軍用地面無人平臺現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢研究

李 楠，李 晗

（航天科工智能機器人有限責任公司，北京 100070）

1 引 言

軍用地面無人平臺是一種用于完成軍事任務的自主式、半自主式和人工遙控的機器人，以完成預定戰(zhàn)術或戰(zhàn)略任務為目標，以智能化信息處理技術和通信技術為核心的智能化武器裝備。軍用地面無人平臺能夠代替士兵完成各種極限條件下的特殊危險的軍事任務，使得軍人在戰(zhàn)爭中免受傷害。

無人平臺是無人作戰(zhàn)系統(tǒng)的重要組成部分，可以協(xié)助作戰(zhàn)人員、或者獨立參與作戰(zhàn)，可執(zhí)行偵察、后勤運輸甚至火力支援等軍事任務，主要從事的任務性質為單調、枯燥、骯臟的工作，并且沒有人類士兵的負面情緒的影響。在海灣戰(zhàn)爭后，大量的無人平臺被廣泛應用于現(xiàn)代化戰(zhàn)場中，擔負著越來越重要的角色。圖1給出了在伊拉克戰(zhàn)場中應用的機器人，包括在戰(zhàn)場中被破壞的排爆機器人以及小型拋投無人機。軍用地面平臺具有較好的隱蔽性、快速機動能力以及較強的戰(zhàn)場適應能力，與傳統(tǒng)武器可形成戰(zhàn)場的不均衡態(tài)勢，將引發(fā)軍隊組織結構、體制及戰(zhàn)術的變化。

2 無人平臺技術內涵

圖1 戰(zhàn)爭中實際應用的無人平臺

無人平臺涉及到多個學科和領域的研究成果，機械、電子、自動控制、計算機、人工智能、腦科學、傳感器、通訊及網絡等多個學科和領域，按照專業(yè)技術體系可歸納出七項主要專業(yè)技術，包括：傳感器技術、伺服技術、能源與動力技術、機構技術、運動控制技術、智能技術以及系統(tǒng)技術，如圖2所示。

圖2 無人作戰(zhàn)平臺專業(yè)技術體系

（1）傳感器技術

無人平臺傳感器可以分為內部傳感器和外部傳感器兩大類。內部傳感器用來檢測無人平臺組成部件的內部狀態(tài)，一般用于無人平臺伺服與穩(wěn)定控制，包括：位置、角度、角位移、加速度、姿態(tài)和航向等。外部傳感器主要用于對外部環(huán)境的感知，包括：視覺、觸覺、力覺、接近覺以及嗅覺、溫度等。要使無人平臺擁有智能，對環(huán)境變化做出反應，首先必須使無人平臺具有很強的環(huán)境感知能力，用傳感器獲取外部環(huán)境信息是無人平臺智能化的必要條件。

（2）伺服技術

無人平臺伺服系統(tǒng)是無人平臺的基本運動單元，主要研究內容包括伺服電機技術、伺服驅動器技術、精密減速器技術、液壓泵技術、伺服閥技術、運動控制器技術。按能源輸出類型主要包括電動、液壓和氣動伺服系統(tǒng)。其中，電動伺服系統(tǒng)可分為直接和間接控制兩種方式，液壓伺服系統(tǒng)也可分直接控制（電靜液伺服系統(tǒng)）和間接控制（閥控液壓伺服系統(tǒng)），氣動伺服系統(tǒng)可分為冷氣式和燃氣式。

（3）能源與動力技術

能源與動力技術包含為無人平臺提供穩(wěn)定能源和能源管理兩個部分，是無人平臺運行、工作的基本條件。固定式智能無人平臺主要通過電纜提供動力源，移動式智能無人平臺大多是通過電池來提供動力源。電池分為化學電池、燃料電池和生物電池等。能源與動力技術涉及化學、電子、物理、材料等多個學科，主要研究高質能比電池技術、燃料電池技術、無污染能源技術、非接觸充電技術、電源智能診斷與管理技術。

（4）無人平臺機構技術

無人平臺機構是由各種機械構件和運動副組成的多自由度機械系統(tǒng)，是無人平臺實現(xiàn)各種運動和完成各項任務的載體。無人平臺機構技術主要研究直角坐標機構、串聯(lián)機構、并聯(lián)機構以及各種移動機構和仿生機構的構型綜合、運動學和動力學等相關內容。在無人平臺所用的機構中，包括輪式、履帶式、復合式等行走機構，以及機械臂等執(zhí)行機構。

（5）運動控制技術

運動控制技術是在復雜的情況下，將任務規(guī)劃制定轉變成期望的無人平臺機械運動。運動控制的目的是使無人平臺實現(xiàn)精確的位置控制、速度控制、加速度控制、力矩和力的控制，以及這些被控制量的綜合控制。其主要研究方向包括基于運動學和動力學模型的控制技術、基于傳感器的運動控制技術、基于行為的控制技術以及基于仿生機理的運動控制技術。運動控制技術一定程度上影響了無人平臺的運動精度與可靠性，進而對無人平臺的任務執(zhí)行效能產生影響。同時，其控制的復雜程度也在一定程度上影響無人平臺的硬件需求。

（6）智能技術

無人平臺的智能體現(xiàn)在能夠感知視覺、語音、觸覺等各種傳感器信息，并對多傳感器信息進行融合，并據此進行決策，從而實現(xiàn)各種任務，如自主移動等。無人平臺的感知、決策、執(zhí)行各部分通過特定的控制體系結構有機的結合在一起。因此無人平臺智能技術研究的主要內容包括：智能控制體系技術、傳感器信息處理技術、多傳感器信息融合技術、智能規(guī)劃技術、自主移動技術等。

（7）系統(tǒng)技術

無人平臺作為光機電一體化的復雜集成體，涉及眾多學科技術領域，特別是在工作過程中面對的環(huán)境是未知的、非結構化的。因此，在整個設計驗證過程中，仿真成為系統(tǒng)級技術的重要手段；同時，針對無人平臺實時操作、狀態(tài)反饋、環(huán)境再現(xiàn)等問題，穩(wěn)定、友好的人機交互系統(tǒng)成為無人平臺不可分離的組成部分；作為信息交互的通信鏈路，掌握并應用好通信技術發(fā)展的最新成果，搭建人與平臺、平臺與平臺之間交流的橋梁是無人平臺關鍵技術之一；將熟知的武器裝備在研制生產過程中普遍采用的測試實驗方法，系統(tǒng)、有針對性地應用到無人平臺技術發(fā)展過程中，是保障無人平臺技術成功轉化為裝備，產品的技術保障措施。同時，無人平臺作為一種智能化新興裝備在可靠性、安全性等方面的技術標準的研究與制定也需要重點關注。

3 國外軍用地面無人平臺現(xiàn)狀

3.1 地面無人作戰(zhàn)平臺

（1）Gladiator（角斗士）機器人[1]

美國的Gladiator角斗士機器人使用混合動力，有電動機、柴油機和蓄電池。如果需要它悄無聲息地行動，可以關閉柴油機，使用蓄電池備用電源，保障完成特殊任務。最大速度為26km/h，在野外路面上速度約降低1倍，能跨越1m寬的壕溝、70cm深的小河。

（2）Sword軍用地面無人平臺[2]

Sword軍用地面平臺是以Talon（魔爪）機器人作為底盤，并且加裝了武器作戰(zhàn)系統(tǒng)，武器系統(tǒng)的光瞄系統(tǒng)主要由4臺攝像機、夜視傳感器組成，能裝備5.56mm口徑的M249機槍，或是7.62mm口徑的M240機槍，有效控制距離可以達到1km。無人平臺以及直流電池為動力源，遠程控制終端質量13.6kg，可以同時實現(xiàn)遙控武器站和平臺本體控制。

（3）英國特拉卡爾和黑騎士無人地面車[3，4]

英國的Trakkar（特拉卡爾）無人車是全自主式平臺，能夠承載4名士兵或者250kg載荷，具備創(chuàng)新的跟隨能力，能夠跟隨操作人員通過路面。此外，在美國國防預先研究計劃局（DARPA）和英國BAE系統(tǒng)公司的主持下，名為黑騎士的履帶式無人車輛由BAE系統(tǒng)公司、卡內基·梅隆大學機器人研究中心等研究機構研究而成，與以往只承受輔助性任務、仍需人類干預遂行任務的無人平臺不同，它擁有堪比有人戰(zhàn)車的自重、20mm速射火力系統(tǒng)、全地形通過能力、全頻譜感知器組、完善的戰(zhàn)術數據鏈以及先進的人工智能指揮系統(tǒng)。

（4）俄羅斯平臺-M機器人[5]

平臺-M（Platforma-M）是一種最新式機器人作戰(zhàn)系統(tǒng)，其設計目的是與敵人進行非接觸性戰(zhàn)斗。按照設計構想，該系統(tǒng)為多用途作戰(zhàn)單元，既能充當偵察兵，也能巡邏并保護重要設施。憑借其武器裝備可用于火力支援。其武器制導系統(tǒng)可自動運行，無需人工操作。平臺-M雖然體型很小，但威力強大，裝有榴彈發(fā)射器和機槍系統(tǒng)。

（5）俄羅斯狼-2移動機器人[6，7]

狼-2（Volk-2）質量高達1t（平臺-M只有800kg），作戰(zhàn)任務依然為與敵人非接觸戰(zhàn)斗為目標。狼-2采用履帶式底盤進行機動，具有較強的野外通過能力，可實現(xiàn)較為高速的野外機動能力；不配備乘員，在5km內通過無線電頻道控制，測試中完美地克服了春天的泥濘路面。狼-2裝備有卡拉什尼科夫機關槍、峭壁（Utes）和絞線（Kord）重機槍，可在35km/h的時速下開火。狼-2具有防護裝甲，同時利用包含熱成像儀、激光測距的光瞄系統(tǒng)實現(xiàn)對戰(zhàn)場態(tài)勢的偵察與跟蹤，遙控武器站實現(xiàn)打擊。

3.2 多用途移動平臺

（1）Crusher（破碎者）無人車[8]

圖3 國外軍用地面無人平臺

破碎者無人車是由DARPA投資，卡內基·梅隆大學機器人研究中心設計研制，計劃裝備陸軍的新一代無人武裝偵察車。該車具有無人操控、能夠運載任何貨物、防范敵人攻擊并輕而易舉地高速通過使悍馬車也會翻車的地形等特點。該車除了擁有無人駕駛技術以外，還裝備了美軍開發(fā)的用于無人車輛的混合動力發(fā)動機和先進的懸架系統(tǒng)，能夠攜載質量1800kg的負載，爬越1m高的垂直臺階。破碎機的設計時速為40km/h，當操作人員輸入目的地信息后，能夠以完全自主控制的方式行走約450km。

（2）SMSS（公牛）無人車[9]

SMSS是班組支援無人平臺，由洛克希德馬丁公司研制，可實現(xiàn)半自主控制以及遙控控制，采用六輪獨立驅動，具有全地形的適應能力，主要實現(xiàn)伴隨運輸功能，同時可搭載相應的態(tài)勢感知以及打擊載荷實現(xiàn)偵察、火力支援等任務。

（3）MULE（騾子）多用途無人平臺[10]

MULE是通用型無人平臺的典型產品，主要采用搖臂式主動懸掛方式，輪轂電機驅動，可翻越1.5m的障礙，野外通過性能得到保障；同時越壕寬度可達到1.5m以上，縱坡以及橫坡的通過能力均可達到40o以上，具有一定的涉水能力。同時可搭載ANS自動導航系統(tǒng)以及運輸組件，實現(xiàn)自主以及半自主的運輸、作戰(zhàn)支援等任務，混合動力方式在保障其隱蔽性的同時滿足長時間使用的要求。

（4）以色列的衛(wèi)士無人平臺[11]

衛(wèi)士是一款具有高度自主能力的多用途無人平臺，由以色列G-NUS公司研制，有三代主要產品：MK-1、MK-2、MK-3。前兩代主要為半自主運動模式，可實現(xiàn)自主避障；第三代無人平臺可識別障礙物，可實現(xiàn)局部的路徑規(guī)劃實現(xiàn)障礙的自主繞行策略。以列色將該型平臺部署于邊境區(qū)域以及機場，通過搭載不同的載荷，可分為運輸、偵察、引導以及作戰(zhàn)四種用途。

3.3 單兵無人平臺

（1）PackBot機器人系統(tǒng)[12]

該型機器人自重較小，適于單兵攜帶，利用OCU進行遠程遙控完成偵察、排爆等作業(yè)，質量18kg，最大速度3.7m/s，涉水可達3m，每次充電行駛距離13km。通過模塊化機械與電氣接口，可以擴展為偵察機器人、排爆機器人以及小型作戰(zhàn)機器人，性能穩(wěn)定、用途廣泛。2008年PackBot機器人全球銷售突破2000臺。

（2）Talon（魔爪）軍用地面無人平臺[13]

圖4 國外多用途地面無人平臺

美國的魔爪軍用地面無人平臺目前被大量部署到阿富汗和伊拉克等地區(qū)，首要任務是輔助軍事人員完成一些極端危險的工作，如偵察和拆除敵方部隊為攻擊已方部隊而設置的路邊炸彈及一些簡易爆炸裝置（IED），有效降低人員處置危險物品的風險。魔爪能夠在不裝備爆炸物處理裝置（EOD）和戰(zhàn)斗工程設備的情況下遙控拆除簡易爆炸裝置，載荷為45kg，可翻越最高43o的臺階、45o的斜面、38cm深的雪地及拆遷廢墟。

圖5 單兵無人平臺

（3）SandFlea沙蚤機器人系統(tǒng)[14]

DARPA聯(lián)合波士頓動力公司研制出一種新型的小型無人地面車，被稱為“沙蚤”，它是一種跳躍式機器人，呈鞋盒狀，質量約4.5kg，通常采用4輪行駛，但也能垂直跳躍，高度達9m，能獨立越過壕溝和障礙，其跳躍能力是憑借一個集成的、向下噴火的助推裝置并附著填充CO2的藥筒，一次裝藥可使該車進行20～30次跳躍。

（4）Dragon runner龍行者機器人[15]

Dragon runner由美國海軍陸戰(zhàn)隊戰(zhàn)斗實驗室、海軍研發(fā)辦公室會同卡耐基·梅隆大學機器人研究中心合作研制，核心裝置是一個無線調制解調器和UHF圖像傳輸系統(tǒng)。龍行者體積很?。?.394m×0.28m×0.13m），質量輕（7.45kg），但機動性強，樣機的速度達到8.9m/s。龍行者的用途是在城市街巷代替士兵開展偵察，協(xié)助實施精確打擊，減少傷亡。

3.4 仿生無人平臺

（1）Bigdog（大狗）仿生機器人[16]

由于履帶式和輪式機器人不能真正到達所要保障的士兵可能要去的每一個地方，美國國防部聯(lián)合MIT和波士頓動力公司等研制的Bigdog高70cm，重約75kg，采用汽油動力，最高負載量為120磅，速度為3.3miles/h，1.5m/s內裝維持機身平衡的回轉儀，由本身的立體視覺系統(tǒng)或遠程遙控器確認路徑，主要用來運送軍用物質。

（2）Petman以及Atlas機器人戰(zhàn)士系統(tǒng)[17，18]

Petman是波士頓動力公司開發(fā)的一款仿人機器人，其擁有人類的身高，像人一樣行走，最高步速達到約2m/s，可實現(xiàn)跳躍、下蹲促膝和俯臥撐等行為。PetMan能夠保持自身平衡，保持穩(wěn)定的行走狀態(tài)，初始研制目標為暴露在化學武器或者放射性環(huán)境下，代替人類士兵完成指定動作，實現(xiàn)防化服測試過程中的信息采集與評價。

圖6 國外仿生無人平臺

Atlas為波士頓動力開發(fā)的另一款較為典型的仿人機器人，其采用便攜式液壓泵站進行能源供給，同時具有28個液壓伺服關節(jié)實現(xiàn)各關節(jié)自由度，可采用遙控以及半自主運動方式。最新發(fā)布的資料中顯示，該型機器人具備在叢林、草地等非結構地面條件下的通過性。該型機器人具有與人類接近的構型與自由度配置，可以實現(xiàn)替代人類在狹窄環(huán)境、城市巷戰(zhàn)等環(huán)境下執(zhí)行多種作戰(zhàn)、支援等任務，同時可以使用與駕駛人類的工具與載具。

4 國內軍用地面無人平臺現(xiàn)狀

我國的無人作戰(zhàn)體系主要集中于無人作戰(zhàn)平臺的研究，并且這些研究還處于原理樣機階段，鮮有產品能夠真正投入大規(guī)模研制和應用。我國無人作戰(zhàn)體系還沒有較為完整的規(guī)劃，對其研究主要集中在高校等一些專門研究單位，體系創(chuàng)新和集成能力差，很難具有綜合完成無人體系的研發(fā)能力，距達到體系間的協(xié)同技術水平也有很大的差距。比較典型的無人平臺如圖7所示。

（1）銳爪系列無人平臺[19]

銳爪1型無人平臺，采用履帶式行走機構，自重120kg，可用對敵人目標偵察、打擊，對已隱藏于建筑物、坑道內的恐怖分子進行搜索打擊，對于受困人員實施援救等任務。該平臺可以自主安全駕駛、完成多通道的通訊及遠距離遙控武器射擊，具備多種偵察手段。

（2）班組任務支援平臺[20]

班組任務支援平臺是一款無人駕駛的輕型全地形車，該車總體結構采用6×6無懸架全地形車身，增程式混合動力驅動，大數據量的路徑規(guī)劃處理計算機。該產品主要作戰(zhàn)用途包括：搭載班組人員及裝備執(zhí)行前線搜索、巡邏、戰(zhàn)斗等任務；運輸彈藥、醫(yī)療用品等軍用物資；戰(zhàn)場救護和自主邊境巡邏等。

（3）多用途小型無人平臺

中國航天科工飛航技術研究院研制的500kg級別多用途小型無人平臺采用輪轂電機的驅動方案，實現(xiàn)6輪行走機構模塊化設計，構型為六輪獨立懸掛與四輪獨立轉向方式，在非結構化環(huán)境中具有良好的機動性能與通過性能，最高行駛速度達到30km/h。該型平臺具有較小的體積與較高的承載能力，可搭配大型液壓機械臂（末端負載70kg以上）、遙控武器站等上裝載荷，采用遠程遙控方式，可在城市環(huán)境以及野外環(huán)境中執(zhí)行打擊、救援、危險物排除等任務。

圖7 國內軍用地面無人平臺

5 軍用地面無人平臺發(fā)展趨勢

根據實戰(zhàn)化需求，美軍制定了詳細的近期、中遠期規(guī)劃，重點在降低士兵的體能以及感知方向的能力需求，同時在通用化、模塊化方面給出持續(xù)發(fā)展規(guī)劃。在分析美軍的發(fā)展規(guī)劃基礎上[21，22]，結合其他先進平臺的技術發(fā)展路徑，給出軍用地面無人平臺的發(fā)展趨勢。

（1）更加強調一體化作戰(zhàn)支援能力。未來戰(zhàn)場更加強調聯(lián)合作戰(zhàn)能力，其基于信息化技術的發(fā)展，動態(tài)化與不可預測的特性更加明顯，因此需要地面無人平臺具有一體化的作戰(zhàn)支援能力，既可實現(xiàn)快速運輸、伴隨保障、通信中繼等后勤保障任務，也可實現(xiàn)快速精確打擊、情報偵察等作戰(zhàn)任務。這就要求重點提升地面無人平臺態(tài)勢感知、作戰(zhàn)應用、多機協(xié)同、自主控制、戰(zhàn)場防護以及戰(zhàn)場機動等六個方面的能力。伴隨著人工智能、傳感器信息感知以及通信技術的發(fā)展，軍用地面無人平臺逐漸由執(zhí)行遠程遙控、排爆、偵察等特定任務發(fā)展到執(zhí)行班組跟隨、前導偵察等半自主復合型任務功能[23]。

（2）重點提升自主性能，加強態(tài)勢感知能力。除了大小與功能外，反映地面無人平臺的主要特性為其自主水平，從100%的遠程遙控控制，到部分功能自主直至全自主?，F(xiàn)階段主要是以遠程遙控為主，存在兩個方面的問題：一方面是需要操作人員時刻關注平臺與周邊環(huán)境狀態(tài)，操作人員的負擔較重；另一方面，遠程遙控對于通信的帶寬以及實時性具有較高的要求，同時對通信的安全性與穩(wěn)定性要求也較高。半自主以及全自主地面無人平臺通過內部以及外部傳感器實現(xiàn)對環(huán)境以及自身狀態(tài)感知，借助決策系統(tǒng)將任務分解至規(guī)劃層與控制層，實現(xiàn)地面無人平臺的自主行為與路徑規(guī)劃，實現(xiàn)在非結構環(huán)境下的障礙物檢測、感知以及規(guī)避功能。

（3）提升地面無人平臺的互操作性?；ゲ僮餍允侵萍s地面無人平臺走向實戰(zhàn)的關鍵技術，需要重點解決多個平臺以及系統(tǒng)之間的信息共享能力，互操作性的提升有助于降低對地面無人平臺的后勤保障需求以及總體部署經費需求。提升系統(tǒng)的互操作性需要重點解決接口、數據類型與格式、通信頻帶與設備的標準化問題，采用開放式體系架構，在各層次架構基礎上采用公開的標準化接口。美軍正在制定無人平臺與有人平臺的接口標準，基于與北約標準化協(xié)議相兼容的標準，提出一系列針對地面無人系統(tǒng)的互操作性發(fā)展原則[24]，以期能夠協(xié)調各平臺之間的發(fā)展，使各類新型無人平臺能夠快速融入無人作戰(zhàn)系統(tǒng)，有效簡化系統(tǒng)測試以及集成流程。

6 總結

隨著戰(zhàn)爭形態(tài)的變化以及無人化戰(zhàn)場的需求，軍用地面無人平臺大規(guī)模進入戰(zhàn)場已經成為一種必然趨勢。通過分析發(fā)現(xiàn)，在無人平臺的研制與運用方面，我國與先進國家仍然存在一定差距。因此，建議從頂層進行規(guī)劃設計，充分論證地面無人平臺發(fā)展路線圖，梳理關鍵技術體系；同時，加強關鍵產業(yè)鏈建設，確保關鍵元器件、外協(xié)配套體系持續(xù)完善，并且加強原創(chuàng)性無人平臺設計能力。