Combate complexul robot multifuncțional "Uran-9"
O privire asupra tehnologiei, evoluțiilor, stadiului actual al lucrurilor și perspectivelor sistemelor robotizate mobile terestre (SMRK)
Dezvoltarea de noi doctrine operaționale, în special pentru războiul urban și conflictele asimetrice, va necesita noi sisteme și tehnologie pentru a reduce victimele în rândul militarilor și civililor. Acest lucru poate fi realizat prin dezvoltarea în domeniul SMRK, utilizarea tehnologiilor avansate pentru observare și colectare de informații, precum și recunoașterea și detectarea țintelor, protecția și lovitura de înaltă precizie. SMRK, ca și omologii lor de zbor, datorită utilizării pe scară largă a tehnologiilor robotice ultra-moderne, nu au la bord un operator uman.
Aceste sisteme sunt, de asemenea, indispensabile pentru funcționarea într-un mediu contaminat sau pentru îndeplinirea altor sarcini „stupide, murdare și periculoase”. Necesitatea dezvoltării SMRK avansat este asociată cu nevoia de a utiliza sisteme fără pilot pentru sprijin direct pe câmpul de luptă. Potrivit unor experți militari, vehiculele nelocuite, al căror nivel de autonomie va fi crescut treptat, vor deveni unul dintre cele mai importante elemente tactice din structura forțelor terestre moderne.
Un complex robotizat bazat pe vehiculul blindat TERRAMAX M-ATV conduce o coloană de vehicule fără pilot
Nevoile operaționale și dezvoltarea SMRK
La sfârșitul anului 2003, Comandamentul Central al SUA a emis cereri urgente și urgente pentru sisteme de combatere a amenințării dispozitivelor explozive improvizate (IED). Joint Ground Robotics Enterprise (JGRE) a venit cu un plan care ar putea oferi rapid creșteri semnificative ale capacităților prin utilizarea de mașini robotizate mici. De-a lungul timpului, aceste tehnologii au evoluat, au fost implementate mai multe sisteme, iar utilizatorii au primit prototipuri avansate pentru evaluare. Drept urmare, a existat o creștere a numărului de personal și unități militare implicate în domeniul securității interne, care au învățat să opereze sisteme robotizate avansate.
Agenția pentru proiecte de cercetare avansată în domeniul apărării (DARPA) cercetează în prezent tehnologia robotică în învățarea automată, bazându-se pe dezvoltările sale în inteligența artificială și recunoașterea imaginii. Toate aceste tehnologii, dezvoltate în cadrul programului UPI (Unmanned Perception Integration), sunt capabile să ofere o mai bună înțelegere a mediului / terenului pentru un vehicul cu mobilitate bună. Rezultatul acestei cercetări a fost o mașină numită CRUSHER, care a început evaluarea operațională încă din 2009; de atunci, au fost realizate mai multe prototipuri.
Programul MPRS (Man-Portable Robotic System) se concentrează în prezent pe dezvoltarea de sisteme de navigație autonome și de evitare a coliziunilor pentru roboții mici. De asemenea, identifică, studiază și optimizează tehnologiile dezvoltate pentru a crește nivelul de autonomie și funcționalitate a sistemelor robotizate. Programul RACS (Robotic for Agile Combat Support) dezvoltă diverse tehnologii robotizate pentru a satisface amenințările și cerințele operaționale actuale, precum și nevoile și capacitățile viitoare. Programul RACS dezvoltă și integrează tehnologii de automatizare pentru diferite misiuni de luptă și diverse platforme, bazate pe conceptul unei arhitecturi comune și caracteristici fundamentale precum mobilitatea, viteza, controlul și interacțiunea mai multor mașini.
Participarea roboților la operațiuni de luptă moderne permite forțelor armate să câștige o experiență de neprețuit în operațiunea lor. Au apărut mai multe domenii interesante cu privire la utilizarea vehiculelor aeriene fără pilot (UAV) și a SMRK-urilor într-un singur teatru operațional, iar planificatorii militari intenționează să le studieze cu atenție, inclusiv managementul general al mai multor platforme, dezvoltarea sistemelor de bord interschimbabile care pot fi instalate atât pe UAV-uri și pe SMRK cu scopul de a extinde capacitățile globale, precum și noile tehnologii pentru combaterea promițătoare a sistemelor nelocuite.
Conform programului experimental ARCD (Active Range Clearance Developments), va fi dezvoltat așa-numitul scenariu de „asigurare a securității zonei prin mijloace automate”, în care mai multe SMRK vor lucra împreună cu mai multe UAV-uri. În plus, va fi efectuată o evaluare a soluțiilor tehnologice privind utilizarea stațiilor radar pe platformele fără pilot, o evaluare a integrării sistemelor de control și monitorizare și a eficienței generale a sistemelor. Ca parte a programului ARCD, Forțele Aeriene ale SUA intenționează să dezvolte tehnologii necesare pentru a crește eficacitatea acțiunilor comune ale SMRK și UAV-urilor (atât aeronave, cât și scheme de elicoptere), precum și algoritmi pentru funcționarea „fără probleme” a senzorilor tuturor celor implicați platforme, schimbul de date de navigație și date privind anumite obstacole.
Structura internă a componentelor mecanice, electrice și electronice SMRK SPINNER
American Army Research Laboratory ARL (Army Research Laboratory) efectuează experimente ca parte a programelor sale de cercetare pentru a evalua maturitatea tehnologiei. De exemplu, ARL desfășoară experimente care evaluează capacitatea unui SMRK complet autonom de a detecta și evita mișcarea mașinilor și a persoanelor în mișcare. În plus, Centrul de Arme Spațiale și Marine ale Marinei SUA efectuează cercetări privind noi tehnologii robotizate și soluții tehnice cheie conexe, inclusiv cartografiere autonomă, evitarea obstacolelor, sisteme avansate de comunicații și misiuni comune SMRK și UAV.
Toate aceste experimente cu participarea simultană a mai multor platforme terestre și aeriene sunt efectuate în condiții externe realiste, caracterizate de teren complex și un set de sarcini realiste în timpul cărora sunt evaluate capacitățile tuturor componentelor și sistemelor. Ca parte a acestor programe pilot (și a strategiei tehnologice asociate) pentru dezvoltarea SMRC avansate, au fost identificate următoarele direcții pentru a maximiza rentabilitatea investițiilor viitoare:
- dezvoltarea tehnologiei va oferi o bază tehnologică pentru subsisteme și componente și o integrare adecvată în prototipurile SMRK pentru testarea performanței;
- companiile de vârf din acest domeniu vor dezvolta tehnologii avansate necesare extinderii domeniului de robotizare, de exemplu, prin creșterea gamei de SMRK și creșterea gamei de canale de comunicații; și
- programul de atenuare a riscurilor va asigura dezvoltarea tehnologiilor avansate pentru un sistem specific și va permite depășirea unor probleme tehnologice.
Datorită dezvoltării acestor tehnologii, SMRK-urile sunt potențial capabile să ofere un salt revoluționar în sfera militară, utilizarea lor va reduce pierderile umane și va crește eficacitatea luptei. Cu toate acestea, pentru a realiza acest lucru, ei trebuie să poată lucra independent, inclusiv îndeplinind sarcini complexe.
Un exemplu de SMRK armat. AVANTGUARD al companiei israeliene G-NIUS Unmanned Ground Systems
Sistem robotizat modular avansat MAARS (Modular Advanced Armed Robotic System), înarmat cu mitralieră și lansatoare de grenade
Dezvoltat de NASA SMRK GROVER pe teren înzăpezit
Cerințe tehnice pentru SMRK avansat
SMRK-urile avansate sunt proiectate și dezvoltate pentru misiuni militare și funcționează în principal în condiții periculoase. Astăzi, multe țări oferă cercetare și dezvoltare în domeniul sistemelor robotizate fără pilot, capabile să lucreze în majoritatea cazurilor pe teren accidentat. SMRK-urile moderne pot trimite semnale video către operator, informații despre obstacole, ținte și alte variabile care sunt interesante din punct de vedere tactic sau, în cazul celor mai avansate sisteme, pot lua decizii complet independente. De fapt, aceste sisteme pot fi semi-autonome atunci când datele de navigație sunt utilizate împreună cu datele senzorilor la bord și comenzile operatorului de la distanță pentru a determina ruta. Un vehicul complet autonom își determină singur cursul, folosind numai senzori de la bord pentru a dezvolta o rută, dar în același timp operatorul are întotdeauna posibilitatea de a lua deciziile specifice necesare și de a prelua controlul în situații critice sau în caz de avarie la mașină.
Astăzi, SMRK-urile moderne pot detecta, identifica, localiza și neutraliza rapid multe tipuri de amenințări, inclusiv activitatea inamicului în condiții de radiații, contaminare chimică sau biologică pe diferite tipuri de teren. Atunci când se dezvoltă SMRK modern, principala problemă este crearea unui design eficient din punct de vedere funcțional. Punctele cheie includ designul mecanic, o suită de senzori și sisteme de navigație la bord, interacțiunea om-robot, mobilitatea, comunicațiile și consumul de energie / energie.
Cerințele de interacțiune robot-om includ interfețe om-mașină foarte complexe și, prin urmare, trebuie dezvoltate soluții tehnice multimodale pentru interfețe sigure și prietenoase. Tehnologia modernă interacțiune robot-om este foarte complexă și va necesita multe teste și evaluări în condiții de operare realiste pentru a atinge niveluri bune de fiabilitate, atât în interacțiunea om-robot, cât și în interacțiunea robot-robot.
SMRK armat dezvoltat de compania estonă MILREM
Scopul proiectanților este dezvoltarea cu succes a unui SMRK capabil să-și îndeplinească sarcina zi și noapte pe teren dificil. Pentru a obține o eficiență maximă în fiecare situație specifică, SMRK ar trebui să poată circula pe toate tipurile de teren cu obstacole la viteză mare, cu manevrabilitate ridicată și să schimbe rapid direcția fără o reducere semnificativă a vitezei. Parametrii de proiectare legați de mobilitate includ și caracteristici cinematice (în primul rând capacitatea de a menține contactul cu solul în toate condițiile). SMRK are, pe lângă avantajul că nu are limitările inerente omului, și dezavantajul necesității de a integra mecanisme complexe care pot înlocui mișcările umane. Cerințele de proiectare pentru performanța de deplasare trebuie să fie integrate cu tehnologia de detectare, precum și cu senzorii și dezvoltarea de software pentru a obține o mobilitate bună și capacitatea de a evita diferite tipuri de obstacole.
Una dintre cerințele extrem de importante pentru mobilitate ridicată este capacitatea de a utiliza informații despre mediul natural (urcări, vegetație, roci sau apă), obiecte create de om (poduri, drumuri sau clădiri), vreme și obstacole inamice (câmpuri minate sau obstacole). În acest caz, devine posibil să se determine propriile poziții și poziții inamice și, prin aplicarea unei schimbări semnificative a vitezei și direcției, șansele SMRK de supraviețuire sub focul inamic sunt semnificativ crescute. Astfel de caracteristici tehnice fac posibilă dezvoltarea SMRK de recunoaștere armată capabilă să efectueze sarcini de recunoaștere, observare și achiziție de ținte, misiuni de foc în prezența unui complex de arme și, de asemenea, capabile să detecteze amenințări în scopuri de autoapărare (mine, sisteme de arme inamice), etc.).
Toate aceste capacități de luptă trebuie implementate în timp real pentru a evita amenințările și a neutraliza inamicul, folosind fie armele proprii, fie canale de comunicare cu sisteme de arme la distanță. Mobilitatea ridicată și capacitatea de a localiza și urmări țintele și activitatea inamicului în condiții dificile de luptă sunt extrem de importante. Acest lucru necesită dezvoltarea SMRK inteligent capabil să urmărească activitatea inamicului în timp real datorită algoritmilor complexi încorporați pentru recunoașterea mișcărilor.
Capacitățile avansate, inclusiv senzorii, algoritmii pentru fuziunea datelor, vizualizarea proactivă și prelucrarea datelor, sunt esențiale și necesită o arhitectură hardware și software modernă. Atunci când efectuați o sarcină în SMRK modern, sistemul GPS, o unitate de măsurare inerțială și un sistem de navigație inerțială sunt utilizate pentru a estima locația.
Folosind datele de navigație obținute datorită acestor sisteme, SMRK se poate deplasa independent în conformitate cu comenzile programului de bord sau ale sistemului de control de la distanță. În același timp, SMRK este capabil să trimită date de navigație la o stație de control de la distanță la intervale scurte de timp, astfel încât operatorul să știe despre locația sa exactă. SMRK-urile complet autonome își pot planifica acțiunile și pentru aceasta este absolut necesar să se dezvolte un traseu care să excludă coliziunile, minimizând în același timp parametrii fundamentali precum timpul, energia și distanța. Un computer de navigație și un computer cu informații pot fi utilizate pentru a trasa traseul optim și a-l corecta (telemetre laser și senzori cu ultrasunete pot fi folosiți pentru a detecta în mod eficient obstacolele).
Componentele unui prototip armat SMRK dezvoltat de studenții indieni
Proiectarea sistemelor de navigație și comunicații
O altă problemă importantă în dezvoltarea unui SMRK eficient este proiectarea sistemului de navigație / comunicații. Camerele digitale și senzorii sunt instalați pentru feedback vizual, în timp ce sistemele cu infraroșu sunt instalate pentru funcționarea pe timp de noapte; operatorul poate vedea imaginea video de pe computerul său și poate trimite câteva comenzi de navigare de bază către SMRK (dreapta / stânga, oprire, înainte) pentru a corecta semnalele de navigație.
În cazul SMRK complet autonom, sistemele de vizualizare sunt integrate cu sistemele de navigație bazate pe hărți digitale și date GPS. Pentru a crea un SMRK complet autonom, pentru funcții de bază precum navigația, va fi necesar să se integreze sisteme de percepție a condițiilor externe, planificarea rutei și un canal de comunicare.
În timp ce integrarea sistemelor de navigație pentru SMRK unic se află într-un stadiu avansat, dezvoltarea algoritmilor pentru planificarea funcționării simultane a mai multor SMRK și sarcini comune ale SMRK și UAV este într-un stadiu incipient, deoarece este foarte dificil să se stabilească interacțiunea de comunicare între mai multe sisteme robotice simultan. Experimentele în desfășurare vor ajuta la determinarea frecvențelor și a intervalelor de frecvență necesare și a modului în care cerințele vor varia pentru o anumită aplicație. Odată stabilite aceste caracteristici, va fi posibil să se dezvolte funcții avansate și software pentru mai multe mașini robotizate.
Elicopterul fără pilot K-MAX transportă vehicul robotizat SMSS (Squad Mission Support System) în timpul testelor de autonomie; în timp ce pilotul se afla în cabina K-MAX, dar nu l-a controlat
Mijloacele de comunicare sunt foarte importante pentru funcționarea SMRK, dar soluțiile wireless au dezavantaje destul de semnificative, deoarece comunicarea stabilită poate fi pierdută din cauza interferențelor asociate cu terenul, obstacolelor sau activității sistemului electronic de suprimare a inamicului. Dezvoltările recente ale sistemelor de comunicații mașină-mașină sunt foarte interesante și, datorită acestei cercetări, pot fi create echipamente accesibile și eficiente pentru comunicarea între platformele robotizate. Standardul pentru comunicații speciale de scurtă durată DRSC (Dedicated Short-Range Communication) va fi aplicat în condiții reale pentru comunicarea între SMRK și între SMRK și UAV. O atenție deosebită este acordată în prezent asigurării securității comunicațiilor în operațiunile centrate pe rețea și, prin urmare, proiectele viitoare în domeniul sistemelor echipate și nelocuite ar trebui să se bazeze pe soluții avansate care să respecte standardele comune de interfață.
Astăzi, cerințele pentru sarcini pe termen scurt, cu consum redus de energie sunt îndeplinite în mare măsură, dar există probleme cu platformele care îndeplinesc sarcini pe termen lung cu un consum ridicat de energie, în special, una dintre problemele cele mai presante este transmisia video.
Combustibil
Opțiunile pentru sursele de energie depind de tipul de sistem: pentru SMRK-uri mici, sursa de energie poate fi o baterie reîncărcabilă avansată, dar pentru SMRK-uri mai mari, combustibilul convențional poate genera energia necesară, ceea ce face posibilă implementarea unei scheme cu un sistem electric motor-generator sau un sistem de propulsie electrică hibrid de nouă generație. Cei mai evidenți factori care afectează aprovizionarea cu energie sunt condițiile de mediu, greutatea și dimensiunile mașinii și timpul de executare a sarcinii. În unele cazuri, sistemul de alimentare trebuie să fie format dintr-un sistem de alimentare cu combustibil ca sursă principală și o baterie reîncărcabilă (vizibilitate redusă). Alegerea tipului adecvat de energie depinde de toți factorii care afectează performanța sarcinii, iar sursa de energie trebuie să asigure mobilitatea necesară, funcționarea neîntreruptă a sistemului de comunicații, setul de senzori și complexul de arme (dacă există).
În plus, este necesară rezolvarea problemelor tehnice asociate cu mobilitatea pe teren dificil, percepția obstacolelor și autocorecția acțiunilor eronate. Ca parte a proiectelor moderne, au fost dezvoltate noi tehnologii robotizate avansate în ceea ce privește integrarea senzorilor la bord și procesarea datelor, selectarea și navigarea traseului, detectarea, clasificarea și evitarea obstacolelor, precum și eliminarea erorilor asociate cu pierderea comunicării și destabilizarea platformei. Navigația autonomă off-road necesită ca vehiculul să distingă terenul, care include orografia 3D a terenului (descrierea terenului) și identificarea obstacolelor precum stânci, copaci, corpuri de apă stagnante etc. Capacitățile generale sunt în continuă creștere și astăzi putem vorbi deja de un nivel suficient de ridicat de definiție a imaginii terenului, dar numai în timpul zilei și pe vreme bună, dar capacitățile platformelor robotizate într-un spațiu necunoscut și pe vreme rea condițiile sunt încă insuficiente. În acest sens, DARPA desfășoară mai multe programe experimentale, în care capacitățile platformelor robotizate sunt testate pe teren necunoscut, pe orice vreme, zi și noapte. Programul DARPA, numit Cercetare Aplicată în AI (Cercetare Aplicată în Inteligență Artificială), cercetează luarea deciziilor inteligente și alte soluții tehnologice avansate pentru sisteme autonome pentru aplicații specifice în sisteme robotizate avansate, precum și dezvoltarea algoritmilor de învățare multi-robotici autonomi pentru efectuarea sarcini comune, care vor permite grupurilor de roboți să proceseze automat noi sarcini și să realoce roluri între ele.
După cum sa menționat deja, condițiile de funcționare și tipul sarcinii determină proiectarea unui SMRK modern, care este o platformă mobilă cu o sursă de alimentare, senzori, computere și arhitectură software pentru percepție, navigare, comunicare, învățare / adaptare, interacțiune între o robot și o persoană. În viitor, acestea vor fi mai multilaterale, vor avea un nivel crescut de unificare și interacțiune și vor fi, de asemenea, mai eficiente din punct de vedere economic. De un interes deosebit sunt sistemele cu sarcini utile modulare, care permit adaptarea mașinilor pentru diferite sarcini. În următorul deceniu, vehiculele robotizate bazate pe arhitectură deschisă vor deveni disponibile pentru operațiuni tactice și protecția bazelor și a altor infrastructuri. Acestea vor fi caracterizate de un nivel semnificativ de uniformitate și autonomie, mobilitate ridicată și sisteme modulare la bord.
Tehnologia SMRK pentru aplicații militare evoluează rapid, ceea ce va permite multor forțe armate să îndepărteze soldații de sarcini periculoase, inclusiv detectarea și distrugerea IED, recunoașterea, protejarea forțelor lor, deminarea și multe altele. De exemplu, conceptul grupurilor de luptă ale brigăzii armatei SUA, prin simulări avansate pe computer, antrenament de luptă și experiență de luptă în lumea reală, a demonstrat că vehiculele robotizate au îmbunătățit supraviețuirea vehiculelor terestre cu echipaj și au îmbunătățit semnificativ eficacitatea luptei. Dezvoltarea tehnologiilor promițătoare, cum ar fi mobilitatea, autonomia, echiparea cu arme, interfețe om-mașină, inteligența artificială pentru sistemele robotizate, integrarea cu alte sisteme SMRK și echipate, va oferi o creștere a capacităților sistemelor terestre nelocuite și a nivelului lor de autonomie.
Platformă-M complexă robotică de percuție rusă dezvoltată de NITI "Progress"
