2021 Fiscal Year Annual Research Report
Autonomous Guidance, Navigation, and Control Using Vector Code Correlation Algorithm for Landing on Far-Distant Small Bodies
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20J23574
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| Research Institution | The Graduate University for Advanced Studies |
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Principal Investigator |
大平 元希 総合研究大学院大学, 物理科学研究科, 特別研究員(DC1)
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2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | ベクトル符号相関法 / FPGA / マーカ / 超広帯域通信 / 航法誘導制御 / SLAM / 小天体探査 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
様々な天体へ適用可能な探査機の自律航法誘導制御技術を開発することを目的に、以下の3つの点を中心に研究を実施した。
1.画像中の平坦な領域の抽出・追跡手法の改良とFPGAへの実装：天体表面の平坦な領域を探査機が画像から自動抽出・追跡する手法を改良し、精度・処理速度向上を実現した。さらに、提案手法をFPGAへ実装した。本研究では、画像の輝度勾配分布から岩が少ない平坦領域を算出し、最も平坦な領域と周囲の複数の領域の微小画像を画像マーカとして追跡する。本研究では、FPGAでの並列ビット演算との親和性が高い、離散化輝度勾配を用いたベクトル符号相関法を活用することで、高精度かつ高速な平坦領域の自律抽出・追跡を実現した。
2.人工マーカを用いた探査機自己位置推定手法の提案：天体表面の平坦領域を活用した手法に加え、画像と電波を活用した人工マーカシステムと人工マーカを活用した位置推定手法の検討を実施した。本研究では、人工マーカとして、再帰性反射による画像中のマーカ2次元位置検出と、超広帯域通信によるマーカ・探査機間距離測定機能を有する人工マーカを検討した。また、宇宙環境での使用を想定した、超広帯域通信による距離測定装置を試作し、簡易実験によってリアルタイムかつ高精度な測距が可能なことを確認した。さらに、2次元マーカ位置と距離情報を組み合わせることで、マーカの投下位置と探査機3次元位置をリアルタイムに同時推定する手法を提案した。
3.小天体近傍環境を模擬した着陸シミュレータの構築：1や2の手法で取得した探査機の状態量や外界情報、目標軌道をベースに、探査機相対位置・速度を制御するシステムを構築した。このシステムを用いた位置推定シミュレーションで提案手法を評価することで、提案手法によって高精度かつリアルタイムな航法誘導制御が可能なことを明らかにした。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
実際の小天体探査における課題や制約に基づいた最適な手法を提案するため、当初の研究計画を柔軟に修正しながら進めている。本年度の当初の計画では、平坦領域に対する相対位置・速度を制御するための最適な制御系設計と、様々な条件における着陸シミュレーションを実施する予定であった。実際にこの計画の通り、小天体近傍における探査機の航法誘導制御シミュレーション環境の構築とシミュレーションによる提案手法の評価を実施することができた。これに加え、平坦領域を画像マーカとして活用する提案手法の比較対象として、人工マーカを用いた探査機自己位置とマーカ位置の同時推定手法の提案を実施した。これは当初の予定にはなかったが、様々な性質の天体へ適用可能な自律航法誘導制御技術を開発するという本研究の目的を達成する上では、非常に有用な手法であると考えている。以上の理由から、おおむね順調に研究が進展していると判断した。
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| Strategy for Future Research Activity |
今後は、天体表面の平坦領域を活用した手法と人工マーカを活用した手法の両方のアルゴリズムの改良を進めると同時に、より幅広い条件（天体のサイズ、形状、表面の平坦さ、影の有無など）での提案手法の評価を進める。また、小天体近傍環境を模擬した位置推定実験を実施することで、提案手法の実用性を評価する予定である。試作マーカなどのハードウェア開発では、企業と共同で行うことで、より実用的なマーカの試作と評価を進める。さらに、これまでの成果を国内国際学会や学術論文として発信するとともに、博士論文としてまとめ上げる。
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Research Products
(2 results)
