Szárazföldi mobil robotrendszerek elmélete és gyakorlata
Az új hadműveleti doktrínák kidolgozása, különösen a városi hadviselés és az aszimmetrikus konfliktusok esetében, új rendszereket és technikai eszközöket igényel, amelyek csökkentik a katonai személyzet és a civilek veszteségeit. Ez az SMRK területén megvalósuló fejlesztésekkel, fejlett felügyeleti és információgyűjtési technológiák alkalmazásával, valamint felderítéssel és célfelderítéssel, védelemmel és nagy pontosságú csapással valósítható meg. Az SMRK-nak, akárcsak repülő társaiknak, az élvonalbeli robottechnológiák széles körben elterjedt alkalmazása miatt nincs emberi kezelő a fedélzetén.
Ezek a rendszerek feltétlenül szükségesek a fertőzött környezetben való munkavégzéshez vagy egyéb "buta, piszkos és veszélyes" feladatok elvégzéséhez. A fejlett SMR-ek fejlesztésének szükségessége összefügg azzal, hogy pilóta nélküli rendszereket kell használni a csatatéren való közvetlen támogatáshoz. Egyes katonai szakértők szerint a lakatlan járművek, amelyek autonómiája fokozatosan emelkedni fog, a modern szárazföldi erők szerkezetének egyik legfontosabb taktikai elemévé válnak.
A TERRAMAX M-ATV páncélozott autóra épülő robotkomplexum vezeti a pilóta nélküli járművek oszlopát
Az SMRK működési igényei és fejlesztése
2003 végén az Egyesült Államok Központi Parancsnoksága sürgős, sürgős kéréseket adott ki a rögtönzött robbanószerkezet (IED) fenyegetés elleni küzdelemhez. A JGRE (Joint Ground Robotics Enterprise) földi robotrendszerekkel foglalkozó szervezete olyan tervet dolgozott ki, amely a kisméretű robotgépek használatával gyorsan jelentős képességnövekedést biztosíthat. Idővel ezek a technológiák fejlődtek, több rendszert telepítettek, és a felhasználók fejlett prototípusokat kaptak értékelésre. Ennek eredményeként megnőtt azon katonai állomány és a belső biztonság területén érintett egységek száma, akik megtanulták a fejlett robotrendszerek kezelését.
A DARPA Defense Advanced Research Projects Agency jelenleg a gépi tanulás területén végzett robottechnológiák kutatását végzi, a mesterséges intelligencia területén végzett fejlesztései, valamint az így létrejött képek felismerése alapján. Mindezek az UPI (Unmanned Perception Integration) program keretében kifejlesztett technológiák alkalmasak arra, hogy egy jó mobilitású járművel jobban megértsék a környezetet/terepet. E vizsgálatok eredménye a CRUSHER nevű gép lett, melynek működési kiértékelése 2009-ben kezdődött; azóta több prototípus is készült.
Az MPRS (Man-Portable Robotic System) program jelenleg az autonóm navigációs és ütközés-elkerülő rendszerek fejlesztésére összpontosít kisméretű gépek számára. robotok. Ezenkívül meghatározza, tanulmányozza és optimalizálja a robotrendszerek autonómiájának és funkcionalitásának növelésére tervezett technológiákat. A RACS (Robotic for Agile Combat Support) program különféle robottechnológiákat fejleszt, hogy megfeleljen a jelenlegi fenyegetéseknek és működési követelményeknek, valamint a jövőbeni igényeknek és képességeknek. A RACS program emellett automatizálási technológiákat is fejleszt és integrál különféle harci küldetésekhez és különféle platformokhoz a közös architektúra és olyan alapvető jellemzők alapján, mint a mobilitás, a sebesség, a vezérlés és a több jármű interakciója.
A robotok részvétele a modern harci műveletekben lehetővé teszi, hogy a fegyveres erők felbecsülhetetlen tapasztalatokat szerezzenek működésük során. A pilóta nélküli légijárművek (UAV) és SMRK-k egyazon hadműveleti térben történő felhasználásával kapcsolatban több érdekes irány is kialakult, melyeket a katonai tervezők alaposan tanulmányozni szándékoznak, beleértve a több platform általános kezelését, a telepíthető, cserélhető fedélzeti rendszerek fejlesztését. mind az UAV-kon, mind az SMRK-kon a globális képességek bővítése, valamint a fejlett harci lakatlan rendszerek új technológiáinak célja.
Az ARCD (Active Range Clearance Developments) kísérleti program keretében egy úgynevezett „automatizált zónabiztonsági” forgatókönyvet dolgoznak ki, amelyben több RMS fog együtt dolgozni több UAV-val. Ezen túlmenően értékelni fogják a pilóta nélküli platformokon lévő radarállomások használatával kapcsolatos technológiai megoldásokat, értékelik az irányítási és irányítási rendszerek integrációját és a rendszerek általános hatékonyságát. Az ARCD program részeként az Egyesült Államok légiereje az SMRK és az UAV-ok (repülőgépek és helikopterek körei egyaránt) közös akcióinak hatékonyságának javításához szükséges technológiák, valamint a légierő „zökkenőmentes” működéséhez szükséges algoritmusok kifejlesztését tervezi. minden érintett platform érzékelői, a navigációs adatok és bizonyos akadályokra vonatkozó adatok cseréje.
A SPINNER SMRK mechanikus, elektromos és elektronikus alkatrészeinek belső elrendezése
Az US Army Research Laboratory ARL (Army Research Laboratory) kutatási programjai részeként kísérleteket végez, hogy felmérje a technológia érettségét. Például az ARL olyan kísérleteket végez, amelyek értékelik a teljesen autonóm SMRK képességét a mozgó járművek és személyek mozgósítására és elkerülésére. Ezenkívül az amerikai Űr- és Tengerészeti Fegyverrendszerek Központja flotta kutatásokat folytat új robottechnológiákkal és a kapcsolódó kulcsfontosságú műszaki megoldásokkal kapcsolatban, beleértve az autonóm térképezést, az akadályelkerülést, a fejlett kommunikációs rendszereket, valamint az SMRK és UAV-k közös küldetését.
Mindezek a kísérletek, több földi és légi platform egyidejű bevonásával, valósághű környezetben zajlanak, amelyet összetett terep és reális feladatsor jellemez, amelyek során az összes komponens és rendszer képességeit értékelik. A fejlett SMRK-k fejlesztésére irányuló kísérleti programok (és a kapcsolódó technológiai stratégia) részeként a következő területeket azonosították a jövőbeli befektetések megtérülésének maximalizálása érdekében:
- a technológiák fejlesztése technológiai alapot biztosít az alrendszerek és komponensek számára, valamint az SMRK prototípusaiba való megfelelő integrációt teljesítménytesztelés céljából;
- ezen a területen vezető vállalatok fejlett technológiákat fejlesztenek ki, amelyek szükségesek a robotizálás hatókörének bővítéséhez, például az SMRK teljesítménytartalékának növelésével és a kommunikációs csatornák körének bővítésével; és
- A kockázatcsökkentő program biztosítja, hogy a fejlett technológiákat egy adott rendszerre teszteljék, és megoldja néhány technológiai problémát.
E technológiák fejlesztésének köszönhetően az SMRK-k potenciálisan forradalmi ugrást tudnak tenni a katonai szférában, használatuk csökkenti az emberi veszteségeket és növeli a harci hatékonyságot. Ennek eléréséhez azonban képesnek kell lenniük az önálló munkavégzésre, beleértve az összetett feladatok ellátását is.
Példa egy fegyveres SMRK-ra. AVANTGUARD izraeli G-NIUS Unmanned Ground Systems cég
Fejlett moduláris robotrendszer MAARS (Modular Advanced Armed Robotic System), géppuskával és gránátvetőkkel felfegyverkezve
NASA által tervezett GROVER SMRK havas terepen
A haladó SMRK műszaki követelményei
A fejlett SMR-eket katonai küldetésekre tervezték és fejlesztették ki, és elsősorban veszélyes környezetben működnek. Napjainkban sok országban látnak kutatást és fejlesztést a robotizált pilóta nélküli rendszerek terén, amelyek a legtöbb esetben durva terepen is képesek működni. A modern SMRK-k videojeleket küldhetnek a kezelőnek, információkat akadályokról, célpontokról és egyéb taktikai érdeklődésre számot tartó változókról, vagy a legfejlettebb rendszerek esetében teljesen önálló döntéseket hozhatnak. Valójában ezek a rendszerek félig autonómak lehetnek, és navigációs adatokat, fedélzeti érzékelőadatokat és távoli kezelői parancsokat használnak az útvonal meghatározásához. A teljesen autonóm jármű saját maga határozza meg az irányt, csak a fedélzeti szenzorok segítségével hozza létre az útvonalat, de a kezelő mindig képes meghozni a szükséges konkrét döntéseket, és átveheti az irányítást kritikus helyzetekben, vagy ha a jármű megsérül.
Napjainkban a modern SMRK-k gyorsan képesek felismerni, azonosítani, lokalizálni és semlegesíteni sokféle fenyegetést, beleértve az ellenséges tevékenységet sugárzás, kémiai vagy biológiai szennyeződések körülményei között különböző típusú terepen. A modern SMRK fejlesztése során a fő probléma a funkcionálisan hatékony tervezés kialakítása. A legfontosabb szempontok közé tartozik a mechanikai tervezés, a fedélzeti érzékelőkészlet és a navigációs rendszerek, az ember-robot interakció, a mobilitás, a kommunikáció és az energia-/energiafogyasztás.
Az ember-robot interakció követelményei nagyon összetett ember-gép interfészekre vonatkoznak, ezért multimodális műszaki megoldásokat kell kidolgozni a biztonságos és felhasználóbarát interfészek érdekében. Az ember-robot interakció jelenlegi technológiája nagyon összetett, és sok tesztelést és értékelést igényel reális működési körülmények között, hogy jó szintű megbízhatóságot érjünk el, mind az ember-robot interakcióban, mind a robot-robot interakcióban.
Az észt MILREM cég által kifejlesztett fegyveres SMRK
A tervezők célja az SMRK sikeres fejlesztése, amely képes éjjel-nappal nehéz terepen is ellátni feladatát. Az egyes szituációkban a maximális hatékonyság elérése érdekében az SMRK-nak képesnek kell lennie minden típusú terepen, akadályok jelenlétében nagy sebességgel, nagy manőverezőképességgel mozogni, és gyorsan irányt kell váltania a sebesség jelentős csökkenése nélkül. A mobilitáshoz kapcsolódó tervezési paraméterek közé tartoznak a kinematikai jellemzők is (elsősorban a talajjal való kapcsolattartás képessége minden körülmények között). Az SMRK előnye amellett, hogy nem rendelkezik az emberben rejlő korlátokkal, megvan az a hátránya is, hogy olyan komplex mechanizmusokat kell integrálni, amelyek helyettesíthetik az emberi mozgásokat. A menetminőségre vonatkozó tervezési követelményeket integrálni kell az érzékelési technológiákkal, valamint az érzékelő- és szoftverfejlesztéssel a jó mobilitás és a különböző típusú akadályok elkerülése érdekében.
A nagy mobilitást meghatározó egyik rendkívül fontos követelmény a természeti környezetről (lift, növényzet, kövek vagy víz), mesterséges objektumokról (hidak, utak vagy épületek), időjárásról és ellenséges akadályokról (aknamezők vagy sorompók) vonatkozó információk felhasználásának képessége. Ebben az esetben lehetővé válik saját pozícióik és az ellenség pozícióinak meghatározása, valamint a jelentős sebesség- és irányváltás alkalmazása miatt az SMRK túlélési esélye az ellenséges tűz alatt jelentősen megnő. Az ilyen műszaki jellemzők lehetővé teszik olyan fegyveres felderítő SMRK-k fejlesztését, amelyek képesek felderítési, megfigyelési és célfelderítési feladatok ellátására, fegyverkomplexum jelenlétében lőküldetésekre, valamint fenyegetések (aknák, ellenséges fegyverrendszerek stb.) önálló észlelésére is alkalmasak. - védelmi célokra.
Mindezeket a harci képességeket valós időben kell megvalósítani a fenyegetések elkerülése és az ellenség semlegesítése érdekében. fegyvervagy kommunikációs csatornák távoli fegyverrendszerekkel. Rendkívül fontos a nagy mobilitás, valamint az ellenséges célpontok lokalizálása és nyomon követése nehéz harci körülmények között. Ehhez olyan intelligens SMRK-k fejlesztésére van szükség, amelyek a beépített összetett mozgásfelismerő algoritmusoknak köszönhetően valós időben képesek követni az ellenség tevékenységét.
A fejlett képességek, beleértve az érzékelőket, az adatfúziós algoritmusokat, az aktív vizualizációt és az adatfeldolgozást, nagyon fontosak, és modern hardver- és szoftverarchitektúrát igényelnek. A modern SMRK-ban végzett feladat végrehajtása során egy GPS-rendszert, egy inerciális mérőegységet és egy inerciális navigációs rendszert használnak a hely becslésére.
Az e rendszereken keresztül szerzett navigációs adatok felhasználásával az SMRK önállóan mozoghat a fedélzeti program vagy a távirányító rendszer parancsai szerint. Ugyanakkor az SMRK képes rövid időközönként navigációs adatokat küldeni a távirányítónak, hogy a kezelő tudja annak pontos helyét. A teljesen autonóm SMRK-k meg tudják tervezni cselekvéseiket, ehhez pedig feltétlenül szükséges egy olyan útvonal kidolgozása, amely kizárja az ütközéseket, miközben minimalizálja az olyan alapvető paramétereket, mint az idő, az energia és a távolság. Egy navigációs számítógép és egy információs számítógép használható az optimális útvonal megtervezésére és korrigálására (lézeres távolságmérők és ultrahangos szenzorok segítségével hatékonyan észlelhetők az akadályok).
Az indiai diákok által kifejlesztett fegyveres SMRK prototípus alkatrészei
Navigációs és kommunikációs rendszerek tervezése
A hatékony SMRK kialakításának másik fontos kérdése a navigációs/kommunikációs rendszer kialakítása. A digitális kamerák és érzékelők vizuális visszajelzést biztosítanak, míg az infravörös rendszereket éjszakai működéshez; a kezelő láthatja a videoképet a számítógépén, és néhány alapvető navigációs parancsot küldhet az SMRK-nak (jobbra/balra, stop, előre), hogy kijavítsa a navigációs jeleket.
A teljesen autonóm SMRK-k esetében a vizualizációs rendszerek integrálva vannak a digitális térképeken és GPS-adatokon alapuló navigációs rendszerekkel. Egy teljesen autonóm SMRK létrehozásához olyan alapvető funkciókhoz, mint például a navigáció, a külső körülmények észlelésére szolgáló rendszerek, az útvonaltervezés és a kommunikációs csatorna integrálása szükséges.
Míg az egyes SMRK-k navigációs rendszereinek integrációja előrehaladott stádiumban van, addig a több SMRK egyidejű működésének ütemezésére, valamint az SMRK-k és UAV-k közös feladatainak ütemezésére szolgáló algoritmusok fejlesztése korai szakaszban van, mivel nagyon nehéz kommunikációs interakciót létrehozni. több robotrendszert egyszerre. A folyamatban lévő kísérletek segítenek meghatározni, hogy milyen frekvenciákra és frekvenciatartományokra van szükség, és hogyan változnak az adott feladat követelményei. Ha ezeket a jellemzőket meghatározzuk, több robotgéphez is lehet majd fejlett funkciókat és szoftvereket fejleszteni.
Egy K-MAX pilóta nélküli helikopter SMSS (Squad Mission Support System) robotjárművet szállít az autonómiatesztek során; miközben a pilóta a K-MAX pilótafülkében volt, de nem irányította
A kommunikációs eszközök nagyon fontosak az SMRK működése szempontjából, de a vezeték nélküli megoldásoknak meglehetősen jelentős hátulütői vannak, hiszen a létrejött kapcsolat megszakadhat a domborzati zavarok, akadályok, vagy az ellenséges elektronikus ellenintézkedési rendszer tevékenysége miatt. A gépek közötti kommunikációs rendszerek legújabb fejlesztései nagyon érdekesek, és ezeknek a tanulmányoknak köszönhetően megfizethető és hatékony berendezések jöhetnek létre a robotplatformok közötti kommunikációhoz. A speciális kis hatótávolságú kommunikációra vonatkozó DRSC (Dedicated Short-Range Communication) szabványt valós körülmények között alkalmazzák az SMRK, valamint az SMRK és az UAV közötti kommunikációra. Jelenleg nagy figyelmet fordítanak a kommunikáció biztonságának biztosítására a hálózatközpontú működés során, ezért a lakott és lakatlan rendszerek területén a jövőbeni projekteknek a közös interfész szabványoknak megfelelő fejlett megoldásokra kell épülniük.
Manapság a rövid, kis fogyasztású feladatokra vonatkozó követelmények többnyire teljesülnek, de a hosszú távú, nagy teljesítményű feladatokat ellátó platformokkal vannak gondok, különösen a videó streamelés az egyik legégetőbb probléma.
üzemanyag
Az energiaforrás lehetőségei a rendszer típusától függenek: a kisméretű SMR-eknél az áramforrás lehet egy fejlett újratölthető akkumulátor, de a nagyobb SMR-eknél hagyományos üzemanyaggal lehet előállítani a szükséges energiát, ami lehetővé teszi egy villanymotor-generátoros séma megvalósítását. vagy a hibrid elektromos meghajtás új generációja. Az energiaellátást leginkább befolyásoló tényezők a környezet, a gép súlya és méretei, valamint a feladat elvégzéséhez szükséges idő. Bizonyos esetekben az áramellátó rendszernek fő forrásként tüzelőanyag-ellátó rendszerből és újratölthető akkumulátorból kell állnia (rossz látási viszonyok). A megfelelő energiafajta megválasztása minden olyan tényezőtől függ, amely a feladat elvégzését befolyásolja, és az energiaforrásnak biztosítania kell a szükséges mobilitást, a kommunikációs rendszer, az érzékelőkészlet és a fegyverrendszer (ha van) zavartalan működését.
Ezenkívül meg kell oldani a nehéz terepen való mobilitáshoz, az akadályok észleléséhez és a hibás tevékenységek önkorrekciójához kapcsolódó technikai problémákat. A modern projektek részeként új, fejlett robottechnológiákat fejlesztettek ki a fedélzeti érzékelők és adatfeldolgozás integrálása, az útvonalválasztás és navigáció, az akadályok észlelése, osztályozása és elkerülése, valamint a kommunikáció elvesztésével és a platform destabilizálásával kapcsolatos hibák kiküszöbölése terén. . Az autonóm terepnavigáció megköveteli, hogy a jármű felismerje a terepet, ez magában foglalja a 3D terep-orográfiát (a terep leírását) és az akadályok, például sziklák, fák, állóvíz stb. észlelését. Az általános képességek folyamatosan növekszenek és ma már elég magas szintű terepképmeghatározásról beszélhetünk, de csak nappal és jó időben, de a robotplatformok képességei ismeretlen térben és rossz időjárási körülmények között még mindig elégtelen. Ezzel kapcsolatban a DARPA számos kísérleti programot futtat, amelyek a robotplatformok képességeit tesztelik ismeretlen terepen, bármilyen időjárási körülmények között, éjjel-nappal. Az Applied Research in AI (Applied Research in Artificial Intelligence) elnevezésű DARPA program intelligens döntéshozatali eszközök és egyéb fejlett technológiai megoldások kutatását végez autonóm rendszerekben, speciális alkalmazási céllal fejlett robotrendszerekben, valamint autonóm többrobotot fejleszt. tanulási algoritmusok a közös feladatok végrehajtásához, amelyek lehetővé teszik a robotok csoportjai számára, hogy automatikusan feldolgozzák az új feladatokat, és újra elosszák egymás között a szerepeket.
Mint már említettük, a működési feltételek és a feladat típusa határozza meg egy modern SMRK tervezését, amely egy mobil platform tápforrással, érzékelőkkel, számítógépekkel és szoftverarchitektúrával az észleléshez, navigációhoz, kommunikációhoz, tanuláshoz/adaptációhoz, interakcióhoz. egy robot és egy személy. A jövőben többoldalúbbak lesznek, fokozottabb az egyesülés és interakció szintje, és gazdasági szempontból is hatékonyabbak lesznek. Különösen érdekesek a moduláris hasznos teherbírású rendszerek, amelyek lehetővé teszik a gépek különböző feladatokhoz való adaptálását. A következő évtizedben a robotjárművek elérhetővé válnak a taktikai műveletek végrehajtására, valamint a bázisok és egyéb nyitott architektúrán alapuló infrastruktúra védelmére. Jelentős szintű egységesség és autonómia, nagy mobilitás és moduláris fedélzeti rendszerek jellemzik majd őket.
A katonai alkalmazásokhoz használt SMRK technológia rohamosan fejlődik, amely lehetővé teszi számos fegyveres erő számára, hogy eltávolítsa a katonákat a veszélyes feladatokból, beleértve az IED-ek észlelését és megsemmisítését, a felderítést, az erők védelmét, az aknamentesítést és egyebeket. Például az amerikai hadsereg brigádharccsapatainak koncepciója a fejlett számítógépes modellezés, a harci kiképzés és a valódi harci műveletekben szerzett tapasztalatok révén bebizonyította, hogy a robotjárművek növelték a legénységgel rendelkező szárazföldi járművek túlélőképességét, és hozzájárultak a harci hatékonyság jelentős növekedéséhez. Az olyan ígéretes technológiák fejlesztése, mint a mobilitás, autonómia, fegyverzet, ember-gép interfészek, mesterséges intelligencia robotrendszerekhez, integráció más SMRK-kkal és lakható rendszerekkel, növelni fogja a lakatlan földi rendszerek képességeit és autonómia szintjét.
A NITI "Progress" által kifejlesztett Platform-M orosz lökhárító robotkomplexum
Felhasznált anyagok:
www.defense-update.com
www.qinetiq.com
www.milrem.ee
www.darpa.mil
www.airforce.com
www.niti-progress.ru
www.wikipedia.org
ru.wikipedia.org
Információk