コーネル大学の学生が空でのドローンの安全性について NASA を支援 – NASA

コーネル大学の学生チームは、数千台のドローンが安全に一緒に運用できる全国的な航空輸送管理システムを構築するという研究結果で産業界や連邦政府の注目を集めています。

NASA は、NASA の航空研究目標の達成を支援することに関心のある大学生に助成金を提供する、University Student Research Challenge (USRC) を通じて彼の研究を後援しています。

「ドローン用の新しい交通管理システムに注目するのは新しいことではない」と、情報科学分野の博士課程の学生で、この補助金の主任研究員を務め、コーネル大学のチームを率いるメルナズ・サベト氏は語った。 「実際、NASAは長年にわたってその取り組みを主導してきました。」

現在、NASA は USRC を通じて、Sabet 氏と彼のチームに、空中でのドローンの動きを管理し、彼らの若い心と新鮮なアイデアを活用することで、ドローンの安全性に対する革新的なアプローチを提供する機会を与えています。

この分野におけるコーネル大学の研究の究極の利点は、都市空飛ぶタクシー、より堅牢な災害対応航空機、自宅に直接配達される焼きたてのピザに至るまで、あらゆるものを含む業界の重点分野である高度なエアモビリティの完全な実現です。

この研究はまた、NASA が最先端技術を成熟させ、USRC のような取り組みを通じて将来の労働力の育成を支援することに重要な価値を置いているということを強調しています。

「サベト氏と彼のチームは、ソフトウェア、アルゴリズム、ハードウェア、センサー開発、実験室テスト、シミュレーション、実際の飛行テストを含む多用途のスキルを実証しました。これは珍しい組み合わせです」とNASAの航空宇宙運用安全プログラムのディレクター代理であるパリマル・コペルデカールは述べた。

現在、ドローン操縦者は、ドローンの意図した飛行経路を完全に記述した計画を交通管理サービスに提出する必要がある。これらの計画は他の計画と比較してチェックされ、衝突がないことを確認します。これをサベ氏は戦略的衝突回避と呼んでいます。

課題は、現在の航空交通管理システムでは、空を飛ぶ飛行機の数の増加に対処する能力が限られていることです。サベト氏は、今後数年間で数千機のドローンが追加されると、システムに過負荷がかかるリスクがあると述べた。

空に必要なものは、本質的に、何百万人もの人々が毎日道路を運転する地上で必要なものである、と彼は述べた。

ドライバーは、自分の「経路」全体、または目的地に到着するまでの経路を知ることができます。しかし、出発する前に、道路上の他のドライバー全員と計画を調整することは決してありません。その代わりに、交通法規や信号機や道路標識などのインフラにより、走行中に他の車との衝突を避けることができます。

ドローン操縦者は今後も行き先を示す飛行計画を提出する必要があるが、そのアイデアは自動車のような柔軟性をドローンのオペレーティングシステムに組み込んで、旅行中に適応できるようにすることだ。

「私たちは、これらすべての異なるタイプのドローンが互いに戦術的に衝突を解消し、地上で自動車が行うように安全に動作できるようにする必要があります。そして、欠けている部分である戦術的な衝突を解消することが、私たちのプロジェクトの中心です」とサベト氏は語った。

コーネル大学の研究チームの鍵となるのは、シミュレートされた世界を現実世界と統合して、ドローンが潜在的に危険な状況に適応する方法を学習し、飛行経路に必要な修正を自力で行う方法をテストおよび実証するという概念です。

学生たちは、戦術的な衝突回避のアイデアをテストするために一度に 100 機のドローンを飛ばすことはできないことを知っていたため、完全に仮想化された都市世界を作成して、さまざまな大量交通モデル、分離アルゴリズム、および関連データを評価することにしました。

「プロジェクトの最初の年は、そのシミュレーション エンジンを適応させて拡張することでしたが、すべてが非常にうまくいきました」と Sabet 氏は言います。 「しかし、私たちはシミュレーションに限定したくありませんでした。シミュレーションが現実の世界にどのように変換されるかを確認したかったのです。それが最も重要でした。」

操縦できるドローンの数と飛行できる場所（多くはなく、基本的に辺鄙な場所）の制限に依然として妨げられながら、彼らは現実と想像の両方の世界の最高のものを追求しました。

「私たちが最終的にやったのは、実際のドローンにシミュレーションを組み込むことでした。そのため、実際には現実の都市が見えない野原を飛行しているにもかかわらず、ドローンは密集した都市環境を飛行していると思いました」とサベ氏は語った。

これにより、チームはさまざまな交通管理ツールをテストし、ドローンがどのように軌道修正を調整し、相互の衝突を回避できるかを評価することができました。

過去 1 年間、彼らはこのアイデアをさらに推し進め、現実世界で 2 台の本物のドローンを飛行させ、それぞれが機内でリアルタイム シミュレーションを実行し、統合テスト環境内でシミュレートされたトラフィックと互いのトラフィックの両方を調整して「確認」できるようにしました。

「そこで、私たちは意図的にドローンを直接衝突コースに乗せて、検出、回避、調整モデルをテストし、ドローンがどれだけうまく反応し、お互いの衝突を避けるためにドローンの操縦を調整できるかを確認しました」とサベト氏は語った。

その成功は、NASA の無人航空機システム交通管理 (UTM) の専門家に衝撃を与えました。

「印象的なのは、コーネル大学の研究には、分散型マルチエージェント調整がどのように安全に実行されるかを理解するために、100万以上の軌跡を含む1万回以上の実行と20万時間以上の実験が含まれていることです」とKopardekar氏は述べた。

産業界と連邦航空局もこの研究とその可能性に積極的に反応しています。チームは、インフラストラクチャとテクノロジーを使用して、2025 年にアリゾナ州で 2 台のドローンが静止クレーンに衝突した事故を仮想的に再現するよう依頼されました。チームはまた、どうすれば事故を回避できたのかを示した。

チームはまた、現場の公安職員に状況認識を提供し、タンカーから遠ざかるために、ドローンがどのように動きをより適切に調整できるかを示すために、カリフォルニアで最近実際に起きた火災をシミュレートするよう依頼された。

そして、コーネル大学のチームによると、FAAは、運用の複雑さのレベルが増大する中でのドローンの運用を評価するために、仮想テストと実際のテストを組み合わせたプロジェクトを適用することに興味を持っているという。

「この種の複合現実の運用の複雑さにより、以前は不可能だった方法でドローンの運用をテストできるようになりました」とサベット氏は語った。

USRC を通じた NASA からの支援のおかげで、コーネル大学のチームは今後もその能力を拡大し、ますます複雑化する高度なエアモビリティ運用を管理していきます。

「私たちの目標は、空での安全かつ大規模な自律走行を可能にする基本的なシステムを構築することです」とサベ氏は語った。

USRC は、NASA の航空研究ミッション総局の下で、NASA の変革的航空コンセプト プログラム内の機会です。