Bojni večnamenski robotski kompleks "Uran-9"
Pogled na tehnologijo, razvoj, trenutno stanje in možnosti kopenskih mobilnih robotskih sistemov (SMRK)
Razvoj novih operativnih doktrin, zlasti za vojno v mestih in asimetrične spore, bo zahteval nove sisteme in tehnologijo za zmanjšanje žrtev med vojsko in civilisti. To je mogoče uresničiti z razvojem na področju SMRK, uporabo naprednih tehnologij za opazovanje in zbiranje informacij ter izvidništvom in odkrivanjem ciljev, zaščito in visoko natančnim udarcem. SMRK, tako kot njihovi leteči kolegi, zaradi široke uporabe ultramodernih robotskih tehnologij na krovu nimajo človeškega operaterja.
Ti sistemi so nepogrešljivi tudi za delovanje v onesnaženem okolju ali za opravljanje drugih "neumnih, umazanih in nevarnih" nalog. Potreba po razvoju naprednega SMRK je povezana s potrebo po uporabi brezpilotnih sistemov za neposredno podporo na bojišču. Po mnenju nekaterih vojaških strokovnjakov bodo nenaseljena vozila, katerih stopnja avtonomije se bo postopoma povečevala, postala eden najpomembnejših taktičnih elementov v strukturi sodobnih kopenskih sil.
Robotski kompleks, ki temelji na oklepnem vozilu TERRAMAX M-ATV, vodi kolono brezpilotnih vozil
Operativne potrebe in razvoj SMRK
Konec leta 2003 je ameriško centralno poveljstvo izdalo nujne, nujne zahteve po sistemih za boj proti grožnji improviziranih eksplozivnih naprav (IED). Skupno podjetje za zemeljsko robotiko (JGRE) je pripravilo načrt, ki bi lahko z uporabo majhnih robotskih strojev hitro zagotovil znatno povečanje zmogljivosti. Sčasoma so se te tehnologije razvile, uvedlo se je več sistemov in uporabniki so prejeli napredne prototipe za oceno. Posledično se je povečalo število vojaškega osebja in enot, vključenih na področju notranje varnosti, ki so se naučile upravljati napredne robotske sisteme.
Agencija za napredne obrambne raziskovalne projekte (DARPA) trenutno raziskuje robotsko tehnologijo v strojnem učenju in temelji na svojem razvoju na področju umetne inteligence in prepoznavanja slik. Vse te tehnologije, razvite v okviru programa UPI (Unmanned Perception Integration), lahko zagotovijo boljše razumevanje okolja / terena za vozilo z dobro mobilnostjo. Rezultat te raziskave je bil stroj z imenom CRUSHER, ki se je začel operativno vrednotenje že leta 2009; od takrat je bilo narejenih še nekaj prototipov.
Program MPRS (Man-Portable Robotic System) se trenutno osredotoča na razvoj avtonomne navigacije in sistemov za preprečevanje trkov za majhne robote. Prav tako opredeljuje, preučuje in optimizira tehnologije, razvite za povečanje stopnje avtonomije in funkcionalnosti robotskih sistemov. Program RACS (Robotic for Agile Combat Support) razvija različne robotske tehnologije za izpolnjevanje trenutnih groženj in operativnih zahtev ter prihodnjih potreb in zmogljivosti. Program RACS razvija in integrira tudi avtomatizacijske tehnologije za različne bojne naloge in različne platforme, ki temeljijo na konceptu skupne arhitekture in temeljnih značilnostih, kot so mobilnost, hitrost, nadzor in interakcija več strojev.
Sodelovanje robotov v sodobnih bojnih operacijah omogoča oboroženim silam pridobivanje neprecenljivih izkušenj pri njihovem delovanju. V zvezi z uporabo brezpilotnih letal (UAV) in SMRK v enem operacijskem prostoru se je pojavilo več zanimivih področij, vojaški načrtovalci pa jih nameravajo natančno preučiti, vključno s splošnim upravljanjem več platform, razvojem zamenljivih sistemov na krovu, ki jih je mogoče namestiti tako na brezpilotnih letalih in na SMRK z namenom širitve svetovnih zmogljivosti ter novih tehnologij za obetavne bojne nenaseljene sisteme.
Po eksperimentalnem programu ARCD (Active Range Clearance Developments) se bo razvil tako imenovani scenarij "zagotavljanja varnosti območja z avtomatskimi sredstvi", v katerem bo več SMRK delovalo skupaj z več brezpilotnimi letali. Poleg tega bo izvedena ocena tehnoloških rešitev glede uporabe radarskih postaj na platformah brez posadke, ocena integracije sistemov za nadzor in spremljanje ter splošna učinkovitost sistemov. V okviru programa ARCD ameriške letalske sile načrtujejo razvoj tehnologij, potrebnih za povečanje učinkovitosti skupnih ukrepov SMRK in UAV (tako letalskih kot helikopterskih shem), kot tudi algoritme za "brezhibno" delovanje senzorjev vseh vpletenih platforme, izmenjavo navigacijskih podatkov in podatkov o določenih ovirah.
Notranja postavitev mehanskih, električnih in elektronskih komponent SMRK SPINNER
Ameriški vojaški raziskovalni laboratorij ARL (Army Research Laboratory) izvaja poskuse v okviru svojih raziskovalnih programov za oceno zrelosti tehnologije. ARL na primer izvaja poskuse, ki ocenjujejo sposobnost popolnoma avtonomnega SMRK, da zazna in se izogne premikajočim se avtomobilom in ljudem v gibanju. Poleg tega Center za vesoljsko in morsko orožje ameriške mornarice izvaja raziskave novih robotskih tehnologij in s tem povezanih ključnih tehničnih rešitev, vključno z avtonomnim kartiranjem, izogibanjem oviram, naprednimi komunikacijskimi sistemi ter skupnimi misijami SMRK in UAV.
Vsi ti poskusi s hkratnim sodelovanjem več kopenskih in zračnih platform se izvajajo v realnih zunanjih razmerah, za katere je značilen zapleten teren in niz realnih nalog, med katerimi se ocenijo zmogljivosti vseh komponent in sistemov. V okviru teh pilotnih programov (in s tem povezane tehnološke strategije) za razvoj naprednih SMRC so bile opredeljene naslednje smeri za čim večji donos prihodnjih naložb:
- razvoj tehnologije bo zagotovil tehnološko osnovo za podsisteme in komponente ter ustrezno integracijo v prototipe SMRK za preskušanje zmogljivosti;
- vodilna podjetja na tem področju bodo razvila napredne tehnologije, potrebne za razširitev obsega robotizacije, na primer s povečanjem dosega SMRK in povečanjem obsega komunikacijskih kanalov; in
- program za zmanjšanje tveganja bo zagotovil razvoj naprednih tehnologij za določen sistem in bo omogočil premagovanje nekaterih tehnoloških težav.
Zahvaljujoč razvoju teh tehnologij so SMRK potencialno sposobne zagotoviti revolucionaren preskok na vojaškem področju, njihova uporaba bo zmanjšala človeške izgube in povečala bojno učinkovitost. Da pa to dosežejo, morajo biti sposobni samostojnega dela, vključno z opravljanjem kompleksnih nalog.
Primer oborožene SMRK. AVANTGUARD izraelskega podjetja G-NIUS Unmanned Ground Systems
Napredni modularni robotski sistem MAARS (Modular Advanced Armed Robotic System), oborožen z mitraljezom in izstreljevalci granat
Razvila ga je NASA SMRK GROVER na zasneženem terenu
Tehnične zahteve za napredni SMRK
Napredni SMRK so zasnovani in razviti za vojaške misije in delujejo predvsem v nevarnih razmerah. Danes številne države ponujajo raziskave in razvoj na področju robotskih brezpilotnih sistemov, ki lahko v večini primerov delujejo na grobem terenu. Sodobni SMRK lahko operaterju pošiljajo video signale, informacije o ovirah, ciljih in drugih spremenljivkah, ki so zanimive s taktičnega vidika, ali pa v primeru najnaprednejših sistemov sprejemajo popolnoma neodvisne odločitve. Pravzaprav so ti sistemi lahko polavtonomni, če se za določanje poti uporabljajo podatki o navigaciji skupaj s podatki vgrajenega senzorja in ukazi oddaljenega operaterja. Popolnoma avtonomno vozilo samo določi svoj potek, pri razvoju poti pa uporablja samo senzorje na vozilu, hkrati pa ima upravljavec vedno možnost sprejeti potrebne posebne odločitve in prevzeti nadzor v kritičnih situacijah ali v primeru poškodb do stroja.
Danes lahko sodobne SMRK hitro odkrijejo, identificirajo, lokalizirajo in nevtralizirajo številne vrste groženj, vključno z dejavnostmi sovražnika v pogojih sevanja, kemične ali biološke kontaminacije na različnih vrstah terena. Pri razvoju sodobnega SMRK je glavni problem ustvarjanje funkcionalno učinkovite zasnove. Ključne točke vključujejo mehansko zasnovo, niz vgrajenih senzorjev in navigacijskih sistemov, interakcijo človek-robot, mobilnost, komunikacije in porabo energije / energije.
Zahteve za interakcijo med robotom in človekom vključujejo zelo zapletene vmesnike človek-stroj, zato je treba za varne in prijazne vmesnike razviti multimodalne tehnične rešitve. Sodobna tehnologija interakcije robot-človek je zelo zapletena in bo zahtevala številne preizkuse in ocene v realnih pogojih delovanja, da bi dosegli dobre ravni zanesljivosti, tako pri interakciji človek-robot kot pri interakciji robot-robot.
Oborožen SMRK, ki ga je razvilo estonsko podjetje MILREM
Cilj oblikovalcev je uspešen razvoj SMRK -ja, ki bi lahko opravljal svojo nalogo podnevi in ponoči na težkem terenu. Da bi dosegli največjo učinkovitost v vsaki posebni situaciji, bi moral biti SMRK sposoben premikati se po vseh vrstah terena z ovirami pri visoki hitrosti, z veliko okretnostjo in hitro spreminjati smer brez bistvenega zmanjšanja hitrosti. Parametri načrtovanja, povezani z mobilnostjo, vključujejo tudi kinematične značilnosti (predvsem sposobnost ohranjanja stika s tlemi v vseh pogojih). SMRK ima poleg prednosti, da nima omejitev, značilnih za ljudi, tudi pomanjkljivost, da je treba vključiti zapletene mehanizme, ki lahko nadomestijo človeška gibanja. Oblikovalske zahteve za zmogljivost vožnje morajo biti integrirane s tehnologijo zaznavanja ter razvojem senzorjev in programske opreme, da se doseže dobra mobilnost in sposobnost izogibanja različnim vrstam ovir.
Ena izmed izjemno pomembnih zahtev za visoko mobilnost je sposobnost uporabe informacij o naravnem okolju (vzponi, vegetacija, skale ali voda), umetnih predmetih (mostovi, ceste ali zgradbe), vremenu in sovražnikovih ovirah (minska polja ali ovire). V tem primeru postane mogoče določiti lastne položaje in sovražnikove položaje, z znatno spremembo hitrosti in smeri pa se možnosti SMRK za preživetje pod sovražnikovim ognjem znatno povečajo. Takšne tehnične lastnosti omogočajo razvoj oborožene izvidniške SMRK, ki je sposobna opravljati izvidniške, opazovalne in cilje pridobivanja ciljev, izvajati požarne misije ob prisotnosti kompleksa orožja in tudi odkrivati grožnje za namene samoobrambe (mine, sovražnikovi orožni sistemi itd.).
Vse te bojne sposobnosti je treba izvajati v realnem času, da bi se izognili grožnjam in nevtralizirali sovražnika z uporabo lastnega orožja ali komunikacijskih kanalov z oddaljenimi orožnimi sistemi. Velika mobilnost ter sposobnost lokalizacije in spremljanja sovražnikovih ciljev ter dejavnosti v težkih bojnih razmerah so izjemno pomembni. To zahteva razvoj inteligentnega SMRK, ki lahko v realnem času spremlja sovražnikove dejavnosti zaradi vgrajenih kompleksnih algoritmov za prepoznavanje gibov.
Napredne zmogljivosti, vključno s senzorji, algoritmi za fuzijo podatkov, proaktivno vizualizacijo in obdelavo podatkov, so bistvene in zahtevajo sodobno strojno in programsko arhitekturo. Pri opravljanju naloge v sodobnem SMRK se za oceno lokacije uporabljajo sistem GPS, inercialna merilna enota in inercialni navigacijski sistem.
Z uporabo navigacijskih podatkov, pridobljenih po zaslugi teh sistemov, se lahko SMRK samostojno premika v skladu z ukazi vgrajenega programa ali sistema za daljinsko upravljanje. Hkrati lahko SMRK v kratkih časovnih presledkih pošilja navigacijske podatke na oddaljeno nadzorno postajo, tako da operater ve za njeno natančno lokacijo. Popolnoma avtonomni SMRK lahko načrtujejo svoja dejanja, zato je nujno potrebno razviti pot, ki izključuje trke, hkrati pa čim manj temeljnih parametrov, kot so čas, energija in razdalja. Z navigacijskim računalnikom in računalnikom z informacijami lahko določite optimalno pot in jo popravite (laserske daljinomere in ultrazvočne senzorje lahko uporabite za učinkovito odkrivanje ovir).
Sestavni deli prototipa oboroženega SMRK, ki so ga razvili indijski študentje
Oblikovanje navigacijskih in komunikacijskih sistemov
Drug pomemben problem pri razvoju učinkovite SMRK je zasnova navigacijskega / komunikacijskega sistema. Za vizualne povratne informacije so nameščeni digitalni fotoaparati in senzorji, za nočno delovanje pa infrardeči sistemi; operater si lahko ogleda video sliko na svojem računalniku in pošlje nekaj osnovnih navigacijskih ukazov SMRK (desno / levo, stop, naprej), da popravi navigacijske signale.
V primeru popolnoma avtonomnega SMRK so sistemi za vizualizacijo integrirani z navigacijskimi sistemi, ki temeljijo na digitalnih zemljevidih in podatkih GPS. Za ustvarjanje popolnoma avtonomnega SMRK za osnovne funkcije, kot je navigacija, bo treba integrirati sisteme za zaznavanje zunanjih razmer, načrtovanje poti in komunikacijski kanal.
Čeprav je integracija navigacijskih sistemov za posamezen SMRK v napredni fazi, je razvoj algoritmov za načrtovanje hkratnega delovanja več SMRK in skupnih nalog SMRK in UAV v zgodnji fazi, saj je zelo težko vzpostaviti komunikacijsko interakcijo med več robotskih sistemov hkrati. Trenutni poskusi bodo pomagali ugotoviti, katere frekvence in frekvenčna območja so potrebna in kako se bodo zahteve razlikovale za določeno aplikacijo. Ko bodo te značilnosti določene, bo mogoče razviti napredne funkcije in programsko opremo za več robotskih strojev.
Helikopter K-MAX brez posadke med testiranjem avtonomije prevaža robotsko vozilo SMSS (Squad Mission Support System); medtem ko je bil pilot v pilotski kabini K-MAX, vendar tega ni nadzoroval
Komunikacijska sredstva so zelo pomembna za delovanje SMRK, vendar imajo brezžične rešitve precej pomembne pomanjkljivosti, saj se vzpostavljena komunikacija lahko izgubi zaradi motenj, povezanih s terenom, ovirami ali delovanjem sovražnikovega elektronskega sistema za zatiranje. Nedavni razvoj komunikacijskih sistemov med stroji je zelo zanimiv in zahvaljujoč tej raziskavi je mogoče ustvariti cenovno ugodno in učinkovito opremo za komunikacijo med robotskimi platformami. Standard za posebno komunikacijo kratkega dosega DRSC (Dedicated Short-Range Communication) se bo v realnih razmerah uporabljal za komunikacijo med SMRK ter med SMRK in UAV. Trenutno se veliko pozornosti namenja zagotavljanju varnosti komunikacije pri operacijah, osredotočenih na omrežje, zato bi morali prihodnji projekti na področju sistemov s posadko in nenaseljenih sistemov temeljiti na naprednih rešitvah, ki so v skladu s skupnimi standardi vmesnikov.
Danes so zahteve za kratkoročne naloge z nizko porabo energije v veliki meri izpolnjene, vendar obstajajo težave s platformami, ki opravljajo dolgoročne naloge z visoko porabo energije, zlasti eno najbolj perečih vprašanj je pretakanje videa.
Gorivo
Možnosti za vire energije so odvisne od vrste sistema: za majhne SMRK je lahko vir energije napredna baterija za ponovno polnjenje, pri večjih SMRK pa lahko običajno gorivo proizvede potrebno energijo, kar omogoča izvedbo sheme z električno energijo. motor-generator ali hibridni električni pogonski sistem nove generacije. Najbolj očitni dejavniki, ki vplivajo na oskrbo z energijo, so okoljski pogoji, teža in mere stroja ter čas izvedbe naloge. V nekaterih primerih mora biti napajalni sistem sestavljen iz sistema za gorivo kot glavnega vira in akumulatorske baterije (zmanjšana vidljivost). Izbira ustrezne vrste energije je odvisna od vseh dejavnikov, ki vplivajo na izvajanje naloge, vir energije pa mora zagotavljati zahtevano mobilnost, nemoteno delovanje komunikacijskega sistema, senzorskega sklopa in kompleksa orožja (če obstaja).
Poleg tega je treba rešiti tehnične težave, povezane z mobilnostjo na težkem terenu, zaznavanjem ovir in samopopravljanjem napačnih dejanj. V okviru sodobnih projektov so bile razvite nove napredne robotske tehnologije v zvezi z integracijo vgrajenih senzorjev in obdelavo podatkov, izbiro poti in navigacijo, odkrivanjem, razvrščanjem in izogibanjem oviram ter odpravljanjem napak, povezanih z izgubo komunikacije in destabilizacija platforme. Avtonomna terenska navigacija od vozila zahteva razlikovanje terena, kar vključuje 3D orografijo terena (opis terena) in prepoznavanje ovir, kot so skale, drevesa, stoječe vodne površine itd. Splošne zmogljivosti se nenehno povečujejo in danes lahko že govorimo o dovolj visoki ravni opredelitve podobe terena, vendar le podnevi in ob lepem vremenu, vendar o zmogljivostih robotskih platform v neznanem prostoru in v slabem vremenu pogoji so še vedno nezadostni. V zvezi s tem DARPA izvaja več eksperimentalnih programov, kjer se zmogljivosti robotskih platform preizkušajo na neznanem terenu, v vsakem vremenu, podnevi in ponoči. Program DARPA, imenovan Applied Research in AI (Applied Research in Artificial Intelligence), raziskuje inteligentno odločanje in druge napredne tehnološke rešitve za avtonomne sisteme za posebne aplikacije v naprednih robotskih sistemih ter razvija avtonomne večrobotske učne algoritme za izvajanje skupne naloge, ki bodo skupinam robotov omogočile samodejno obdelavo novih nalog in prerazporeditev vlog med seboj.
Kot smo že omenili, pogoji delovanja in vrsta naloge določajo zasnovo sodobnega SMRK, ki je mobilna platforma z napajanjem, senzorji, računalniki in arhitekturo programske opreme za zaznavanje, navigacijo, komunikacijo, učenje / prilagajanje, interakcijo med robot in oseba. V prihodnosti bodo bolj večstranski, imeli bodo povečano stopnjo poenotenja in medsebojnega delovanja ter bodo tudi učinkovitejši z gospodarskega vidika. Posebej zanimivi so sistemi z modularno nosilnostjo, ki omogočajo prilagajanje strojev za različne naloge. V naslednjem desetletju bodo robotska vozila, ki temeljijo na odprti arhitekturi, na voljo za taktično delovanje in zaščito baz ter druge infrastrukture. Odlikovali jih bodo velika stopnja enotnosti in avtonomije, visoka mobilnost in modularni sistemi na vozilu.
Tehnologija SMRK za vojaške namene se hitro razvija, kar bo mnogim oboroženim silam omogočilo, da vojake odstranijo z nevarnih nalog, vključno z odkrivanjem in uničenjem IED, izvidovanjem, zaščito svojih sil, razminiranjem in še veliko več. Tako je na primer koncept bojnih skupin brigade ameriške vojske z naprednimi računalniškimi simulacijami, bojnim usposabljanjem in bojno izkušnjo v resničnem svetu pokazal, da so robotska vozila izboljšala preživetje kopenskih vozil s posadko in znatno izboljšala bojno učinkovitost. Razvoj obetavnih tehnologij, kot so mobilnost, avtonomija, opremljenost z orožjem, vmesniki človek-stroj, umetna inteligenca za robotske sisteme, integracija z drugimi SMRK in sistemi s posadko, bo povečal zmogljivosti nenaseljenih kopenskih sistemov in njihovo raven avtonomijo.
Ruski tolkalni robotski kompleks Platform-M, ki ga je razvil NITI "Progress"
