美國先進野外無人戰(zhàn)車發(fā)展歷程

陳云峰+鄒丹

早在2001年，NREC就開展了“無人地面戰(zhàn)車”和“野外感知”兩個無人車輛研究項目，前者重點研究車體結(jié)構(gòu)、動力、機械設(shè)計等部分，2002年研制成功后開始進行多項測試，并不斷改進。后者主要研究感知和自主導(dǎo)航能力，通過不斷開發(fā)和測試，2004年技術(shù)較為成熟。在這兩個項目成功的基礎(chǔ)上，2004年2月，NREC開展了UPI項目，并取得階段性成果。讓我們一同回顧其走過的歷程。

“蜘蛛”無人地面戰(zhàn)車

“無人地面戰(zhàn)車”項目于2001年開發(fā)出原型車，在持久性、通過障礙和載荷方面展現(xiàn)了先進的性能，其不必考慮人員問題，在減少后勤保障以及燃油經(jīng)濟性、高負(fù)載和簡化的傳動系統(tǒng)方面，都為未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)（FCS）計劃提供了出色的可部署性。

美國國防高級研究規(guī)劃局和陸軍評估無人地面戰(zhàn)斗車輛（UGCV）主要有3個指標(biāo)：

持久性——在不加油的情況下可執(zhí)行14天、距離450km的任務(wù)；

越障性——可攀越1m以上、2m以下的障礙，35°的斜坡；

有效載荷部分大于滿載總體質(zhì)量25%。

在UGCV項目中，NREC率領(lǐng)一個團隊（波音公司、Timoney技術(shù)公司、DRS-TEM公司）設(shè)計了創(chuàng)新型的“蜘蛛”無人地面戰(zhàn)車，其在保證高燃油效率、生存能力和靈活載荷基礎(chǔ)上的極端地形適應(yīng)能力和遠(yuǎn)距離行駛能力，能滿足未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)（FCS）的任務(wù)要求。

“蜘蛛”無人地面戰(zhàn)車是一個持久耐用、可翻轉(zhuǎn)和六輪全驅(qū)混合動力系統(tǒng)，底盤低，行駛噪音小，可輕松遙控。

“蜘蛛”無人地面戰(zhàn)車最大的優(yōu)勢是其無人化設(shè)計，采用獨特的車體結(jié)構(gòu)來提供一個大容量的載荷倉，可根據(jù)有效載荷的位置向上或向下調(diào)整載荷倉。目前，正在對“蜘蛛”無人地面戰(zhàn)車全面評估各種地形、天氣狀況和操作環(huán)境下的性能。

同步進行的

“野外感知無人車”項目

與“無人地面戰(zhàn)車”同時啟動的“野外感知無人車”項目旨在開發(fā)野外復(fù)雜環(huán)境下地面車輛的感知和自主導(dǎo)航能力。在“野外感知無人車”項目中，NREC率領(lǐng)另外一個團隊（Sarnoff公司、波音公司及機器人技術(shù)工程卓越公司）進行技術(shù)開發(fā)。該團隊創(chuàng)造性地提出“閃電戰(zhàn)”概念——在無人車的傳感器檢測到危險之前，由“飛眼”無人機先期飛到無人車預(yù)定地點的高空來搜尋危險，并將探測圖像及時傳至無人車系統(tǒng)。接收圖像后，無人車在行駛中調(diào)整武器瞄準(zhǔn)點，待到達(dá)目的地直接進行打擊。野外感知無人車的所有系統(tǒng)可自主運行或進行少量人工干預(yù)。

2002年，NREC團隊在4種地形下成功完成了測試評估：弗吉尼亞的森林、亞利桑那州的沙漠、加州的山地和路易安那州的森林低地。該小組充分展示了空中/地面無人組合感知并避免障礙和其他危險的能力。

2003～2004年，團隊通過開發(fā)和現(xiàn)場測試，使無人車的自主性能進一步成熟。包括提高無人車的速度，并降低對GPS和通信工具的依賴。

UPI項目下的

“破碎機”無人車

無人地面戰(zhàn)斗車感知越野綜合計劃（UPI）項目啟動于2004年7月，旨在將“無人地面戰(zhàn)車”和“野外感知”這兩個平行開展的項目整合在一起。

在UPI項目下，NREC設(shè)計了“破碎機”無人車，與前一版本的“蜘蛛”無人地面戰(zhàn)車比較而言，其采用了新車體、新懸掛系統(tǒng)，并有許多新型技術(shù)的開發(fā)和改進。對“破碎機”無人車的機動性和自主系統(tǒng)已經(jīng)進行了測試，這一運動平臺集成了多種傳感器，用于增強無人車的自主機動性。

“破碎機”無人車系統(tǒng)質(zhì)量5.9噸，比上一代“蜘蛛”無人車減重30%，滿載燃油時總質(zhì)量6.35噸，可越過1.22m高的垂直墻，最大速度11m/s，爬坡度40°。自身負(fù)載能力達(dá)1.36噸，滿載時總質(zhì)量7.71噸，一架空軍C-130“大力神”運輸機一次可運輸兩輛滿載的“破碎機”無人車，并空投到地球上任一區(qū)域?！捌扑闄C”無人車可以負(fù)載任意的貨物組合，包括武器或者偵察監(jiān)視裝備。

建立在“野外感知”項目成功的基礎(chǔ)上，“破碎機”無人車感知和自動化系統(tǒng)向高速自主運行的方向發(fā)展。“破碎機”無人車一直不斷進行惡劣環(huán)境測試，用于改進持久性、克服障礙能力。通過對“破碎機”無人車平臺不斷的測試，對其性能不斷進行改進，以使其具有更大的地形適應(yīng)性。有效載荷的開發(fā)、集成和測試都是根據(jù)相關(guān)任務(wù)場景來進行的。憑借“破碎機”無人車的獨特地形適應(yīng)性，這些場地測試向我們展現(xiàn)了未來自主車輛在戰(zhàn)場上的使用。

2007年1月22日～2月2日，UPI項目組在德克薩斯州布利斯堡的沙漠成功完成了為期兩周的實地測試。該小組評估了“破碎機”無人車不同配置下自主感知系統(tǒng)的性能：近距離配置時感知范圍不小于18m，遠(yuǎn)距離配置時感知范圍不小于50～65m。

測試全程有不到10%為道路（或可以粗略地被認(rèn)為是道路），其中有些是車轍和從附近的山上流下的水流地段。剩下的就是沙丘、洼地、斜坡、溝渠、巨大的仙人掌地，以及其他沙漠地特有的高低不平的地形。“破碎機”無人車在最少的人工干預(yù)條件下可順利通過德州的沙漠地形。endprint

“破碎機”無人車具有良好的性能，即使使用低分辨率或沒有事先地形數(shù)據(jù)，在沒有干預(yù)的情況下，一段1.63km的路程中，車輛達(dá)到3.41m/s的平均速度。如使用近程感知系統(tǒng)，平均行駛速度為2.7m/s。

接踵而至的自主平臺

演示（APD）無人車

該無人車項目是由美國陸軍坦克和汽車研究發(fā)展工程中心（TARDEC）贊助的，開始于2007年5月。自主平臺演示（APD）無人車是在“破碎機”無人車的基礎(chǔ)上開發(fā)、集成和測試下一代無人地面車輛（UGV）技術(shù)。這些技術(shù)包括混合動力驅(qū)動系統(tǒng)、先進的車輛懸掛系統(tǒng)以及輕量化底盤技術(shù)。

APD無人車的主要性能參數(shù)包括最高時速達(dá)到80km/h，并具有自主變換車道的能力。其質(zhì)量及規(guī)格尺寸要求為，使用一架C-130運輸機可部署兩輛車。該車全質(zhì)量為9.3噸，偵察模塊伸長后全車長4.57m，采用混合動力系統(tǒng)。APD項目繼續(xù)保持了核心機動性技術(shù)，并對其進一步發(fā)展。APD無人車最終將替換“破碎機”無人車。

對NREC的設(shè)計人員來說，80km/h的速度是極大的挑戰(zhàn)，因為要找到合適的剎車控制方式。為了滿足這個指標(biāo)，NREC的人員深入進行了懸架技術(shù)和配置、車體結(jié)構(gòu)、車輛的驅(qū)動結(jié)構(gòu)、電池技術(shù)、冷卻方法和發(fā)動機的研究。該小組在2008年8月成功完成了初步設(shè)計評審。他們設(shè)計的車輛在2009年8月進行了首次展示。隨后，APD無人車將進行廣泛的機動性測試。

小型“破碎機”無人車

由于大型“破碎機”無人車成本非常高昂，目前出現(xiàn)了簡化的小型“破碎機”無人車。小型“破碎機”無人車是一種小型、堅固耐用、多功能的地面車輛平臺，尺寸為762mm×508mm×305mm，全系統(tǒng)質(zhì)量為56.7kg。其良好的機動性與穩(wěn)定性、較大的載荷能力以及模塊化的設(shè)計，使其成為各種任務(wù)的理想平臺。潛在用途包括礦山測繪、應(yīng)急反應(yīng)、監(jiān)測危險的工業(yè)環(huán)境，危險品的處理、排爆、偵察和監(jiān)視等。小型“破碎機”無人車上方敞開的4.57m2車斗可以放置許多不同的載荷和傳感器。設(shè)計人員可以很容易地修改這個通用平臺，以滿足不同客戶需求。

小型“破碎機”無人車的有效載荷高達(dá)45.4kg，在一個敞開的30m3的托架箱上，可以安裝相機、雷達(dá)和其他傳感器。其21.6m2的側(cè)翼給予足夠的空間用于安裝攝像頭、激光雷達(dá)和其他傳感器。緊湊的尺寸使得它便于運輸。小型“破碎機”無人車的電池組是由一家商業(yè)公司提供的鉛酸電池，廉價且容易更換。

小型“破碎機”無人車的六輪獨立懸掛系統(tǒng)可穿越具有挑戰(zhàn)性的障礙，即使在高速行駛時也具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。其模塊化結(jié)構(gòu)也有利于維護。小型“破碎機”無人車的防滑轉(zhuǎn)向使得它非常容易操作，即使在它以最高速度行駛時也非常穩(wěn)定，可以穿越砂礫、巖石、木塊等障礙。

成立于1995年的NREC一直不斷與軍方合作進行無人車項目的研發(fā)和測試，“破碎機”無人車或其他類似產(chǎn)品是野外任務(wù)的理想選擇。根據(jù)特定任務(wù)進行有效載荷的開發(fā)、集成和測試，通過“破碎機”無人車獨特的越野能力和先進的傳感和自主系統(tǒng)，以有效完成各類任務(wù)。野外無人戰(zhàn)車有著深遠(yuǎn)的發(fā)展前景。