坦克車輛虛擬遠程駕駛技術(shù)綜述

姚壽文,丁 佳,王 瑀,胡子然

(北京理工大學(xué) 機械與車輛學(xué)院， 北京 100081)

隨著傳感器和機器學(xué)習(xí)的不斷進步，國內(nèi)外許多乘用車制造商都瞄準了無人化、智能化車輛駕駛的發(fā)展方向[1]。車輛自動駕駛技術(shù)的快速崛起，推動無人駕駛產(chǎn)業(yè)的迅速升溫。但是若實現(xiàn)完全的無人駕駛，并投入實際運營，目前還存在許多技術(shù)難點，尚不能達到全天候以及非結(jié)構(gòu)化道路行駛[2]，無人駕駛技術(shù)從其初步探索，到技術(shù)的發(fā)展成熟至全面推廣普及將需要很長時間[3]。

無人駕駛技術(shù)主要面臨路況識別、車輛控制以及車輛信息交互等諸多技術(shù)的發(fā)展限制[4]，并且由此帶來的一系列倫理規(guī)范、法律責(zé)任與監(jiān)管政策等社會問題[5]也逐漸顯現(xiàn)出來?；谌斯ぶ悄艿穆窙r識別與環(huán)境感知是無人駕駛最重要的技術(shù)之一，車輛需要自主對行人、來往車輛、交通信號燈等進行準確識別并做出相應(yīng)判斷[6]。然而近年來，Uber、谷歌、特斯拉等發(fā)生的多起自動駕駛汽車致死事故[7]對目前的路況識別技術(shù)提出了更大的質(zhì)疑與挑戰(zhàn)。圖1所示為Uber一輛自動駕駛SUV發(fā)生車禍現(xiàn)場。對于無人車輛而言，車輛與現(xiàn)代交通系統(tǒng)、車輛與車輛之間的信息交互也尤為重要。此外，OTA(Over-The-Air，空中下載)作為未來無人駕駛汽車升級車載程序的發(fā)展趨勢，網(wǎng)絡(luò)的下載速度、覆蓋范圍和信號的穩(wěn)定性等也對無人車的駕駛安全性及使用便捷性有至關(guān)重要的作用[8]。由此來看，無人駕駛車輛的發(fā)展將還有很長的一段路要走。現(xiàn)代戰(zhàn)爭中，戰(zhàn)場范圍之廣泛、環(huán)境之復(fù)雜、態(tài)勢之多變等給坦克車輛的無人化提出了更高的要求。若僅依賴現(xiàn)有的無人駕駛技術(shù)，實現(xiàn)坦克的無人駕駛非常困難。

圖1 Uber一輛自動駕駛SUV發(fā)生車禍現(xiàn)場

遠程控制技術(shù)從20世紀初第一次被提出，并隨著計算機技術(shù)、無線通信技術(shù)和傳感器技術(shù)等新興技術(shù)的出現(xiàn)，如今已廣泛的應(yīng)用于海、陸、空等各個領(lǐng)域，影響著人類生活的方方面面[9]。運用遠程控制技術(shù)，可使機器或設(shè)備到達人難以到達的艱苦環(huán)境，有效降低工作成本，避免人員傷亡[10]。可靠的導(dǎo)航、有效的運動控制以及定位傳感器數(shù)據(jù)的實時獲取是車輛遠程控制技術(shù)的關(guān)鍵[11]。

傳統(tǒng)的車輛遠程控制技術(shù)，是通過從車輛安裝的傳感器與攝像頭傳回的畫面，由操作者分析當前車輛所處的環(huán)境，做出決策對車輛進行姿態(tài)調(diào)整，實現(xiàn)車輛的控制。由于車輛安裝的傳感器和攝像頭數(shù)量有限，可能產(chǎn)生盲區(qū)。此外操作者的臨場感不強，操作精度得不到保證。通信技術(shù)也限制了數(shù)據(jù)傳輸?shù)膶崟r性，使得遠程操作者對車輛運動姿態(tài)的控制無法根據(jù)環(huán)境變化及時進行調(diào)整。由于遠程車輛只能依靠人的行為決策進行運動，但操作者無法全面獲取車輛及環(huán)境信息，當車輛面對突發(fā)狀況時，由于缺少一定的自主性，如障礙判斷、環(huán)境感知等，導(dǎo)致車輛遠程控制失敗。隨著機器學(xué)習(xí)、人工智能等新興學(xué)科的蓬勃發(fā)展，車輛的智能化、自主化程度越來越高，為車輛遠程駕駛提供了新的起點。此外，隨著5G網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，超大帶寬、超低延時和超高可靠的特性，使數(shù)據(jù)的實時傳輸?shù)玫接行ПＷC[12]，也為車輛遠程駕駛提供了可靠的通信保障。2018年6月27日，在世界移動大會(MWC)·上海期間，中國聯(lián)通攜手愛立信、馭勢科技進行了國內(nèi)首個5G超遠程駕駛實車演示并取得成功[13]，如圖2所示。

圖2 中國聯(lián)通、愛立信、馭勢科技聯(lián)合演示5G超遠程智能駕駛現(xiàn)場圖

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具有強烈的沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)，即所謂的3I特點[13]，近年來也逐漸滲透到科技的各個領(lǐng)域。

2018年GTC大會上，英偉達通過將Holodeck、包括HTC Vive，駕駛賽車座椅和方向盤在內(nèi)的VR設(shè)置，以及安裝有遠程控制器的一輛汽車相結(jié)合，展示出用戶如何一邊佩戴頭顯一邊遠程控制汽車，其展示的一大重點是自動駕駛汽車與AI自動駕駛平臺DRIVE[14]。圖3為英偉達用VR遠程駕駛真實汽車，這將給研究虛擬現(xiàn)實坦克車輛遠程駕駛技術(shù)提供更加開闊的思路和技術(shù)切入點。我國由于在虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的駕駛技術(shù)研究較晚，在新的歷史環(huán)境下,還需要進一步的發(fā)展才能逐步縮小與發(fā)展國家的差距，從而實現(xiàn)更強、更具有沉浸感的虛擬仿真技術(shù)。

圖3 英偉達用VR遠程駕駛真實汽車

2016年8月，硅谷產(chǎn)品設(shè)計公司219 Design團隊開發(fā)出了一款能利用HTC Vive 虛擬現(xiàn)實頭盔控制的機械臂，可以允許用戶精確而直觀的實時控制手臂，并且可以記錄自己手臂的運動軌跡，機器手臂在響應(yīng)命令后可以模擬用戶記錄的手臂運動軌跡，從而“教”會機械臂實現(xiàn)指定動作[15]。2017年10月，麻省理工學(xué)院計算機科學(xué)和人工智能實驗室(CSAIL)發(fā)明了一種新型虛擬現(xiàn)實頭顯設(shè)備，操作者可以使用Oculus Rift頭盔和Touch手柄來遠程控制機器人，甚至還可以使用手動控制器來直接控制機器人的機械臂[16]。另據(jù)外媒2017年12月報道，NASA和索尼正在利用PlayStation VR開發(fā)一個名為Mighty Morphenaut的演示應(yīng)用，用來練習(xí)如何控制太空中的人形機器人[17]。2018年1月，Brown University計算機科學(xué)家開發(fā)了一款軟件，可幫助用戶沉浸式觀察機器人的周圍環(huán)境，在千里之外對機器人進行操控。通過互聯(lián)網(wǎng)，這款軟件能夠?qū)C器人的力臂抓手、攝像頭、傳感器連接至VR硬件設(shè)備。操作者借助手持控制器，只需移動自己的手臂，便能控制機器人的力臂，從而完成復(fù)雜的操作任務(wù)[18]。

我國有關(guān)企業(yè)也在致力于VR遠程控制的研究。目前而言，百度公司和上汽集團對于無人車輛的虛擬駕駛研究，處于國內(nèi)較為領(lǐng)先的地位。

圖4為MIT用VR技術(shù)遠程控制機器人。

圖4 MIT用VR技術(shù)遠程控制機器人

國內(nèi)外通過對VR遠程控制機器人、機械臂的研究并取得的一系列成果，使VR遠程控制坦克車輛成為可能。將人與遠程機械的運動結(jié)合，操作者操控遠程機械的同時遠程機械又具有一定的自主性，從而實現(xiàn)對機械的訓(xùn)練及遠程控制。

因此，結(jié)合虛擬現(xiàn)實技術(shù)，綜合現(xiàn)代通訊的發(fā)展，并提高坦克車輛的一定自主程度，通過虛擬環(huán)境完成對無人車輛的全方位觀察和控制，實現(xiàn)坦克車輛虛擬遠程駕駛，不僅可以有效解決當前無人車輛面臨的環(huán)境識別不足、車輛自主控制不準確等問題，而且可以保證車輛安全，也可使操作者具有身臨其境的駕駛體驗感受。本文以近年來VR遠程控制及相關(guān)技術(shù)為基礎(chǔ)，綜合虛擬駕駛技術(shù)及遠程控制技術(shù)，介紹了實現(xiàn)坦克車輛虛擬遠程駕駛的技術(shù)框架，分析了關(guān)鍵技術(shù)，為未來我國無人坦克的應(yīng)用開發(fā)提供研究思路。

2 坦克遠程虛擬駕駛技術(shù)框架

隨著數(shù)字技術(shù)的不斷發(fā)展，基于虛擬現(xiàn)實的虛擬駕駛技術(shù)不斷進步。虛擬駕駛技術(shù)也從對汽車模擬器的研究，到如今應(yīng)用于無人車的道路測試及駕駛員的駕駛訓(xùn)練。虛擬駕駛系統(tǒng)主要由控制系統(tǒng)、視景仿真系統(tǒng)、駕駛模擬器[19]以及音響設(shè)備、顯示器等其他部件組成，其工作原理框圖如圖5所示。其中，控制系統(tǒng)為實物，包括方向盤、油門踏板、剎車踏板和換擋桿，駕駛員通過控制系統(tǒng)改變虛擬環(huán)境中車輛的運動狀態(tài)，視景仿真系統(tǒng)對車輛姿態(tài)進行解算，并將車輛信息通過顯示器傳遞給駕駛員，使駕駛員及時感知車輛運動姿態(tài)及路況環(huán)境變化；駕駛模擬器根據(jù)車輛運動姿態(tài)的變化調(diào)整方位與角度，使駕駛員姿態(tài)與車身姿態(tài)保持一致，增強體驗感與真實性。

圖5 虛擬駕駛系統(tǒng)工作原理框圖

車輛遠程控制系統(tǒng)主要包括監(jiān)控終端和車載終端兩大部分，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6。車輛的主要位置及姿態(tài)信息通過衛(wèi)星定位和傳感器進行數(shù)據(jù)采集，并以網(wǎng)絡(luò)傳輸至監(jiān)控人員的操作界面上，操作人員對信息進行分析判斷并發(fā)出相關(guān)指令，實現(xiàn)對車輛運動姿態(tài)的調(diào)整[20]。遠程控制系統(tǒng)主要通過無線網(wǎng)絡(luò)進行信息傳輸，5G網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)對通信延遲性的解決提供了很好的解決途徑。

圖6 車輛遠程控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

虛擬車是在虛擬環(huán)境下通過車輛動力學(xué)模型、道路模型、輪胎模型等實現(xiàn)車輛的行駛，而實車是在實際路面上進行行駛。由于建模精度的影響，為保證虛擬車和實車盡可能一致的位姿狀態(tài)，在分析虛擬駕駛系統(tǒng)和車輛遠程控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，建立了基于虛擬現(xiàn)實的坦克車輛遠程駕駛技術(shù)結(jié)構(gòu)框圖如圖7所示。圖7中實車和虛擬車之間的信息采用5G技術(shù)實現(xiàn)車間通信。駕駛員通過操控方向盤、油門踏板、制動踏板和換擋手柄等操控系統(tǒng)控制虛擬車輛的運動狀態(tài)，虛擬車輛通過姿態(tài)預(yù)判調(diào)整實際車輛的操縱，使實車的運動狀態(tài)發(fā)生變化。若實車狀態(tài)與虛擬車狀態(tài)不一致，則通過兩車之間的姿態(tài)修正模塊將數(shù)據(jù)傳遞至姿態(tài)預(yù)測模塊，實現(xiàn)對實車的車輛姿態(tài)調(diào)整。同時，實車傳感器采集到的周圍環(huán)境信息對虛擬車輛所處的虛擬環(huán)境進行實時生成，并傳遞至視覺仿真系統(tǒng)中，通過HTC頭盔顯示裝置將信息反饋至駕駛員，且將車輛由于運動姿態(tài)的改變而產(chǎn)生的位姿信息通過駕駛座椅進行體感反饋，保證遠程駕駛員具備實際車駕駛的感覺，進一步提升遠程車輛行駛的安全性。

坦克虛擬遠程駕駛概念如圖8所示。操作者頭戴VR頭顯，通過觀察頭顯內(nèi)虛擬環(huán)境中車輛的運動狀態(tài)與周圍環(huán)境，對車輛進行相應(yīng)的操作指令，如操縱換擋手柄進行換擋、控制方向盤使車輛轉(zhuǎn)向等，使真實環(huán)境下的車輛運動狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)改變，實現(xiàn)對實車的遠程控制。同時為了消除視野盲區(qū)，通過在實車上安裝雷達、傳感器等使車輛具有一定的自主性。與無人駕駛技術(shù)相比，坦克車輛虛擬遠程駕駛技術(shù)沒有將人真正的排除在車輛控制之外，而是通過操作者遠程發(fā)出的一系列控制動作，并通過虛擬環(huán)境對實際車輛進行監(jiān)測控制，既可實現(xiàn)車輛的“無人”駕駛，有效提高遠程車輛行駛的安全性能，使駕駛員與車輛分離，又可真正實現(xiàn)車輛的無人化。

圖7 車輛虛擬遠程駕駛技術(shù)結(jié)構(gòu)框圖

上圖：操作者佩戴頭盔遠程操控。左下圖：顯示屏顯示實車周圍畫面。右下圖：實車真實運動情況。

3 關(guān)鍵技術(shù)分析

1) 環(huán)境實時生成技術(shù)

虛擬戰(zhàn)場環(huán)境可以為計算機作戰(zhàn)推演、半實兵演習(xí)、實兵演習(xí)提供與實際演習(xí)區(qū)域的仿真環(huán)境，也可以構(gòu)造出典型而復(fù)雜的戰(zhàn)爭環(huán)境。由于其功能的特殊性，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)戰(zhàn)場環(huán)境的實時仿真，構(gòu)成多維的、可感知的、可度量的、逼真的虛擬戰(zhàn)場環(huán)境，對于坦克車輛的遠程駕駛尤為重要[21]。

在虛擬世界中，虛擬世界的物理模型側(cè)重于幾何表示，缺少逼真的物理和行為模型，從而使虛擬對象與真實對象之間存在很大的差異。而且虛擬現(xiàn)實技術(shù)目前主要研究的是視覺方面，在聽覺、觸覺、力反饋等的研究還比較落后，這有可能導(dǎo)致人機交互中存在一些局限因素，降低了真實性與實時性。戰(zhàn)場環(huán)境具有的復(fù)雜性和不確定性等特點，使得虛擬戰(zhàn)場環(huán)境的實時渲染成為一項很大的挑戰(zhàn)。

2) 基于人工智能的車輛動力學(xué)仿真技術(shù)

人工智能是計算機科學(xué)的分支之一，所包含的領(lǐng)域較多，涵蓋機器人、語言識別、圖像識別等。隨著人工智能研究的不斷深入，人工智能逐漸應(yīng)用到各個領(lǐng)域中。目前，人工智能在車輛中的應(yīng)用主要用于車輛的自動駕駛，完成對車輛的視覺、語言等信息的識別[22]。而車輛動力學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，系統(tǒng)自由度較多，各組件之間的連接也較多，這增大了在虛擬環(huán)境中準確描述車輛動力學(xué)性能的難度?；谏疃葘W(xué)習(xí)的人工智能，應(yīng)用于車輛動力學(xué)仿真模型的研究，虛擬環(huán)境下車輛動力學(xué)仿真技術(shù)的進一步發(fā)展具有重要意義。

3) 碰撞檢測技術(shù)

虛擬場景里的模型，包括天空、地面、車輛等對象都是相互獨立的，在交互控制過程中，視點(虛擬車輛)可以從各個對象中直接穿過。而在現(xiàn)實生活中，兩個不可穿透的物體是不可能擁有一個相同的空間區(qū)域，因此，利用碰撞檢測(Collision Detection)可以來判斷某個時刻虛擬場景中的不同對象之間是否發(fā)生了碰撞[23]。然而，目前的碰撞檢測技術(shù)尚不滿足任意物體間檢測的需要，仍較局限于規(guī)則的幾何凸體，因此研究滿足虛擬駕駛環(huán)境的碰撞檢測技術(shù)具有重要的意義。

4) 無線通信技術(shù)

近十年來，移動通信技術(shù)己成為當今應(yīng)用最廣泛、發(fā)展最迅速的通信技術(shù)。移動通信技術(shù)的發(fā)展迅猛，使新技術(shù)和新業(yè)務(wù)不斷涌現(xiàn)。要想實現(xiàn)在虛擬環(huán)境下對現(xiàn)實世界的車輛進行遠程遙控駕駛，就必須對虛擬世界和現(xiàn)實車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)進行實時傳輸并及時發(fā)送指令。而無線通信技術(shù)就像一座橋梁，架起了車輛遠程控制系統(tǒng)和監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)通信之路。利用無線通信網(wǎng)絡(luò)建立車輛遠程控制系統(tǒng)，具有永遠在線、網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣、通信資費低、數(shù)據(jù)傳輸快、實時性好等的特點。通信技術(shù)的實時性、快速性對于調(diào)整實際車輛的實時姿態(tài)以及應(yīng)對突發(fā)情況都具有重要意義[24]。對于遠程駕駛車輛，數(shù)據(jù)及圖畫的實時傳輸尤為重要。因此，如何解決無線通信技術(shù)的延遲性、滯后性問題是一關(guān)鍵技術(shù)。5G無線通信技術(shù)[25]的發(fā)展也為車輛遠程遙控駕駛的實現(xiàn)提供了更大的可能。

4 基于虛擬遠程駕駛的坦克未來發(fā)展

通過坦克VR遠程駕駛技術(shù)，實現(xiàn)了坦克的無人化駕駛，這將給坦克車輛及未來戰(zhàn)場帶來根本性變化。實車坦克的駕駛艙空間將大大減小，車內(nèi)各類儀表盤將以虛擬儀表代替并反映到虛擬環(huán)境中，駕駛員座椅、方向盤等也將不復(fù)存在；通過對車輛進行實時監(jiān)測，分析實車數(shù)據(jù)，可在坦克車輛發(fā)生故障時，及時發(fā)現(xiàn)問題、排除故障，并進行相應(yīng)遠程維修指導(dǎo)；基于坦克的無人化，坦克可對復(fù)雜的戰(zhàn)場環(huán)境進行實時監(jiān)測，從而達到全天侯作戰(zhàn)。這對于減少坦克車輛的重量、提高坦克作戰(zhàn)性能，并真正實現(xiàn)戰(zhàn)場無人化具有重要的變革意義。

坦克虛擬遠程駕駛技術(shù)雖然還有很長的路要走，主要有以下幾個方面。

1) 基于車聯(lián)網(wǎng)的協(xié)同作戰(zhàn)。車聯(lián)網(wǎng)可以為車輛的智能化控制提供有效的保障。車聯(lián)網(wǎng)是以車內(nèi)網(wǎng)、車際網(wǎng)和車載移動互聯(lián)網(wǎng)為基礎(chǔ)，按照約定的通信協(xié)議和數(shù)據(jù)交互標準[26]，在車-車、車輛與互聯(lián)網(wǎng)之間，進行無線通信和信息交換，以實現(xiàn)智能交通管理控制、車輛智能化控制和智能動態(tài)信息服務(wù)的一體化網(wǎng)絡(luò)[27]。車聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)的重要因素便是車輛的無人化，基于目前無人駕駛技術(shù)的限制，作為有人駕駛向無人駕駛的過渡，基于VR遠程駕駛的車聯(lián)網(wǎng)具有很大的發(fā)展前景。對于坦克車輛而言，作戰(zhàn)時坦克分隊之間便可通過車聯(lián)網(wǎng)這種形式實現(xiàn)相互之間的數(shù)據(jù)傳輸和交互，增強協(xié)同作戰(zhàn)能力。

2) 改變坦克車輛布局，有效提升戰(zhàn)斗性能。坦克的無人駕駛使坦克車輛整體結(jié)構(gòu)布局發(fā)生改變，駕駛艙空間的減少，可以實現(xiàn)戰(zhàn)斗室容量的最大化，有效延長作戰(zhàn)時間，提高在戰(zhàn)場的作戰(zhàn)能力。

3) 貼近戰(zhàn)時的訓(xùn)練，快速優(yōu)化戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)。坦克在戰(zhàn)爭中的戰(zhàn)術(shù)是贏得戰(zhàn)場主動性的關(guān)鍵，研究VR遠程控制坦克車輛實現(xiàn)更為真實的戰(zhàn)時模擬訓(xùn)練，不僅可以訓(xùn)練戰(zhàn)術(shù)隊形及作戰(zhàn)方法，更能鍛煉指揮官的臨場應(yīng)變能力，研究并實現(xiàn)對戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)的進一步調(diào)整。

5 結(jié)論

本文分析了國內(nèi)外無人駕駛、虛擬駕駛和車輛遠程控制的特點，結(jié)合戰(zhàn)場環(huán)境多變性，車輛動力學(xué)模型仿真精度以及實際駕駛中的沉浸、交互對提高車輛行駛安全性等需求，介紹了虛擬現(xiàn)實環(huán)境下坦克車輛的遠程駕駛框架，分析了相關(guān)的關(guān)鍵技術(shù)，敘述了基于坦克虛擬遠程駕駛帶來的未來發(fā)展。隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的軟硬件的不斷進步，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)遠程駕駛坦克車輛必然成為可能，最終實現(xiàn)坦克無人化，達到戰(zhàn)爭人員的零傷亡。