礪劍精兵

熊偉

[編者按]在“跨越險(xiǎn)阻2016”挑戰(zhàn)賽C組預(yù)賽中，南京理工大學(xué)的“礪劍”無人車僅用12分鐘就完成所有越野科目和偵察科目，以突出成績(jī)獲得第一名。整個(gè)比賽過程中，筆者有幸多次采訪了該車研制團(tuán)隊(duì)——南京理工大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院的主要負(fù)責(zé)人，朱健聲和蔡云飛老師。

蔡云飛老師向記者介紹，“礪劍”無人車也稱為“地面多任務(wù)無人機(jī)動(dòng)平臺(tái)”，目前研制有IV型和IV-A兩款型號(hào)。在預(yù)賽種，他們使用的為IV型（參見下圖），長1.015米，寬0.614米，車體高度在0.305到0.36米之間可變，自重50千克，有效負(fù)重30千克，最大行駛速度17千米/小時(shí)。決賽時(shí)，上場(chǎng)的是IV-A型，長1.12米，寬0.625米，車體高度在0.34到0.43米可變，自重 55千克，載重30千克，最大行駛速度25千米/小時(shí)。他們的總體結(jié)構(gòu)和主要技術(shù)特點(diǎn)都相似。

這個(gè)研究團(tuán)隊(duì)從1997年就開始從事地面輕小型無人平臺(tái)的研究工作，先后對(duì)履帶機(jī)器人傳動(dòng)、變速、行走、懸掛、車體結(jié)構(gòu)、履帶變形機(jī)構(gòu)、操控終端等各方面都進(jìn)行了頗具成效的研究，獲得多項(xiàng)國家發(fā)明專利。在成果的工程化轉(zhuǎn)換方面，他們也積累了豐富的理論和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。該團(tuán)隊(duì)主要成員研制的移動(dòng)平臺(tái)，已成功應(yīng)用10年，發(fā)揮了重要作用。2011年提出的履帶式偵察機(jī)器人結(jié)構(gòu)方案，也獲得肯定，在此后的研制工作中先后攻克了機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)的各項(xiàng)難題、關(guān)鍵性技術(shù)，比如總重限制、工作時(shí)間、快速分解組合、武器快速掛接、同步瞄準(zhǔn)、擊發(fā)控制、傾覆復(fù)位、大轉(zhuǎn)矩高精度云臺(tái)、底盤降噪、武器后座緩沖、載荷舉升與俯仰調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)等等。

記者在比賽現(xiàn)場(chǎng)也感受到，樸實(shí)的朱健聲老師在業(yè)內(nèi)有比較高的知名度，很多其他參賽隊(duì)都對(duì)他們的設(shè)計(jì)有不少了解，看好他們的比賽成績(jī)。

記者注意到，參加C組決賽的6輛無人車，雖然都是履帶的，但“礪劍”、“星越”兩車的行走機(jī)構(gòu)和其它車不同。蔡老師介紹說，這兩車的行走裝置是懸掛履帶式的，決賽中的其它無人車都是非懸掛履帶式。像國外的“魔爪”、PackBot那種無人車，還有很多排爆機(jī)器人，都是不帶懸掛的，剛性底盤結(jié)構(gòu)，其好處是平臺(tái)姿態(tài)穩(wěn)定性高，能滿足排爆等特殊任務(wù)的高精度操作需要。

“我們這個(gè)是面向野戰(zhàn)用的，具有高速、高通過性?！辈汤蠋熃榻B說，那種剛性懸掛的輕小型無人車他們2008年起也研制過，但存在幾個(gè)固有缺點(diǎn)無法克服。一是地面適應(yīng)性差、速度低、越野性能差，很難趟水過河，在爛泥地、草地、鵝卵石、磚塊廢墟等環(huán)境中行駛還很容易掉履帶。二是觀察視窗跳動(dòng)厲害。由于它的車體與履帶間沒有柔性的懸掛，地面的起伏都會(huì)傳到車體上，導(dǎo)航攝像頭傳回的圖像會(huì)劇烈跳動(dòng)，操控者看久了會(huì)嚴(yán)重不適。如果導(dǎo)航攝像頭裝在車體上，操作員相當(dāng)于貼著地面“看”周圍，視野范圍還會(huì)比正常情況小很多。記者觀察過幾款無人車的操控臺(tái)，從顯示屏上看到的圖像確實(shí)非常非常別扭。模糊不清是一方面，更重要的就是太“矮”，判斷距離、方向時(shí)都和原本的感覺差別很大。

“礪劍”研究團(tuán)隊(duì)在履帶高效率轉(zhuǎn)向傳動(dòng)及控制、履帶地表適應(yīng)性變形技術(shù)等方面，做了很多努力，在平臺(tái)上采用了可升降懸掛，可以在懸掛車體和剛性車體兩個(gè)狀態(tài)間自由切換，并可通過四個(gè)方位的獨(dú)立升降懸掛進(jìn)行車體姿態(tài)調(diào)整。

普通行駛時(shí)，它的外形有些像一輛小坦克，能爬上25厘米高的垂直墻，爬上35°的坡。負(fù)重輪上下活動(dòng)的行程可以達(dá)到5厘米，IV-A型則達(dá)到了9厘米，因此能承受高速越野行駛時(shí)的強(qiáng)烈震動(dòng)和沖擊。這次挑戰(zhàn)賽中有樓梯，預(yù)賽中有沙坑，碎磚、土堆組成的陡坡，對(duì)“礪劍”來說都沒有問題。朱老師還認(rèn)為預(yù)賽場(chǎng)地簡(jiǎn)單了點(diǎn)，決賽時(shí)很希望能到前面的河灘、鵝卵石路況下跑一跑。

“礪劍”的懸掛調(diào)低后，車底距地高從13厘米降到5.5厘米，履帶接地長度從56厘米增加到88厘米。這不僅讓它能跨越45厘米寬的壕溝，還提高了縱向、橫向的穩(wěn)定性，在五六十度的縱向坡面上都不會(huì)傾覆。

非懸掛的履帶行動(dòng)裝置上，履帶和主動(dòng)輪、誘導(dǎo)輪、負(fù)重輪之間，要有比較大的張力，是繃緊的，容雜量小而排雜能力差。而轉(zhuǎn)向，會(huì)讓地面雜物大量進(jìn)入履帶、懸掛空間。雜草、粗沙、污泥等卡入履帶和輪子中間后，不容易排出，導(dǎo)致張力過大，無法轉(zhuǎn)動(dòng)。而在有懸掛的履帶上，輪履之間有一定的彈性空間，不會(huì)急劇增加主動(dòng)輪的轉(zhuǎn)動(dòng)負(fù)荷，沙石草等可以在滾到下一個(gè)輪子時(shí)逐步脫落。

對(duì)于履帶車來說，轉(zhuǎn)向靠?jī)蓚?cè)履帶差動(dòng)、反轉(zhuǎn)，因此防脫落是個(gè)關(guān)鍵課題。研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過十多年摸索，有了一些獨(dú)特的履帶防脫技術(shù)，能在草地、沙石地、泥濘地等各種惡劣地面行駛。按照蔡老師的話說，就是“不會(huì)掉履帶，隨便你怎么玩?！?/p>

“礪劍”使用雙流轉(zhuǎn)向控制模式，后部的動(dòng)力艙里布置有兩臺(tái)電動(dòng)機(jī)，主電機(jī)350瓦，轉(zhuǎn)向電機(jī)250瓦。行進(jìn)時(shí)只需一個(gè)電機(jī)工作，傳動(dòng)效率較高。比賽中，“礪劍”只是采用了普通高速檔，速度就已經(jīng)比其它無人車快了近一倍，給觀賽者留下了非常深刻的印象。

朱老師介紹說，“礪劍”還能采用混合動(dòng)力模式，也就是一個(gè)電機(jī)加一個(gè)內(nèi)燃機(jī)。變速箱上有兩個(gè)動(dòng)力輸入點(diǎn)，其它都是一樣的，直接接上就行。兩個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)如果同時(shí)工作，無人車的速度能更快，試驗(yàn)中曾達(dá)到近50千米/小時(shí)！當(dāng)然此時(shí)回傳的圖像已經(jīng)抖動(dòng)劇烈，操作員不容易控制了。所以內(nèi)燃機(jī)的最大用途，還是便于在野外長期工作，免除了充電的麻煩。

依靠車內(nèi)電池，“礪劍”能連續(xù)運(yùn)行至少4小時(shí)。無人車要想得到很長的續(xù)航時(shí)間，可以外接電池，但防水問題很難解決。車體內(nèi)的電池，防水防震，但更換起來麻煩。有了內(nèi)燃機(jī)，無人車可以“快速復(fù)活”，花一兩分鐘加上油就可以了。這也適合快速反應(yīng)。

這個(gè)內(nèi)燃機(jī)還可以給電池充電，記者看到車體內(nèi)就有一些24伏、12伏電源輸出口。外場(chǎng)維修時(shí)，電動(dòng)螺絲刀、電烙鐵等工具，都可以接到這里。手機(jī)、遙控設(shè)備也可以在這里充電。當(dāng)然，采用內(nèi)燃機(jī)也有一些缺點(diǎn)。一是噪音大，二是加上散熱器、油箱等，會(huì)占用載荷艙的一半空間。如果車體再大一些，更適合采用這種混合動(dòng)力系統(tǒng)。

記者詢問是否能用小一些的內(nèi)燃機(jī)，專為充電用，這樣既保證尺寸，又具備野外長期工作的方便。朱老師解答說：內(nèi)燃機(jī)充電的效率不高，直接驅(qū)動(dòng)無人車行駛更合適一些，不太適合專為充電而設(shè)置。如果少量地用電，太陽能電池板倒是也可以考慮。

總得來說，依靠電控機(jī)械變速箱、雙流傳動(dòng)、多動(dòng)力復(fù)合驅(qū)動(dòng)等技術(shù)，“礪劍”無人車在動(dòng)力系統(tǒng)這塊比較靈活，怎么配置就看各種不同的需要了。

朱老師打開動(dòng)力系統(tǒng)上的艙蓋介紹時(shí)，順手打開了車體上另外幾個(gè)蓋子。那是工具箱，其它無人車很少有這樣的設(shè)置。蔡老師介紹說，這也是因?yàn)樗麄兊臒o人車已經(jīng)比較成熟，不再是原理樣車，可以算型號(hào)的初樣車了。再過一輪設(shè)計(jì)修改，就可以作為正樣車，“然后全部工程化，基本上就OK了?！?p>

從樣車到成熟產(chǎn)品，確實(shí)還需要很多路走。在決賽中，“礪劍”無人車就因?yàn)橐粋€(gè)小細(xì)節(jié)，引起翻車。它的車體中部是載荷艙，尺寸不小，40×27×23立方厘米，可以放多種設(shè)備。整車自重50～55千克，載重能達(dá)到30千克。但在這次比賽中，它的負(fù)載能力用不上，車頂搭載了一個(gè)球形光電探測(cè)器就足夠了。載荷艙內(nèi)前部被臨時(shí)加裝了一塊電池，增加配重，進(jìn)一步提高爬樓、過障時(shí)的穩(wěn)定性。還不是正式的載荷，因此也就沒采取螺栓等固定措施。從頭一天熟悉場(chǎng)地開始，團(tuán)隊(duì)多次操縱無人車在樓梯、草坪等場(chǎng)地試駕。測(cè)試后，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為自己只需半小時(shí)就能完成比賽。預(yù)賽成績(jī)已經(jīng)領(lǐng)先其他隊(duì)很多，只要找到18個(gè)目標(biāo)中的5、6個(gè)，他們就能穩(wěn)獲冠軍（總成績(jī)由預(yù)賽分和決賽分加權(quán)平均得出）。但為了充分展示性能，團(tuán)隊(duì)決定奔著找齊18個(gè)目標(biāo)去。樓內(nèi)9個(gè)目標(biāo)要比樓外的相對(duì)集中，因此他們制定了先上樓偵察，后室外偵察的策略，希望能把所有目標(biāo)都找到，而且看起來問題不大。

正式比賽時(shí)，“礪劍”一馬當(dāng)先，比同組比賽的另外兩車早早進(jìn)入樓房，快速向三樓爬去。觀賽者都為他們的速度趕到驚嘆（其實(shí)這只是他們的正常速度），現(xiàn)場(chǎng)解說也告訴大家他們是預(yù)賽第一名，速度快、越野能力強(qiáng)。不料經(jīng)過前一天的多次試跑、爬樓、顛簸，載荷艙里的電池有些松動(dòng)了。這次爬上兩層樓后，在持續(xù)震動(dòng)下，電池滑向了載荷艙后部，整車重心突然偏后。結(jié)果無人車從樓梯上倒翻過來。對(duì)于經(jīng)過加固考慮的車體來說，這沒多大問題，但車頂?shù)墓怆娞綔y(cè)器被壓壞，無人車失去了最主要的觀察設(shè)備。此后它只能依靠車體上的駕駛用攝像頭尋找偵察目標(biāo)，效果大打折扣。而且在翻回車體過程中，一個(gè)小攝像頭不慎被手指、膠帶弄模糊，現(xiàn)場(chǎng)維修后的“礪劍”成了高度“近視眼”。天線也因翻車受到些影響。結(jié)果無人車幾次從偵察目標(biāo)旁經(jīng)過，都沒能看清目標(biāo)。尋找到的目標(biāo)數(shù)量少，影響了“礪劍”的決賽總分。

賽后整個(gè)團(tuán)隊(duì)也是因?yàn)檫@個(gè)意外而感到遺憾，蔡老師說接下來的工作就是要在工程化這塊做最后的細(xì)化、完善。

這次挑戰(zhàn)賽中，絕大多數(shù)輕小型無人平臺(tái)都是樣車，并非完成所有工程化設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，有的甚至只是概念型樣車。再加上無人平臺(tái)是動(dòng)力、機(jī)械、通訊、光電等多方面技術(shù)的集成，因此意外頻出。有不少都并非設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)不好，而是某個(gè)小小的細(xì)節(jié)、意外影響了參賽表現(xiàn)。

“礪劍”這一跟頭翻得，讓很多觀賽者都感覺很可惜。不過對(duì)這類輕小型無人車來說，這樣的情況不會(huì)造成重大傷害。決賽中另外一輛小車也在爬樓時(shí)翻車。它們的車體都能經(jīng)受這種沖擊、碰撞。

不僅如此，“礪劍”的車體還有很好的密封性，讓該車能在水面浮渡。設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過十多年研究，已經(jīng)掌握了一套高強(qiáng)度、高抗變形箱體材料及成型技術(shù)。以前的試驗(yàn)中，它們還經(jīng)受住了武器射擊時(shí)的沖擊、碰撞。

武器站能通過螺栓直接固定在車頂，或載荷艙位置。它的設(shè)計(jì)載荷為30千克，實(shí)際上能達(dá)到六七十千克。而30千克，已經(jīng)是滿足一整套單兵裝備的重量，包括武器彈藥等。如果帶反坦克導(dǎo)彈、大威力火箭筒，能有2枚，輕型火箭筒能帶4枚。以它的尺寸和速度，能快速突進(jìn)到敵方車輛附近幾百米，即便用無制導(dǎo)的火箭彈，也能快速抵近、毀傷目標(biāo)。

利用這套箱體材料和成型技術(shù)，還能根據(jù)需要設(shè)計(jì)制造不同尺寸的無人車。履帶、行走系統(tǒng)也都是模塊化設(shè)計(jì)，有幾種可選，包括履帶板的形狀，負(fù)重輪懸掛的方式等。比“礪劍”小一些的同系列無人車，也具備良好的越野、高速性能，可以帶榴彈等武器。

在輕小型無人平臺(tái)（也稱地面輕小型機(jī)器人）研究領(lǐng)域，“礪劍”無人車設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的主要成員都具有10年以上的技術(shù)積累和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)。在隨后的采訪中，記者和他們也就無人車的戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用交流了很多看法。

“魔爪”、PackBot等無人車已被美軍廣泛用于阿富汗、伊拉克戰(zhàn)場(chǎng)，負(fù)責(zé)路邊炸彈檢查、拆除，山洞內(nèi)偵察，甚至進(jìn)攻性戰(zhàn)斗等任務(wù)。

俄羅斯也有多款無人戰(zhàn)車、無人掃雷車投入實(shí)用。2016年年初，在敘利亞戰(zhàn)場(chǎng)，俄軍6輛無人車投入了一次高地爭(zhēng)奪戰(zhàn)。遙控人員操縱他們抵近到IS武裝分子據(jù)點(diǎn)前100米，用機(jī)槍和火箭筒進(jìn)行火力壓制，敘利亞政府軍士兵則在無人車后150～200米的安全距離對(duì)敵人進(jìn)行清掃。遇到堅(jiān)固火力點(diǎn)后，無人車傳回圖像、坐標(biāo)，引導(dǎo)榴彈炮進(jìn)行拔點(diǎn)炮擊。戰(zhàn)斗持續(xù)了20分鐘，IS武裝分子沒有還手之力，被擊斃70人，而敘利亞政府軍只有4名士兵受傷。

俄軍投入戰(zhàn)斗的“平臺(tái)M”履帶式無人車、“阿爾戈”輪式無人車和美軍無人車相比，就有很大不同。它們重量更大，分別為0.8和1噸，高度1.2和1.65米，配有防護(hù)裝甲；火力強(qiáng)悍，除了一挺7.62毫米機(jī)槍，還有4、5具火箭筒、榴彈發(fā)射器。

“礪劍”無人車研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為：反恐、排爆和作戰(zhàn)行動(dòng)相比，時(shí)間更加充裕，無人車也不需要帶很多載荷；而戰(zhàn)斗行動(dòng)（無論城市還是野外），即便是反恐行動(dòng)的偵察，無人車都必須有足夠的反制措施，配備一定的武器或裝甲。遭遇敵方攻擊時(shí)，它能利用火力予以反擊，或利用高速等措施進(jìn)行規(guī)避、擺脫。即便是反恐戰(zhàn)爭(zhēng)中的排爆行動(dòng)，也需要無人車具備一定的反制能力。比如伊拉克反美武裝曾雇傭小孩，拿著油漆噴罐走到PackBot無人車前，往攝像頭上一噴，價(jià)值成千上萬的無人車就歇菜了。跑跑不過，打又不方便打。

如果是巷戰(zhàn)，彈坑、斷墻會(huì)是常見的障礙。即便沒有這些障礙，也有人想出過一些專門針對(duì)小型無人車的簡(jiǎn)單辦法，比如用漁網(wǎng)罩上，看你怎么擺脫。

因此在輕小型軍用無人車的研制上，高速、高通過性，載荷、反制能力，是“礪劍”研究團(tuán)隊(duì)重點(diǎn)追求的目標(biāo)。

遙控、通訊技術(shù)，是這類小型無人車的另一關(guān)鍵技術(shù)點(diǎn)。它要具備一定的抗干擾能力，這樣才能適應(yīng)有眾多電磁污染的戰(zhàn)場(chǎng)。但對(duì)于通訊距離、通視情況，記者和研究團(tuán)隊(duì)都認(rèn)為沒必要太遠(yuǎn)。隔著幾道院墻、樓宇遙控?zé)o人車，實(shí)戰(zhàn)中恐怕很難出現(xiàn)，因?yàn)楹蠓降氖勘鴤兌紩?huì)及時(shí)跟上，也不會(huì)讓無人車獨(dú)自跑那么遠(yuǎn)。更多情況，可能是士兵們隱蔽在一個(gè)拐角或山坡之后，不在敵人的直瞄范圍內(nèi)就行。

隨著比賽結(jié)束，記者和朱老師、蔡老師，“礪劍”無人車研究團(tuán)隊(duì)的交流，也告一段落。通過這次比賽和交流，記者深感輕小型無人平臺(tái)在未來戰(zhàn)場(chǎng)，包括城市戰(zhàn)、野戰(zhàn)、反恐，偵察、戰(zhàn)斗、排爆，等等各方面，都有非常重要的應(yīng)用前景。

可以說：以后誰能把這支無人小尖兵之劍，砥礪得更加鋒利，誰就將在戰(zhàn)斗中占據(jù)重大優(yōu)勢(shì)。

寶劍鋒從今磨礪，未來沙場(chǎng)贏先機(jī)！