NASAが次期火星ミッションに向けて自動運転車を開発した経緯

パーセヴェランスは、NASAのこれまでの4台の探査車よりもはるかに自律性が高く、NASAジェット推進研究所のロボットシステムエンジニア、フィリップ・トゥウ氏が「火星の自動運転車」と呼ぶものを目指して設計されている。地球上の探査車と同様に、パーセヴェランスは多数のセンサーから得たデータを機械視覚アルゴリズムに送り込み、航行する。しかし、地上の自動運転車には最高クラスのコンピューターが搭載されているのに対し、パーセヴェランスのメインコンピューターは、1997年製のハイエンドPCと同程度の速度しかない。パーセヴェランスの小さな頭脳がこれだけの自律運転をこなせるのは、NASAがロボットドライバーのように動作する2台目のコンピューターを搭載しているからに他ならない。

従来の探査機では、ナビゲーションソフトウェアは限られた計算リソースを他のすべてのシステムと共有する必要がありました。そのため、ある地点から別の地点へ移動する際に、探査機は周囲の状況を把握するために写真を撮影し、少し移動した後、次の移動先を決めるために数分間停止していました。しかし、パーセヴェランスは視覚ナビゲーション処理の多くを専用コンピューターにオフロードできるため、火星探査においてこのような停止と発進を繰り返す必要はありません。メインコンピューターがパーセヴェランスを目的地に導く方法を考え出し、マシンビジョンコンピューターが途中で岩に衝突しないようにします。「私たちは、継続的に移動しながら考え続けることができる状態に、ますます近づいています」とトゥウ氏は言います。

自律性はパーサヴィアランスのミッションにとって極めて重要です。地球と火星の距離は非常に遠く、光速で移動する無線信号が片道で往復するのに最大22分かかります。この長い遅延により、探査機をリアルタイムで制御することは不可能であり、火星と地球間の往復コマンドを1時間近く待つことも現実的ではありません。パーサヴィアランスは過密スケジュールをこなしています。飛行試験のために小型ヘリコプターを着陸させ、数十個の岩石サンプルを採取し、地表で保管場所を確保する必要があります（この保管場所は後のミッションで地球に持ち帰り、生命の兆候がないか調査する予定です）。探査機が主要ミッションに割り当てられた1年間でこれらすべてを達成できる見込みがあるならば、多くのナビゲーションの判断を自力で下せるようにする必要があります。

地上の自律走行車は通常、物体の位置と距離を測定するためにレーザーを使用しますが、これらのLIDARシステムは大型で、消費電力が大きく、機械的な故障を起こしやすいという欠点があります。パーセベランスは、代わりにステレオビジョンと視覚オドメトリを用いて火星上の位置を特定します。ステレオビジョンは、「左カメラ」と「右カメラ」からの2つの画像を組み合わせて探査車周辺の3D画像を作成し、視覚オドメトリソフトウェアは時間的に区切られた画像を分析して探査車が移動した距離を推定します。

「宇宙ミッションにおけるライダーの機械的信頼性について懸念がありました」と、NASAジェット推進研究所（JPL）のコンピュータービジョングループの上級研究科学者兼スーパーバイザーであるラリー・マティーズ氏は語る。「JPLでは数十年前、ライダーがまだ未成熟だった頃から3D認識にステレオビジョンを使い始めましたが、かなりうまく機能しています。」

マティーズ氏は、これまで火星に送られたすべての探査車の視覚ナビゲーションシステムの構築に携わってきました。NASA初の火星探査車であるソジャーナを除き、火星探査車はすべて、ステレオビジョンと視覚オドメトリを組み合わせて移動してきました。しかし、パーセベランスが特別なのは、専用のハードウェアと、マシンビジョン用の高度な新アルゴリズム群を搭載している点です。

パーサヴィアランスの新しいデジタルグラスは、従来の探査機よりも数倍速く周囲を自律的に移動することを可能にし、探査機はより多くの時間を主要な科学的目的に集中できるようになります。それでも、ナマケモノが1時間で移動できる距離をパーサヴィアランスが走行するには丸一日かかります。しかし、NASAのこれまでの火星探査機と比べると、パーサヴィアランスはまさに改造車です。「火星探査機が1日で走行した最長距離は219メートルです」とトゥ氏は言います。「私たちは1日あたり約200メートル走行できるので、平均するとパーサヴィアランスは現在の火星探査機の記録を更新するか、それを上回ることになります。」

パーセベランスの思考速度が遅いのは、火星のせいではなく、放射線のせいです。火星には、太陽から降り注ぐ荷電粒子から身を守る磁場や厚い大気がなく、これらの粒子はコンピューターに壊滅的な被害をもたらす可能性があります。トランジスタが本来あるべきでないタイミングでオンオフを繰り返す原因となり、こうしたエラーが蓄積されると、コンピューターがクラッシュする可能性があります。これは貴重なデータの損失、あるいはミッション全体の失敗につながる可能性があります。そのため、NASAのエンジニアたちは、そもそもクラッシュを防ぐため、あらゆる手段を講じています。

コンピュータを放射線耐性にする方法は数多くあります。例えば、オンオフの切り替えが困難なトランジスタを追加することで、イオンによる誤作動の可能性を低減できます。パーセベランスのマシンビジョンチップを設計・製造したカリフォルニアのテクノロジー企業、ザイリンクスの宇宙システムアーキテクト、ミナル・サワント氏は、このチップは設計上、耐放射線性を備えていると述べています。同社が実施した認定試験によると、このチップは、イオンによってメモリに保存されているビット情報が1から0に、あるいはその逆に変化するビット反転エラーを年間2回以上発生させないはずです。

しかし、一般的に言えば、プロセッサを放射線から保護するには、その性能を犠牲にしなければなりません。これはプロセッサの設計に一部関係しており、また、コンポーネントの放射線耐性をテストするのに単純に長い時間がかかるという事実にも関係しています。コンポーネントが認定される頃には、最先端のプロセッサの性能は飛躍的に向上しています。NASAのエンジニアは古い技術を使いたくありませんが、確実に機能するとわかっている技術は使いたいと考えています。パーセベランスが使用しているザイリンクスのチップは、過去のいくつかの宇宙ミッションで使用され、それを裏付ける10年近くの性能データがあります。

「アメリカの宇宙産業は伝統的にリスク回避の傾向が強く、それには理にかなっています」とサワント氏は言う。「小さなミス一つでミッション全体が台無しになってしまう可能性があるので、新しい技術を試すよりも、既に宇宙で使われた部品を使いたいのです。信頼性が鍵なのです。」

ザイリンクスのマシンビジョンコンピューターは、トゥウ氏、マティーズ氏、そしてNASAの同僚たちが開発した最新のビジョンアルゴリズムを実行します。地球上の自動運転車とは異なり、パーセベランスはトランクに画像処理用の強力なコンピューターを多数搭載する贅沢なシステムを備えていません。火星ではエネルギーと処理能力は貴重な資源です。そのため、パーセベランスが航行に使用するアルゴリズムは、精度を損なうことなく、可能な限り無駄を省き、効率化する必要があります。

「ハードウェアが完璧であっても、アルゴリズムは常に間違いを犯す可能性があります」とマティーズ氏は言います。「コンピュータービジョンでは、アルゴリズムに間違いを犯させる外れ値があります。ですから、私たちはその可能性を克服しなければなりません。」外れ値には、探査機が物体を認識できない、あるいは別のものと誤認する状況が含まれる可能性があります。この問題の解決策の一つは、探査機のナビゲーションシステムに他のセンサーからデータを入力することで、移動に視覚だけに頼らないようにすることです。例えば、ジャイロスコープや加速度計は、探査機が路面の傾斜や粗さを理解するのに役立ちます。

もう一つの解決策は、打ち上げ前に探査車のアルゴリズムをできるだけ多くのシナリオにさらすことです。そうすれば、火星に到着した際に驚くような事態は起こりません。NASAパサデナにあるジェット推進研究所には、火星の地形を模した、岩や赤土が散らばった広大な屋外フィールドがあります。ここはマーズ・ヤードと呼ばれ、ここ数年、パーセベランスを導くアルゴリズムの実験場として機能してきました。トゥ氏と彼の同僚たちは、定期的に探査車のレプリカをマーズ・ヤードに持ち込み、探査車を混乱させると思われるシナリオを意図的に構築してきました。例えば、探査車が行き止まりに陥った場合、引き返して新しいルートを試すことができるでしょうか？

「システムが複雑になればなるほど、下せる判断の種類も増えます」とトゥウ氏は言う。「探査機が遭遇する可能性のあるあらゆるシナリオを確実にカバーするのは非常に困難でした。しかし、今回のような実践的なテストを数多く行うことで、アルゴリズムの問​​題点を発見できるのです。」

しかし、巨大な砂場に岩を配置する方法は限られています。パーセベランスのナビゲーションアルゴリズムのテストのほとんどは仮想シミュレーションで行われました。探査車チームは、考えられるあらゆるシナリオを探査車のソフトウェアに入力し、それぞれの状況でどのように動作するかを調べました。これは主に（仮想の）岩をシャッフルする作業でしたが、モデル化できる地形やシナリオの種類に実質的な制限はありませんでした。トゥウ氏によると、視覚アルゴリズムのこの徹底的なテストと、探査車が取得したあらゆるセンサーデータを組み合わせることで、パーセベランスは他のどの火星探査車よりもはるかに困難な地形を移動できるようになるとのことです。

しかし、どんなに完璧なシミュレーションでも、現実には及ばない。探査車は来年2月に火星に着陸し、これまでで最も厳しい試練を受けることになる。すべてが順調に進めば、探査車が描く航路は地球外生命体の証拠につながるかもしれない。

2020年7月23日午後5時15分更新：ザイリンクスは、パーセベランスのビジョンコンピューティング要素用のチップを開発しました。このコンピューターはNASAジェット推進研究所で製造されました。

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