Bojový multifunkčný robotický komplex „Uran-9“
Pohľad na technológiu, vývoj, súčasný stav a perspektívy pozemných mobilných robotických systémov (SMRK)
Rozvoj nových operačných doktrín, najmä pre mestské vojny a asymetrické konflikty, bude vyžadovať nové systémy a technológie na zníženie obetí medzi armádou a civilistami. To sa dá dosiahnuť vývojom v oblasti SMRK, využívaním pokročilých technológií na pozorovanie a zber informácií, ako aj prieskumom a detekciou cieľa, ochranou a vysoko presným úderom. SMRK, podobne ako ich lietajúce náprotivky, kvôli rozsiahlemu využívaniu ultramoderných robotických technológií nemá na palube ľudského operátora.
Tieto systémy sú tiež nepostrádateľné pre prácu v kontaminovanom prostredí alebo pre vykonávanie iných „hlúpych, špinavých a nebezpečných“úloh. Potreba vývoja pokročilého SMRK je spojená s potrebou používať bezpilotné systémy na priamu podporu na bojisku. Podľa niektorých vojenských expertov sa neobývané vozidlá, ktorých miera autonómie sa bude postupne zvyšovať, stanú jedným z najdôležitejších taktických prvkov v štruktúre moderných pozemných síl.
Robotický komplex založený na obrnenom vozidle TERRAMAX M-ATV vedie kolónu bezpilotných vozidiel
Prevádzkové potreby a rozvoj SMRK
Koncom roku 2003 americké centrálne velenie vydalo naliehavé a naliehavé požiadavky na systémy na boj proti hrozbe improvizovaných výbušných zariadení (IED). Spoločnosť Joint Ground Robotics Enterprise (JGRE) prišla s plánom, ktorý by pomocou malých robotických strojov mohol rýchlo poskytnúť výrazné zvýšenie schopností. Postupom času sa tieto technológie vyvíjali, bolo nasadených viac systémov a používatelia dostali pokročilé prototypy na vyhodnotenie. V dôsledku toho došlo k nárastu počtu vojenského personálu a jednotiek zapojených do oblasti vnútornej bezpečnosti, ktorí sa naučili ovládať pokročilé robotické systémy.
Agentúra Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) v súčasnosti skúma robotickú technológiu v strojovom učení, pričom stavia na svojom vývoji v oblasti umelej inteligencie a rozpoznávania obrazu. Všetky tieto technológie, vyvinuté v rámci programu UPI (Unmanned Perception Integration), sú schopné lepšie porozumieť prostrediu / terénu vozidla s dobrou mobilitou. Výsledkom tohto výskumu bol stroj s názvom CRUSHER, ktorý začal operačné hodnotenie už v roku 2009; Od tej doby bolo vyrobených niekoľko ďalších prototypov.
Program MPRS (Man-Portable Robotic System) sa v súčasnosti zameriava na vývoj autonómnych navigačných systémov a systémov vyhýbania sa kolíziám pre malých robotov. Tiež identifikuje, študuje a optimalizuje technológie vyvinuté na zvýšenie úrovne autonómie a funkčnosti robotických systémov. Program RACS (Robotic for Agile Combat Support) vyvíja rôzne robotické technológie na splnenie súčasných hrozieb a prevádzkových požiadaviek, ako aj budúcich potrieb a schopností. Program RACS taktiež vyvíja a integruje automatizačné technológie pre rôzne bojové misie a rôzne platformy na základe konceptu spoločnej architektúry a takých základných charakteristík, akými sú mobilita, rýchlosť, ovládanie a interakcia niekoľkých strojov.
Účasť robotov na moderných bojových operáciách umožňuje ozbrojeným silám získať pri ich prevádzke neoceniteľné skúsenosti. Ukázalo sa niekoľko zaujímavých oblastí týkajúcich sa použitia bezpilotných lietadiel (UAV) a SMRK v jednom operačnom sále a vojenskí plánovači ich majú v úmysle starostlivo preštudovať, vrátane všeobecného riadenia niekoľkých platforiem, vývoja vymeniteľných palubných systémov, ktoré je možné nainštalovať ako na UAV a na SMRK s cieľom rozšírenia globálnych kapacít, ako aj nových technológií sľubných boja s neobývanými systémami.
Podľa experimentálneho programu ARCD (Active Range Clearance Developments) bude vypracovaný takzvaný scenár „zaistenia bezpečnosti zóny automatickými prostriedkami“, v ktorom bude niekoľko SMRK spolupracovať s niekoľkými UAV. Okrem toho sa uskutoční posúdenie technologických riešení týkajúcich sa používania radarových staníc na bezpilotných platformách, posúdenie integrácie riadiacich a monitorovacích systémov a celkovej účinnosti systémov. V rámci programu ARCD plánuje americké vojenské letectvo vyvinúť technológie potrebné na zvýšenie účinnosti spoločných akcií SMRK a UAV (schémy lietadiel aj helikoptér), ako aj algoritmy na „bezproblémovú“prevádzku senzorov všetkých zúčastnených. platformy, výmenu navigačných údajov a údajov o určitých prekážkach.
Vnútorné usporiadanie mechanických, elektrických a elektronických komponentov SMRK SPINNER
Americké armádne výskumné laboratórium ARL (Army Research Laboratory) vykonáva experimenty ako súčasť svojich výskumných programov s cieľom posúdiť vyspelosť technológie. ARL napríklad vykonáva experimenty, ktoré hodnotia schopnosť plne autonómnej SMRK detekovať a vyhýbať sa pohybujúcim sa autám a ľuďom v pohybe. Centrum vesmírnych a námorných zbraní amerického námorníctva okrem toho vykonáva výskum nových robotických technológií a súvisiacich kľúčových technických riešení vrátane autonómneho mapovania, vyhýbania sa prekážkam, pokročilých komunikačných systémov a spoločných misií SMRK a UAV.
Všetky tieto experimenty so súčasnou účasťou niekoľkých pozemných a leteckých platforiem sa vykonávajú v realistických vonkajších podmienkach, charakterizovaných zložitým terénom a súborom realistických úloh, počas ktorých sa hodnotia schopnosti všetkých komponentov a systémov. V rámci týchto pilotných programov (a súvisiacej technologickej stratégie) na rozvoj pokročilých SMRC boli identifikované nasledujúce pokyny na maximalizáciu návratnosti budúcich investícií:
- vývoj technológie poskytne technologický základ pre subsystémy a komponenty a vhodnú integráciu do prototypov SMRK na testovanie výkonnosti;
- vedúce spoločnosti v tejto oblasti budú vyvíjať pokročilé technológie potrebné na rozšírenie rozsahu robotizácie, napríklad zvýšením dosahu SMRK a rozšírením rozsahu komunikačných kanálov; a
- program zmierňovania rizík zabezpečí vývoj pokročilých technológií pre konkrétny systém a umožní prekonať niektoré technologické problémy.
Vďaka vývoju týchto technológií sú SMRK potenciálne schopné poskytnúť revolučný skok vpred vo vojenskej sfére, ich použitie zníži straty na ľudských silách a zvýši účinnosť boja. Aby to však dosiahli, musia byť schopní pracovať samostatne, vrátane plnenia zložitých úloh.
Príklad ozbrojenej SMRK. AVANTGUARD izraelskej spoločnosti G-NIUS Unmanned Ground Systems
Pokročilý modulárny robotický systém MAARS (modulárny pokročilý ozbrojený robotický systém) vyzbrojený guľometom a granátometmi
Vyvinuté spoločnosťou NASA SMRK GROVER na zasneženom teréne
Technické požiadavky na pokročilé SMRK
Pokročilé SMRK sú navrhnuté a vyvinuté pre vojenské misie a pôsobia predovšetkým v nebezpečných podmienkach. Dnes mnoho krajín poskytuje výskum a vývoj v oblasti robotických bezpilotných systémov, schopných pracovať vo väčšine prípadov na nerovnom teréne. Moderné SMRK môžu operátorovi posielať videosignály, informácie o prekážkach, cieľoch a ďalších premenných, ktoré sú zaujímavé z taktického hľadiska, alebo v prípade najpokročilejších systémov rozhodovať úplne nezávisle. V skutočnosti môžu byť tieto systémy poloautonómne, keď sa na určenie trasy používajú navigačné údaje spolu s údajmi palubného senzora a príkazmi diaľkového operátora. Plne autonómne vozidlo si určuje svoj vlastný kurz samo, pričom na vývoj trasy používa iba palubné senzory, ale zároveň má operátor vždy možnosť urobiť potrebné konkrétne rozhodnutia a prevziať kontrolu v kritických situáciách alebo v prípade poškodenia. do stroja.
Moderné SMRK dnes dokážu rýchlo detekovať, identifikovať, lokalizovať a neutralizovať mnoho typov hrozieb, vrátane nepriateľskej činnosti v podmienkach radiácie, chemickej alebo biologickej kontaminácie na rôznych typoch terénu. Pri vývoji modernej SMRK je hlavným problémom vytvorenie funkčne efektívneho dizajnu. Medzi kľúčové body patrí mechanický dizajn, sada palubných senzorov a navigačných systémov, interakcia človek-robot, mobilita, komunikácia a spotreba energie / energie.
Požiadavky na interakciu robot-človek zahŕňajú veľmi zložité rozhrania človek-stroj, a preto je potrebné vyvinúť multimodálne technické riešenia pre bezpečné a priateľské rozhrania. Moderná technológia interakcie robot-človek je veľmi komplexná a bude vyžadovať mnoho testov a vyhodnotení za realistických prevádzkových podmienok, aby sa dosiahla dobrá úroveň spoľahlivosti, a to tak v interakcii človek-robot, ako aj v interakcii robot-robot.
Ozbrojené SMRK vyvinuté estónskou spoločnosťou MILREM
Cieľom konštruktérov je úspešný vývoj SMRK schopného vykonávať svoju úlohu vo dne v noci v náročnom teréne. Aby sa dosiahla maximálna účinnosť v každej konkrétnej situácii, SMRK by mala byť schopná pohybovať sa na všetkých typoch terénu s prekážkami vysokou rýchlosťou, s vysokou manévrovateľnosťou a rýchlo meniť smer bez výrazného zníženia rýchlosti. Parametre návrhu súvisiace s mobilitou tiež zahrnujú kinematické charakteristiky (predovšetkým schopnosť udržiavať kontakt so zemou za každých podmienok). SMRK má okrem výhody, že nemá obmedzenia vlastné ľuďom, aj nevýhodu v potrebe integrovať komplexné mechanizmy, ktoré môžu nahradiť ľudské pohyby. Aby sa dosiahla dobrá mobilita a schopnosť vyhýbať sa rôznym prekážkam, musia byť konštrukčné požiadavky na jazdné vlastnosti integrované so technológiou snímania, ako aj s vývojom senzorov a softvéru.
Jednou z mimoriadne dôležitých požiadaviek na vysokú mobilitu je schopnosť používať informácie o prírodnom prostredí (stúpania, vegetácia, skaly alebo voda), o objektoch vyrobených ľuďmi (mosty, cesty alebo budovy), o počasí a prekážkach nepriateľa (mínové polia alebo prekážky). V tomto prípade je možné určiť svoje vlastné pozície a nepriateľské pozície a uplatnením výraznej zmeny rýchlosti a smeru sa šance SMRK na prežitie pod paľbou nepriateľa výrazne zvýšia. Tieto technické vlastnosti umožňujú vyvinúť ozbrojený prieskumný SMRK schopný vykonávať prieskumné, pozorovacie a cieľové úlohy, palebné misie za prítomnosti komplexu zbraní a tiež schopný detekovať hrozby na účely sebaobrany (míny, nepriateľské zbraňové systémy), atď.).
Všetky tieto bojové schopnosti je potrebné implementovať v reálnom čase, aby sa zabránilo hrozbám a neutralizovala nepriateľa, a to pomocou vlastných zbraní alebo komunikačných kanálov so vzdialenými zbraňovými systémami. Vysoká mobilita a schopnosť lokalizovať a sledovať nepriateľské ciele a aktivita v ťažkých bojových podmienkach sú mimoriadne dôležité. To si vyžaduje vývoj inteligentného SMRK schopného sledovať aktivitu nepriateľa v reálnom čase vďaka vstavaným komplexným algoritmom na rozpoznávanie pohybov.
Pokročilé možnosti vrátane senzorov, algoritmov na fúziu údajov, proaktívnej vizualizácie a spracovania údajov sú nevyhnutné a vyžadujú si modernú hardvérovú a softvérovú architektúru. Pri vykonávaní úlohy v modernom SMRK sa na odhad polohy používa systém GPS, inerciálna meracia jednotka a inerciálny navigačný systém.
Vďaka navigačným údajom získaným vďaka týmto systémom sa SMRK môže nezávisle pohybovať v súlade s príkazmi palubného programu alebo systému diaľkového ovládania. SMRK je zároveň schopná v krátkych intervaloch odosielať navigačné údaje na diaľkové ovládanie, aby operátor vedel o jeho presnej polohe. Plne autonómne SMRK môžu plánovať svoje akcie, a preto je nevyhnutné vyvinúť trasu, ktorá vylučuje kolízie, pričom minimalizuje také základné parametre, ako sú čas, energia a vzdialenosť. Na vykreslenie optimálnej trasy a jej opravu je možné použiť navigačný počítač a počítač s informáciami (na efektívnu detekciu prekážok je možné použiť laserové diaľkomery a ultrazvukové senzory).
Súčasti prototypu ozbrojeného SMRK vyvinutého indickými študentmi
Návrh navigačných a komunikačných systémov
Ďalším dôležitým problémom pri vývoji efektívnej SMRK je návrh navigačného / komunikačného systému. Na vizuálnu spätnú väzbu sú nainštalované digitálne fotoaparáty a senzory, na nočnú prevádzku sú nainštalované infračervené systémy; operátor môže vidieť videoobraz na svojom počítači a odoslať SMRK niekoľko základných navigačných príkazov (vpravo / vľavo, zastaviť, vpred) na opravu navigačných signálov.
V prípade plne autonómnej SMRK sú vizualizačné systémy integrované s navigačnými systémami na základe digitálnych máp a údajov GPS. Na vytvorenie plne autonómnej SMRK pre také základné funkcie, ako je navigácia, bude potrebné integrovať systémy na vnímanie vonkajších podmienok, plánovanie trasy a komunikačný kanál.
Zatiaľ čo integrácia navigačných systémov pre jeden SMRK je v pokročilom štádiu, vývoj algoritmov na plánovanie simultánnej prevádzky niekoľkých SMRK a spoločných úloh SMRK a UAV je v ranom štádiu, pretože je veľmi ťažké nadviazať komunikačnú interakciu medzi niekoľko robotických systémov naraz. Prebiehajúce experimenty pomôžu určiť, aké frekvencie a frekvenčné rozsahy sú potrebné a ako sa budú požiadavky líšiť pre konkrétnu aplikáciu. Akonáhle budú tieto charakteristiky určené, bude možné vyvinúť pokročilé funkcie a softvér pre niekoľko robotických strojov.
Bezpilotná helikoptéra K-MAX prepravuje počas testov autonómie robotické vozidlo SMSS (Squad Mission Support System); kým bol pilot v kokpite K-MAX, ale neovládal ho
Komunikačné prostriedky sú pre fungovanie SMRK veľmi dôležité, ale bezdrôtové riešenia majú dosť významné nevýhody, pretože zavedenú komunikáciu je možné stratiť v dôsledku rušenia spojeného s terénom, prekážkami alebo aktivitou systému elektronického potlačenia nepriateľa. Nedávny vývoj v komunikačných systémoch stroj na stroj je veľmi zaujímavý a vďaka tomuto výskumu je možné vytvoriť cenovo dostupné a efektívne zariadenie na komunikáciu medzi robotickými platformami. Štandard pre špeciálnu komunikáciu krátkeho dosahu DRSC (Dedicated Short-Range Communication) bude aplikovaný v reálnych podmienkach pre komunikáciu medzi SMRK a medzi SMRK a UAV. V súčasnej dobe sa venuje veľká pozornosť zaisteniu bezpečnosti komunikácie v sieťovo orientovaných operáciách, a preto by budúce projekty v oblasti ľudských a neobývaných systémov mali byť založené na pokročilých riešeniach, ktoré sú v súlade so spoločnými štandardmi rozhraní.
Dnes sú požiadavky na krátkodobé úlohy s nízkym výkonom do značnej miery splnené, existujú však problémy s platformami, ktoré vykonávajú dlhodobé úlohy s vysokou spotrebou energie, najmä jedným z najaktuálnejších problémov je streamovanie videa.
Palivo
Možnosti zdrojov energie závisia od typu systému: v prípade malých SMRK môže byť zdrojom energie pokročilá nabíjateľná batéria, ale vo väčších SMRK môže konvenčné palivo vytvárať potrebnú energiu, čo umožňuje implementáciu schémy s elektrickou energiou. motorgenerátor alebo hybridný elektrický pohonný systém novej generácie. Najzrejmejším faktorom ovplyvňujúcim dodávku energie sú podmienky prostredia, hmotnosť a rozmery stroja a doba vykonania úlohy. V niektorých prípadoch musí systém napájania pozostávať z palivového systému ako hlavného zdroja a nabíjateľnej batérie (znížená viditeľnosť). Voľba vhodného druhu energie závisí od všetkých faktorov, ktoré ovplyvňujú plnenie úlohy, a zdroj energie musí poskytovať požadovanú mobilitu, nepretržitú prevádzku komunikačného systému, súpravy senzorov a komplexu zbraní (ak existujú).
Okrem toho je potrebné vyriešiť technické problémy spojené s mobilitou v ťažkom teréne, vnímaním prekážok a sebakorekciou chybných akcií. V rámci moderných projektov boli vyvinuté nové pokročilé robotické technológie týkajúce sa integrácie palubných senzorov a spracovania údajov, výberu trasy a navigácie, detekcie, klasifikácie a vyhýbania sa prekážkam, ako aj eliminácie chýb spojených so stratou komunikácie a destabilizácia platformy. Autonómna terénna navigácia vyžaduje, aby vozidlo rozlišovalo terén, čo zahŕňa 3D orografiu terénu (popis terénu) a identifikáciu prekážok, ako sú skaly, stromy, stojaté vodné plochy atď. Všeobecné schopnosti sa neustále zvyšujú a dnes už môžeme hovoriť o dostatočne vysokej úrovni definície obrazu terénu, ale iba vo dne a za dobrého počasia, ale o schopnostiach robotických platforiem v neznámom priestore a za zlého počasia. podmienky sú stále nedostatočné. V tejto súvislosti DARPA realizuje niekoľko experimentálnych programov, kde sa schopnosti robotických platforiem testujú v neznámom teréne, za každého počasia, vo dne i v noci. Program DARPA s názvom Applied Research in AI (Applied Research in Artificial Intelligence), sa zaoberá výskumom inteligentného rozhodovania a ďalších pokročilých technologických riešení pre autonómne systémy pre konkrétne aplikácie v pokročilých robotických systémoch, ako aj vývojom autonómnych multi-robotických vzdelávacích algoritmov na vykonávanie spoločné úlohy, ktoré skupinám robotov umožnia automatické spracovanie nových úloh a prerozdelenie rolí medzi sebou.
Ako už bolo uvedené, prevádzkové podmienky a typ úlohy určujú návrh modernej SMRK, ktorá je mobilnou platformou s napájaním, senzormi, počítačmi a softvérovou architektúrou na vnímanie, navigáciu, komunikáciu, učenie / prispôsobovanie, interakciu medzi robot a osoba. V budúcnosti budú viacstranné, budú mať zvýšenú úroveň zjednotenia a interakcie a budú tiež efektívnejšie z ekonomického hľadiska. Zvlášť zaujímavé sú systémy s modulárnym užitočným zaťažením, ktoré umožňujú prispôsobiť stroje rôznym úlohám. V budúcom desaťročí budú robotické vozidlá založené na otvorenej architektúre k dispozícii na taktické operácie a ochranu základní a ďalšej infraštruktúry. Budú sa vyznačovať výraznou úrovňou uniformity a autonómie, vysokou mobilitou a modulárnymi palubnými systémami.
Technológia SMRK pre vojenské aplikácie sa rýchlo vyvíja, čo mnohým ozbrojeným silám umožní odstrániť vojakov z nebezpečných úloh vrátane detekcie a ničenia IED, prieskumu, ochrany ich síl, odmínovania a mnohých ďalších. Napríklad koncept bojových skupín brigád americkej armády prostredníctvom pokročilých počítačových simulácií, bojového výcviku a bojových skúseností v reálnom svete ukázal, že robotické vozidlá zlepšili schopnosť prežiť pozemné vozidlá s posádkou a výrazne zlepšili bojovú účinnosť. Rozvoj sľubných technológií, akými sú mobilita, autonómia, vybavenie zbraňami, rozhrania človek-stroj, umelá inteligencia pre robotické systémy, integrácia s inými systémami SMRK a posádkou, prinesie zvýšenie schopností neobývaných pozemných systémov a ich úrovne autonómia.
Ruský perkusný robotický komplex Platform-M vyvinutý spoločnosťou NITI „Progress“
