ドローンに、最も単純な障害物でさえ素早く避けて飛ぶ訓練をするのは、衝突が起こりやすい作業だ。技術者は、うんざりするほど頻繁に機体を修理または交換することになる。
MITの技術者たちは今回、ドローン向けの新たな仮想現実訓練システムを開発した。このシステムにより、機体は何もない物理空間を飛びながら、豊かな仮想環境を「見る」ことができる。
チームが「Flight Goggles」と名付けたこのシステムは、実際の訓練中にドローンが衝突する回数を大幅に減らす可能性がある。また、研究者が高速飛行するドローンを訓練したいと考える、さまざまな環境や条件を試す仮想テストベッドとしても利用できる。
「高速で飛ぶドローンの技術開発において、これは画期的なものになると考えています」と、MITで航空宇宙工学を担当する准教授のセルタチ・カラマンは話す。「このシステムによって、自律走行車両の応答性や速度、効率を高められる可能性があります。」
カラマンと同僚らは来週、IEEEロボティクス・オートメーション国際会議で、この仮想訓練システムの詳細を発表する。共著者には、MIT情報・意思決定システム研究所のトーマス・セイヤー＝マッコード、ウィンター・ゲラ、アマド・アントニーニ、ジャスパー・アーネバーグ、オースティン・ブラウン、ギリェルメ・カヴァリェイロ、デイブ・マッコイ、セバスチャン・クイラー、ファビアン・リーテル、エズラ・タル、ユヌス・テルツィオール、ルカ・カールローネのほか、MITコンピューター科学・人工知能研究所のヤジュン・ファン、サンディア国立研究所のアレックス・ゴロデツキーが名を連ねる。
限界への挑戦
カラマンが当初着想を得たのは、新たな過激ロボットスポーツ、ドローンレースだった。人間が操縦する遠隔操作ドローンが、窓やドアなどの障害物が入り組む迷路を抜け、互いを上回る飛行を競う。カラマンは考えた。自律型ドローンを訓練して、人間が操縦する機体と同じ速さ、あるいはそれ以上の速さで、さらに高い精度と制御性をもって飛ばせるだろうか。
「今後2、3年のうちに、自律型ドローンでドローンレースに出場し、最も優れた人間の選手に勝ちたいのです」とカラマンは言う。そのためには、チームはまったく新しい訓練方法を開発する必要がある。
現在、自律型ドローンの訓練は物理的な作業だ。研究者は広く囲われた試験場でドローンを飛ばし、制御を失って飛んでいく機体を受け止めるため、大きなネットを張ることも多い。また、窓やドアなどの小道具を設置し、ドローンがそこを通り抜ける飛行を学べるようにする。機体が衝突すると修理または交換が必要になり、開発が遅れ、プロジェクトの費用も増える。
カラマンによると、この方法でのドローン試験は、周囲をゆっくりマッピングするようプログラムされたドローンなど、高速飛行を想定していない機体には有効だ。しかし、環境を飛行しながら視覚情報を素早く処理する必要がある高速飛行用の機体には、新たな訓練システムが必要だ。
「高スループットの計算を行い、高速で飛ぼうとすると、環境に加えたごくわずかな変化でさえ、ドローンの衝突を招きます」とカラマンは言う。「その環境では学習できません。飛行速度や計算能力の限界を押し広げたいなら、何らかの仮想現実環境が必要です。」
Flight Goggles
チームの新しい仮想訓練システムは、モーションキャプチャーシステム、画像描画プログラム、そして画像をすばやく処理してドローンに送信できる電子機器で構成されている。
実際の試験空間は、MITの新しいビル31のドローン試験施設にある格納庫のような体育館で、飛行中のドローンの向きを追跡するモーションキャプチャーカメラが周囲に設置されている。
画像描画システムを使うと、カラマンと同僚らはロフト型のアパートや居間などの写実的な場面を作成し、何もない施設内を飛行するドローンにその仮想画像を送ることができる。
「ドローンは何もない部屋を飛びながら、まったく別の環境を『幻視』し、その環境で学習します」とカラマンは説明する。
ドローンは仮想画像を毎秒約90フレームで処理できる。これは人間の目が画像を見て処理できる速度の約3倍だ。これを可能にするため、チームは高性能な組み込み型スーパーコンピューターに加え、慣性計測装置とカメラを統合した回路基板を独自に製作した。これらのハードウェアはすべて、小型の3Dプリント製ナイロン・炭素繊維強化ドローンフレームに収められている。
衝突を重ねて学ぶ
研究者らはいくつかの実験を行った。その一つでは、ドローンは自機の約2倍の大きさの仮想窓を通り抜ける飛行を学んだ。窓は仮想の居間の中に設置された。ドローンが実際の何もない試験施設を飛ぶ間、研究者らはドローンの視点から見た居間の画像を機体に送り返した。ドローンがこの仮想の部屋を飛ぶ間、研究者らはナビゲーションアルゴリズムを調整し、飛行しながら学習できるようにした。
10回の飛行で、毎秒約2.3メートル（時速5マイル）で飛ぶドローンは、仮想の窓を361回通り抜け、窓に「衝突」したのはわずか3回だった。これは、施設のモーションキャプチャーカメラが提供する位置情報による。カラマンは、たとえドローンが何千回衝突しても、仮想環境での衝突であり現実世界の物体に接触しないため、開発費用や期間への影響はほとんどないと指摘する。
最後の試験では、チームは試験施設に実際の窓を設置し、ドローンが実際の周囲を見て処理できるよう、機体搭載カメラを起動した。研究者らが仮想システムで調整したナビゲーションアルゴリズムを使い、ドローンは8回の飛行で実際の窓を119回通り抜け、衝突したり人間の介入を必要としたりしたのはわずか6回だった。
「現実でも同じことができます」とカラマンは言う。「仮想環境で、失敗し、ばらばらになり、学習することで、そうするようにプログラムしたのです。しかし、この過程で実際の窓を割ることはありませんでした。」
カラマンによると、この仮想訓練システムは柔軟性が非常に高い。たとえば研究者は、ドローンを訓練するための独自の場面やレイアウトを取り込める。実際の建物をドローンで詳細にマッピングして作った複製も含まれ、チームはMITのスタタ・センターでこれを行うことを検討している。また、飛行中のドローンで新しいセンサーや既存センサーの仕様を試し、どのように機能するかを確かめる用途にも使える。
「この仮想環境でさまざまな仕様を試し、『こうした仕様のセンサーを作ったら、この環境でドローンにどう役立つだろうか』と検討できます」とカラマンは言う。
このシステムは、人間の周囲を安全に飛ぶようドローンを訓練することにも使える。たとえばカラマンは、実際の試験施設を二つに分け、一方ではドローンを飛ばし、もう一方ではモーションキャプチャースーツを着た人間が歩く状況を思い描いている。ドローンは自分の空間を飛びながら、仮想現実の中でその人間を「見る」。人に衝突しても、その結果は仮想のもので、危害はない。
「いつか、十分な自信がついたら、現実の環境で実施し、人が走っている周りをドローンが安全に飛ぶようにできます」とカラマンは言う。「この仮想現実の仕組みでは、驚くような実験を数多く行えます。時間をかけて、できることをすべて紹介していきます。」
この研究は、米国海軍研究局、MITリンカーン研究所、NVIDIA社の一部支援を受けた。
