陆军机器人装备的发展现状及未来前景

Minor昔年2017-08-03 08:28

  目前,世界上很多发达国家都在进行机器人系统技术方案的研究。美国从上世纪90年代末就首先开始了军用机器人技术装备的研制,当时制定了“未来部队”计划。在该计划框架内,拨出了大量资金——225亿美元用于军用机器人技术装备的研制。另一个发达的强国日本,将机器人技术装备列为国家七大优先发展方向之一,目标是成为机器人技术领域的世界领导者。欧盟在数年前也加入了这一竞赛,通过了价值数十亿的军用机器人技术装备计划。

  中国官方虽然没有宣布在该领域的计划,但根据关于具体项目的个别报道可以发现,其也在研制军用机器人以及其它类型的机器人技术装备。韩国也在落实机器人技术装备发展计划,优先战略方向是为个别订货方提供专业技术装备,如为近东国家提供机器人监视系统。

  俄罗斯也正在军用机器人技术领域开展研究工作。值得关注的是,我们的个别成果完全达到了世界级的水平,但总体上,目前的研制水平还不够,尤其是在军用机器人领域,这在世界武器更新换代的背景下让人非常担忧。

  如上所述,美国近几十年,也就是2030年前最重要的武装力量发展规划是“未来作战系统”计划(FutureCombatSystem—FCS),在该计划框架内要研制数种地面机器人武器系统。其中包括“未来作战系统”计划的第四部分——“地面遥控车辆”——UGV(UnmannedGroundVehicles-地面无人车辆)。

  据军事资源(MilitariResurs)杂志(2015年第11期)报道,未来,(美国)将研制:

  武装机器人车辆(ARV-ArmedRoboticVehicle):侦察(侦察,监视和目标获取-Reconnaissance,SurveillanceandTargetAcquisition-RSTA)和突击(Assault)方向;

  多功能支援车辆(MultifunctionalUtilityLogisticsandEquipmentplatform-MULE):侦察,工兵和运输车辆;

  小口径无人车辆(SmallUnmannedGroundVehicle-SUGV)。

  近年来局部战争经验显示,该计划已经开始付诸实践。其中,从2010年开始,工兵机器人PackBot(图1)开始参与在阿富汗和伊拉克的军事行动。该机器人重20千克,履带式底盘,能够越过障碍和崎岖地形。机器人在一天之内能够实施600至700次行动,其功能包括区域扫雷,铺设线路,参与战斗行动。

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  图1.PackBot工兵机器人外形布局图

  iRobot公司与波士顿大学联合研制了一种机器人,其主要任务是寻找敌人的狙击手。设备名称为REDOWL(RoboticEnhancedDetectionOutpostWithLasers)(图2)。该机器人能够搜寻狙击手并通过内置摄像头实施快速拍摄。机器人配备了激光测距仪,热视仪,音源标定机,4个独立摄像机和1个GPS接收机。机器人可根据射击声音发现狙击手的位置,概率达0.9。REDOWL(红色猫头鹰)的软件能够过滤虚假的声音信号。

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  图2.REDOWL侦察机器人外形布局

  需要指出的是,作战行动一开始,美军就在伊拉克境内使用了战斗机器人。Talon机器人上安装了5.56毫米口径M249轻机枪或者7.62毫米口径M240机器人(图3)。引导系统包括4个摄像头和1个夜视仪。由操作员从指挥所实施控制,并定下最终决心。

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  图3.Talon战斗机器人外形布局

  Talon机器人的俄制类似产品是MRK-27-BT机器人(图4),由鲍曼莫斯科技术大学应用机器人技术设计所研制。该机器人基于机动履带式底盘,配备了系列武器,包括两部“熊蜂”火焰枪,1部7.62毫米口径“佩彻涅格人”机枪,2部火箭-突击榴弹和6部发烟榴弹。用于对预设防御的建筑工事和装甲目标实施火力毁伤。引导系统包括2部摄像机,借助于2个操纵杆可在200米范围内对其进行有线控制,或者在500米内实施无线电操纵。该机器人属于小型机器人战斗车辆。

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  图4.MRK-27-BT战斗机器人外形布局

  同时,美国计划在重量达5至6吨的6×6或者4×4轮式平台的基础上,研制重型机器人战斗车辆ARV(图5),包括两种方案:ARV-RSTA用于遂行侦察任务,ARV-ASSault用于完成火力任务并保障部队的防护。

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  图5.ARV重型机器人战斗车辆外形布局

  中型机器人战斗车辆SMSS(SquadMissionSupportSystem)是保障“班”级分队的交通工具,基于3×3轮式平台(图6)。车重1814千克,能够以40千米/小时的速度穿越起伏剧烈地形,运输物资的重量约为450千克,可克服高度达56厘米的梯形障碍,宽度达70厘米的沟壕。道路储备里程约为160公里,崎岖地形情况下则约为80公里。

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  图6.SMSS中型机器人战斗车辆外形布局

  重型机器人战斗车辆的试验型“Crusher”(图7)基于6轮的平台研制而成。重型机器人战斗车辆在崎岖地形上具有高通过能力,在战斗质量达6.5吨的情况下,可在7秒内将行驶速度提高至42公里/小时的最快速度。它可由位于数公里以外的操作员进行遥控。

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  图7.“Crusher”遥控车辆:a-全视图;b-激光测距仪和摄像机;c-可伸缩套管天线杆

  此外,利用太空无线电导航系统“navstar(导航星)”(GPS),或者根据车载计算机电子存储器中存储的预定路线,重型机器人战斗车辆能够在起伏地形上从一个地点独立转移至另外一个地点。如果途中遇到障碍,车辆自己能够选择迂回道路。车体由铝合金构成,而框架结构使用了钛。车辆前部安装了钢制保险杠,能够承受障碍物的撞击,比如像小树这样的障碍物。带独立悬挂的6轮底盘能够保证在1个或者2个轮子出现故障的情况下,实现原地360度调动和转弯。车辆离地间隙可以在0-0.56米之间调整。

  动力装置是柴电混合发动机,实际使用中可保证无噪音运行。每个车轮上都安装了车载电动机。根据不同的速度、载重和地形条件,充满电的蓄电池在不补充充电的情况下可行驶3-16公里。车辆最大载重量为3.6吨。

  研发人员认为,行动时,部队战斗队形中的重型机器人战斗车辆可用作侦察车。因此,该车辆的一种布局方案就安装了可伸缩套管天线杆,上面固定了激光测距仪传感器和摄像机(图7)。此外,该车还能配备自动炮或者大口径机枪。目前正在研发该车自主和遥控行驶的能力。

  美国现在正在研制中型机器人战斗车辆。其中美国海军研究所(OfficeofNavalResearch)和美国国防部高级研究计划局(DARPA)在完成“地面战术遥控车”(TUGV-TacticalUnmannedGroundVehicle)计划框架内,拨款研制名为“角斗士”的车辆。洛克希德·马丁公司和卡内基梅隆大学实验室在研究该车试验型方面展开竞争。

  “角斗士”中型机器人战斗车辆是一种遥控战斗支援车,能够在潜在危险区域实施搜索-侦察行动:在可能遭到射击的情况下,以及存在化学、细菌和辐射沾染威胁的情况下。与其它类似型号相比,该设备的主要优势是它的装甲防护。

  地面遥控战斗车辆的设计人员遇到了一个两难问题:是否要将其视为一种不需要任何专门防护的兵器,还是要使用装甲防护使其免受轻武器子弹,炮弹和地雷弹片的损坏。第一种情况下,车辆的成本会更低,机动性更强,但很可能会在遭受常规武器首次射击后便遭到摧毁。第二种情况下,成本提升,车辆战斗重量增加,但机动性能降低,需要更强的发动机。

  中型机器人战斗车辆的研发人员采用了第二种方案,使用了车体装甲。能够承受口径7.62毫米的轻武器的子弹射击。第一辆原型车采用履带式车体,配备了7.62毫米机枪,质量-体积指标要比之后的方案要小得多。

  第二种方案的尺寸为1.78×1.12×1.35m3。根据配备不同,车辆的战斗重量在730千克至1000千克。车上安装了SWARM(StabilisedWeaponAndReconnaissanceMount)遥控稳定系统,包括用于固定自动轻武器的装置,以及昼夜视瞄准具。此外,车上还安装了发烟榴弹发射装置、货箱、侦察及其它设备。

  该装备的其中一种方案上安装了12部采用了MetalStorm技术的多管投射装置(图8)。该装置配备的电子系统使其能够以很短的时间间隔实施发射。据研究人员称,MetalStorm发射40毫米榴弹的速度可以达到20000发/分。控制系统中配备了视频和红外摄像机,能够在夜间和烟幕干扰条件下实施监视。

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  图8.带多管榴弹装置的“角斗士”战车方案

  “角斗士”中型机器人战斗车辆配备了柴油发动机,车载电动机依靠由柴油发电机充电的蓄电池供电。为保证车辆行驶的无声性和隐蔽性,行驶过程中可关闭柴油机,仅使用蓄电池。公路最高行驶速度为26千米/小时,崎岖地形约为12千米/小时。车辆能够克服宽1米的壕沟,深70厘米的水障。设备操控由操作员借助操纵杆实施。

  目前,该遥控车辆正在进行全面野外试验。一旦试验成功结束,美国国防部计划进行采购。

  军事专家认为,研制自主遥控战斗模块(DBM)是武器系统机器人化的重要方向之一。遥控战斗模块(图9)能够使乘员在受到装甲防护的情况下实施射击。美国制定了专门的战车乘员保护计划,Kongsberg公司(挪威)生产的M151Protector战斗模块和XM101通用遥控战斗模块(CROWS)己经开始供货。

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  图9.遥控战斗模块外形布局

  其它国家对遥控战斗模块也表现出了兴趣。比如,荷兰军队为本国的巡逻车(PPV)配备了加强防护装置,在遥控战斗模块中使用了稳定器和基于光电变像管的R-400Raven夜视系统。加拿大军队一直使用Rheinmetall公司生产的,安装在中型和重型装甲车辆上的Nanuk战斗模块。

  很多订货人对遥控战斗模块的构成提出了更高的要求,尤其是要求使用热视仪和稳定系统。便于在崎岖难行的道路上行驶时毁伤目标。部分订货方还要求战斗模块配备激光测距仪或者激光目标指示器,以及目标自动跟踪设备。这使得指挥员使用液晶显示屏或者手动控制器就能让武器瞄准目标。

  出现了为遥控战斗模块配备重型武器的趋势,比如,安装在稳定平台上的12.7毫米重机枪或者自动榴弹发射器。还可能使用反坦克导弹。

  大部分遥控战斗模块都属于独立平台,既能安装在履带战斗技术装备上,也能安装在轮式战斗技术装备上(图10)。

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  图10.安装在战斗技术装备上的遥控战斗模块:a-履带式;b-4×4轮式;c-6×6轮式

  遥控战斗模块的高射击精度可保证在实战中首发命中目标,改进的图像显示系统使得指挥员能够在开火前监视目标的移动(比如,通过安装在头盔上的显示器)。这些系统还能够借助光电设备,在不瞄准的情况下,监视非危险目标。

  由于对可能出现目标地段的远距离监视和扫视平台稳定,遥控战斗模块在遂行侦察任务时非常有效。主要专家认为,遥控战斗模块改进的方向将是:研制安装在战术装甲战车、装甲运输车和卡车上的一体化系统。

  遥控战斗模块可能的改进方案包括:环视全景监视系统,指挥员稳定瞄准具,激光报知系统,符合STANAG4569标准的现代化弹道防护,配备反坦克导弹,指挥员和瞄准手摄像机,以及配备发烟榴弹发射装置(图11a)。比如,用于GeneralDynamicsLandSystems公司(加拿大)为加拿大军队生产的8×8轮式轻型装甲车(LAV)的Nanuk战斗模块。模块将装备7.62毫米机枪(图11b),发烟榴弹发射装置,弹道计算器,目标瞄准和开火控制器,用于提升首发命中目标概率的提前角校正设备。

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  图11.改进型战斗模块:a-发烟榴弹发射装置;b-带7.62毫米机枪的模块

  瞄准系统安装在遥控战斗模块的左侧,包括彩色摄像机,电视摄像机和对眼睛无害的激光测距仪。使用带两个手动控制器的显示屏用于瞄准目标。

  目前,基于人工智能技术的瞄准系统研制方案被认为是先进的。当前,人工智能技术的发展包括以下几种思路:

  1.基于与人脑运行类似原理的神经元链路,可用于识别图像。

  2.改进算法,机器人通过程序突变、融合(交换部分程序)和测试,建立完成某一目标任务的程序。

  3.计算设备能够利用现实世界的术语和客体,与之交互并能够使用“远”,“近”,“很近”三种语言变化。

  这些让军事研究人员有理由相信,到2025至2035年间,人工智能将能够与人自身的能力不相上下,之后甚至能超越人类。

  由此可见,机器人武器系统的战术使用和国内外正在进行的研究,解释了俄联邦陆军对武器和军事技术装备机器人化的要求。

  该领域正在解决的任务可能包括:

  建立军用机器人技术装备领域的科学基础,研究基本的技术和工艺方案;

  制定技术方案,改进现有武器和军事技术装备,保证其具备无人运用的能力;

  研制军用和专业战斗、保障机器人系统;

  研制专用系统以及在武器自动化和智能化方面功能完备的装备。

  需要强调的是,研制陆军军用和专业机器人技术系统不是“赶时髦”,而是时代的必然要求,完成这一任务将能够在战斗过程中保护军人的生命。(全文完)


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