美國(guó)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀及啟示

李新年，李清華，王常虹，王振桓，聞 帆，王振偉

(哈爾濱工業(yè)大學(xué)空間控制與慣性技術(shù)研究中心，哈爾濱 150001)

0 引言

地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)是指由無(wú)人車、無(wú)人機(jī)以及仿生機(jī)器人等單體構(gòu)成的群體任務(wù)執(zhí)行系統(tǒng)，在沒(méi)有外界人為干涉的情況下，能夠通過(guò)單體之間的信息共享與自組織協(xié)作，在天然洞穴網(wǎng)絡(luò)、人造隧道和城市地下環(huán)境等典型地下場(chǎng)景執(zhí)行探索、救援等任務(wù)。與傳統(tǒng)無(wú)人系統(tǒng)相比，地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)需要具備在不同地形快速行進(jìn)、惡劣場(chǎng)景群體協(xié)作、遮蔽場(chǎng)景信息交互、復(fù)雜環(huán)境態(tài)勢(shì)感知、無(wú)衛(wèi)星導(dǎo)航的自主定位等能力。

隨著社會(huì)的快速發(fā)展，人類的生活空間已經(jīng)不再局限于地面以及天空領(lǐng)域，逐步向地下和太空領(lǐng)域發(fā)展，人類對(duì)太空領(lǐng)域的探索仍處于初始階段，太空環(huán)境暫且不具備人類生存與發(fā)展的條件。與之不同的是，地下領(lǐng)域是人類現(xiàn)在主要的生存活動(dòng)空間之一，且地下建筑系統(tǒng)已經(jīng)成為現(xiàn)代化城市的標(biāo)志性元素之一。地下場(chǎng)景不僅在國(guó)民生活中充當(dāng)著不可或缺的角色，在軍事領(lǐng)域同樣具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義與應(yīng)用價(jià)值。地下場(chǎng)景具有強(qiáng)隱蔽性和強(qiáng)大的防護(hù)能力等優(yōu)點(diǎn)，使其成為美蘇冷戰(zhàn)期間各國(guó)軍用核掩體的主要選擇，如美國(guó)建設(shè)的夏延山掩體、白宮地下指揮中心、戰(zhàn)略空軍司令部，以及蘇聯(lián)的斯大林地堡、北約地下戰(zhàn)略指揮中心等，由此可見，地下領(lǐng)域是各國(guó)軍事系統(tǒng)的重要組成部分。

圖1 美國(guó)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展框架Fig.1 The development framework of American underground unmanned systems

美國(guó)比我國(guó)更早地認(rèn)識(shí)到研究地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的軍事意義，尤其是美軍在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)與阿富汗戰(zhàn)爭(zhēng)中吃盡了地穴和城市化地道作戰(zhàn)等地下戰(zhàn)爭(zhēng)的苦頭，使其意識(shí)到對(duì)地下機(jī)動(dòng)部隊(duì)的現(xiàn)實(shí)需求，依此可以推斷美國(guó)是由現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)爭(zhēng)需求牽引出對(duì)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的研發(fā)[1]。因此，美國(guó)早在2016年就開始了地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)(圖1)的研發(fā)，典型的研發(fā)項(xiàng)目包括美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃局(Defense Advanced Rese-arch Projects Agency，DARPA)提出的快速輕量自主(Fast Lightweight Autonomy，F(xiàn)LA)項(xiàng)目[2-3]、機(jī)械天線(A MEchanically Based Antenna，AMEBA)計(jì)劃[4]和地下挑戰(zhàn)賽[5](Subterranean Challenge，SubT)等，旨在突破地下領(lǐng)域一體化機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)、群體智能控制技術(shù)、長(zhǎng)時(shí)高精度導(dǎo)航與建圖技術(shù)、遠(yuǎn)距離可靠通信技術(shù)等關(guān)鍵技術(shù)，使地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)具備自主執(zhí)行任務(wù)、輔助美軍搜索、探查惡劣地下場(chǎng)景等能力，在保證美軍生命安全的同時(shí)高效快速地執(zhí)行任務(wù)。

目前，國(guó)內(nèi)逐漸加深了對(duì)發(fā)展地下無(wú)人系統(tǒng)的認(rèn)知，但由于起步較晚、軍事需求不明確等客觀原因的存在，我國(guó)與美國(guó)在該系統(tǒng)研制方面仍存在一定的差距。本文分析了美國(guó)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展現(xiàn)狀，梳理并總結(jié)了美國(guó)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展目標(biāo)、思路和模式，希望能為國(guó)內(nèi)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展需求的確立、發(fā)展模式的優(yōu)化和可持續(xù)發(fā)展道路的探索等方面提供借鑒。

1 美國(guó)地下無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 典型研發(fā)項(xiàng)目簡(jiǎn)介

美國(guó)為加速推進(jìn)地下無(wú)人系統(tǒng)的研發(fā)，提出了FLA項(xiàng)目、AMEBA計(jì)劃和SubT等典型研發(fā)項(xiàng)目。下面將通過(guò)梳理典型研發(fā)項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景與研究目標(biāo)，對(duì)美國(guó)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的研究進(jìn)展和下一步發(fā)展規(guī)劃進(jìn)行分析，梳理、總結(jié)美國(guó)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展思路和需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1)FLA項(xiàng)目

2016年,DARPA提出了FLA計(jì)劃，旨在使美陸軍在陌生、危險(xiǎn)的空間中具備探測(cè)搜索隱藏戰(zhàn)斗人員或被困人員，以及探索未知環(huán)境的能力[6]。FLA的目標(biāo)是開發(fā)一種先進(jìn)的環(huán)境感知和自主導(dǎo)航算法，使得應(yīng)用此算法的無(wú)人機(jī)或無(wú)人車能夠在無(wú)外界全球定位系統(tǒng)(Global Positioning System，GPS)輔助及其他任何數(shù)據(jù)鏈的引導(dǎo)下，以20m/s(45英里/小時(shí))的速度在不確定環(huán)境中自主運(yùn)行。FLA項(xiàng)目的應(yīng)用場(chǎng)景如圖2所示。

圖2 FLA項(xiàng)目應(yīng)用場(chǎng)景Fig.2 The application scenarios of FLA program

目前，F(xiàn)LA項(xiàng)目已完成2個(gè)階段性目標(biāo)[7]。其中第一階段主要測(cè)試在真實(shí)環(huán)境中算法的精度和魯棒性，測(cè)試環(huán)境從光照強(qiáng)烈的野外到黑暗的建筑內(nèi)部，在實(shí)現(xiàn)外部環(huán)境感知的同時(shí)完成自身位置和姿態(tài)的估計(jì)并避免碰撞各類障礙物。2017年6月，第一階段目標(biāo)達(dá)成，無(wú)人機(jī)能夠在場(chǎng)景驟變的條件下實(shí)現(xiàn)快速的姿態(tài)調(diào)整、環(huán)境感知以及避障，在特征稀缺的低紋理環(huán)境中穿越較長(zhǎng)距離，迅速完成尋找目標(biāo)的任務(wù)，測(cè)試路徑如圖3(a)所示。2018年7月，F(xiàn)LA實(shí)現(xiàn)了第二階段的測(cè)試任務(wù)，主要為將小型空中和地面系統(tǒng)轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蜃灾鲌?zhí)行對(duì)人類有危險(xiǎn)任務(wù)的編隊(duì)系統(tǒng)。為了保證順利完成任務(wù)，研究人員在佐治亞州佩里培訓(xùn)基地的模擬城鎮(zhèn)搭建了城市室內(nèi)和室外場(chǎng)景。在圖3(b)所示測(cè)試場(chǎng)景中，F(xiàn)LA無(wú)人機(jī)完成了高速飛行中穿越狹窄通道，構(gòu)建出走廊的三維環(huán)境地圖，識(shí)別出樓梯并沿出口離開大樓。

(a)第一階段測(cè)試路徑 (b)第二階段實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景 圖3 FLA項(xiàng)目野外、室內(nèi)等實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景Fig.3 The experimental scenes of FLA project, such as open country, indoor, etc.

2)AMEBA項(xiàng)目

2017年，DARPA針對(duì)傳統(tǒng)電磁波天線輻射性能受限于天線尺寸、缺乏機(jī)動(dòng)性和靈活性以及在地下領(lǐng)域作用范圍嚴(yán)重不足的問(wèn)題，提出了AMEBA計(jì)劃[8]，旨在開發(fā)一種超低頻和甚低頻范圍內(nèi)的射頻發(fā)射機(jī)，用于地下和水下遠(yuǎn)距離可靠通信的便攜式系統(tǒng)，幫助美軍在地下等高遮擋場(chǎng)景具備高穿透性、高可靠性、低功率、長(zhǎng)距離且便捷的通信能力。其潛在應(yīng)用還包括GPS拒止環(huán)境下的地面導(dǎo)航系統(tǒng)、檢測(cè)未爆炸的軍械、地下設(shè)施和隧道的探測(cè)系統(tǒng),AMEBA項(xiàng)目包含2個(gè)技術(shù)領(lǐng)域(TA1, TA2)。其中，TA1為射頻穿透領(lǐng)域(SLF/ULF, 0.1～1kHz)，期望實(shí)現(xiàn)海面下100m和地面下600m內(nèi)的報(bào)文發(fā)送能力；TA2為射頻傳播領(lǐng)域(VLF, 10～30kHz)， 期望實(shí)現(xiàn)地面150km以上的報(bào)文發(fā)送能力和100km以上的語(yǔ)音通信能力。AMEBA在地下場(chǎng)景的應(yīng)用如圖4所示。

圖4 AMEBA在地下場(chǎng)景的應(yīng)用Fig.4 The underground application scenarios of AMEBA

AMEBA項(xiàng)目研究計(jì)劃為：

2018年，設(shè)計(jì)出高性能駐極體和鐵電材料，實(shí)現(xiàn)磁體和帶電材料的大規(guī)模、高精度機(jī)械驅(qū)動(dòng)；

2019年，設(shè)計(jì)出小型低頻發(fā)射器，能夠在10m水下或30m地下發(fā)送文本消息；

2020年，計(jì)劃實(shí)現(xiàn)水下100m和地下600m文本消息的傳輸，100km地面距離的語(yǔ)音傳輸；

2021年，通過(guò)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)發(fā)射器元件的高效機(jī)械調(diào)制。

3)SubT項(xiàng)目

2018年，為增強(qiáng)美軍地下領(lǐng)域作業(yè)能力，DARPA針對(duì)人工隧道系統(tǒng)、城市地下和洞穴網(wǎng)絡(luò)等場(chǎng)景舉辦了地下挑戰(zhàn)賽，旨在使無(wú)人系統(tǒng)輔助下的美軍及其后勤保障人員具備在地形復(fù)雜、通信退化、GPS拒止、廣闊且未知的惡劣地下場(chǎng)景執(zhí)行任務(wù)所需的技術(shù)和能力，以應(yīng)對(duì)突發(fā)性人為災(zāi)害或自然災(zāi)害[9]。

SubT將為活動(dòng)受限以及特征缺失場(chǎng)景下高精度導(dǎo)航與建圖問(wèn)題提供新型集成解決方案，推進(jìn)惡劣條件下依然能進(jìn)行感知的傳感器和核心計(jì)算單元的研發(fā)，促進(jìn)高機(jī)動(dòng)性機(jī)器人技術(shù)發(fā)展，推動(dòng)地下場(chǎng)景通信、態(tài)勢(shì)感知和一體化機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，使地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)在退化環(huán)境中具備分布式信息共享和自主協(xié)作能力，達(dá)到地下環(huán)境中增強(qiáng)人類執(zhí)行搜救、探查等任務(wù)效率，以及確保人員安全的目的。SubT中的人工隧道系統(tǒng)如圖5所示。

圖5 SubT中的人工隧道系統(tǒng)Fig.5 Artificial tunnel system of SubT

SubT賽程為：

2019年8月，在匹茲堡舉辦了SubT的隧道巡回賽，舉辦競(jìng)賽的場(chǎng)所為地下煤礦；

2020年2月，SubT的地下城市巡回賽在西雅圖以南的薩索普核電站成功舉辦；

2021年10月，SubT在肯塔基州路易斯維爾的Mega Cavern舉辦最后一項(xiàng)包含隧道、城市地下和洞穴虛擬與現(xiàn)實(shí)綜合場(chǎng)景的挑戰(zhàn)。

1.2 地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

通過(guò)對(duì)美國(guó)典型研發(fā)項(xiàng)目的分析可知，F(xiàn)LA項(xiàng)目旨在實(shí)現(xiàn)對(duì)受限任務(wù)場(chǎng)景的快速穿越與探查感知；AMEBA項(xiàng)目的研究目標(biāo)是在高遮擋場(chǎng)景下實(shí)現(xiàn)一種便攜、低功耗的遠(yuǎn)距離可靠通信設(shè)備；SubT意圖開發(fā)出一套集感知、導(dǎo)航、群體協(xié)作等功能于一體的無(wú)人作戰(zhàn)系統(tǒng)[10]。可以歸納出美國(guó)發(fā)展的地下無(wú)人系統(tǒng)主要解決：一體化機(jī)器人、群體智能控制、長(zhǎng)時(shí)高精度導(dǎo)航與建圖、遠(yuǎn)距離可靠通信等關(guān)鍵技術(shù)。

1)一體化機(jī)器人技術(shù)

一體化機(jī)器人是指具有多種混合運(yùn)動(dòng)模式的機(jī)器人，采用混合運(yùn)動(dòng)模式能夠融合不同運(yùn)動(dòng)模式的優(yōu)點(diǎn)，使機(jī)器人在機(jī)動(dòng)性能上有較大的提升。美國(guó)面向地下領(lǐng)域的機(jī)器人技術(shù)可以分為基于生物仿生學(xué)的一體化機(jī)器人技術(shù)[11]和基于多模態(tài)運(yùn)動(dòng)的一體化機(jī)器人技術(shù)兩種[12]?；诜律鷮W(xué)的一體化機(jī)器人(圖6)技術(shù)是指針對(duì)特定場(chǎng)景任務(wù)需求，模仿在該場(chǎng)景具有生存優(yōu)勢(shì)的生物，從而研制出適用此場(chǎng)景的機(jī)器人技術(shù)。美國(guó)針對(duì)該技術(shù)的代表性研究成果包括ROMAN仿人機(jī)器人、NEBULA-SPOT大狗機(jī)器人、LEMUR狐猴機(jī)器人和DUAXEL仿蜘蛛機(jī)器人?；诙嗄＿\(yùn)動(dòng)的一體化機(jī)器人(圖7)技術(shù)是指能夠依據(jù)場(chǎng)景自主調(diào)整運(yùn)動(dòng)模式適應(yīng)地形的機(jī)器人技術(shù)，該控制技術(shù)能夠大幅度提升機(jī)器人通過(guò)復(fù)雜空地場(chǎng)景的能力，降低機(jī)器人功耗，并提升其續(xù)航能力。代表性研究成果包括ROLLOCOPTER機(jī)器人[12]、Hopping Rotochute飛行器[13]、HyTAQ飛行機(jī)器人[14]以及組合式一體機(jī)器人。

圖6 基于生物仿生學(xué)的一體化機(jī)器人Fig.6 Integrated robot based on biomimicry

圖7 基于多模運(yùn)動(dòng)的一體化機(jī)器人Fig.7 Integrated robot with multi-modality

2)群體智能控制技術(shù)

群體智能控制技術(shù)是指采用合理的多機(jī)器人協(xié)調(diào)和規(guī)劃組成的最優(yōu)機(jī)器人系統(tǒng)來(lái)執(zhí)行任務(wù)，多機(jī)智能控制包括：智能協(xié)同編隊(duì)控制技術(shù)、地下空間自主探索技術(shù)和地下無(wú)人系統(tǒng)協(xié)調(diào)技術(shù)[15]。美國(guó)在群體智能控制技術(shù)方面做了大量的理論研究，并將部分研究成果成功應(yīng)用于群體智能系統(tǒng)，在機(jī)器人技術(shù)、導(dǎo)航及通信技術(shù)的協(xié)助下實(shí)現(xiàn)了地下等惡劣場(chǎng)景的搜索探查[16]。

美國(guó)在群體智能控制技術(shù)方面處于領(lǐng)先地位，賓夕法尼亞大學(xué)的Vijay Kumar提出了編隊(duì)控制概念，并將設(shè)計(jì)的編隊(duì)控制算法應(yīng)用于機(jī)器人編隊(duì)，引入到美國(guó)DARPA的諸多項(xiàng)目中，包括OFFSET和SubT等。編隊(duì)控制方法主要包括：領(lǐng)航-跟隨者法、基于行為法、人工勢(shì)場(chǎng)法、虛擬結(jié)構(gòu)法和圖論法等[17-18]。地下空間自主探索技術(shù)方面，科羅拉多大學(xué)博爾德分校的Michael T. Ohradzansky等基于生物啟發(fā)式反應(yīng)控制和度量拓?fù)湟?guī)劃，提出了一種簡(jiǎn)單而可靠的自主探索未知環(huán)境的方法，能夠?qū)崿F(xiàn)群體在未知環(huán)境下的協(xié)同探索。SubT是地下無(wú)人系統(tǒng)多機(jī)器協(xié)調(diào)問(wèn)題中最具有代表性的，各參賽隊(duì)伍需要協(xié)調(diào)由無(wú)人機(jī)、無(wú)人車以及機(jī)器人等構(gòu)建的群體對(duì)地下空間進(jìn)行探測(cè)、搜救等任務(wù)。佐治亞理工學(xué)院的CSIRO團(tuán)隊(duì)提出了一種基于在線3D邊界的無(wú)人車和無(wú)人機(jī)地下環(huán)境協(xié)調(diào)技術(shù)，并成功應(yīng)用于多個(gè)機(jī)器人探索大型環(huán)境的任務(wù)[19]。俄勒岡州立大學(xué)的Explorer團(tuán)隊(duì)基于風(fēng)險(xiǎn)感知圖，設(shè)計(jì)了多機(jī)器人協(xié)調(diào)規(guī)劃方法，通過(guò)定期彼此共享子地圖的列表完成信息共享，提高了群體協(xié)作執(zhí)行任務(wù)的效率。

3)長(zhǎng)時(shí)高精度導(dǎo)航與建圖技術(shù)

地下領(lǐng)域長(zhǎng)時(shí)高精度導(dǎo)航是指地下無(wú)人系統(tǒng)能夠根據(jù)載體自身的運(yùn)動(dòng)、外部環(huán)境信息和輔助性電磁信號(hào)，在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)動(dòng)過(guò)程中準(zhǔn)確獲取自身無(wú)積累誤差的位置信息[19-20]。長(zhǎng)時(shí)高精度導(dǎo)航技術(shù)是實(shí)現(xiàn)地下機(jī)動(dòng)部隊(duì)群體智能控制的基礎(chǔ)，也是獲取在地下領(lǐng)域執(zhí)行任務(wù)單元狀態(tài)信息的主要方式之一。地下領(lǐng)域長(zhǎng)時(shí)高精度導(dǎo)航可以通過(guò)低頻磁學(xué)導(dǎo)航系統(tǒng)和多源傳感器融合的自主導(dǎo)航系統(tǒng)[21-22]等方式實(shí)現(xiàn)。建圖技術(shù)是依靠視覺(jué)傳感器、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)等傳感器對(duì)未知環(huán)境進(jìn)行感知與重構(gòu)的過(guò)程，地下建圖技術(shù)可以根據(jù)參與建圖機(jī)器的數(shù)量分為單機(jī)建圖與多機(jī)建圖。

長(zhǎng)時(shí)高精度導(dǎo)航技術(shù)在探查感知地下環(huán)境和群體智能協(xié)作方面具有不可或缺的作用。導(dǎo)航定位方面，美國(guó)早在1979年就開始探索通過(guò)低頻磁場(chǎng)進(jìn)行導(dǎo)航的可能性，并于2010年研制出一套類GPS的多磁信標(biāo)地下導(dǎo)航系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了在地下環(huán)境的導(dǎo)航[23]；2018年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)與S&T合作開發(fā)了一套磁信標(biāo)導(dǎo)航系統(tǒng)POINTER，該系統(tǒng)具備應(yīng)用于地下高精度導(dǎo)航的潛質(zhì)；2019年，由NASA主導(dǎo)的COSTAR參賽團(tuán)隊(duì)指出，將集成一種準(zhǔn)靜態(tài)磁場(chǎng)單元到參與SubT挑戰(zhàn)賽的無(wú)人系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)無(wú)人系統(tǒng)之間的長(zhǎng)時(shí)高精度導(dǎo)航。美國(guó)在地下單機(jī)和多機(jī)聯(lián)合建圖技術(shù)中均取得了一定的研究成果，在單機(jī)建圖方面，內(nèi)華達(dá)大學(xué)提出了一種多相機(jī)聯(lián)合感知的建圖方案，實(shí)現(xiàn)了黑暗環(huán)境下的環(huán)境感知；在多機(jī)建圖方面，NASA的COSTAR團(tuán)隊(duì)采用了空中和地面混合平臺(tái)聯(lián)合建圖的方案，該平臺(tái)包含多個(gè)輪式機(jī)器人和一架無(wú)人機(jī)，能夠在極端環(huán)境中實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確建圖。

4)遠(yuǎn)距離可靠通信技術(shù)

美國(guó)在突破地下環(huán)境通信技術(shù)上做了很多工作，特別是DARPA提出的AMEBA計(jì)劃，通過(guò)借鑒并改進(jìn)20世紀(jì)50年代對(duì)潛低頻磁場(chǎng)通信信號(hào)實(shí)現(xiàn)地下遠(yuǎn)距離信息傳輸。遠(yuǎn)距離可靠通信技術(shù)是指在隧道系統(tǒng)、城市地下和洞穴網(wǎng)絡(luò)等通信能力退化的地下場(chǎng)景中，常規(guī)無(wú)線電通信信號(hào)由于穿透能力不足，無(wú)法在高遮擋地下場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離信息傳輸，需要利用高穿透能力的低頻磁場(chǎng)和自組織多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)[24]等方式實(shí)現(xiàn)可靠的信息交互。

目前，自組織多節(jié)點(diǎn)通信網(wǎng)絡(luò)是解決地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)間通信問(wèn)題的主要方式之一。但地下自組織通信網(wǎng)絡(luò)存在依賴節(jié)點(diǎn)數(shù)、無(wú)法將信息遠(yuǎn)距離傳輸至外界等缺點(diǎn)，導(dǎo)致通信網(wǎng)絡(luò)適用范圍受限，無(wú)法從根本上解決地下領(lǐng)域遠(yuǎn)距離通信問(wèn)題。

低頻磁場(chǎng)通信技術(shù)是解決地下通信問(wèn)題的潛在方案之一，該技術(shù)領(lǐng)域需要解決的問(wèn)題包括降低天線尺寸、質(zhì)量與功耗，提升網(wǎng)絡(luò)帶寬與信息傳輸準(zhǔn)確率等。美國(guó)在該方向的研究?jī)?nèi)容呈現(xiàn)多層次、多元化特征，包括天線的實(shí)現(xiàn)形式、陣列結(jié)構(gòu)、構(gòu)建天線的材料、低頻磁場(chǎng)信號(hào)的傳播機(jī)理、通信信號(hào)的調(diào)制方案和通信網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建等方面。美國(guó)在該方面也取得了比較顯著的階段性研究成果。伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校的機(jī)械天線工程師團(tuán)隊(duì)圍繞動(dòng)力學(xué)與微制造、精加工、電磁學(xué)和信號(hào)調(diào)制等方面開展了超高效的機(jī)械低頻磁場(chǎng)發(fā)射系統(tǒng)的研制，研究人員表示，該實(shí)現(xiàn)形式的天線低頻磁場(chǎng)輻射能力可能是電子天線的數(shù)千到數(shù)百萬(wàn)倍；美國(guó)國(guó)家加速器實(shí)驗(yàn)室(Stanford Linear Accelerator Center， SLAC)利用鈮酸鋰晶體設(shè)計(jì)了一種新型機(jī)械天線[25](圖8)，通過(guò)在棒狀晶體桿上施加振蕩電壓，促使晶體振動(dòng)、交替收縮和膨脹產(chǎn)生振蕩電流，輻射出超低頻磁場(chǎng)，僅依靠4英寸高的天線便能實(shí)現(xiàn)30m的信息傳輸，輻射效率比傳統(tǒng)的緊湊型天線高300倍，并設(shè)計(jì)了一種調(diào)整發(fā)射輻射波長(zhǎng)的方法，通過(guò)反復(fù)切換磁場(chǎng)頻率使傳輸數(shù)據(jù)的帶寬擴(kuò)大近100倍，實(shí)現(xiàn)了每秒超過(guò)100位的信息傳輸速率；加利福尼亞大學(xué)設(shè)計(jì)了一種磁擺陣列便攜式機(jī)電通信裝置，可以實(shí)現(xiàn)比傳統(tǒng)線圈更高的品質(zhì)因數(shù)，顯著提升磁場(chǎng)信號(hào)的傳輸效率，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該磁擺陣列以諧振頻率工作時(shí)，磁場(chǎng)信號(hào)能夠提升6.55dB[26]；密歇根大學(xué)研究了機(jī)械天線輻射功率與旋轉(zhuǎn)頻率、偶極矩、所需機(jī)械力和旋轉(zhuǎn)半徑之間的關(guān)系，在理論上分析了磁介質(zhì)共振能夠提升機(jī)械天線磁場(chǎng)約100dB[27]。

圖8 LiNbO3機(jī)械天線發(fā)射器Fig.8 Lithium niobate mechanical antenna transmitter

2 美國(guó)地下無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展趨勢(shì)

美國(guó)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)初始階段的探索研究已經(jīng)接近尾聲，目前已初具規(guī)模，而地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)實(shí)際面向的應(yīng)用場(chǎng)景復(fù)雜多變，自然和人為影響因素將使其更加多樣化。因此，美國(guó)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)將進(jìn)一步深化發(fā)展，成為能夠應(yīng)用于強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境下的技術(shù)儲(chǔ)備。

結(jié)合對(duì)美國(guó)地下無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀的研究分析，可以歸納出美國(guó)主要從突破關(guān)鍵技術(shù)瓶頸、整合系統(tǒng)有效資源、實(shí)現(xiàn)基本功能等方面開展無(wú)人系統(tǒng)探索研究。美國(guó)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)仍處于特定場(chǎng)景的實(shí)驗(yàn)室研究階段，為滿足真實(shí)任務(wù)場(chǎng)景的需求，美國(guó)將從增強(qiáng)單體性能、提升群體協(xié)作能力等方面優(yōu)化地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)，滿足強(qiáng)對(duì)抗場(chǎng)景下無(wú)人系統(tǒng)的應(yīng)用，進(jìn)一步加強(qiáng)系統(tǒng)自適應(yīng)進(jìn)化能力，推動(dòng)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)在實(shí)際任務(wù)場(chǎng)景中的應(yīng)用。

2.1 增強(qiáng)無(wú)人系統(tǒng)單體性能

地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景與需要面向的突發(fā)情況會(huì)比測(cè)試階段搭建的場(chǎng)景更加惡劣，時(shí)空受限更加嚴(yán)重，無(wú)法發(fā)揮無(wú)人系統(tǒng)整體的群體協(xié)作能力。因此，美國(guó)將從增強(qiáng)單體性能方面提升無(wú)人系統(tǒng)的任務(wù)執(zhí)行能力，同時(shí)單體性能的增強(qiáng)也會(huì)使無(wú)人系統(tǒng)整體的性能得到提升。

目前，美國(guó)地下無(wú)人系統(tǒng)單體仍存在對(duì)特殊情況的適應(yīng)性不好、自主能力不強(qiáng)、對(duì)任務(wù)目標(biāo)的識(shí)別依賴特殊標(biāo)識(shí)、載體功耗大續(xù)航能力不強(qiáng)、抗干擾能力不佳、導(dǎo)航精度不夠、通信距離不足等多種缺陷，需要針對(duì)性地通過(guò)精加工、芯片技術(shù)、人工智能、信息物理系統(tǒng)等技術(shù)，改進(jìn)單體機(jī)械結(jié)構(gòu)、提高控制與傳感器系統(tǒng)的集成度、提高傳感器感知能力、加深傳感器之間的融合程度、優(yōu)化電源管理系統(tǒng)、加強(qiáng)無(wú)人系統(tǒng)對(duì)任務(wù)目標(biāo)的辨識(shí)能力，從而實(shí)現(xiàn)無(wú)人系統(tǒng)單體性能的增強(qiáng)。

2.2 提升無(wú)人系統(tǒng)群體協(xié)作性能

地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)主要解決的是群體協(xié)作問(wèn)題，將無(wú)人機(jī)和無(wú)人車等組成的異構(gòu)群體聯(lián)合起來(lái)執(zhí)行感知、探索搜救等任務(wù)。目前，美國(guó)已經(jīng)在人工隧道系統(tǒng)、城市地下和洞穴網(wǎng)絡(luò)等特定場(chǎng)景實(shí)現(xiàn)了基礎(chǔ)功能，而面向?qū)嶋H應(yīng)用的地下無(wú)人系統(tǒng)還需要具備自主解決任何突發(fā)性狀況的能力。

提升群體協(xié)作性能是增強(qiáng)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)整體任務(wù)執(zhí)行能力的必要手段，使整體無(wú)人系統(tǒng)能夠適應(yīng)不同任務(wù)場(chǎng)景的需求。提升無(wú)人系統(tǒng)群體性能需要優(yōu)化群體智能控制策略、信息共享機(jī)制及任務(wù)執(zhí)行單元布局；增強(qiáng)整體系統(tǒng)的魯棒性，即在部分單體失聯(lián)或失效的情況下，系統(tǒng)具備自適應(yīng)規(guī)劃完成整體任務(wù)的能力；建立代價(jià)準(zhǔn)則，使無(wú)人系統(tǒng)整體在信息共享機(jī)制下，基于信息判斷具有主動(dòng)舍棄一些功能來(lái)謀求整體更大性能的能力，達(dá)到以最小的代價(jià)獲取最優(yōu)任務(wù)執(zhí)行度的效果，從而提升地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的整體性能。

3 對(duì)我國(guó)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展啟示

針對(duì)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)的研究，美國(guó)處于領(lǐng)先地位，其在理論架構(gòu)以及工程樣機(jī)研制方面均取得了階段性成果?；诖丝梢苑治龀?，美國(guó)在地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)方面已經(jīng)完成技術(shù)儲(chǔ)備與布局，并逐步將無(wú)人系統(tǒng)向軍事應(yīng)用方面推進(jìn)。通過(guò)分析其研究現(xiàn)狀、發(fā)展路線及研究目標(biāo)過(guò)程可以得到如下三方面啟示與建議。

3.1 明確地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展需求

結(jié)合美國(guó)軍事情況可以看出，美國(guó)是由現(xiàn)實(shí)戰(zhàn)爭(zhēng)需求牽引地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)研制，符合現(xiàn)實(shí)軍事需求推動(dòng)科學(xué)技術(shù)進(jìn)步的發(fā)展模式，具有明確的軍事需求；而我國(guó)在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)處于和平時(shí)期，難以從實(shí)戰(zhàn)中提煉出明確的軍事需求，因此需要借鑒美國(guó)地下無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展目標(biāo)，分析其地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的潛在應(yīng)用場(chǎng)景，明確國(guó)內(nèi)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)需要具備的功能及其性能指標(biāo)。

梳理國(guó)內(nèi)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展需求，需要結(jié)合我國(guó)國(guó)情、地理?xiàng)l件、科技發(fā)展現(xiàn)狀等多方面現(xiàn)實(shí)情況和因素進(jìn)行綜合考慮。目前，國(guó)內(nèi)正處于經(jīng)濟(jì)高速發(fā)展的和平時(shí)期，地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展需求主要體現(xiàn)在民用領(lǐng)域，井下作業(yè)和煤礦采集等地下資源獲取以及突發(fā)情況的搶險(xiǎn)救援方面，應(yīng)用需求明顯。例如，低頻磁場(chǎng)通信技術(shù)不僅在軍事領(lǐng)域具有重要的研究?jī)r(jià)值，其研究成果對(duì)解決突發(fā)性災(zāi)害的救援問(wèn)題同樣具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。2021年1月，山東棲霞五彩龍金礦爆燃事故中，搶險(xiǎn)救援的一個(gè)難點(diǎn)就是與地下被困人員的信息交互，只能依靠有線通信手段與被困人員進(jìn)行溝通并開展救援。高穿透性的低頻磁場(chǎng)通信技術(shù)能夠快速有效解決地面救援人員與深埋礦井或洞穴中作業(yè)人員的無(wú)線通信問(wèn)題，使救援人員能夠快速開展救援任務(wù)，提高救援效率，保證被困人員的生命安全；在樓宇火災(zāi)救援方面，長(zhǎng)時(shí)高精度導(dǎo)航與建圖技術(shù)能夠協(xié)助消防員在充滿濃煙的狹窄惡劣場(chǎng)景中進(jìn)行路徑規(guī)劃，使消防員在完成救援任務(wù)后，能夠以最快的速度從安全通道撤離，有力地保證了消防員執(zhí)行救援任務(wù)的成功率與安全性。

因此，建議優(yōu)先圍繞搜索、救援等方面開展地下無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)的研究，取得階段性研究成果后再逐步深化發(fā)展，提升系統(tǒng)性能指標(biāo)。立足國(guó)內(nèi)軍事與民用兩方面發(fā)展需求，從技術(shù)理論和系統(tǒng)開發(fā)等多個(gè)角度，層次分明地確立國(guó)內(nèi)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展的階段性目標(biāo)和終極目標(biāo)。

3.2 優(yōu)化地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展模式

在推動(dòng)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的研究方面，美國(guó)采用軍民融合和舉辦國(guó)際競(jìng)賽兩種形式，充分利用了國(guó)內(nèi)外研發(fā)力量，達(dá)到低成本、多技術(shù)路線成果儲(chǔ)備的目的，并逐步將技術(shù)儲(chǔ)備向軍事裝備轉(zhuǎn)化。

地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展是一種融合材料、控制、機(jī)器人、微電子、仿生學(xué)、計(jì)算機(jī)、機(jī)械加工、導(dǎo)航、通信以及人工智能等多學(xué)科交叉融合的一項(xiàng)工程問(wèn)題，迫切需要多學(xué)科專業(yè)人員齊心協(xié)力完成地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的技術(shù)攻關(guān)。

國(guó)內(nèi)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)的研究尚處于探索階段，為促進(jìn)國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的發(fā)展，建議結(jié)合國(guó)內(nèi)科技發(fā)展情況，整合國(guó)內(nèi)外優(yōu)良資源，以科研院所為主導(dǎo)聯(lián)合高校、民企等多元科研力量，形成具有我國(guó)國(guó)防工業(yè)發(fā)展特色的地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展模式，準(zhǔn)確對(duì)接軍事需求，補(bǔ)齊國(guó)內(nèi)在該領(lǐng)域的技術(shù)儲(chǔ)備短板。

3.3 提高地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)發(fā)展可持續(xù)性

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展與人類對(duì)高質(zhì)量生活的追求，地下空間很可能發(fā)展成為人類生存活動(dòng)的另一主要空間，并衍生出多類無(wú)規(guī)律地下活動(dòng)場(chǎng)景，因此國(guó)內(nèi)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)應(yīng)符合可持續(xù)發(fā)展原則。地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的研究需要在兼容現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，為下一代地下無(wú)人系統(tǒng)留出發(fā)展空間。在地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)設(shè)計(jì)過(guò)程中，應(yīng)考慮各類傳感器接口的規(guī)范一致、機(jī)械結(jié)構(gòu)的可替代性，以及對(duì)不同場(chǎng)景的適用性，從而提高地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)在不同條件下執(zhí)行任務(wù)的能力。

4 總結(jié)

由無(wú)人車、無(wú)人機(jī)以及仿生機(jī)器人等構(gòu)建的地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)，具備快速行進(jìn)、群體協(xié)作、信息交互、態(tài)勢(shì)感知與自主導(dǎo)航等能力，能夠在天然洞穴網(wǎng)絡(luò)、人造隧道和城市地下環(huán)境等惡劣場(chǎng)景執(zhí)行探索、搜救等任務(wù)。美國(guó)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)初始階段的探索研究成果表明，該技術(shù)能夠顯著增強(qiáng)人類在地下場(chǎng)景執(zhí)行任務(wù)的能力，將引發(fā)新一代地下戰(zhàn)爭(zhēng)模式的顛覆性變革。為此，本文梳理了DARPA典型研發(fā)項(xiàng)目，提煉出地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)需要突破的關(guān)鍵技術(shù)，歸納總結(jié)了該領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)，并結(jié)合國(guó)內(nèi)發(fā)展情況提出了地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)的發(fā)展啟示與建議，以加快國(guó)內(nèi)地下領(lǐng)域無(wú)人系統(tǒng)技術(shù)的研究。