侯軍占，張衛(wèi)國，龐 瀾，楊 光，張夏疆，徐曉楓，黃維東

(西安應(yīng)用光學(xué)研究所，陜西 西安 710065)

引言

隨著科技的發(fā)展，無人平臺在軍事作戰(zhàn)、反恐維穩(wěn)、搶險救災(zāi)等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并呈現(xiàn)出其獨特的優(yōu)勢。究其原因是無人平臺可替代作戰(zhàn)人員完成特殊作戰(zhàn)任務(wù)，還可有效降低人員傷亡。其中，小型無人機和小型無人車作為一種便攜的偵察手段將起到重要的作用。但對于某些工作場合，無人車執(zhí)行的能力是無人機所不具備的，尤其是受限制的空間和環(huán)境，無人機難以近距離觀察或接近目標，這時地面無人車具有的便攜性、隱蔽性、靈活性得到充分體現(xiàn)。如城市作戰(zhàn)時，無人車可破窗而入進行偵察和作戰(zhàn)，車底危險物檢測時，無人車采用麥克納姆輪可輕松通過車底，坑道和受損建筑內(nèi)部環(huán)境，無人車可進行搜救工作；叢林環(huán)境下，單兵攜帶無人車可進行前突和排爆，無人車安裝炸藥或者武器還可對目標進行毀傷。鑒于以上優(yōu)點，國外在地面小型無人車領(lǐng)域很早就開展了研究工作。

近幾年，國外在地面小型無人平臺領(lǐng)域取得了顯著的成果，在軍民領(lǐng)域已有大量的應(yīng)用。已具備了半自主行進能力，能夠完成環(huán)境觀察、地圖測繪、人員偵察、危險品拆除等工作，并且小型無人車攜帶槍械武器后還能對敵先行攻擊。鑒于此，小型無人車在國內(nèi)也越來越受到關(guān)注，相關(guān)企業(yè)院所正在開展無人車技術(shù)的研究和相關(guān)產(chǎn)品的研制工作。本文分析了國內(nèi)外小型無人車的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用情況，探討了其功能特點，提出了小型無人車今后的發(fā)展趨勢及需解決的關(guān)鍵技術(shù)。

1 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1.1 國外研究現(xiàn)狀

美國、以色列、法國和瑞士等國家一直在致力于地面小型無人車的研發(fā)，并取得了顯著的成果，尤其是美國在地面小型無人車領(lǐng)域處于世界前沿。如美國iRobot公司研制了 PACKBOT無人車[1-2]，配置有4個攝像頭，并且在機械手臂上還安裝有攝像頭，如圖1 所示。其在搜索坑道、建筑物、以及探測和清除地雷的行動中發(fā)揮了重要的作用，并能夠在水深3 m的環(huán)境下工作，已參加了美軍在阿富汗和伊拉克的作戰(zhàn)行動。

圖1 iRobot公司研制的小型無人車Fig.1 Small UGV developed by iRobot company

美國海軍陸戰(zhàn)隊作戰(zhàn)實驗室與卡內(nèi)基梅隆大學(xué)聯(lián)合研制了Dragon Runner(龍行者)無人車[3-4]，其為一種四輪全驅(qū)的可抗高速沖擊的無人車，配置有4個攝像頭，適合在城市作戰(zhàn)環(huán)境中執(zhí)行偵察任務(wù)，已在伊拉克戰(zhàn)爭中使用。龍行者重量僅為4.99 kg，能抵抗從3層樓高跌落的沖擊，上下樓梯，越障?？稍诩柴Y模式、警戒模式和監(jiān)視模式3種模式下執(zhí)行偵察任務(wù)。疾馳模式下可持續(xù)將圖像回傳操控人員；警戒模式下保持靜止不動，使用麥克風(fēng)和能偵測動靜的傳感器，如發(fā)現(xiàn)異常狀況，可給操控人員發(fā)出警報；監(jiān)視模式下保持靜止不動，將視頻持續(xù)傳回操控人員。

美國iRobot公司和SSC無人系統(tǒng)分公司開展了適合城市作戰(zhàn)的一系列袖珍投擲式無人車(ThrowBot)的研究與測試工作，包括六輪磚形、四輪磚形和有鰭反彈等多種無人車[5-6]，如圖2 所示。有鰭反彈無人車有較好的越障能力，方便安裝攝像頭，適合在非結(jié)構(gòu)化地形下的行進和偵察。

圖2 ThrowBot小型無人車Fig.2 ThrowBot small UGV

以色列ODF光電公司研發(fā)了一款可全天候工作的多功能偵察無人車Eye Drive[7-9]，如圖3 所示，質(zhì)量為3.5 kg，具有360°全向視覺和聲音感知。可通過窗戶或越墻部署，運動速度7 km/h，無線通信距離達300 m，工作時間為3 h。無人車倒置時，攝像頭可自動調(diào)整，顯示正確的圖像，適合于建筑物內(nèi)部環(huán)境的偵察感知。

圖3 以色列ODF光電公司研制的Eye Drive無人車Fig.3 Eye Drive UGV developed by Israel ODF company

新加坡 ST Kinetics公司研制了TTS和FSS偵察無人車[10]，如圖4 所示。由特戰(zhàn)人員隨身攜帶，并配備了紅外傳感器，可在晝夜環(huán)境下工作。雙輪TTS 用于室內(nèi)偵察時，可投擲到房間、狹窄區(qū)域，通信距離150 m。四輪無人車FSS能夠在室內(nèi)、室外碎石、沙子、巖石等多種地形環(huán)境中運動，并可以從6 m高度拋落。

圖4 新加坡ST Kinetics公司研制的 TTS和 FSS 無人車Fig.4 TTS and FSS UGV developed by Singapore ST Kinetics company

法國NEXTER公司研制了一款小型智能偵察無人車NERVA-LG[11]。NERVA-LG是一款通用性移動平臺，車身周邊配置4個攝像頭，可實現(xiàn)360°全景偵察。此外，該無人車采用了模塊化設(shè)計，可搭載20多種任務(wù)載荷(如可見光攝像頭、紅外攝像機、激光雷達、音頻探測器、排爆防暴槍、生化探測器等)，用于反恐、消防、防化、排爆、防輻射、地圖測繪等工作。平臺質(zhì)量小于6 kg，可在水面行進，陸地要點巡視、活物檢測等。通過門窗拋擲進入室內(nèi)，可進行室內(nèi)環(huán)境的偵察感知，如圖5 所示。

圖5 法國NXTER公司研制的NERVA-LG無人車Fig.5 NERVA-LG UGV developed by France NXTER company

1.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

國內(nèi)在地面小型無人車方面的研究起步較晚，開展研究工作的高校主要有哈爾濱工業(yè)大學(xué)、南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、東南大學(xué)等。但總體來說，院校在地面小型無人車的領(lǐng)域處于實驗室研究階段，技術(shù)水平尚未達到實戰(zhàn)應(yīng)用階段。國內(nèi)開展小型地面無人車研制工作的部分企業(yè)主要有北京晶品特裝科技有限責任公司[12]、哈工大機器人集團[13]、南京聚特機器人技術(shù)有限公司[14]等。

北京晶品特裝科技有限責任公司研制了輪履排爆無人車(JP REOD400)、輪履偵察無人車(JP RS16)、以及投拋式偵察無人車(JP RM14)，如圖6 所示。其中，JP REOD400無人車配備有7個攝像頭，具有多視角顯示能力，紅外夜視距離≥30 m，低照度下可自動開啟紅外照明。JP RS16前置攝像頭具有俯仰功能，并配置多組紅外燈模塊，可實現(xiàn)晝夜環(huán)境下的大視角偵察。JP RM14可拋投于建筑內(nèi)或狹小空間執(zhí)行偵察任務(wù)，并配備有紅外光模塊，可實現(xiàn)晝夜偵察。以上產(chǎn)品可用于城市反恐、隱蔽偵察等場合。

圖6 北京晶品特裝研制的小型偵察無人車Fig.6 Small UGV developed by Beijing Jingpin Tezhuang

哈工大機器人集團開發(fā)了地面無人偵察車，但主要以大中型地面無人偵察車為主，一些小型的無人車如圖7所示。包括小型偵察排爆無人車(車身配備有4組攝像頭，機械臂也配備有攝像頭)、輪式車底盤檢查無人車(車頂配置有攝像頭，具有高分辨率圖像顯示及可疑點局部放大功能)、武裝打擊無人車(車身配備有4組攝像頭，槍用光瞄系統(tǒng)配有高分辨率攝像頭)等。以上產(chǎn)品可用于邊境巡邏、城市反恐等領(lǐng)域。

圖7 哈工大機器人集團研制的地面小型偵察無人車Fig.7 Small UGV developed by HRG

南京聚特機器人技術(shù)有限公司針對地面小型偵察無人車開展了研究工作，研制了圖8 所示兩款小型無人車。其中，兩輪無人車具備視頻和語音采集功能，采用智能終端遙控，可適用于建筑物內(nèi)部或者狹小空間偵察的需求，履帶式無人車也配置有攝像頭和聲音傳感器，執(zhí)行排爆和探測任務(wù)，以上產(chǎn)品可用于武警、消防等危險場所的偵察。

圖8 南京聚特研制的地面小型偵察無人車Fig.8 Small UGV developed by Nanjing Uni-Specialized

從國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀來看，國外在地面小型無人車領(lǐng)域走在前列，并且在軍民領(lǐng)域已有大量的應(yīng)用，甚至作戰(zhàn)場合下進行了實地考驗，在智能化程度、可靠性、操控性等方面具有明顯的優(yōu)勢。與國外相比，國內(nèi)研制的地面小型偵察無人車在功能及性能(工程化、模塊化、輕量化、通用性、操控性)等方面還處于較低的水平，有待于進一步提升，裝備較少。

2 地面小型無人偵察平臺的組成及功能特點

2.1 地面小型無人偵察平臺的組成

根據(jù)國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀以及使用需求可知，地面小型無人偵察平臺主要由行走系統(tǒng)、感知系統(tǒng)、車控系統(tǒng)、顯控系統(tǒng)和任務(wù)載荷等幾部分組成，如圖9 所示。無人平臺內(nèi)部傳感器主要包含有：任務(wù)管理板、圖像處理板、力矩電機、輪胎/履帶、電池、天線、攝像頭、GPS、IMU等。

圖9 地面小型無人偵察平臺組成Fig.9 Composition of small UGV

2.2 地面小型無人偵察平臺的功能特點

地面小型無人偵察平臺的主要功能及特點如下：

1) 體積小，質(zhì)量輕，便于單兵攜帶，能夠從門窗、破洞等進入室內(nèi)、或者通過門窗拋入室內(nèi)，需具備良好的抗沖擊性能；

2) 具備良好的運動能力，除了能夠在平地快速行進外，還應(yīng)能夠攀爬樓梯、越過低矮障礙物等；

3) 具備一定的自主行進能力，無人平臺通過自身攜帶的光電、音頻、超聲波等傳感器對環(huán)境感知，自主行進和監(jiān)視，并將目標狀態(tài)數(shù)據(jù)和環(huán)境信息通過無線通信模塊回傳操控人員，由操控人員做出決策；

4) 通過搭載光電載荷可構(gòu)建環(huán)境地圖，完成實時避障、導(dǎo)航、目標跟蹤、路徑規(guī)劃以及其他任務(wù)；

5) 通過搭載槍械、排爆等武器設(shè)備完成對危險人員的打擊和爆炸物的檢測及排爆等。

3 地面小型無人偵察平臺的發(fā)展趨勢及關(guān)鍵技術(shù)探討

3.1 地面小型無人偵察平臺的發(fā)展趨勢

小型地面無人偵察平臺通常是在未知或者非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中工作，且在操控人員視線之外，因此，具有局部自主能力的智能化無人偵察平臺將具有廣闊的應(yīng)用前景，是未來無人平臺的主要研究方向。隨著科技的進步，新材料的應(yīng)用，網(wǎng)絡(luò)化、智能化、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，未來地面小型無人平臺的發(fā)展將更多趨于以下幾個方面。

1) 智能化。開展基于多傳感器的環(huán)境感知和控制研究，在無先驗地圖環(huán)境下能夠完成環(huán)境地圖構(gòu)建、實時避障、導(dǎo)航等任務(wù)。開展人工智能、機器學(xué)習(xí)等方面的研究工作，能夠?qū)θ藛T等典型目標進行識別與跟蹤，使無人平臺具備更高的智能化。

2) 模塊化。采用通用化的接口設(shè)計，能夠根據(jù)不同的使用環(huán)境搭載不同的模塊化載荷，同時開發(fā)模塊化可見光載荷、模塊化紅外光載荷、模塊化多波段光電載荷等，執(zhí)行偵察、搜救、檢測等任務(wù)，滿足產(chǎn)品多樣化和低成本的需求。

3) 基于移動網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸。對于地面無人平臺，采用傳統(tǒng)的無線傳輸(目前多數(shù)采用2.4 GHz傳輸技術(shù))距離受限，容易受到阻擋。軍用或民用4G/5G移動網(wǎng)絡(luò)(公網(wǎng)/專網(wǎng))，具備圖像及視頻數(shù)據(jù)傳輸能力，可實現(xiàn)專網(wǎng)/公網(wǎng)無縫切換，達到通信無盲區(qū)的效果，擺脫地面站控制距離的限制，借助移動通信網(wǎng)絡(luò)還可跨地域工作[15]。

4) 環(huán)境適應(yīng)性。開展結(jié)構(gòu)形式優(yōu)化、新型驅(qū)動方式和新型輕質(zhì)材料的應(yīng)用研究，以適應(yīng)高低溫環(huán)境、水中、陸地、砂石、臺階等各種非結(jié)構(gòu)化地形的使用，并且滿足單兵便攜可靠使用的需求。

5) 平臺集群化。單一無人平臺難以適應(yīng)復(fù)雜多變的戰(zhàn)場環(huán)境，無法及時有效地完成指定任務(wù)。為同時滿足偵察、打擊、監(jiān)視、排爆等多任務(wù)的執(zhí)行能力，未來無人平臺將向集群化方向發(fā)展，并借助于模塊化設(shè)計，根據(jù)作戰(zhàn)需求選裝不同的任務(wù)載荷，快速提升系統(tǒng)的偵察打擊能力。

3.2 地面小型無人偵察平臺的關(guān)鍵技術(shù)探討

根據(jù)地面小型無人偵察平臺的發(fā)展趨勢可知，現(xiàn)階段及未來幾年地面小型無人偵察平臺需要解決以下幾方面的關(guān)鍵技術(shù)問題：

3.2.1 無人平臺系統(tǒng)集成及工程化設(shè)計

地面小型無人偵察平臺具有體積小、質(zhì)量輕的特點，是一個高度集成的系統(tǒng)，包括電路板集成、傳感器集成、結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、高性能輕質(zhì)材料以及復(fù)合材料的應(yīng)用等。因此，為滿足使用需求，系統(tǒng)集成以及工程化設(shè)計是面臨的首要問題，這需要從高性能嵌入式計算機模塊、圖像處理模塊、零部件優(yōu)化、材料優(yōu)選、試制加工、裝配工藝、伺服電機及控制器等設(shè)計入手，使所設(shè)計的無人平臺整機性能最優(yōu)，滿足不同環(huán)境對無人平臺功能的需求。

3.2.2 基于多傳感器信息融合的無人平臺導(dǎo)航與定位技術(shù)

自主導(dǎo)航和定位可用于提升無人平臺的自主化與智能化水平，涉及的技術(shù)有：傳感器信息融合、地圖重建、路徑規(guī)劃和障礙物躲避算法等。地面小型無人平臺主要是在室內(nèi)、室外兩種環(huán)境下使用，在室外環(huán)境下研究的重點主要是基于GPS、IMU、電子羅盤等傳感器實現(xiàn)定位與導(dǎo)航。

室內(nèi)環(huán)境下，由于缺乏先驗地圖信息和GPS位置信息，大大增加了導(dǎo)航與定位技術(shù)應(yīng)用的難度。因此在室內(nèi)無先驗地圖情況下，自主路徑規(guī)劃和障礙物躲避算法是技術(shù)難題。目前比較成熟的方案有激光雷達、單目視覺、雙目視覺等SLAM技術(shù)(同時定位與建圖技術(shù))[16]。視覺SLAM技術(shù)相對于其他技術(shù)，采用的是視覺傳感器，具有被動式獲取、精度高、圖像直觀、硬件成本低、數(shù)據(jù)量大等特點，基于雙目視覺、里程計、IMU等傳感器的無人平臺定位與導(dǎo)航等是需要突破的關(guān)鍵技術(shù)之一。

3.2.3 目標識別算法加速優(yōu)化及其在嵌入式平臺的應(yīng)用技術(shù)

目前的識別算法在工程化應(yīng)用中，難于兼顧處理實時性和識別精確性。地面小型無人平臺所能提供的空間和能耗有限，無法使用大型運算設(shè)備，因此需要使用計算能力有限的嵌入式設(shè)備來完成深度學(xué)習(xí)，滿足地面小型無人平臺目標識別時的實時性要求。目前主流的識別算法有SSD、YOLO、RCNN等[17-18]，但需要優(yōu)化深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，精簡網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，應(yīng)用多線程技術(shù)，更換更高效的網(wǎng)絡(luò)框架等，從軟件方面提升識別處理速度。此外，還需要開展高性能嵌入式處理系統(tǒng)(如ARM+GPU架構(gòu))的應(yīng)用技術(shù)研究，發(fā)揮GPU單元和深度學(xué)習(xí)加速器的強大處理能力，從硬件方面提升識別處理能力。

3.2.4 模塊化小型化多波段光電載荷設(shè)計技術(shù)

地面無人平臺由于受體積質(zhì)量的限制，難以布置多種光電傳感器，而采用模塊化接口設(shè)計，可為模塊化載荷的安裝預(yù)留空間，滿足無人平臺在多種環(huán)境下的作業(yè)需求。目前無人平臺用于監(jiān)視偵察時，安裝的偵察裝備主要是可見光或紅外光載荷。受限于載荷的體積質(zhì)量指標要求，還缺少同時集成兩種及以上波段的小型化光電載荷，以滿足產(chǎn)品多樣化和低成本的需求。這就需要綜合考慮傳感器集成化(可見光/紅外、視頻處理板、伺服控制板、慣性傳感器、電源模塊等)、結(jié)構(gòu)布局優(yōu)化、電源功耗等眾多問題。因此，模塊化小型化多波段光電載荷是無人車偵察裝備研究的重點。

3.2.5 集群分布式多無人平臺協(xié)同控制技術(shù)

地面無人平臺集群技術(shù)通常借鑒自組織機制，使能力有限的多個獨立的無人平臺，通過相互信息交互產(chǎn)生協(xié)作效應(yīng)，并根據(jù)任務(wù)需求，環(huán)境情況以及目標危險等級，優(yōu)化單體分工，選派最佳任務(wù)單體或組合完成任務(wù)，提升整體的作戰(zhàn)效能。這就需要在無人平臺集群組網(wǎng)與信息傳輸技術(shù)、無人平臺任務(wù)規(guī)劃與協(xié)同控制技術(shù)，無人平臺集群協(xié)同態(tài)勢感知技術(shù)等方面開展深入的研究工作。

4 結(jié)束語

針對地面小型無人偵察平臺，介紹了其在國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和技術(shù)水平，分析了無人平臺組成及其具備的典型功能特點(便攜性、隱蔽性、靈活性)，明確了地面小型無人平臺未來的發(fā)展趨勢(模塊化、智能化、集群化)?；跓o人平臺的應(yīng)用需求，功能特點和發(fā)展趨勢，提出了系統(tǒng)集成及工程化設(shè)計，基于多傳感器信息融合的無人平臺導(dǎo)航與定位，目標識別算法加速優(yōu)化及其在嵌入式平臺的應(yīng)用，模塊化小型化多波段光電載荷設(shè)計、集群分布式多無人平臺協(xié)同控制等關(guān)鍵技術(shù)問題，也是地面小型無人偵察平臺的重點發(fā)展方向。