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    國外無人排爆機器人發(fā)展現(xiàn)狀研究初探

    2021-01-28 07:39:10
    科技視界 2020年31期
    關(guān)鍵詞:爆炸物無人機器人

    張 兵

    (武警工程大學(xué)研究生大隊,陜西 西安 710000)

    0 引言

    近年來,面對各國恐怖勢力日益猖獗,恐怖活動日益頻發(fā),爆炸襲擊日益多發(fā)等嚴(yán)峻形勢,各類排爆裝備的研究也如雨后春筍般競相迸發(fā),無人排爆機器人就是其中的一顆明珠。無人排爆機器人是指代替人到不能去或不適宜去的有爆炸危險等環(huán)境中,直接在事發(fā)現(xiàn)場進行偵查、排除和處理爆炸物及其他危險品,也可對一些持槍的恐怖分子實施有效攻擊的機器人。目前為止,無人排爆機器人的移動載體主要有履帶式、輪式、輪履結(jié)合式等,其作用主要是搬運、轉(zhuǎn)移爆炸可疑物;使用銷毀器銷毀爆炸可疑物;實施現(xiàn)地勘察,實時傳輸圖像;使用探測器進行危險物探測。目前,無人排爆機器人主要分為兩種:一種是遠(yuǎn)程操控型機器人,即在人類可視條件下通過操作排爆機器人完成相關(guān)動作,進行人為排爆。人是智能主體,機器人是執(zhí)行者。另一種是自主智能型無人排爆機器人,即通過基于深度學(xué)習(xí)的人工智能技術(shù)讓機器人具有一定的分辨能力和自操作能力,進而完成排爆任務(wù)。

    1 國外無人排爆機器人發(fā)展現(xiàn)狀

    無人排爆機器人最早的研制可追溯到20世紀(jì)60年代,近年來無人排爆機器人的研究技術(shù)日益成熟,國際上的一些大公司已經(jīng)如美國的REMOTEC公司、iRobot公司,英國的 ALLEN Vanguard公司、Morfax公司、AB Precision Limited公司,德國的Telerob公司,加拿大的Med-Eng公司,西班牙的Proytecsa公司等都在對排爆機器人不斷進行研發(fā)和升級改造,部分無人排爆機器人已逐步運用于實戰(zhàn)。英、美、德、法、西班牙、加拿大等國家已在軍警部門列裝無人排爆機器人。

    1.1 英國

    ABPrecisionLimited(ABP)公司是英國國防部常用工程設(shè)備的供應(yīng)商。其生產(chǎn)的無人排爆機器人有Cyclops、BisonTM、GroundhogTM、Lynx 等 型 號 。 其 中 ,Cyclops采取車型結(jié)構(gòu),精巧靈活,可在不同環(huán)境下操作運行。通信系統(tǒng)采用無線或光纖傳輸。2m加長臂的設(shè)計令其能搜索藏于各類角落里的可疑爆炸物。它還具備一定的越障能力,可攜帶和操控多種裝備:作爆炸物解拆器、小型武器、手動工具、化學(xué)武器和爆炸品偵測器、X射線檢測儀以及熱成像系統(tǒng)等。

    1.2 美國

    美國REMOTEC公司是NorthropGrumman的子公司是一家傳統(tǒng)的警用無人排爆機器人生產(chǎn)商,開發(fā)生產(chǎn)了Andros系列無人排爆機器人,其生產(chǎn)的F6A-J采用了Andros系列機器人獨有的活節(jié)式履帶,能夠跨越各種障礙,可以在多種復(fù)雜的地形上行走,貼近現(xiàn)實使用需求。它具有獨特的前后擺設(shè)計,使得該機器人能輕松的爬樓梯,穿越復(fù)雜地形,三節(jié)機械臂,6+1自由度,即使在復(fù)雜的條件下,該機械臂同樣能出色的完成任務(wù)。美國IROBOT公司研制的帶EOD套件的iRobot PackBotR510可以快速適應(yīng)不同的簡易爆炸裝置,常規(guī)軍械和特警任務(wù),同時使EOD人員和其他作戰(zhàn)人員保持安全的隔離距離。檢查站/檢查/爆炸物檢測使用先進的視覺和監(jiān)視功能,檢查車輛,包裹和建筑物,以區(qū)分致命的爆炸裝置和無害物體。路線通關(guān)安全檢查并清除由路線清除小組發(fā)現(xiàn)的簡易爆炸裝置,以清除任路線上的威脅。

    2 無人排爆機器人的功能分析

    2.1 探測功能

    探測功能,即通過攝像頭進行實時圖像傳輸,以便后方操作人員進行判斷和排爆。當(dāng)人工智能發(fā)展到一定階段時或具備一定的智能自主探測,進行爆炸物分析等功能。

    2.2 轉(zhuǎn)移功能

    轉(zhuǎn)移功能,即通過機械手臂進行抓舉和移動。要求機器人抓得準(zhǔn)、抓得穩(wěn),不能出現(xiàn)翻倒失控等情況,即便出現(xiàn)也能自我調(diào)整。為快速接近爆炸物,要在接近階段,即在無負(fù)重情況下,能夠滿足快速行走和克服途中所遇到各種障礙物。在抓取爆炸裝置后,也應(yīng)該能夠順利行走和克服一定路障,一般條件設(shè)置在抓取重量:15~30 kg,行走距離:50~100 m,才能滿足基本排爆要求。

    2.3 銷毀功能

    銷毀功能,即對疑似爆炸裝置進行徹底銷毀?,F(xiàn)階段最常用的銷毀手段是水槍(炮)摧毀。要求機器人能夠配套攜帶各種銷毀裝置對爆炸可疑物進行銷毀。除此以外,針對不同材料外殼的爆炸裝置能夠利用刀、鋸、錘等工具等進行破拆。

    3 無人排爆機器人的技術(shù)分析

    3.1 移動技術(shù)

    無人排爆機器人的移動載體應(yīng)當(dāng)具備以下特點能夠以恒定的速度行駛消耗較低的能量,同時在行駛過程中姿態(tài)穩(wěn)定,運動精度高;自然環(huán)境適應(yīng)性強,具備一定的越障能力。通常無人排爆機器人的移動載體有履帶式、輪式、輪履結(jié)合式等,其中輪式機器人是目前最常見的移動機構(gòu),具有結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、輪式滾動摩擦阻力小、機械效率高等特點。但其越野性能不如履帶式,特別是爬樓梯、爬臺階、越壕溝的能力較差;履帶式缺點是重量大,能耗大;輪履結(jié)合式機器人融合輪式機構(gòu)的高速高效性能和履帶式機構(gòu)的地形適應(yīng)能力強的優(yōu)點,其缺點是結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜,控制較為困難,成本較高。

    3.2 基于視覺SLAM的精確定位技術(shù)

    SLAM (Simultaneous Localization and Mapping),中文稱作同時定位與地圖創(chuàng)建。其技術(shù)主要用來解決機器人在未知環(huán)境運動中如何確定自身的運動軌跡同時構(gòu)建環(huán)境地圖,主要包括特征提取、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、狀態(tài)估計、狀態(tài)更新等。無人排爆機器人要想實現(xiàn)智能化排爆,必須具備一定的導(dǎo)航、定位和路徑規(guī)劃能力,實施精確定位和有效抓取?,F(xiàn)有的無人排爆機器人大多只是一個帶有攝像機的監(jiān)控系統(tǒng),其是由操作者根據(jù)在現(xiàn)場CCD傳回的實時圖像進行人為判斷和決策進而遙控機器人完成指令,其實質(zhì)還是操作人員在排爆,機器人只是一個載體。

    3.3 基于通信系統(tǒng)的人機交互技術(shù)

    無人排爆機器人要想實現(xiàn)人機交互,必須擁有一套成熟的通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)可以實現(xiàn)排爆機器人和操作人員之間的雙向信息傳輸和互動。目前,排爆機器人的通訊方式主要是有線、無線、自適應(yīng)通訊三種方式。其中線控可靠性高,但距離有限且線纜在排爆機器人移動過程中易被現(xiàn)場障礙物纏繞甚至被損壞;無線遙控操作方便,不受有線的制約,但控制信號易受干擾或被電子屏蔽;而自適應(yīng)無人排爆機器人加入了視覺反饋、障礙物識別模塊使其具有多種感知功能,能夠在作業(yè)環(huán)境中自我學(xué)習(xí),可借助系統(tǒng)進行算法分析、路徑規(guī)劃和現(xiàn)場決策,具有很高的智能性。

    4 無人排爆機器人發(fā)展趨勢展望

    無人排爆機器人作為智能化裝備,其重要意義已經(jīng)被各國政府和公眾普遍認(rèn)同,但這種傳統(tǒng)的單一任務(wù)移動平臺已無法適應(yīng)多變的戰(zhàn)事及反恐任務(wù)需求,操作智能化、功能模塊化、任務(wù)集群化已經(jīng)成為“未來作戰(zhàn)系統(tǒng)”的發(fā)展主流方向。

    4.1 標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化

    目前,多國各種型號機器人的研制還處于各自為政狀態(tài),為了更加適應(yīng)未來戰(zhàn)場環(huán)境方便維修,要逐步采用標(biāo)準(zhǔn)化部件生產(chǎn)制造。標(biāo)準(zhǔn)化主要指的是硬件和軟件兩個方面,硬件標(biāo)準(zhǔn)化是指接口、機械部件的標(biāo)準(zhǔn)化,軟件標(biāo)準(zhǔn)化指操作系統(tǒng)、通訊協(xié)議的標(biāo)準(zhǔn)化。模塊化是指各個任務(wù)功能單元能夠成系統(tǒng)出現(xiàn),模塊化的結(jié)構(gòu)能有效提高系統(tǒng)的可靠性和增強系統(tǒng)的擴展性,促進機器人的系列化。

    4.2 智能化、協(xié)同化

    由于排爆工作一般在未知環(huán)境下進行,因此無人化排爆機器裝備需要具備局部環(huán)境自主建模、自主檢障和避障、局部自主導(dǎo)航移動等能力,同時還應(yīng)該具有夠?qū)崿F(xiàn)快裝快拆快換的智能工具,能夠在最短的部署時間內(nèi)實現(xiàn)功能切換,面對復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境,提高作戰(zhàn)使用效率。隨著人工智能技術(shù)的發(fā)展,機器人面對復(fù)雜環(huán)境能夠借助人機交互對現(xiàn)場環(huán)境進行分析,路徑進行規(guī)劃,這種人機協(xié)同模式能夠更有效的完成任務(wù)。

    4.3 網(wǎng)絡(luò)化、數(shù)據(jù)化

    目前對機器人的操控手段主要還是以短距離的有線和無線為主,國外在對移動機器人實施遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)控制方面取得了一定進展。隨著信息技術(shù)的發(fā)展,利用大數(shù)據(jù),邊緣計算和云計算等技術(shù),將互聯(lián)網(wǎng)模塊加入到無人排爆機器人中,利用新一代移動通訊來控制無人排爆機器人,建立基于互聯(lián)網(wǎng)的機器人可操控技術(shù)。通過數(shù)據(jù)中心的共享機制,搭載任務(wù)單元進行數(shù)據(jù)采集、利用和共享,幫助戰(zhàn)場人員迅速識別可疑爆炸物并將其分享給作戰(zhàn)單元,以便能夠更好地完成任務(wù)。

    5 結(jié)束語

    綜上所述,近幾十年以來,無人排爆機器人從操作到性能已大幅提高并逐步走向戰(zhàn)場,在任務(wù)中初露鋒芒。但是,人們必須清醒地看到目前的無人排爆機器人還是低水平的,不全面的,要想實現(xiàn)真正的無人智能化還有很長的路要走,這才是萬里長征的第一步。但是隨著高性能計算機技術(shù)、人工智能技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展和關(guān)鍵技術(shù)的突破,無人排爆機器人一定能夠更加適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境,更好地幫助人類完成各類使命任務(wù)。

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