Bojowy wielofunkcyjny kompleks robotów „Uran-9”
Spojrzenie na technologię, rozwój, obecny stan rzeczy i perspektywy lądowych mobilnych systemów robotycznych (SMRK)
Rozwój nowych doktryn operacyjnych, zwłaszcza dla działań wojennych w miastach i konfliktów asymetrycznych, będzie wymagał nowych systemów i technologii, aby zmniejszyć straty wśród wojska i ludności cywilnej. Można to osiągnąć poprzez rozwój w dziedzinie SMRK, wykorzystanie zaawansowanych technologii obserwacji i gromadzenia informacji, a także rozpoznania i wykrywania celów, ochrony i precyzyjnego uderzenia. SMRK, podobnie jak ich latające odpowiedniki, ze względu na powszechne stosowanie ultranowoczesnych technologii robotycznych, nie mają na pokładzie człowieka-operatora.
Systemy te są również niezbędne do pracy w zanieczyszczonym środowisku lub do wykonywania innych „głupich, brudnych i niebezpiecznych” zadań. Potrzeba rozwoju zaawansowanego SMRK wiąże się z koniecznością wykorzystania systemów bezzałogowych do bezpośredniego wsparcia na polu walki. Według niektórych ekspertów wojskowych, niezamieszkałe pojazdy, których poziom autonomii będzie stopniowo zwiększany, staną się jednym z najważniejszych elementów taktycznych w strukturze współczesnych sił lądowych.
Kompleks robotów na bazie pojazdu opancerzonego TERRAMAX M-ATV prowadzi kolumnę pojazdów bezzałogowych
Potrzeby operacyjne i rozwój SMRK
Pod koniec 2003 roku Centralne Dowództwo Stanów Zjednoczonych wydało pilne, pilne wnioski dotyczące systemów przeciwdziałających zagrożeniu improwizowanymi urządzeniami wybuchowymi (IED). Joint Ground Robotics Enterprise (JGRE) opracowało plan, który może szybko zapewnić znaczny wzrost możliwości dzięki zastosowaniu małych zrobotyzowanych maszyn. Z biegiem czasu technologie te ewoluowały, wdrożono więcej systemów, a użytkownicy otrzymali zaawansowane prototypy do oceny. W efekcie nastąpił wzrost liczby personelu wojskowego i jednostek zajmujących się bezpieczeństwem wewnętrznym, które nauczyły się obsługiwać zaawansowane systemy robotyki.
Agencja Obronnych Zaawansowanych Projektów Badawczych (DARPA) prowadzi obecnie badania nad technologią robotyczną w uczeniu maszynowym, opierając się na swoich osiągnięciach w dziedzinie sztucznej inteligencji i rozpoznawania obrazów. Wszystkie te technologie, opracowane w ramach programu UPI (Unmanned Perception Integration), są w stanie zapewnić lepsze zrozumienie otoczenia/terenu pojazdu o dobrej mobilności. Wynikiem tych badań była maszyna o nazwie CRUSHER, która rozpoczęła ocenę operacyjną w 2009 roku; od tego czasu powstało kilka kolejnych prototypów.
Program MPRS (Man-Portable Robotic System) koncentruje się obecnie na rozwoju autonomicznych systemów nawigacji i unikania kolizji dla małych robotów. Identyfikuje również, bada i optymalizuje technologie opracowane w celu zwiększenia poziomu autonomii i funkcjonalności systemów robotycznych. Program RACS (Robotic for Agile Combat Support) rozwija różne technologie robotyczne, aby sprostać obecnym zagrożeniom i wymaganiom operacyjnym, a także przyszłym potrzebom i możliwościom. Program RACS rozwija i integruje również technologie automatyzacji dla różnych misji bojowych i różnych platform, w oparciu o koncepcję wspólnej architektury i tak fundamentalne cechy jak mobilność, szybkość, sterowanie i współdziałanie kilku maszyn.
Udział robotów we współczesnych działaniach bojowych pozwala siłom zbrojnym zdobyć bezcenne doświadczenie w ich działaniu. Pojawiło się kilka interesujących obszarów dotyczących wykorzystania bezzałogowych statków powietrznych (UAV) i SMRK w jednym teatrze operacyjnym, a planiści wojskowi zamierzają je dokładnie przestudiować, w tym ogólne zarządzanie kilkoma platformami, opracowanie wymiennych systemów pokładowych, które mogą być instalowane zarówno na UAV i na SMRK w celu rozszerzenia globalnych zdolności, a także nowe technologie dla obiecujących bojowych systemów niezamieszkanych.
Według eksperymentalnego programu ARCD (Active Range Clearance Developments) zostanie opracowany tzw. scenariusz „zapewnienia bezpieczeństwa strefy środkami automatycznymi”, w którym kilka SMRK będzie współpracować z kilkoma UAV. Ponadto zostanie przeprowadzona ocena rozwiązań technologicznych w zakresie wykorzystania stacji radarowych na platformach bezzałogowych, ocena integracji systemów sterowania i monitoringu oraz ogólnej sprawności systemów. W ramach programu ARCD Siły Powietrzne USA planuje opracowanie technologii niezbędnych do zwiększenia skuteczności wspólnych działań SMRK i UAV (zarówno schematy samolotów, jak i śmigłowców), a także algorytmów „płynnego” działania czujników wszystkich zaangażowanych platform, wymianę danych nawigacyjnych i danych o niektórych przeszkodach.
Wewnętrzny układ elementów mechanicznych, elektrycznych i elektronicznych SMRK SPINNER
Laboratorium Badawcze Armii Amerykańskiej ARL (Laboratorium Badawcze Armii) prowadzi eksperymenty w ramach swoich programów badawczych w celu oceny dojrzałości technologii. Na przykład ARL przeprowadza eksperymenty, które oceniają zdolność w pełni autonomicznego SMRK do wykrywania i unikania poruszających się samochodów i ludzi w ruchu. Ponadto Centrum Broni Kosmicznej i Morskiej Marynarki Wojennej USA prowadzi badania nad nowymi technologiami robotów i powiązanymi kluczowymi rozwiązaniami technicznymi, w tym autonomicznym mapowaniem, unikaniem przeszkód, zaawansowanymi systemami komunikacji oraz wspólnymi misjami SMRK i UAV.
Wszystkie te eksperymenty przy jednoczesnym udziale kilku platform naziemnych i powietrznych przeprowadzane są w realistycznych warunkach zewnętrznych, charakteryzujących się złożonym ukształtowaniem terenu i zestawem realistycznych zadań, podczas których oceniane są możliwości wszystkich komponentów i systemów. W ramach tych programów pilotażowych (i powiązanej strategii technologicznej) na rzecz rozwoju zaawansowanych SMRC określono następujące kierunki maksymalizacji zwrotu z przyszłych inwestycji:
- rozwój technologii zapewni podstawę technologiczną dla podsystemów i komponentów oraz odpowiednią integrację z prototypami SMRK w celu testowania wydajności;
- wiodące firmy w tym obszarze opracują zaawansowane technologie niezbędne do poszerzenia zakresu robotyzacji, np. poprzez zwiększenie zasięgu SMRK oraz zwiększenie zasięgu kanałów komunikacyjnych; oraz
- program ograniczania ryzyka zapewni rozwój zaawansowanych technologii dla konkretnego systemu i pozwoli przezwyciężyć niektóre problemy technologiczne.
Dzięki rozwojowi tych technologii, SMRK są potencjalnie w stanie zapewnić rewolucyjny krok naprzód w sferze wojskowej, ich użycie zmniejszy straty ludzkie i zwiększy skuteczność bojową. Jednak aby to osiągnąć, muszą umieć pracować samodzielnie, w tym wykonywać złożone zadania.
Przykład uzbrojonego SMRK. AVANTGUARD izraelskiej firmy G-NIUS Bezzałogowe Systemy Naziemne
Zaawansowany modułowy system robotyczny MAARS (Modular Advanced Armed Robotic System), uzbrojony w karabin maszynowy i granatniki
Opracowany przez NASA SMRK GROVER na zaśnieżonym terenie
Wymagania techniczne dla zaawansowanych SMRK
Zaawansowane SMRK są zaprojektowane i opracowane z myślą o misjach wojskowych i działają głównie w niebezpiecznych warunkach. Obecnie wiele krajów prowadzi badania i rozwój w dziedzinie zrobotyzowanych systemów bezzałogowych, zdolnych do pracy w większości przypadków w trudnym terenie. Nowoczesne SMRK mogą przesyłać do operatora sygnały wideo, informacje o przeszkodach, celach i innych interesujących z taktycznego punktu widzenia zmiennych, czy w przypadku najbardziej zaawansowanych systemów podejmować całkowicie niezależne decyzje. W rzeczywistości systemy te mogą być półautonomiczne, gdy wykorzystywane są dane nawigacyjne wraz z danymi z czujników pokładowych i zdalnymi poleceniami operatora w celu określenia trasy. W pełni autonomiczny pojazd sam wyznacza swój kurs, wykorzystując jedynie czujniki pokładowe do opracowania trasy, ale jednocześnie operator zawsze ma możliwość podjęcia niezbędnych konkretnych decyzji i przejęcia kontroli w sytuacjach krytycznych lub w przypadku awarii do maszyny.
Współczesne SMRK potrafią dziś szybko wykrywać, identyfikować, lokalizować i neutralizować wiele rodzajów zagrożeń, w tym aktywność wroga w warunkach promieniowania, skażenia chemicznego czy biologicznego na różnego rodzaju terenach. Podczas opracowywania nowoczesnego SMRK głównym problemem jest stworzenie funkcjonalnie efektywnego projektu. Kluczowe kwestie obejmują konstrukcję mechaniczną, zestaw czujników pokładowych i systemów nawigacyjnych, interakcję człowiek-robot, mobilność, komunikację oraz zużycie energii/energii.
Wymagania dotyczące interakcji robot-człowiek obejmują wysoce złożone interfejsy człowiek-maszyna, dlatego też należy opracować multimodalne rozwiązania techniczne zapewniające bezpieczne i przyjazne interfejsy. Nowoczesna technologia interakcji robot-człowiek jest bardzo złożona i będzie wymagała wielu testów i ocen w realistycznych warunkach pracy, aby osiągnąć dobry poziom niezawodności, zarówno w interakcji człowiek-robot, jak i interakcji robot-robot.
Uzbrojony SMRK opracowany przez estońską firmę MILREM
Celem projektantów jest pomyślne opracowanie SMRK zdolnego do wykonywania swoich zadań w dzień iw nocy w trudnym terenie. Aby osiągnąć maksymalną wydajność w każdej konkretnej sytuacji, SMRK powinien być w stanie poruszać się po wszystkich rodzajach terenu z przeszkodami z dużą prędkością, z dużą zwrotnością i szybką zmianą kierunku bez znacznego zmniejszenia prędkości. Parametry projektowe związane z mobilnością obejmują również charakterystyki kinematyczne (przede wszystkim zdolność do utrzymywania kontaktu z podłożem w każdych warunkach). SMRK ma oprócz tej zalety, że nie ma ograniczeń właściwych człowiekowi, ale także wadę polegającą na konieczności integracji złożonych mechanizmów, które mogą zastąpić ruchy człowieka. Wymagania projektowe dotyczące osiągów jazdy muszą być zintegrowane z technologią wykrywania, a także rozwojem czujników i oprogramowania, aby uzyskać dobrą mobilność i zdolność omijania różnego rodzaju przeszkód.
Jednym z niezwykle ważnych wymagań dla wysokiej mobilności jest umiejętność korzystania z informacji o środowisku naturalnym (wspinaczki, roślinność, skały czy woda), obiektach stworzonych przez człowieka (mosty, drogi czy budynki), pogodzie i przeszkodach wroga (pola minowe lub przeszkody).. W tym przypadku staje się możliwe określenie własnych pozycji i pozycji wroga, a poprzez zastosowanie znacznej zmiany prędkości i kierunku znacznie zwiększają się szanse SMRK na przeżycie pod ostrzałem wroga. Takie parametry techniczne pozwalają na opracowanie uzbrojonego SMRK rozpoznawczego zdolnego do wykonywania zadań rozpoznawczych, obserwacyjnych i celowania, misji ogniowych w obecności kompleksu uzbrojenia, a także zdolnego do wykrywania zagrożeń dla celów samoobrony (miny, systemy uzbrojenia wroga itp.).
Wszystkie te zdolności bojowe muszą być wdrażane w czasie rzeczywistym, aby uniknąć zagrożeń i zneutralizować wroga za pomocą własnej broni lub kanałów komunikacji z systemami zdalnego uzbrojenia. Niezwykle ważna jest duża mobilność oraz zdolność do lokalizowania i śledzenia celów wroga oraz aktywności w trudnych warunkach bojowych. Wymaga to opracowania inteligentnego SMRK zdolnego do śledzenia aktywności wroga w czasie rzeczywistym dzięki wbudowanym złożonym algorytmom rozpoznawania ruchów.
Zaawansowane możliwości, w tym czujniki, algorytmy fuzji danych, proaktywna wizualizacja i przetwarzanie danych, są niezbędne i wymagają nowoczesnej architektury sprzętowej i programowej. Podczas wykonywania zadania w nowoczesnym SMRK do oszacowania lokalizacji wykorzystuje się system GPS, bezwładnościową jednostkę pomiarową oraz bezwładnościowy system nawigacji.
Korzystając z danych nawigacyjnych uzyskanych dzięki tym systemom, SMRK może samodzielnie poruszać się zgodnie z poleceniami programu pokładowego lub systemu zdalnego sterowania. Jednocześnie SMRK jest w stanie w krótkich odstępach czasu przesyłać dane nawigacyjne do stacji zdalnego sterowania, dzięki czemu operator wie o jej dokładnej lokalizacji. W pełni autonomiczne SMRK mogą planować swoje działania, a do tego bezwzględnie konieczne jest opracowanie trasy wykluczającej kolizje, przy jednoczesnej minimalizacji tak podstawowych parametrów jak czas, energia i odległość. Do wytyczenia optymalnej trasy i jej korekty można wykorzystać komputer nawigacyjny i komputer z informacjami (do skutecznego wykrywania przeszkód można wykorzystać dalmierze laserowe i czujniki ultradźwiękowe).
Elementy prototypowego uzbrojonego SMRK opracowanego przez indyjskich studentów
Projektowanie systemów nawigacyjnych i komunikacyjnych
Kolejnym ważnym problemem w opracowaniu skutecznego SMRK jest zaprojektowanie systemu nawigacji/komunikacji. Cyfrowe kamery i czujniki są instalowane do wizualnego sprzężenia zwrotnego, podczas gdy systemy podczerwieni są instalowane do pracy w nocy; operator może zobaczyć obraz wideo na swoim komputerze i wysłać kilka podstawowych poleceń nawigacyjnych do SMRK (prawo/lewo, stop, do przodu) w celu skorygowania sygnałów nawigacyjnych.
W przypadku w pełni autonomicznego SMRK systemy wizualizacji są integrowane z systemami nawigacyjnymi opartymi na mapach cyfrowych i danych GPS. Aby stworzyć w pełni autonomiczny SMRK, dla takich podstawowych funkcji jak nawigacja, konieczna będzie integracja systemów percepcji warunków zewnętrznych, planowania trasy i kanału komunikacyjnego.
Podczas gdy integracja systemów nawigacyjnych dla pojedynczego SMRK jest na zaawansowanym etapie, opracowanie algorytmów planowania jednoczesnej pracy kilku SMRK i wspólnych zadań SMRK i UAV jest na wczesnym etapie, ponieważ bardzo trudno jest ustalić interakcję komunikacyjną między kilka systemów robotycznych jednocześnie. Trwające eksperymenty pomogą określić, jakie częstotliwości i zakresy częstotliwości są potrzebne oraz w jaki sposób wymagania będą się różnić dla konkretnego zastosowania. Po określeniu tych cech, możliwe będzie opracowanie zaawansowanych funkcji i oprogramowania dla kilku zrobotyzowanych maszyn.
Bezzałogowy śmigłowiec K-MAX transportuje pojazd zrobotyzowany SMSS (Squad Mission Support System) podczas testów autonomii; podczas gdy pilot był w kokpicie K-MAX, ale go nie kontrolował
Środki łączności są bardzo ważne dla funkcjonowania SMRK, ale rozwiązania bezprzewodowe mają dość istotne wady, ponieważ nawiązana łączność może zostać utracona z powodu zakłóceń związanych z terenem, przeszkodami lub działaniem elektronicznego systemu tłumienia przeciwnika. Ostatnie osiągnięcia w systemach komunikacji maszyna-maszyna są bardzo interesujące, a dzięki tym badaniom można stworzyć niedrogie i skuteczne urządzenia do komunikacji między platformami robotów. Standard dla specjalnej komunikacji krótkiego zasięgu DRSC (Dedicated Short-Range Communication) będzie stosowany w rzeczywistych warunkach do komunikacji pomiędzy SMRK oraz pomiędzy SMRK i UAV. Dużo uwagi poświęca się obecnie zapewnieniu bezpieczeństwa komunikacji w operacjach sieciocentrycznych, dlatego przyszłe projekty z zakresu systemów załogowych i niezamieszkanych powinny być oparte na zaawansowanych rozwiązaniach zgodnych ze wspólnymi standardami interfejsów.
Obecnie wymagania dotyczące krótkoterminowych zadań o niskim poborze mocy są w dużej mierze spełnione, ale występują problemy z platformami wykonującymi długoterminowe zadania o wysokim poborze mocy, w szczególności jednym z najbardziej palących problemów jest streaming wideo.
Paliwo
Opcje dotyczące źródeł energii zależą od rodzaju systemu: dla małych SMRK źródłem energii może być zaawansowany akumulator, ale dla większych SMRK paliwo konwencjonalne może generować niezbędną energię, co umożliwia realizację systemu z elektrycznym silnik-generator lub hybrydowy elektryczny układ napędowy nowej generacji. Najbardziej oczywistymi czynnikami wpływającymi na dostawy energii są warunki środowiskowe, waga i wymiary maszyny oraz czas realizacji zadania. W niektórych przypadkach system zasilania musi składać się z układu paliwowego jako głównego źródła i akumulatora (ograniczona widoczność). Dobór odpowiedniego rodzaju energii zależy od wszystkich czynników, które wpływają na wykonanie zadania, a źródło energii musi zapewniać wymaganą mobilność, nieprzerwane działanie systemu łączności, zestawu czujników oraz kompleksu uzbrojenia (jeśli występuje).
Ponadto konieczne jest rozwiązywanie problemów technicznych związanych z poruszaniem się w trudnym terenie, percepcją przeszkód oraz samokorektą błędnych działań. W ramach nowoczesnych projektów opracowano nowe zaawansowane technologie robotyczne dotyczące integracji czujników pokładowych i przetwarzania danych, wyboru trasy i nawigacji, wykrywania, klasyfikacji i omijania przeszkód, a także eliminacji błędów związanych z utratą łączności i destabilizacja platformy. Autonomiczna nawigacja terenowa wymaga od pojazdu rozróżniania terenu, w tym orografii 3D terenu (opisu terenu) oraz identyfikacji przeszkód, takich jak skały, drzewa, stojące zbiorniki wodne itp. Ogólne możliwości stale rosną i już dziś możemy mówić o wystarczająco wysokim poziomie definicji obrazu terenu, ale tylko w dzień i przy dobrej pogodzie, ale możliwości platform robotycznych w nieznanej przestrzeni i przy złej pogodzie warunki są nadal niewystarczające. W związku z tym DARPA prowadzi kilka eksperymentalnych programów, w których możliwości platform robotycznych są testowane w nieznanym terenie, przy każdej pogodzie, w dzień iw nocy. Program DARPA, zwany Applied Research in AI (Applied Research in Artificial Intelligence), zajmuje się badaniem inteligentnego podejmowania decyzji i innymi zaawansowanymi rozwiązaniami technologicznymi dla systemów autonomicznych do konkretnych zastosowań w zaawansowanych systemach robotycznych, a także opracowywaniem algorytmów autonomicznego uczenia wielu robotów do wykonywania wspólne zadania, które pozwolą grupom robotów na automatyczne przetwarzanie nowych zadań i realokację ról między sobą.
Jak już wspomniano, warunki pracy i rodzaj zadania determinują projekt nowoczesnego SMRK, który jest platformą mobilną z zasilaniem, czujnikami, komputerami i architekturą oprogramowania do percepcji, nawigacji, komunikacji, uczenia się/adaptacji, interakcji między robota i człowieka. W przyszłości będą one bardziej wielostronne, będą miały wyższy poziom unifikacji i interakcji, a także będą bardziej efektywne z ekonomicznego punktu widzenia. Szczególnie interesujące są systemy o modułowej ładowności, które umożliwiają dostosowanie maszyn do różnych zadań. W ciągu najbliższej dekady zrobotyzowane pojazdy oparte na otwartej architekturze staną się dostępne do działań taktycznych oraz ochrony baz i innej infrastruktury. Charakteryzować się będą znacznym poziomem jednorodności i autonomii, wysoką mobilnością oraz modułowymi systemami pokładowymi.
Technologia SMRK do zastosowań wojskowych szybko ewoluuje, co pozwoli wielu siłom zbrojnym usunąć żołnierzy z niebezpiecznych zadań, w tym wykrywania i niszczenia IED, rozpoznania, ochrony swoich sił, rozminowywania i wielu innych. Na przykład koncepcja brygadowych grup bojowych armii amerykańskiej, poprzez zaawansowane symulacje komputerowe, szkolenie bojowe i doświadczenie bojowe w świecie rzeczywistym, wykazała, że pojazdy zrobotyzowane poprawiły przeżywalność załogowych pojazdów naziemnych i znacznie poprawiły skuteczność bojową. Rozwój obiecujących technologii, takich jak mobilność, autonomia, wyposażenie w broń, interfejsy człowiek-maszyna, sztuczna inteligencja dla systemów robotycznych, integracja z innymi systemami SMRK i załogowymi, zapewni wzrost możliwości niezamieszkanych systemów naziemnych i ich poziomu autonomia.
Rosyjski kompleks robotów perkusyjnych Platform-M opracowany przez NITI „Postęp”
