陸軍軍事交通學(xué)院軍事交通運(yùn)輸研究所 李夢(mèng)晗

陸軍軍事交通學(xué)院學(xué)員五大隊(duì) 汪子盛

陸軍軍事交通學(xué)院軍事交通運(yùn)輸研究所 徐楠 馮曉梅

當(dāng)前高新技術(shù)的進(jìn)步引領(lǐng)了平臺(tái)車輛無(wú)人化日益發(fā)展的趨勢(shì)，同時(shí)其應(yīng)用領(lǐng)域愈加廣泛。針對(duì)國(guó)內(nèi)外多個(gè)公司的某種專用類型的地面無(wú)人平臺(tái)產(chǎn)品進(jìn)行了研究對(duì)比，概述了其設(shè)計(jì)應(yīng)用情況，并結(jié)合其產(chǎn)品特點(diǎn)對(duì)國(guó)內(nèi)外無(wú)人平臺(tái)車輛發(fā)展的趨勢(shì)做出了分析，為該類型專用車輛未來(lái)的研究提供了理論參考。

地面無(wú)人平臺(tái)（Unmanned Ground Vehicle）是地面專用車輛的一大重要類別，系指無(wú)人駕駛的遙控或按預(yù)編程序自主運(yùn)動(dòng)以實(shí)現(xiàn)執(zhí)行特定任務(wù)功能目的的車輛平臺(tái)，分為輕型、中型、重型等，是一種凝聚了機(jī)械、信息、智能特征的產(chǎn)品[1]。本文以輕型地面無(wú)人平臺(tái)為例，對(duì)相關(guān)產(chǎn)品進(jìn)行介紹。

近年來(lái)，隨著無(wú)人機(jī)在不同場(chǎng)合的精彩表現(xiàn)，輕型地面無(wú)人平臺(tái)技術(shù)也得到了迅速發(fā)展，應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展。輕型地面無(wú)人平臺(tái)功能多樣，為特定工作崗位人員在復(fù)雜條件下延伸環(huán)境感知、排除潛在危險(xiǎn)、實(shí)現(xiàn)運(yùn)載救援、減輕工作負(fù)擔(dān)等帶來(lái)了直接的幫助，世界各國(guó)都已經(jīng)將無(wú)人平臺(tái)的技術(shù)攻關(guān)放在了未來(lái)車輛發(fā)展的重要地位。

國(guó)外輕型地面無(wú)人平臺(tái)發(fā)展概況

1.美國(guó)相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)

美國(guó)在地面無(wú)人平臺(tái)方面的研究一直位于全球前列。自2004年開(kāi)始，美國(guó)每年投入數(shù)十億美元研制輕、中、重各類無(wú)人平臺(tái)車[2]，更有一年一度舉辦的沙漠機(jī)器人大賽，是其動(dòng)員民間智慧、收集上乘之作的重要手段。

美國(guó)現(xiàn)有輕型地面無(wú)人平臺(tái)主要產(chǎn)品介紹如下。

1.1 “粉碎機(jī)”（Crusher）

該輕型無(wú)人平臺(tái)由卡梅隆大學(xué)國(guó)家機(jī)器人工程中心研制，整裝質(zhì)量約為6.2t，該平臺(tái)采用了6×6分布式輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，具有上限1.36t的強(qiáng)大裝載能力，可以高速通過(guò)復(fù)雜路況環(huán)境（最大速度11m/s，最大爬坡度40°），如圖1所示。該平臺(tái)能夠同時(shí)針對(duì)不同的地面狀況調(diào)整其特有的單縱臂式液壓主動(dòng)懸掛的硬度，保證車輛較好的車身姿態(tài)。該平臺(tái)具有優(yōu)越的越障性能，在設(shè)定目的區(qū)域或路線后就能夠完成長(zhǎng)距離無(wú)人駕駛，可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境下的大載荷運(yùn)輸、探測(cè)、巡視和救援等功能。

圖1 “粉碎機(jī)”無(wú)人平臺(tái)

1.2 “任務(wù)支援系統(tǒng)”（SMSS）

“任務(wù)支援系統(tǒng)”輕型無(wú)人平臺(tái)——“SMSS”（Squad Mission Support System）是洛克希德馬丁公司的優(yōu)秀產(chǎn)品，依仗其自身無(wú)可比擬的無(wú)人系統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)，涵蓋了空中、地面、海上多個(gè)領(lǐng)域，同時(shí)其技術(shù)也向著輕量化、快速化推進(jìn)。

該輕型無(wú)人平臺(tái)基于6×6陸地輪式底盤結(jié)合差動(dòng)轉(zhuǎn)向模式（見(jiàn)圖2），可以運(yùn)輸質(zhì)量超過(guò)500kg的載荷，配備渦輪增壓的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)，集合了傳感器光測(cè)、紅外線和彩色照相機(jī)，可捕捉辨別3D輪廓，通過(guò)GPS定位的道路節(jié)點(diǎn)預(yù)置程序可自主導(dǎo)航，滿足通過(guò)惡劣地形執(zhí)行特定任務(wù)的需求。

1.3 “機(jī)動(dòng)運(yùn)輸平臺(tái)”(SMET)

近年來(lái)，在完成了對(duì)多家公司產(chǎn)品的競(jìng)標(biāo)比測(cè)后，美國(guó)也適時(shí)地提出了平臺(tái)應(yīng)具有500kg運(yùn)載能力，72h自持，伴隨人員完成探測(cè)、服務(wù)等新功能任務(wù)的目標(biāo)要求。在搭載機(jī)器人或其他先進(jìn)儀器的條件下，進(jìn)一步拓展了在運(yùn)輸平臺(tái)復(fù)雜環(huán)境下實(shí)施作業(yè)的專用功能。

圖2 “任務(wù)支援系統(tǒng)”無(wú)人平臺(tái)

圖3 SMET平臺(tái)

表現(xiàn)較為突出的公司有“北極星”（Applied Research Associates Inc（ARA）teamed with Polaris）和Howe兄弟公司（Howe & Howe）。

MRZR D4是一種有人駕駛平臺(tái)，而MRZR X是MRZR D4的變型，平臺(tái)為4×4類型，最大速度96km/h，整裝質(zhì)量為867kg，有效負(fù)載680kg，可隔離1到2個(gè)座位，傳動(dòng)裝置/末端驅(qū)動(dòng)為自動(dòng)無(wú)級(jí)變速CVT，該平臺(tái)主要升級(jí)部分為換裝柴電混合動(dòng)力系統(tǒng)，改裝電控轉(zhuǎn)向、制動(dòng)，無(wú)人控制系統(tǒng)等無(wú)人操作必備組成部件，兼具了手動(dòng)操作和無(wú)人自主操作，同時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)避障礙，自主選擇線路，適用于多種工況下的操作。

Howe兄弟公司提出的履帶式、高扭矩柴電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)平臺(tái)RS2-H1，整裝質(zhì)量為744kg，配備有通用發(fā)電機(jī)以提供電力輸入支持。RS2-H1可最大搭載500kg的人員物資，在叢林實(shí)驗(yàn)中，29h內(nèi)完成了100mile地域試驗(yàn)（見(jiàn)圖4），并且實(shí)現(xiàn)了低于計(jì)劃時(shí)間一半的出色成績(jī)。

圖4 RS2-H1進(jìn)行叢林試驗(yàn)

2．其他國(guó)家相關(guān)產(chǎn)品技術(shù)

俄羅斯、德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、以色列等國(guó)家在輕型無(wú)人平臺(tái)技術(shù)發(fā)展方面取得了一定的成果，如圖5所示。

俄羅斯在無(wú)人平臺(tái)領(lǐng)域相對(duì)于英、法、德等國(guó)，起步較晚，但借助著在此前有人地面車輛領(lǐng)域的雄厚技術(shù)積累，研發(fā)速度之快可謂“后發(fā)先至”[3]。2016年初，俄羅斯國(guó)防出口公司公開(kāi)展示了三款新型“烏蘭”系列地面無(wú)人平臺(tái)，功能涵蓋消防、掃雷和防御，頗具技術(shù)特色。消防車型車長(zhǎng)5.32m，車寬2.2m，車高2.05m，整備質(zhì)量為11t?！盀跆m”-14的車體前部仍有破障清障工具，包括液壓機(jī)械臂、推土鏟、旋轉(zhuǎn)夾具、夾爪等，主要用于推開(kāi)和清理前進(jìn)道路中的障礙物，這套破障清障工具的力量十分驚人，可清理推走重達(dá)10t的障礙物。

德國(guó)一直致力于開(kāi)發(fā)無(wú)人平臺(tái)，包括傳感、控制、自動(dòng)機(jī)器人以及人機(jī)界面和路徑規(guī)劃等的關(guān)鍵技術(shù)。近期又開(kāi)始投入小型（便攜式）機(jī)器人技術(shù)。與之類似的是法國(guó)目前正潛心研究無(wú)人平臺(tái)的協(xié)作、智能、夜視和電子傳感器技術(shù)。英國(guó)的“Ironclad”履帶式輕型無(wú)人平臺(tái)借助低噪聲的輕質(zhì)履帶和電動(dòng)馬達(dá)，在500kg的負(fù)荷下仍能夠切換形態(tài)，并完成救援、探測(cè)、排爆等困難任務(wù)。

以色列目前正在專注激光測(cè)距儀技術(shù)的輕型無(wú)人平臺(tái)技術(shù)項(xiàng)目。IAI公司推出的“衛(wèi)士”無(wú)人偵察車高2.2m，寬1.8m，長(zhǎng)2.95m，整裝質(zhì)量為1.4t，可承擔(dān)300kg的有效載荷，自持能力長(zhǎng)達(dá)24h?！靶l(wèi)士”可以借助一系列模塊化設(shè)備如影像設(shè)備、夜視儀、傳感器、通信設(shè)備等在預(yù)定程序下巡視輸入路線，自動(dòng)識(shí)別道路交通標(biāo)志，并躲避障礙物，如遇緊急情況則向操作員發(fā)出警告。

圖5 各類國(guó)外無(wú)人平臺(tái)產(chǎn)品

總之，世界發(fā)達(dá)國(guó)家引導(dǎo)的各類無(wú)人地面車輛技術(shù)浪潮已經(jīng)來(lái)到，各種各樣的無(wú)人化裝備已經(jīng)開(kāi)始在探測(cè)、排雷、排爆以及特殊環(huán)境數(shù)據(jù)傳輸?shù)壤щy度較大的急險(xiǎn)任務(wù)中嶄露頭角，是未來(lái)地面無(wú)人車輛的重要發(fā)展方向。

國(guó)內(nèi)輕型地面無(wú)人平臺(tái)發(fā)展概況

我國(guó)在地面無(wú)人平臺(tái)技術(shù)的研發(fā)尚處于起步階段，但近年來(lái)，我國(guó)已經(jīng)逐步加大了針對(duì)地面無(wú)人平臺(tái)的科研投入，確立了無(wú)人平臺(tái)的發(fā)展方向，以國(guó)家重點(diǎn)工業(yè)集團(tuán)為代表的各科研單位在輕型地面無(wú)人平臺(tái)研究應(yīng)用方面也開(kāi)始展現(xiàn)成果。

1.1 “猛獅”無(wú)人車輛

“猛獅”無(wú)人駕駛平臺(tái)車輛是一類基于城市越野SUV車型的地面無(wú)人平臺(tái)（見(jiàn)圖6），通過(guò)車載激光測(cè)距儀、探測(cè)雷達(dá)、影像收集和微型傳感器等組建了車輛感知系統(tǒng)，同時(shí)內(nèi)部配備有更加先進(jìn)的電腦資料庫(kù)，綜合借助激光雷達(dá)、圖像識(shí)別和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)[4]，形成了平臺(tái)數(shù)據(jù)鏈，融入整個(gè)區(qū)域的無(wú)人系統(tǒng)，功能方面既能夠做到識(shí)別路況、避讓車輛與行人、車輛安全行駛，同時(shí)可以結(jié)合信息流實(shí)現(xiàn)人工智能操控，應(yīng)用前景十分廣闊。

圖6 “猛獅”無(wú)人平臺(tái)

1.2 “Chrysor”地面無(wú)人平臺(tái)

隨著無(wú)人平臺(tái)分布式驅(qū)動(dòng)研究開(kāi)展的逐步深化，差動(dòng)式轉(zhuǎn)向技術(shù)也得到了長(zhǎng)足進(jìn)步。中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)自主研發(fā)的八輪差動(dòng)轉(zhuǎn)向平臺(tái)Chrysor可自主導(dǎo)航行駛，該車長(zhǎng)2.92m，寬1.64m，高1.92m，整裝質(zhì)量約950kg，地面最大載重680kg，水上最大載重300kg。該平臺(tái)最大行駛速度達(dá)45km/h，垂直越障高0.4m，越壕寬度達(dá)1m，具備響應(yīng)快、行駛靈活等特點(diǎn)，具有較強(qiáng)的越野能力，在搭載高精度智能電腦和多種機(jī)器人的“豪華”配置下，可廣泛適應(yīng)于各倉(cāng)庫(kù)、機(jī)場(chǎng)等區(qū)域的安全監(jiān)控、危險(xiǎn)品探測(cè)等需求。

1.3 “龍馬一號(hào)”無(wú)人平臺(tái)

2017年8月，“龍馬一號(hào)”無(wú)人平臺(tái)在世界機(jī)器人大會(huì)上“登臺(tái)表演”，收獲了許多目光，如圖7所示。這是一款適應(yīng)于野外條件下的智能交通的輕型無(wú)人平臺(tái)，在山地越野、攀越高臺(tái)和跨越塹壕的過(guò)程中都表現(xiàn)出了其靈活的變化形式和較強(qiáng)的適應(yīng)能力，在泥濘、涉水和其他復(fù)雜地形的情況下能夠完成快速變換，即便是狹小空間也保持著靈活機(jī)動(dòng)的優(yōu)良性能，其詳細(xì)性能數(shù)據(jù)目前尚處于保密階段，有待后續(xù)進(jìn)一步升級(jí)。

圖7 “龍馬一號(hào)”無(wú)人平臺(tái)

技術(shù)研究重難點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)

目前，無(wú)人平臺(tái)的技術(shù)發(fā)展特點(diǎn)是提高車輛的自主控制技術(shù)、動(dòng)力性能和交互技術(shù)。根據(jù)國(guó)內(nèi)外近十年無(wú)人車輛的發(fā)展情況，輕型地面無(wú)人平臺(tái)的技術(shù)研發(fā)重難點(diǎn)及發(fā)展趨勢(shì)主要集中在以下幾方面。

1．自主導(dǎo)航

自主導(dǎo)航是指在未知環(huán)境中自動(dòng)執(zhí)行任務(wù)而沒(méi)有來(lái)自操作者的連續(xù)引導(dǎo)。在通訊受限或不可靠的情況下，自主導(dǎo)航降低了操作者的工作負(fù)擔(dān)并能提高性能。在識(shí)別物體、車輛、道路等實(shí)物，分析路況和捕捉預(yù)測(cè)動(dòng)態(tài)障礙方面都應(yīng)當(dāng)具有突出性能。

2．協(xié)同控制

通常，當(dāng)前的機(jī)器人架構(gòu)集中在單個(gè)無(wú)人平臺(tái)，隨著時(shí)間的推移，這種架構(gòu)很可能向多機(jī)器人協(xié)同與控制方向發(fā)展。最初多機(jī)器人應(yīng)用被限制在單一領(lǐng)域，將有望擴(kuò)展到多領(lǐng)域，再到有人-無(wú)人團(tuán)隊(duì)。通訊技術(shù)的發(fā)展將有助于多機(jī)器人的協(xié)同作用（見(jiàn)表1）。組播無(wú)線電可提高該協(xié)同，美國(guó)科學(xué)與技術(shù)協(xié)會(huì)已加速在組播和其他類似技術(shù)的發(fā)展投資。

表 1 無(wú)人平臺(tái)通訊技術(shù)

3．動(dòng)力輸入

無(wú)人平臺(tái)需配備能夠有效操作、能量密集、可充電和可靠的動(dòng)力源。這些動(dòng)力源必須滿足主機(jī)平臺(tái)尺寸和質(zhì)量要求，必須滿足多種環(huán)境和安全要求。輕型UGV動(dòng)力技術(shù)大部分采自商業(yè)發(fā)動(dòng)機(jī)，偏于汽油或柴油機(jī)燃料。為減輕動(dòng)力負(fù)擔(dān)，要求輕型無(wú)人平臺(tái)應(yīng)當(dāng)能夠使用多種燃料，需進(jìn)一步發(fā)展燃料電池和低噪音、高效率、高功率密度的內(nèi)燃機(jī)。

4．地面機(jī)動(dòng)性

地面機(jī)動(dòng)性是指機(jī)器人通過(guò)惡劣地形和障礙的能力。無(wú)人平臺(tái)通常用履帶或輪子機(jī)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)阿克曼轉(zhuǎn)向、滑移轉(zhuǎn)向和全向轉(zhuǎn)向。未來(lái)十年內(nèi)，仿生學(xué)的腿機(jī)動(dòng)將逐步成熟，這些技術(shù)應(yīng)用范圍的擴(kuò)展可能會(huì)在現(xiàn)有平臺(tái)上迅速提升機(jī)動(dòng)能力，適應(yīng)更加多元的特殊環(huán)境。

5．人機(jī)交互

當(dāng)前在美國(guó)Gamepads已經(jīng)常用于操作地面無(wú)人平臺(tái)，正在通過(guò)美國(guó)科學(xué)與技術(shù)協(xié)會(huì)設(shè)定目標(biāo)努力轉(zhuǎn)向觸摸屏顯示，觸摸屏可以幫助使用者既能控制又能收到來(lái)自機(jī)器人的影像信息。先進(jìn)的腦控技術(shù)允許駕駛員腦波、心率和眼睛跟蹤顯示。未來(lái)，人腦與計(jì)算機(jī)互動(dòng)交互技術(shù)（BCIT）發(fā)展能使操縱者通過(guò)用于監(jiān)測(cè)腦信號(hào)的先進(jìn)算法預(yù)測(cè)接下來(lái)性能狀態(tài)的衰減，進(jìn)而自動(dòng)調(diào)整策略，以更適合使用者狀態(tài)。

結(jié)語(yǔ)

無(wú)人平臺(tái)的技術(shù)特點(diǎn)適應(yīng)了未來(lái)車輛發(fā)展中不同任務(wù)的實(shí)際需求，帶來(lái)了設(shè)計(jì)者與使用者思維方式的轉(zhuǎn)變。裝備應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展帶來(lái)了對(duì)于裝備本身技術(shù)提升的迫切需要，作為輕型地面無(wú)人平臺(tái)而言，如何更好地適應(yīng)復(fù)雜多變的行駛環(huán)境、更好地提升車輛性能與協(xié)同能力，始終是設(shè)計(jì)者們不斷邁進(jìn)的方向。