DIDOのしくみ

電話が鳴っているのが聞こえると想像してみてください。あなたが最初にすることは何ですか？それはおそらく、あなたがどこにいるのか、時間帯、何をしているのか、誰と一緒にいるのか、着信音がどのように聞こえるのか、実際にあなたの電話であるのかなど、多くのことに依存します。食料品店を歩いているときに、離れた通路から電話が鳴っているのが聞こえた場合は、それが自分の電話ではないことに気づき、無視するだけです。車に乗っている場合は、交通量に基づいて電話に出ることができるかどうか、またはハンズフリーデバイスを持っているかどうかを判断できます。

これは、電話に応答するかどうかを決定するための多くの変数であり、呼び出し中の電話に応答したり無視したりする他の多くの理由を考えることができます。私たちの脳は強力なコンピューターであり、これらすべての状態をすばやく処理し、最良の反応を決定し、私たちの体に行動を起こすように指示することができます。人類の歴史を通じて、すべてのシナリオでそのプロセスを正しく複製できるマシンを作成することは、ほとんど想像を絶することでした。しかし今日では、DIDOソフトウェアやハードウェアなどのテクノロジーがそのようなマシンの実現に役立っています。

鳴っている電話に正しい応答がないのと同じように、飛行機を操縦したり、ロボットの脚を動かしたりする正しい方法はありません。ただし、シナリオに影響を与えるすべての条件を考慮すると、最良の応答が得られる可能性があります。飛行機の場合、パイロットが目的地に向かって操縦する方法は、特定の時点での高度、速度、風向、対気速度、およびその他の100の変数のいずれかによって影響を受けます。人間のパイロットは、このすべての情報を処理して応答します。

コンピューターは本当にこのプロセスを複製できますか？そこで、DIDOのようなテクノロジーが登場します。DIDOは、MATLAB科学計算プラットフォームで実行するようにプログラムされたソフトウェアであり、MicrosoftWindowsが必要です。コンピューターはDIDOを使用して、絶えず変化する大量のデータを処理し、信頼できる最良の応答を得ることができます。DIDOは、1990年代後半に、米国海軍大学院教授のIsaac"Mike"Rossによって開発されました。当時、ロスと同僚のファリバ・ファールーは、最適制御理論と計算の研究を行っていました。最適制御理論については後で詳しく説明します。

現在、DIDOは、ElissarGlobalが販売するハードウェアおよびソフトウェアソリューションの一部です。この記事では、DIDOが解決に役立っている問題の種類と、DIDO最適制御技術の息を呑むような技術的応用について説明します。まず、多くの分野の研究者がDIDOをどのように活用しているかを見てみましょう。

コンテンツ

1. 擬スペクトル最適制御
2. 宇宙のDIDO
3. その他のDIDOアプリケーション

DIDOが解決している問題の用語は、最適制御です。微積分学では、最適制御理論は、いくつかの条件のセットが与えられた場合に、与えられたシナリオで最良の機械的応答を見つけるための数学的アプローチです。数学的には、最適制御は、いくつかの望ましい結果を達成するためのコストを最小化する（ペイオフを最大化する）微分方程式のセットです。心配しないで！この概念をもっと簡単にしようとしています。

最適制御を理解するために、少し時間を凍結しましょう。あなたの周りの世界の感覚を取り入れてください：視覚、音、匂い、味、そして肉体的な感情。今それをあなたの脳に保存されているすべてのものと組み合わせてください。あなたがあなたの周りの新しい刺激に反応する方法は、そのすべての情報に基づいています。ドアベルを聞いたり、焼きたてのクッキーの匂いを嗅いだりした場合、今どのように反応しますか？

コンピューターは、私たちの頭脳を模倣するために、同様の感覚情報をデータに変換することができます。コンピューターは、そのすべてのデータを使用して、特定の刺激に対する最良の応答を計算できます。コンピューターの観点から見ると、「最良の」応答は、最小のコストで最大の見返りが得られるアクションです。その最良の応答の概念は、科学者や数学者が最適制御と呼んでいるものです。

それでは、時間を解凍して、もう一度先に進みましょう。突然、最適制御の計算がより複雑になります。1秒の各部分が経過するにつれて、条件が変化し、考慮すべき新しい感覚データがあります。したがって、最適制御を見つけるための最大の課題は、これらの絶えず変化する条件を考慮し、それに応じて再計算することです。私たちの脳はこれらの再計算を絶えず行っていますが、これを行うには、コンピューターに何らかの刺激応答プログラムが必要です。

この複合最適制御問題には、別の微積分の概念、疑似スペクトル理論を追加する必要があります。疑似スペクトル理論は、いくつかの既知の制約の範囲内で、最適制御計算のために近似値を使用することを含みます。DIDOソフトウェアは、最適制御問題への疑似スペクトルアプローチで知られています。したがって、DIDOは、車や飛行機など、周囲の状態を絶えず再評価し、それに応じて対応する必要のある機械を駆動するのに役立ちます。

これまでのところ、最適制御とは何か、疑似スペクトル理論の重要性を判断してきました。次に、 DIDOが最も顕著な用途を持っていた宇宙空間にズームインまたはズームアウトしましょう。

ディドーの問題

古代ローマとギリシャの歴史には、カルタゴの女王として知られるエリッサ、またはエリッサという女性が含まれています。彼女はまた、特にウェルギリウスの「アエネーイス」でディドと呼ばれていました。伝説によると、ディドは生まれ故郷のフェニキアを他の何人かと一緒に逃げ出し、定住したい場所を見つけたとき、そこで王と契約を結び、カルタゴの街になる土地を手に入れました（現代のチュニジア） 。契約では、ディドは彼女が雄牛の皮でマークすることができる土地の量を得るでしょう。ディドと彼女の同僚は、単一の雄牛の皮から切り取った小さなストリップから長い紐を作りました。次に、海岸線を境界線として選択し、その海岸線との半円に紐を配置しました。王様は、新参者がこんなに広い土地に印を付けることができたことに驚いていました。数学では、Dido 'は、境界線と残りの辺の周囲長を指定して最大面積を生成する図を見つけるために付けられた名前です。その最大面積を生み出す図は、伝説のディドが観察したように、その与えられた境界線に沿った半円です。

Elissar Globalによると、そのソフトウェアの最も広範なアプリケーションは宇宙で行われています。これはおそらくDIDOにとって最も直感的なアプリケーションであり、宇宙の乗り物やその他の機械は、人間の直接的な行動ではなく、自動化やリモートコントロールに大きく依存しています。そこに、その周りで何が起こっているかを感知し、最良の応答を迅速に決定できるコンピューターは貴重な資産です。

DIDOの2つの特定のアプリケーションは、最適制御の問題を解決するというソフトウェアの評判を大幅に高めています。これらの最初のものは2006年に、DIDOが燃料を消費せずに軌道経路内で国際宇宙ステーション（ISS）を180度操縦するという目標に取り組んだときでした。通常、ISSや軌道上にある他のビークルは、スラスターを使用して操縦する必要があり、これには高価な燃料が必要です。DIDOの作成者であるロスと他の研究者は、ゼロ推進剤操作（ZPM）が可能であるという考えを持っていました。

DIDOは、これらのゼロ推進剤操作に2回使用され、それぞれ成功しました。2006年11月5日、チームはISSを90度操縦しました。4か月後の3月3日、彼らは180度回転しました。これらの実験は、DIDOの大規模な概念実証であり、最先端の最適制御技術として名声を博しました。

2010年、DIDOの別のアプリケーションは、NASAの移行地域とコロナルエクスプローラー（TRACE）衛星を操縦することでした。TRACEは太陽を研究する使命を帯びていましたが、12年間の取り組みの中でほとんど動きませんでした。TRACEの調査が示したように、2点間の直線をたどるNASAのプロトコルは、最短の移動距離を特定した可能性がありますが、最速のルートからはほど遠いものでした。そのため、衛星が新しいポイントに旋回（角度を付けて移動）する必要がある場合、衛星はその直線経路に固執しようとしていたため、必要以上に時間がかかりました。

TRACEの操縦研究は、衛星がNASA Engineering and Safety Center（NESC）によって廃止されようとしていたときに行われました。NESCのエンジニアは、Mark Karpenkoに実験を主導させ、DIDO計算を適用し、TRACEに最適なスルーをアップリンクさせました。重力を利点として使用する最適な経路は、旋回へのより効率的なアプローチにつながるという仮説が立てられました。この考えは、物理学におけるベルヌーイの原理に関連しています。

限られた2か月のターンアラウンドにもかかわらず、TRACE研究チームはその仮説を証明することができました。さらに、TRACEは、各スルー中に必要な電力の半分未満でした。オブザーバーは、TRACE衛星の操縦をまるで宇宙を踊っているように説明しました。これが私たちが星と踊ることと呼んでいるものです！

次に、私たちは軌道から脱落し、DIDOが地球上でどのようにそれを大きくしているのかをチェックしています。

DIDOは、最適制御の問題を解決するための一般的なアプローチとして意図されています。これは、Microsoft Windowsで実行されているMATLABコンピューティングプラットフォームを使用している限り、システムが処理している入力の種類に関係なく、自律システムに容易に統合できることを意味します。自律システムとは、ロボットエンティティとして一緒に機能し、特定のタスクを完了するために実行する必要のある一連のアクションを独自に決定するハードウェアとソフトウェアの組み合わせを意味します。ある意味で、自律システムはそれ自身の問題を解決できるロボットです。

これは、DIDOが非常に一般的であるため、学者と業界の両方の研究者が、ソフトウェアを適用して広範囲の最適制御問題を解決する方法を見つけたためです。これは、研究者が自律システムでDIDOを既存のソフトウェアと統合できるロボット工学で顕著に見られます。DIDOの作成者であるRossはインタビューで、特に彼の元学生の1人がこのソフトウェアを地上ロボットに適用して驚くべき結果をもたらしたと述べました。その同じ博士号 卒業生は、複数のロボット車両を衝突させずに荒れた海を航行することを研究しました。

DIDOが注目を集めているもう1つの分野は、航空学です。以前、航空機の操縦方法を決定するためのすべての条件の例を示しました。その例は恣意的ではありませんでした。DIDOがまさにそれを行うことができたので、私たちはそれを選びました。DIDOは、グライダーの飛行軌道を見つけるのに役立つだけでなく、航空機の燃料の最適化にも役立ちます。アメリカ航空宇宙学会（AIAA）は、DIDOを研究に使用した世界中の研究者からの研究を発表しました。

ユニークなDIDOアプリケーションの1つは、最適制御計算を海底グライダーの操縦に適用しています。これは、翼のある水中ビークルの形をした無人自律システムです。バージニア工科大学の研究者は、そのようなグライダーが水の中をネズミイルカのように動くことができるようにする方法を検討しました。これは、エネルギー効率が高く、海洋調査を行うときに役立ちます。チームの課題の1つは、下向きから上向きの軌道に移行する際の失速効果に対処することでした。チームは、DIDOが研究のために設定して実行するための最も簡単な解決方法であると報告しましたが、別のツールで同様の計算を行うことも報告しました[出典：Kraus、Cliff、Woolsey、Luby ]。

この記事全体を通して、最適制御の問題とは何か、DIDOがそれらの解決にどのように役立っているか、そして研究者がさまざまな商業および学術分野でDIDOを適用した革新的な方法を見てきました。次のページでさらに多くの情報をチェックして、DIDOエクスペリエンスを最適化してください。

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