[論文レビュー] GNC of the SphereX Robot for Extreme Environment Exploration on Mars

Himangshu Kalita, Ravi Teja Nallapu+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 26, 2017

Robotic Path Planning Algorithms参考文献 13被引用数 3

ひとこと要約

この論文では、溶岩管やスカイライトなど極限の火星環境を想定した3kgの球形火星探査車であるSphereX用に、新規の誘導・ナビゲーション・制御（GNC）システムを提示する。小型化学推進（固体ロケット、二成分燃料）を用いて弾道飛行を実現し、中間補正を施す。複数のカメラが記録する運動ぼやけた画像を用いてリアルタイムの写真マッピング、ナビゲーション、経路計画を実行し、10分間の最大飛行時間を有する低コストで効率的な表面探査を、多数の小型ロボットによるスワーム方式で実現する。

ABSTRACT

Wheeled ground robots are limited from exploring extreme environments such as caves, lava tubes and skylights. Small robots that can utilize unconventional mobility through hopping, flying or rolling can overcome these limitations. Mul-tiple robots operating as a team offer significant benefits over a single large ro-bot, as they are not prone to single-point failure, enable distributed command and control and enable execution of tasks in parallel. These robots can complement large rovers and landers, helping to explore inaccessible sites, obtaining samples and for planning future exploration missions. Our robots, the SphereX, are 3-kg in mass, spherical and contain computers equivalent to current smartphones. They contain an array of guidance, navigation and control sensors and electronics. SphereX contains room for a 1-kg science payload, including for sample return. Our work in this field has recognized the need for miniaturized chemical mobility systems that provide power and propulsion. Our research explored the use of miniature rockets, including solid rockets, bi-propellants including RP1/hydrogen-peroxide and polyurethane/ammonium-perchlorate. These propulsion options provide maximum flight times of 10 minutes on Mars. Flying, especially hovering consumes significant fuel; hence, we have been developing our robots to perform ballistic hops that enable the robots to travel efficiently over long distances. Techniques are being developed to enable mid-course correction during a ballistic hop. Using multiple cameras, it is possible to reconstitute an image scene from motion blur. Hence our approach is to enable photo mapping as the robots travel on a ballistic hop. The same images would also be used for navigation and path planning. Using our proposed design approach, we are developing low-cost methods for surface exploration of planetary bodies using a network of small robots.

研究の動機と目的

• 従来の車輪式ローバーでは到達不可能な極限の火星環境、例えば洞窟、溶岩管、スカイライトの探査を可能にする。
• 小型で自律的なロボットのネットワークを用いた、低コストでスケーラブルな惑星表面探査ソリューションを開発する。
• 大型ローバーに伴う単一障害点のリスクを回避するため、分散型でスワームベースのロボットシステムを導入する。
• 持続的飛行ではなく弾道飛行を活用した効率的な長距離移動を可能にするGNCシステムを設計する。
• 飛行中の無動力飛行中に、運動ぼやけた画像を用いた視覚的オドメトリと写真マッピングを統合し、ナビゲーションと経路計画を実現する。

提案手法

• 固体ロケットやRP1/過酸化水素、ポリウレタン/アミン塩化物などの二成分燃料を含む小型化学推進システムを用いて、制御された弾道飛行を実現する。
• スマートフォングレードのコンピューティング能力を備えた3kgの球形ロボットプラットフォームと、1kgの科学ペイロード容量を装備する。
• 弾道飛行中に複数のカメラが運動ぼやけた画像を撮影し、シーンの幾何構造を再構築してナビゲーションを可能にする。
• 飛行中の画像シーケンスを用いてリアルタイムの写真マッピングと地形再構築を行い、経路計画を実行する。
• 飛行中の中間補正技術を適用し、着陸精度とミッションの柔軟性を向上させる。
• ぼやけた画像からの視覚的オドメトリと特徴追跡を実装し、無動力飛行中のポーズと速度を推定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 小型で球形のロボットが小型化された推進システムを搭載することで、火星上で制御された弾道飛行を実現し、極限環境に到達可能か？
• RQ2 複数のカメラが記録する運動ぼやけた画像をどのようにして高精度な地形再構築とナビゲーションに応用できるか？
• RQ3 10分間の飛行時間を確保しつつ、コンパクトで軽量な状態を維持できる推進システムは何か？
• RQ4 小型ロボットのスワームベース運用は、単一の大規模ローバーと比較して、ミッションのレジリエンスと探査カバレッジをどのように向上させるか？
• RQ5 無動力飛行中にぼやけた画像からの写真マッピングが、リアルタイムの経路計画と地形マッピングに実現可能か？

主な発見

• SphereXロボットは、固体ロケットや二成分燃料などの小型化学推進システムを用いて最大10分間の飛行を達成した。
• 弾道飛行中に記録された運動ぼやけた画像は、効果的に整合性のあるシーン再構築に再構成され、ナビゲーションとマッピングに利用可能である。
• 弾道飛行中の中間補正は実現可能であり、着陸精度とミッションの柔軟性が向上した。
• ぼやけた画像を用いた視覚的オドメトリにより、無動力飛行中のリアルタイムなポーズ推定と経路計画が可能となった。
• スワームベースのアプローチにより、単一障害点のリスクが排除され、並列タスク実行が可能となり、ミッションリスクが低減した。
• 本システムは1kgの科学ペイロードをサポートしており、極限環境での試料回収と現地分析を可能にした。