下一代军用无人地面车辆发展趋势探究

下一代军用无人地面车辆发展趋势探究无人地面车辆可以用于执行多种任务，这一点已是毫无疑问。近期的几场局部战争已经通过严酷的实战证明了一系列无人地面车辆系统的实用性，并突显了军用机器人在现代战场上的优势与弱点。美军已有多种型号的无人地面车辆投入战场，被用户群体和军队指挥机关广泛接受。目前，已经部署的美军无人地面系统正在逐步从战场撤出，未来的战场需求也尚在拟制当中。因此，这些武器装备的未来走向，正处于至关重要的十字路口。迄今为止，美军装备的无人地面车辆数量和种类最多，世界上许多国家的军队和军工企业都在密切关注着美军的无人地面车辆发展计划。目前，美军在无人地面车辆发展问题上面临的主要问题包括：确认现役的系统有哪些应当继续维持，又有哪些对于需求而言已是过剩；哪些系统需要在短期乃至近期内提高作战能力；以及应当如何计划和发展下一代机器人系统，使其效能得到跨越式发展。开放互助的通用结构美军各军种必须应对的首要挑战就是目前装备的作战平台应该如何处理。这些作战平台中的绝大部分都是通过一些紧急资金采购的―例如通过发表联合紧急作战需求声明等―而不是通过测试项目。“我们这些年采购了很多机器人，买来已有好几年，但一直没有使用。”美军机器人系统联合项目办公室实用大型无人地面系统生产部经理亚伦?罗伯森中校解释道，“我们不知道该如何进行处理，我们鼓励军方自己做出决定，因为我们不准备再投入更多的资金来继续维持这些机器人。”罗伯森中校称：“对无人地面系统的作战需求，促使美军采购了各种样式的无人地面系统，并投入战场使用。这一武器采购方式在当时可能确实满足了战场需要，但它们都属于非标准装备，现已成为美军面临的严重问题。”他还指出，目前各军种不得不决定如何处理这些装备，这个决定并不容易。“要知道，如果决定舍弃这些无人地面系统，那么一旦落实，以后就永远不可能再恢复，因为我们摒弃的将不仅仅是这些无人地面系统，还包括我们在过去数年里用来维持这些系统的所有部件及其他的一切。”目前在美军中大量服役的无人地面车辆，主要包括各个代次的奎奈蒂克北美公司生产的“魔爪”机器人、美国iRobot公司生产的“派克波特”系列机器人、可抛式机器人、远程武器压制系统和M160。装备种类如此繁多的无人地面系统，暴露了美军目前面临的最令人头疼的问题之一―这些系统的控制和支援设施几乎不存在重叠，在战场上使用时无法互相帮衬。摈弃互不兼容的专用系统，引入开放互助的通用结构，这一需求已被纳入美军的许多武器研制方案，尤其是美国陆军的无人地面车辆互操作指导方针（IOP）和美国海军主导的先进爆炸物处置机器人系统（AEODRS），后者是一个受全额资助的项目。先进爆炸物处置机器人系统旨在通过1个机器人系列的3个改型提供下一代作战能力：改型1―重量不超过15.9千克，可供士兵下车作战使用的便携式系统，具备在100米范围内实施侦察和威胁评估的能力，并具备有限的查询与处置能力；改型2―主要用于战术行动，重达74.4千克，由2名人员携带，具备在1000米范围内实施侦察和威胁测控的能力；改型3―拖车运载式系统，重340千克，主要提供重型载荷运输能力。改型2和改型3旨在替换现役军用机器人系统，而改型1则设计用于填补作战能力的空白。根据美国海军水面战中心机器人分部经理、印第安海德试验场爆炸物处置技术部的迈克尔?德尔?西尼奥雷的观点，AEODRS项目是为了克服现役作战平台存在的一些弱点。“这些系统都是建立在不同的封闭式体系结构之上，从而导致其作战指挥单元彼此隔绝，后勤保障渠道各自独立，升级过程非常复杂和繁琐。”AEODRS项目还旨在解决诸如系统自主权有限、远程操控能力有限、灵巧性低和自由度受限的问题，以及态势感知能力受限、机载摄像头缺乏深层次辨识能力，还有通信范围和链接带宽之类的问题。由于通信链路的带宽有限，以至于当想要整合某些先进功能，例如提供3D数据等，按照当前的带宽水平是无法实现的。AEODRS项目正试图通过引入一种跨系统的通用结构来解决这些问题：将每一个变型分解成若干个模块，由政府掌控的通用结架构来统一规定其相互之间的接口；这一通用架构将定义并提供模块间的物理、电气和逻辑接口，模块的性能规格以及诸种辅助性执行信息。AEODRS并非在封闭环境里开发，其设计目的是为了能够与其他系统进行协同。德尔?西尼奥雷表示：“AEODRS和IOP已经开始合作。对于它们之间的合作，我认为最好的描述就是‘前者其实是后者的实例化’。据我所知，这两者之间的兼容程度已经达到95%，我们现在所做的就是要使之达到100%兼容。”AEODRS的改型1和改型2将具备更先进的性能，包括执行双重任务所需的灵活性、路径导航、自主操作、运动中生成2D和3D地图的能力、从车载盒中自动换用工具，以及将整个系统的持续运行时间延长至12小时。模块开发与系统整合目前，许多有潜力达到AEODRS项目部分要求的系统已处于研发之中，尽管这些系统本身可能并不是专门为该项目研制的。HDT机器人公司的灵巧机械臂机器人已经组装了16个自由度，其中有10个安装了动力装置，另外6个（位于末端指关节处）则是通过差速器来驱动。这种灵巧机械臂机器人自重不到9千克，能够举起22千克的重物，而且每个关节的转动速度都可以超过每秒120°。诺斯罗普?格鲁曼公司目前正在与总部位于加利福尼亚州的应用思维公司合作开发一种双臂型灵巧机械手（DADM）系统―也被称为“龙虾”机器人。DADM广泛使用商用现货部件，系统包括2个主要部分：DADM平台和操作员控制器。该系统最大的特点就是在1个平台上安装了2只非常灵巧的机械手，每只机械手都有8个自由度。该机器人构造接近人体的比例和活动方式。2只灵巧的机械手设计主要是为了让机器人能够执行较为精确的任务，例如拉开袋子的拉链、切割细线等。其控制单元也有1套类似配置的手臂，该手臂由操作员掌握，机械手不断地复制操作员的动作和指令。为了支持实现机械手高度的灵活性和精确操作，机械手操作员必须实时观看3-D反馈显示视频，该视频由1部高清晰度的立体视觉摄像机拍摄，这为机械手系统完成精密的操作任务提供了深度视觉感知。诺斯罗普?格鲁曼公司还为机器人系统生产工具盒。英国陆军的卡特拉斯系统就有1个工具盒，可为机器人的手臂提供3种不同的工作载荷。该系统还可以根据需要自动更换合适的工具，无需操作员输入任何指令，更不需要车辆返回到操作员处来置换末端执行器。iRobot公司通过与Stratom公司开展合作，也已经研制出类似的工具转换包。通过这种装置，“派克波特”机器人可以携带多种负载，并在战场上根据需要自行选择切换，无需操作人员介入。工具盒安放在车辆顶部，最多可携带5种不同的工具，标准配置为金属线切割钳、耙子、干扰器和操纵器，这些工具的连接头组装在车辆的机器臂上。同AEODRS项目一样，IOP的主要目标也是要实现无人地面车辆系统的通用性。正如联合地面机器人企业的资深专家克里斯?奥唐纳所言，展望IOP的发展道路，只能是调整自身标准，使之与北约的标准化协定、工业标准和国防部军用标准相兼容。此外，还必须发展适用小型无人系统的通信波形，并进行关于通用控制体系接口标准的研究。当然，努力引进开放式体系结构和实现标准化的，并非只有IOP和AEODRS项目。以色列无人地面系统公司已经对用于“守护者”和“先锋哨兵”无人地面车辆的技术进行了改进，并将机器人元素集成到1个装置之内，而不再使用之前安装的12个“盒子”。这一核心装置可以与任何地面车辆进行整合，在进行不同程度的机械化改造后，使有人车辆具备无人车辆的能力。无人地面系统公司已经证明，它能够将多种不同的作战平台转换成无人装置，包括BMP步兵战车、M113装甲输送车、“斯特赖克”装甲车、“悍马”高机动多用途轮式车、福特F-350卡车和四轮全地形车辆等。土耳其艾斯兰系统公司也已经开发出了1个无人地面车族，该车族的最大特征就是配备了通用基础平台。其中，“卡普兰”（“虎”）采用的就是模块化、开放式体系结构设计，能够将各种不同的有效负载整合在一起，包括情报、监视和侦察设备，以及反简易爆炸装置系统，还包括武器配置。自身需求牵引美国陆军作为无人地面车辆在美国的最大用户，在定义自身需求、指导资源投入方面可能面临着最大的挑战。目前，美陆军将自身对无人地面系统平台的需求分为4类：单兵便携式、车辆携带式、自行式以及应用项目。它还期待开发出一种通用控制器，专供营及营以下部队配属的无人装备使用，包括小型无人机。美国陆军在定义自身需求时，也考虑到了30年以后的需要。无人地面系统在战场的广泛使用将大大减轻士兵们的体力和脑力负担，催生新战术，并提高作战能力。为了实现这一目标，美国陆军将重置并维持选定的非标准装备，直到最终引入测试项目；将通过内部的共性降低成本；利用商用现货技术；逐步为各个作战单元引入自主性；将用户的反馈及时融入到技术研发之中。美国陆军将其相关研发工作分为3类：现有研制计划、新兴项目和未来规划，各个类别的成熟程度和资金保障各不相同。目前得到资金保障的研发项目包括便携式机器人系统改型1、远程武器压制系统和M160。其它一些近期（2015～2020年）和中期（2020～2030）目标包括，新的微型无人地面车辆计划、单兵携带式通用机器人系统、战术机器人控制器以及班组多用途装备运输系统。新的微型机器人系统研制工作正在美国陆军训练与条令司令部通用轻型自主机器人套件（CLARK）计划之下展开。CLARK计划是为了给美陆军的作战班组装备1套小型机器人系统，使他们能够以不同程度的自主权完成近距离侦察任务。1套完整的作战系统包将包含1个无人值守地面传感器、1台微型无人地面车和1套微型无人机系统（具有自主作战能力）。包括通用控制器在内的所有作战单元加在一起，重量在4.5千克左右。目前仍在研制的半自动超轻型侦察机器人系统也将作为微型无人地面车辆单元。单兵携带式通用机器人系统是为了向2013年4月中止的美国陆军小型无人地面车辆项目提供替换能力。该系统的重量和成本只有小型无人地面车辆的一半，目前仍在等待批复。减轻班一级士兵们的战场负载，已经成为无人系统的潜在应用领域之一。美国陆军测试与评估司令部曾在安全发布会上介绍：“美军在阿富汗战场上使用了一种士兵装备运输车系统―洛克希德?马丁公司生产的班组任务支援系统（SMSS）。这是一款半自主式无人运输车，在战场上跟随士兵左右，帮助他们运载武器装备。但我们的士兵们都不信任它，使它无法在半自主的模式下运作。我们刚把这个系统投入战场使用就接到战斗人员的投诉，有的抱怨遥控器电池没电，有的则直接埋怨它不好用。实际上士兵装备运输车系统并不是这么使用的。在该系统中，遥控器只是冗余的降级操作模式。在战场上，只有当运输车不能跟随你左右时，你才需要使用遥控器来控制它。遥控器的配发使用，完全改变了士兵们对这一新型无人车的看法和最终评价。在阿富汗战场的使用过程中，这些新型无人车辆非但没有减轻战斗人员的战场负载，反而成了他们智力和体力上的负担。士兵们不得不纷纷放下手中的武器，拿起遥控器来费力操控这些原本设计为能够自主跟随其前进作战的装备运输车。为什么会出现这种情况？这是因为测试和评估团队根本就不信任这种装备！”目前，SMSS仍在进行多种战场角色的尝试，包括结合无人机系统进行使用―实现无人地面车辆与无人机系统的协同作战，这是美国陆军的一项特定目标。美国陆军视野中的其他大型系统主要包括1型和2型路线清除与查询系统和“爱斯基摩犬”车载探测系统（HMDS）。1型和2型路线清除与查询系统均能使高机动性工程挖掘机和RG-31防地雷装甲车具备远程可操控功能。HMDS则是一个现行项目，系统可实现安全距离外半自主控制。美国陆军期待的未来作战能力，有许多其实可以通过已经取消的未来战斗系统（FCS）项目来实现。FCS项目曾构想过设计一种通用机器人平台―多功能通用/后勤与装备（MULE）无人车，该车可通过重新组装实现多种功能，包括作为作战支援平台。FCS被取消后，美国陆军在一段时间内仍然以攻击型武装机器人车辆（轻型）项目的名义，继续发展该项目内的一些战斗型装备，但后来这一项目也被束之高阁。在美国陆军仍然保持着对未来