無人機SBXCグライダーをカタパルトで打ち上げると、約3分でゆっくりと滑空し、再び降下します。しかし、地上から上昇する暖かい空気の柱（サーマル）を検知するソフトウェアを搭載したグライダーは、その上昇気流に乗って飛行時間を記録的な5時間にまで延長することができます。
ALOFT（Autonomous Locator of Thermals、自律型サーマル探知機）として知られるこのソフトウェアは、海軍研究所のダン・エドワーズ博士と同僚によって開発されました。チームは昨年10月、メリーランド州のフィリップス陸軍飛行場でこのソフトウェアを用いて20回以上の飛行試験を実施しました。これらの飛行は合計30時間以上続き、サーマルデータの更新アルゴリズムを用いることで、無人グライダーの飛行時間を従来よりもはるかに長くできることが実証されました。
多くの鳥や昆虫でさえ、上昇気流を利用しています。ワシやハゲワシは、羽ばたくことなく上昇気流を利用して高高度に到達し、獲物を探して滑空し、次の上昇気流が見つかるまで飛び続けます。グライダーのパイロットも上昇気流を利用して飛行時間を延ばしており、ALOFTはドローンにも同じ機能を提供します。
「自律滑空における最大の課題は、滑空中のパイロットが用いるスキルを、自動操縦装置が追従できるアルゴリズムに落とし込むことです」とエドワーズ氏は語る。「私たちは自動滑空アルゴリズムの動作を何時間も観察してきましたが、必ずしも最適な動作とは限らないため、コンピューターに戻ってプログラミングを微調整するしかありませんでした。」
ALOFTは、機体に既に搭載されている対気速度と高度圧力のセンサーに加え、GPSと慣性航法システムを用いて、上昇気流による上昇気流の発生を「感知」します。そして、上昇気流の柱上に機体を留めるために、機体をタイトループ状に旋回させます。
暖かい空気だけを使って5時間も飛び続けるのは長く思えるかもしれませんが、実際にはもっと長い時間飛行することが可能です。最近の研究によると、グンカンドリは水面に降り立つことなく、上昇気流に乗って数ヶ月間連続飛行を続けることが分かっています。ドローンも同様の飛行をするには、上昇気流の位置をより正確に特定する必要があります。
従来のシステムは、偶然にサーマルに遭遇することに依存していました。サーマルは同じ場所に繰り返し発生する傾向があり、多くの場合、周囲の地形よりも太陽光をよく吸収するアスファルトや岩肌の上に発生します。そこで研究者たちは、ALOFTに以前にサーマルを発見した場所を記憶させました。
「週の初めは、機体はサーマルを探してあてもなくうろついていました」とエドワーズは言います。「週の終わりには、機体は頻繁にホットスポットの間を移動し、ほぼすぐに良い揚力を見つけるようになりました。それは本当に興奮しました。」
チームは現在、研究所のモントレー海洋気象部門と協力して、ドローンが上昇気流をうまく利用した航路を描けるよう、航路最適化アルゴリズムを開発している。
ペンシルベニア州立大学の航空機知能・自律研究室の協力を得てチームが取り組んだもう一つのアプローチは、2機のドローンを協調飛行させるというものでした。1機が上昇気流を見つけるとすぐに、もう1機に合図を送ります。これは、上昇気流を共有するために上空を飛ぶ鳥の行動と一致しています。エドワーズ氏は、ALOFTが上昇している際に鳥が協力することを発見しました。
「自分のロボットと同じ上昇気流に乗ってハクトウワシが飛んでくるのを見ると、愛国心が湧いてきます」とエドワーズ氏は言う。
ドローンの数が増えれば、協力的なアプローチはさらに効果的になります。
3つ目のアプローチは、LIDARなどのセンサーをドローンに搭載し、遠距離のサーマルを検知できるようにすることです。これには追加のハードウェアが必要になりますが、基本的なALOFTは、自動操縦機能を備えたほぼすべてのドローンに簡単に追加できます。
基本的なセンサーも役に立つかもしれない。研究者たちは、グンカンドリが湿った空気を上昇気流が運んでいる確かな兆候である積雲を探し、グライダーのパイロットが上昇気流に乗って上がってくる草や昆虫を探すかもしれないことを発見した。
ソアリングアルゴリズムは、地図作成や測量などの作業を行う既存の小型ドローンに後付けで搭載できる可能性があります。上昇気流に乗って高度を上げるために一時停止すると、目的地への到達時間は長くなりますが、ミッション時間が大幅に延長されます。
「ALOFTはほぼあらゆる自動操縦装置にプログラムできます」とエドワーズ氏は語る。「私たちは3種類の航空機にALOFTを適応させ、3機種全てで飛行に成功しました。」
エドワーズ氏は、次のプロジェクトは、飛行ソフトウェアを太陽光発電と水素燃料電池と統合し、極めて耐久性の高いハイブリッド航空機を開発することだと語る。
「海軍研究所のイオンタイガー機は、これまで水素燃料で48時間飛行していました」とエドワーズ氏は語る。「自動滑空システムとソーラーシステムを追加することで、機体にわずかな改造を加えるだけで、飛行時間が2倍になると予測されています。」
ALOFTは、NRLの「ソーラーソアリング」と呼ばれるプログラムで新しいハードウェアで飛行できるように再設計されており、ソーラーとソアリングの組み合わせは10月に飛行する予定だ。
ソアリングは、GoogleやFacebookが衛星の代替として開発しているような、長時間飛行可能なソーラー無人機を容易に後押しし、遠隔地や通信網が整備されていない地域への通信手段を提供する可能性があります。そして、ソーラーとソアリングを組み合わせたドローンは、世界を飛び回るようになるかもしれません。
「将来的には、太陽と風のエネルギーだけで無人航空機が海を飛行する姿を想像できます」とエドワーズ氏は言う。
