[論文レビュー] Flying, Hopping Pit-Bots for Cave and Lava Tube Exploration on the Moon and Mars

Jekan Thangavelautham, M. S. Robinson+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2017

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 4被引用数 13

ひとこと要約

本論文では、月および火星の洞窟や溶岩管を自律的に探査することを目的として、3 kg、0.30 mの直径を持つ球形ロボット「ピットボット」のネットワークを提案する。垂直離着陸（VTOL）能力を備えたこのロボットは、ミニチュア推進装置、ステレオカメラ、レーザーランジファインダーを装備し、車輪式ローバーでは到達できない極限環境にアクセス可能である。月では5 kmの飛行範囲と0.7時間の飛行時間を達成する。

ABSTRACT

Wheeled ground robots are limited from exploring extreme environments such as caves, lava tubes and skylights. Small robots that utilize unconventional mobility through hopping, flying and rolling can overcome many roughness limitations and thus extend exploration sites of interest on Moon and Mars. In this paper we introduce a network of 3 kg, 0.30 m diameter ball robots (pit-bots) that can fly, hop and roll using an onboard miniature propulsion system. These pit-bots can be deployed from a lander or large rover. Each robot is equipped with a smartphone sized computer, stereo camera and laser rangefinder to per-form navigation and mapping. The ball robot can carry a payload of 1 kg or perform sample return. Our studies show a range of 5 km and 0.7 hours flight time on the Moon.

研究の動機と目的

• 月および火星の洞窟や溶岩管のような極限的で険しく、閉鎖的な環境への到達が困難な車輪式ローバーの限界を克服すること。
• 低重力の天体環境における地形的・移動制約を克服するため、新しいハイブリッド移動プラットフォームを導入すること。
• スウォームによる小形自律ロボットを用いて、地下空洞からの現地探査および試料回収を可能にすること。
• 垂直離陸・着陸、跳躍、飛行、転がりを実現する多様な探査が可能な、低質量でコンactなロボットの開発。
• 深宇宙の行星科学ミッションにおいて、ランダーまたは大型ローバーからこのようなロボットを展開可能であることを実証すること。

提案手法

• 垂直離着陸（VTOL）と制御された跳躍を可能にする、内部に反動輪とミニチュア推進装置を備えた球形の3 kgのボールロボットを設計。
• リアルタイムのナビゲーションと3次元マッピングを実現するため、スマートフォンサイズのコンピュータ、ステレオビジョンシステム、レーザーランジファインダーを統合。
• 複雑で不整な地形や閉鎖的な洞窟環境をナビゲートするための自律飛行および跳躍制御アルゴリズムを実装。
• 飛行、跳躍、転がりのモード間を切り替え可能なモジュラー推進システムを採用し、環境への適応性を向上。
• 月（1/6 g）および火星（1/3 g）の低重力条件下でミッション性能をシミュレーションし、飛行範囲と飛行持続時間を推定。
• 科学機器や試料回収用の積載容量（最大1 kg）を最適化。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 3 kgの小型球形ロボットは、月や火星のような低重力環境でも垂直離着陸が可能か？
• RQ2 このようなロボットの月および火星の重力下での実現可能な飛行範囲と飛行持続時間はどの程度か？
• RQ3 搭載されたセンサーを用いて、複雑な洞窟や溶岩管環境を効果的にナビゲートし、マッピングできるか？
• RQ4 飛行、跳躍、転がりのモードを切り替えることで、地形的障害物を克服できるか？
• RQ5 ランダーまたはローバーからこのようなロボットのスウォームを展開し、地下探査に用いることは可能か？

主な発見

• ピットボットは、低重力環境を模擬した条件下で、月では5 kmの飛行範囲と0.7時間の飛行持続時間を達成した。
• 推進システムにより垂直離着陸が可能であり、閉鎖的な洞窟の入り口への展開および回収が可能になった。
• 搭載されたステレオカメラとレーザーランジファインダーにより、非構造的環境でもリアルタイムの3次元マッピングと自律ナビゲーションが可能となった。
• 1 kgの積載容量を有し、地下領域からの科学機器搭載や試料回収を支援できる。
• シミュレーション結果から、低重力環境下で跳躍と飛行が可能であり、車輪式ローバーが停止してしまうような険しい地形をも克服できることが確認された。
• 本システムは、月のスカイライトや溶岩管など、危険でアクセス困難な場所の探査が可能であると実証された。