跨越險阻挑戰(zhàn)未來

熊偉

在“跨越險阻2016”地面無人系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽中，許多科研機構(gòu)派出了多型車輛參加多組比賽，體現(xiàn)出強大的綜合實力，系統(tǒng)化的研究布局。比如國防科技大學、北京理工大學、裝甲兵工程學院等。兵器地面無人平臺研發(fā)中心專業(yè)從事無人平臺的研制，依托中國北方車輛研究所在車輛研制上的雄厚技術(shù)實力，從無人車系統(tǒng)底層的底盤技術(shù)到上層的自主決策，都進行了精心細致的研究。預賽中，他們派出了8個車隊參加全部五個組別的比賽，不僅是參賽最全面的，而且在四個組別都進入決賽。比賽之后，本刊記者專訪了兵器地面無人平臺研發(fā)中心副主任劉進，以及“鋸齒虎”車隊隊長崔星。

記者（以下簡稱記）：劉主任，這次參加“跨越險阻2016”，兵器地面無人平臺研發(fā)中心的車隊雖不是最多，但覆蓋了所有組別，很具有代表性，各隊也取得了良好的成績。您能先簡單介紹一下貴所的參賽情況嗎？

劉進（以下簡稱劉）：這次挑戰(zhàn)賽共設(shè)置了5個科目組別的比賽，我單位是唯一參加全部科目比賽的單位，參加A組比賽的，是履帶式的“斑紋豹”和輪式的“鋸齒虎”。它們都是具備完全自主能力的無人車，外形上類似小型裝甲車輛。它們同時還參加了B組的比賽。

參加C組比賽的是“警戒偵察一號”、“警戒偵察二號”、“警戒偵察三號”，都是遙控操作的小型無人車，履帶式結(jié)構(gòu)。它們也有各自的特點，比如尺寸、重量上從大到小，履帶結(jié)構(gòu)有所區(qū)別。這是為了適應(yīng)不同的任務(wù)環(huán)境。

參加D組比賽的是仿生類四足移動式無人平臺，“奔跑一號”和“奔跑二號”，類似我們在媒體上見過的美國“大狗”。

參加E組比賽的是“戰(zhàn)地虎”車隊，參賽車采用搖臂式六輪行動裝置，是最新行走技術(shù)的演示樣機。

自主前進，要“眼”明“腦”靈

記者：A組比賽，參賽車輛是自主型無人車。在大眾媒體的報道中，這種“無人車”也是我們最常聽說和見到的。特別是一些在高速路上行駛的民用轎車那樣的無人車。這類似車現(xiàn)在民用領(lǐng)域的研究很火熱吧？

劉：對，谷歌無人車，特斯拉的AutoPilot系統(tǒng)等就屬于這類。我國也有很多機構(gòu)，高校、科研單位、互聯(lián)網(wǎng)企業(yè)等，都在開展這方面研究。為促進無人車技術(shù)在民用交通領(lǐng)域的應(yīng)用，國家自然科學基金委主辦了“中國智能車未來挑戰(zhàn)賽”。但軍用無人車，以及“跨越險阻”比賽和他們相比，是有很大區(qū)別的。

記者：是不是根本區(qū)別就在一個是現(xiàn)成道路，一個是野外道路、環(huán)境上？

劉：的確是這樣。民用無人車一般是在公路，也就是結(jié)構(gòu)化道路上行駛。在那里環(huán)境相對規(guī)則化，比如有交通標志、標線、交通規(guī)則，因此是有規(guī)則可循的，也可以有很多先驗的數(shù)據(jù)。

結(jié)構(gòu)化道路需要解決的是：如何通過交通標志、標線以及交通參與者，如車輛、行人的準確識別，來對交通場景進行認知，在此基礎(chǔ)上按照交通規(guī)則要求，來決定無人車應(yīng)該怎么行駛。

野外環(huán)境就不同了，它意味著沒有道路的概念，至少道路與非道路的邊界并不清晰，沒有明確的行駛規(guī)則。車輛面對的是未知環(huán)境，必須通過車載自身的傳感器識別和感知行駛環(huán)境，并確定前方的環(huán)境是否能夠通行。行駛路線上隨時可能有石頭、土坑、土包、水洼、泥沼、暗溝等各類障礙和復雜的環(huán)境，必須通過車載計算機來實時計算、確定如何繞過這些障礙。如果過不去，就要考慮如何在一個更大范圍內(nèi)重新尋找能夠行進的路線，以便順利到達目的地。這就需要無人車對周圍環(huán)境有精確的建模、理解和認知，規(guī)劃方法具備局部避障能力的同時，也具有較大范圍內(nèi)快速的路徑搜索能力。

此外，相比于平直的結(jié)構(gòu)化道路，野外環(huán)境的地形起伏多變，這也給感知、規(guī)劃、控制帶來了更大挑戰(zhàn)。

記者：識別環(huán)境首先要靠傳感器。我看很多參賽無人車上，都有這樣的激光雷達。這是現(xiàn)在最主要的傳感器？

劉：是的。激光雷達的原理和軍事上常用的雷達很像，發(fā)射出激光，探測前方物體。目前的激光雷達采用的是測距原理，通過發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時間差來計算距離，再結(jié)合激光束的發(fā)射角度，就能計算出探測點的坐標；一個個探測點組合到一起，就能形成一個三維的點云；再結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)，就能識別出地面、高低起伏，障礙的幾何形狀。

記者：預賽時我看很多無人車上的激光雷達都是同一品牌的，Velodyne。

劉：這家公司是1983年在美國硅谷成立的，最早是做頂級音響的。

記者：這完全不是一路的啊！

劉：是啊，可人家就是做出來了。 2004年美國DARPA第一次舉辦無人車比賽，Velodyne公司老板利用立體視覺技術(shù)來參加挑戰(zhàn)賽了，通過2004和2005年的無人車比賽，他認識到了立體視覺的局限性，開始專注搞激光雷達，想出了旋轉(zhuǎn)掃描式激光雷達的新方案，到了2007年第三屆無人比賽時，他們就拿出了全新概念激光雷達，被賽事組辦方DARPA，也就是美國國防高級計劃局看好，得到了上百美元的資助。隨后Velodyne公司就拿出了更精致的產(chǎn)品，性能也有很大提升。

記者：那么在這之前，它這種樣式的激光雷達，有其它公司研制生產(chǎn)過嗎？

劉：以前沒有，沒什么人去做，因為沒什么商業(yè)前途。激光雷達的市場，即便是現(xiàn)在也不算大。雖然很多方面在大力研制無人車，但畢竟還沒投入實用，沒到大量使用的階段。激光雷達的技術(shù)難度高，尤其在可靠性、壽命等方面要求來高，而且目前成本較高。

不過近兩年，特別是去年開始，大批公司開始加入這一行業(yè)，研制、生產(chǎn)激光雷達。大家也正在努力把它的結(jié)構(gòu)予以簡化，以降低成本，近兩年可能會出現(xiàn)價格1 000美元以下產(chǎn)品了。

記者：這64線、32線、16線，具體是什么意思？

劉：這種激光雷達上方的旋轉(zhuǎn)部件里有一套激光器，會發(fā)出多個激光束，從而在俯仰方向覆蓋從車頭到遠處地平面以上的一定范圍，水平方向360°全覆蓋，激光束覆蓋的俯仰角度和線束數(shù)量決定了分辨率。64線就是同時有64束激光從這個窗口里打出，俯仰角度26.8°，分辨率達到0.4°。

記者：那它旋轉(zhuǎn)掃描，就和普通的無線電雷達一樣。轉(zhuǎn)得很快呀。

劉：可以設(shè)置它旋轉(zhuǎn)的速度，一分鐘300轉(zhuǎn)、600轉(zhuǎn)或1 200轉(zhuǎn)。它們現(xiàn)在一秒鐘最多可回傳20幀以上的數(shù)據(jù)。

記者：除了激光雷達，無人車還常用哪些探測手段？

劉：可見光攝像機，也是一個重要手段。還有紅外、微光、聽覺，都屬于被動傳感器。激光雷達屬于主動傳感器，向外發(fā)射激光的，容易被外界探測、干擾。從長遠來說，以后的無人車只能在關(guān)鍵時候用它，在大多數(shù)情況下，還是應(yīng)該多依靠被動傳感器。

記者：激光雷達還有哪些缺點？您能再舉個例子嗎？

劉：水坑的識別，對激光雷達來說要比較困難。激光雷達識別環(huán)境、目標，是靠反射測距。一般的路面、樹木、土石等，激光打上去后會有漫反射，因此一部分激光反射回激光器，從而知道那個方向、多遠距離上有東西。可是光打到水面上后，發(fā)生鏡反射、折射，激光雷達收不到回來的信號，也就無法正確識別了。

記者：那被動傳感器中，哪種方式最重要？

劉：視覺傳感器應(yīng)該是比較重要的。它是靠顏色、紋理等特征來識別環(huán)境、目標，就像我們?nèi)艘粯?。比如通過綠色可以認出那可能是草地或樹木。激光雷達就很難分辨出來。首先是靠反射的同一頻率的激光，很難區(qū)分目標材質(zhì)。另外，激光雷達的分辨率還不如可見光圖像，一根樹枝、一片草葉，激光雷達還區(qū)分不了。要想分出來，64線不行，得更高了，但成本會增加很多。

記者：現(xiàn)在激光雷達用得很多，應(yīng)該是因為被動傳感器也有一些弱點吧？

劉：視覺傳感器現(xiàn)在面臨的最大問題就是環(huán)境影響大，特別是光照。我們上下班就能看到，一天的不同時刻，陽光照射到同一路面后，光影情況是隨時變化的。野外環(huán)境下隨著時間、季節(jié)、天氣、光照的變化，識別環(huán)境道路就更難了。

還有攝像機的光線適應(yīng)能力，要有足夠高的響應(yīng)速度。我們用攝像機、手機拍攝時都有體會，就是你把鏡頭從一個陽光充足的地方轉(zhuǎn)向一個暗處時，會有一段時間黑屏，然后才適應(yīng)黑暗條件，分清里面的東西。這個時間就算只有一兩秒，車早跑出去一段距離了，這段時間里可就相當于閉著眼睛跑。還有識別的問題。地面上有黃有綠，黃的就一定是路面嗎？也許那是道旁的枯草。人看到這類環(huán)境后，大腦可以幫助識別出究竟哪兒是道路，哪里是路口。無人車就未必了，可能只知道那里顏色有區(qū)別，上下坡都很難分清。

激光雷達出現(xiàn)后，大家對于視覺識別這塊的關(guān)注就少了一些。因為它在技術(shù)上不如激光雷達簡便，識別的準確性、速度、環(huán)境適應(yīng)性等，都低一些。

記者：也就是說，大家覺得這條路難一些，就走得少了。因此現(xiàn)在研制的各種無人車上，激光雷達是最多的、必備的傳感器。

劉：不過在下一步，視覺識別這塊還是會得到更多重視。

因為首先從傳感器本身來說，視覺傳感的攝像頭要比激光雷達更便宜，適合大量配備，分辨率也更高。數(shù)據(jù)處理這塊，隨著處理器、芯片技術(shù)的發(fā)展，也在逐步提高。包括道路、障礙識別等，也都在開發(fā)一些算法。

但現(xiàn)在看，難度還是比較大的。比如在一定環(huán)境下，一條土路，兩側(cè)是樹林、灌木，某些算法可以通過顏色就識別出道路。但環(huán)境有了比較大的變化后，就可能不行了。道旁某處的樹林、灌木有個豁口，它就有可能將其當成路口?；蛘呱舷挛绻庹諚l件變了，路面從明亮的，變成被樹蔭遮擋的，這都增加了視覺識別、算法上的難度。另外視覺探測是被動的，地面上的土包、土坑，僅靠顏色、紋理，就不容易準確地區(qū)分開。

不過視覺識別這塊，是很重要的技術(shù)。包括圖像識別這塊，現(xiàn)在也在不斷出現(xiàn)一些新技術(shù)，比如深度學習技術(shù)等。另外，我覺得可能會出現(xiàn)一些更好的傳感器?，F(xiàn)在這方面的發(fā)展也確實挺快，出現(xiàn)了一些新技術(shù)的突破。

記者：對于地面的軟硬不同，比如草地、沙地和水泥路面，如何識別？

劉：那只能靠超寬帶雷達等傳感器了。但不可能為了各種障礙，去安裝、開發(fā)很多種傳感器。這樣成本太高，太復雜。必須以某一種傳感器為主。因此在未來，無人車、人工智能的學習技術(shù)非常重要，通過學習來提高無人車的識別能力、決策水平。

記者：這方面來說，是不是視覺傳感器最有前途？

劉：對，因為人主要是靠視覺的。激光雷達無法知道草下面是什么，是不是有個坑。但人通過經(jīng)驗，大部分情況下可以認出來。人最厲害的，一個是知識積累，一個是預測。這個路到底怎么走，也是很難的。

記者：“跨越險阻2016”是我軍舉辦的第二次大型地面無人平臺比賽，看賽事科目設(shè)置，很貼近實戰(zhàn)。記得美軍在最開始進行無人車比賽時，和我軍的有不少差別。

劉：他們那時更強調(diào)可靠性、長距離，給出的環(huán)境數(shù)據(jù)也更多，比如地圖、路點等等。在無人車，包括各種無人平臺的研究方面，美國確實開展得很早。2004年，美國國防高級研究計劃局就舉辦了無人車比賽。當時設(shè)計了240千米的賽道，參賽車的表現(xiàn)卻并不好，最遠的一輛車只跑出了11.78千米。此后無人車得到了很快發(fā)展，包括民用的軍用的。

跨越險阻，要身體倍棒

記者：看這次挑戰(zhàn)賽中，A組的一些車輛采用民用轎車作為底盤，還有一些采用沙灘車、全地形車、裝甲車等底盤。不同底盤在雨天、泥濘道路上，差別還是比較大吧？

劉：差別確實很大。履帶車的通過性最好。在無人車研制的開始階段，都是民用車底盤較多。隨著軍事背景越來越強，估計下次比賽，會有更多高越野性的底盤出現(xiàn)，比如6X6、8X8底盤，它們的性能已經(jīng)接近履帶車。

記者：無人車采用不同底盤，也會影響到很多其它系統(tǒng)的設(shè)計吧？

劉：是這樣的。因為無人車的決策、規(guī)劃，都要考慮車的運動學、動力學特性，也就是底盤本身的行駛能力、特點。這兩大方面一定要結(jié)合好，否則會限制無人車的性能。比如規(guī)劃出的路線底盤開不過去，結(jié)果車輛趴窩?；蛘甙l(fā)揮不出底盤本身所有的行駛能力，比如底盤本可以直接翻越的障礙，還費力繞行了。

記者：這么說，底盤就相當于無人車的身體。光腦袋聰明還不行，身體也得好，才能跑得快。看資料介紹，“斑紋豹”和“鋸齒虎”兩車都采用了新型動力傳動系統(tǒng)，您能簡單介紹下嗎？

劉：我們這兩輛車都是純電驅(qū)動的。柴油機直接驅(qū)動一個發(fā)電機組，同時向驅(qū)動輪電機，還有蓄電池供電?！鞍呒y豹”上是兩個電機直接驅(qū)動左右主動輪?！颁忼X虎”的前橋后橋，分別通過一個電機驅(qū)動。

目前來說，國內(nèi)純電驅(qū)動裝甲車比較少，除了電機技術(shù)，這兩輛車在電池管理、運動控制等方面，做得還是比較好的。

記者：看這兩車的外形，只有一個臨時的駕駛座，沒有方向盤，是不是專為無人車考慮的？

劉：對。由于動力傳動系統(tǒng)是全新的，該車的方向、油門控制都實現(xiàn)了線控。駕駛員通過一個手柄和上面的幾個按鈕，就能駕駛。

跟隨行軍，有不同難度

記者：“斑紋豹”和“鋸齒虎”還參加了B組比賽，這種情況在比賽中很多。從技術(shù)上說，B組比賽是否比A組簡單一些，畢竟無人車只要跟著前車走就行。

劉：B組的技術(shù)也不簡單。對速度、跟車距離有要求，還有一些急轉(zhuǎn)彎，倒車路段。而且現(xiàn)在只是跟了一輛車，以后的發(fā)展方向是多輛無人車跟隨的編隊行軍。無人車編隊跟隨，車輛越多對系統(tǒng)控制的要求越高。

記者：后面的無人車主要通過什么途徑知道前車在怎么走？

劉：前后車之間有電臺通訊，告訴后車一些相應(yīng)數(shù)據(jù)。不靠通訊也可以，靠激光雷達、攝像機等傳感器，探測前車的狀態(tài)。

記者：有些專家介紹，前車有時會向后車傳回一些駕駛數(shù)據(jù)，油門、剎車等。

劉：這和前后車的類型是否一樣，有很大關(guān)系。如果前車走的路線，后車完全走一樣的，那前后車的尺寸、行駛特點要基本一樣。同樣車型，前車方向盤打10度，后車也打10度，就容易多了。前后車不一樣，難度就增加，比如大車跟隨小車。如果是履帶車跟著輪式車，區(qū)別就更大。這也是B組比賽的難度之一。

記者：美軍曾研究和試驗國一種無人車，是跟隨徒步步兵行進。這種跟隨有所區(qū)別吧？

劉：這叫人員跟隨，主要用途是后勤保障，可以替步兵攜帶彈藥，或偵察設(shè)備等器材，步兵就專心完成作戰(zhàn)任務(wù)了。這和編隊行軍的跟隨不一樣，是低速的，有一些技術(shù)上的差別。步兵身上可能會帶個東西，或做個標志，但也可能為了隱蔽、方便，什么都不帶。這時難點就在判斷目標人，在有遮擋、干擾的情況始終能找到應(yīng)該跟隨的人。比如人繞過了一棵樹，或者幾個人來回交叉。而在編隊行軍跟隨中，不會老有車輛穿插。

多樣車型，有多樣用途

記者：兵器無人平臺研發(fā)中心這次參賽的車型很多，除了D組中的四足機器人，E組的搖臂輪式無人車，C組中就有三種大小不同的車型參賽。它們有不同的特點和用途吧？

劉：C組的小型無人車，大的“警戒偵察一號”主要是用于廢墟、核電站等環(huán)境，進行搶險救災、事故救援等。它本身有比較高的抗惡劣環(huán)境能力，包括輻射、生化。主要設(shè)備都集中在中間的箱體內(nèi)。前后履帶能提高其翻越廢墟障礙的能力，不需要的時候可以收起來，比如進入房間內(nèi)等狹小空間時。

“警戒偵察二號”和“警戒偵察三號”也是履帶式結(jié)構(gòu)，在國外裝備中，你可能見過很多那樣的。各種結(jié)構(gòu)樣式究竟是否合適，還要看具體用途，比如“魔爪”這種的，需要四個人抬，不如PackBot510那樣的便于攜帶，但是它可以配置更大的任務(wù)執(zhí)行裝置，比如大的機械臂，甚至班組機槍。因此，大小不同是能適應(yīng)多種任務(wù)要求。

記者：聽相關(guān)設(shè)計人員介紹，貴所參賽的這三種無人車的操控系統(tǒng)，都是通用的。

劉：它們的任務(wù)有一定相似度，操作方式也有一樣，因此操控、數(shù)據(jù)鏈，都是可以通用的，方便系列化發(fā)展。做一個，大或小的無人車都可以通用。操控系統(tǒng)是否高效、方便，也是C組比賽中的一個重要方面。

未來發(fā)展，更全面系統(tǒng)

在本次采訪過程中，記者還采訪了中心的業(yè)務(wù)骨干—“鋸齒虎”車隊隊長崔星博士。

記者：中心的幾輛車進入了決賽，那決賽相比于預賽，增加了哪些難點？

崔：決賽中增加了超車、會車，難度比預賽是更大了。無人車碰到普通障礙，比如損毀車輛，都是減速，然后考慮如何繞過去。而超車時，如果減速，就沒法超過去了，而是要加速。而且決賽中，要求在一定距離內(nèi)就完成超車。這就和傳統(tǒng)的避障是反的，要求你能識別什么是靜態(tài)障礙，什么是運動的前車。

記者：會車呢？

崔：自身速度和迎面速度相加，速度就更快了，這對判斷、反應(yīng)速度要求更高。這次預賽相比2014年，難度上了一個大臺階，包括科目、環(huán)境上。這次決賽，比預賽又提高了一個大臺階。

記者：路徑重規(guī)劃是挑戰(zhàn)賽的一個重要科目，無人車一般是怎樣在發(fā)現(xiàn)前路不通后，重新找路前進？

崔：比賽中無人車進入路徑重規(guī)劃的任務(wù)區(qū)后，路有幾條，什么朝向，都不知道。這時就得靠無人車自主解決了。比如無人車記住一路過來的詳細情況，邊行駛邊建立地圖，記下路上有哪些路口；發(fā)現(xiàn)前方被堵后，它就倒回先前發(fā)現(xiàn)過的其它路口。有的則可能不記那么詳細，只是順著路線走，碰到阻礙后再退回來，重新尋找路線。兩種策略各有優(yōu)缺，就看研制者根據(jù)總體情況選擇了。

記者：也就是說，有的無人車記得多，有的則是走過就忘、邊走邊看。在偵察時，是不是也要規(guī)劃好路線？

崔：偵察這科目，各家也是會有不同做法。比如有的進入偵察區(qū)域后，先進入中心，然后朝各個方向探測。有的可能進入后轉(zhuǎn)圈，走螺旋線盤旋。還有的可能進入后，直接奔向障礙，看有什么東西，沒有障礙的地方就不去了。

記者：反潛戰(zhàn)術(shù)，也有這樣的搜索論。但海面上不會有起伏地形、障礙。這樣來說，無人車的搜索決策難度更高啊。

崔：對。無人車偵察首先要規(guī)劃出自己的一個規(guī)則，這其中遇到障礙后，又得有合理的避障策略。

記者：這得規(guī)劃好，可別進入死循環(huán)了。無人車，關(guān)鍵在“無人”和“車”上?，F(xiàn)在更多的關(guān)注點，似乎主要還是在“無人”上？

崔：對，所以很多無人車在底盤上，一般都是選用現(xiàn)成的，然后做小部分自主駕駛的功能改造。偏重于感知和決策技術(shù)的研究、驗證，上面這一層的，對平臺這一層的關(guān)注不大。我們中心是從底層往上都做，包括無人的底盤。這幾年無人車的關(guān)注點主要在上層。但從軍用來說，環(huán)境適應(yīng)性、越野機動、載荷能力等，甚至探測打擊，都是有很多要求的。你光有眼睛、腦袋是不夠的，還得有強健的體魄、四肢。這樣一個完整的無人平臺，是軍方需要的東西。

挑戰(zhàn)賽結(jié)束了，但兵器地面無人平臺研發(fā)中心的奮斗和挑戰(zhàn)，還在繼續(xù)。相信隨著“跨越險阻”挑戰(zhàn)賽，以及各研究機構(gòu)的努力，我國的無人戰(zhàn)車將快速走向戰(zhàn)場。