者らは、SANDOの計算負荷を軽減し、ユーザーが平易な言葉でロボットに指示できるよう機械学習モデルと組み合わせることが考えられるとしている。MIT Newsは論文と併せてSANDOのコードへのリンクも掲載している。