關(guān)泰紅，辛連勇，趙 磊，李 誼*，曹小勇*

（1.聯(lián)勤保障部隊(duì)第988 醫(yī)院，鄭州 450042；2.河南樸名信息科技有限公司，鄭州 450043）

0 引言

隨著人工智能（artificial intelligence，AI）為代表的新技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)作戰(zhàn)方式逐步呈現(xiàn)無人化、自主化、人機(jī)協(xié)同化等特征，戰(zhàn)傷發(fā)生逐漸呈點(diǎn)多、數(shù)頻、傷重、隨機(jī)性大等趨勢(shì)，衛(wèi)勤保障面臨新的挑戰(zhàn)[1]。為適應(yīng)戰(zhàn)創(chuàng)傷救治時(shí)效需求、提高衛(wèi)勤保障效能、降低衛(wèi)勤人員危險(xiǎn)，自主移動(dòng)機(jī)器人（autonomous mobile robot，AMR）成為世界各國(guó)衛(wèi)勤裝備智能化、無人化方向發(fā)展的重要助力[2-4]。AMR 是一種在非結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境中通過自身感知對(duì)周圍環(huán)境做出有目的運(yùn)動(dòng)的自動(dòng)或半自動(dòng)機(jī)器[5]，區(qū)別于履帶式、足式移動(dòng)機(jī)器人，輪式移動(dòng)機(jī)器人（wheeled mobile robot，WMR）通過驅(qū)動(dòng)輪子的方式實(shí)現(xiàn)自身移動(dòng)，自1969 年美國(guó)斯坦福國(guó)際研究所（Stanford Research Institute，SRI）成功研制世界首臺(tái)WMR Shakey 以來，WMR因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、機(jī)動(dòng)靈活、承載較大、效能較高等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為AMR 的主要形式[6]，被大量應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、空間探索和軍事領(lǐng)域等[7]。目前外軍列裝的衛(wèi)勤保障多用途W(wǎng)MR 以火線傷員快速后送和轉(zhuǎn)運(yùn)為主，未來戰(zhàn)場(chǎng)全范圍、高感知、自協(xié)同、長(zhǎng)續(xù)航救援能力研發(fā)將成為重點(diǎn)[8-12]。現(xiàn)總結(jié)分析國(guó)內(nèi)外WMR 的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向，以期為我國(guó)衛(wèi)勤保障WMR 研發(fā)提供參考。

1 WMR 發(fā)展路線

自世界首臺(tái)WMR Shakey 誕生至今，已歷經(jīng)50余年，其發(fā)展路線可從2 個(gè)方向追溯：一是機(jī)器人智能化的發(fā)展出現(xiàn)3 個(gè)高潮期。第一高潮期是20 世紀(jì)70 年代初至80 年代中，專家系統(tǒng)取得重大突破，可通過其內(nèi)部存儲(chǔ)的大量特定領(lǐng)域信息，模擬人類專家做出決策，避免計(jì)算機(jī)單一程序記憶控制，消除機(jī)器人重復(fù)錯(cuò)誤動(dòng)作，其研究成果主要應(yīng)用于WMR的視覺處理、路徑規(guī)劃和運(yùn)動(dòng)控制等。具有代表性的是美國(guó)機(jī)器人防務(wù)系統(tǒng)公司1984 年開始研發(fā)的Prowler 無人駕駛車，作為美軍首臺(tái)WMR 樣車，其系列無人車隨后開始應(yīng)用于戰(zhàn)場(chǎng)巡邏、偵察、掃雷等任務(wù)[13-14]，推動(dòng)了機(jī)器人智能步入研發(fā)高潮[15-16]。第二高潮期是20 世紀(jì)90 年代中至2010 年，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展助推了AI 技術(shù)不斷創(chuàng)新，促使WMR 的定位導(dǎo)航、信息交互和任務(wù)規(guī)劃等系統(tǒng)功能得到持續(xù)優(yōu)化，運(yùn)動(dòng)性能更加穩(wěn)定、實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)。2005 年，第二屆美國(guó)國(guó)防高級(jí)研究計(jì)劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）無人駕駛車輛挑戰(zhàn)賽中來自斯坦福大學(xué)的Stanley 奪冠，標(biāo)志著WMR 初具雛形[13，17]。第三高潮期是2011 年至今，機(jī)器人智能技術(shù)百花齊放，物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、泛在互聯(lián)等豐富了數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)、圖形處理器等創(chuàng)新了算法，深度學(xué)習(xí)、強(qiáng)化學(xué)習(xí)、機(jī)器視覺等技術(shù)突破了瓶頸，機(jī)器人智能迎來蓬勃發(fā)展的高潮。2019 年，我國(guó)首臺(tái)無人駕駛出租車在廣州街頭出現(xiàn)，推動(dòng)了我國(guó)智能汽車進(jìn)軍商業(yè)領(lǐng)域[18]。2021 年，我國(guó)“祝融號(hào)”火星車成功登陸火星，標(biāo)志著我國(guó)機(jī)器人研發(fā)水平與國(guó)際同步邁入新臺(tái)階[19-20]。二是移動(dòng)效能的發(fā)展出現(xiàn)2 次提升。第一次是轉(zhuǎn)向靈活性能提升。20 世紀(jì)70 年代以前，主要以球型輪的方式實(shí)現(xiàn)車輪全方位靈活移動(dòng)，但這種靈活度的實(shí)現(xiàn)建立在運(yùn)動(dòng)效率明顯下降的基礎(chǔ)上，限制了其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值[21-22]。1973 年，瑞典麥克納姆公司設(shè)計(jì)了一種全方位移動(dòng)輪-麥克納姆輪，該輪通過輪轂周邊一排繞輪轂軸公轉(zhuǎn)、借助地面摩擦力自轉(zhuǎn)的輥?zhàn)邮管囕喌撵`活性效能得到了質(zhì)的提升，受到各國(guó)學(xué)者青睞[21-22]。第二次是運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能提升。復(fù)雜地形下越障能力等穩(wěn)定控制問題一直制約著WMR 的發(fā)展，2006 年以來，隨著Denavit-Hartenberg（D-H）參數(shù)法和微分運(yùn)動(dòng)原理等構(gòu)建的運(yùn)動(dòng)方程的深入研究[23-24]，全地形移動(dòng)輪和變形輪開始出現(xiàn)，WMR 運(yùn)動(dòng)精度明顯提高，并在深空探測(cè)領(lǐng)域得到應(yīng)用，具有標(biāo)志意義的是2004 年美國(guó)“機(jī)遇號(hào)”成功登陸火星[25-26]。WMR 發(fā)展時(shí)間路線具體如圖1 所示。

圖1 WMR 發(fā)展路線圖

2 輪式移動(dòng)機(jī)器人在衛(wèi)勤保障中的應(yīng)用

軍用WMR 的研發(fā)始于20 世紀(jì)80 年代，當(dāng)時(shí)美國(guó)DARPA 啟動(dòng)了自主式地面車輛（autonomous land vehicle，ALV）項(xiàng)目，用于驗(yàn)證車輛自主行駛的可行性[27-29]。1987 年，ALV 樣車[如圖2（a）所示]在沙漠地帶以3 kg/h 的速度自主行駛了0.6 km，雖然移動(dòng)速度和環(huán)境適應(yīng)能力受限，但其自主能力得到了成功驗(yàn)證[27-29]。隨著機(jī)器人智能的發(fā)展，DARPA 又于20 世紀(jì)90 年代啟動(dòng)了Demo 系列研究計(jì)劃，2000年，其樣車DemoⅢB XUV[如圖2（b）所示]經(jīng)軍事演習(xí)驗(yàn)證表明，該車在城市“超越控制”地區(qū)的偵察、監(jiān)視和目標(biāo)搜索等方面作戰(zhàn)優(yōu)勢(shì)明顯[30]；隨后，DARPA于2004 年、2005 年和2007 年組織了3 次無人駕駛汽車挑戰(zhàn)賽，助推機(jī)器人智能水平、運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性能和環(huán)境適應(yīng)能力等得到大幅提升[31]，WMR 基本成形，助推軍用WMR 在全球范圍廣泛研發(fā)與應(yīng)用，并帶動(dòng)無人駕駛汽車在商業(yè)領(lǐng)域迅猛發(fā)展[32-33]。

圖2 早期軍用WMR 樣車

2.1 美軍衛(wèi)勤保障WMR

作為軍用無人地面車輛研究的發(fā)源地，美軍在研發(fā)衛(wèi)勤保障領(lǐng)域WMR 中處于引領(lǐng)地位。2000 年，美國(guó)陸軍在未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)（future combat system，F(xiàn)CS）計(jì)劃中率先提出了衛(wèi)勤保障無人輪式裝備[34]。2007年，洛克希德·馬丁公司研制的多功能通用/后勤和裝備（multifunction utility/logistics equipment，MULE）無人車[如圖3（a）所示]在越野能力演示中展示出較強(qiáng)的自主能力[34]。該車為多功能模塊化設(shè)計(jì)，可適應(yīng)戰(zhàn)場(chǎng)復(fù)雜環(huán)境，裝配運(yùn)輸模塊后可支持2 名傷員后送，曾在伊拉克戰(zhàn)爭(zhēng)中部署試用。同期，另外2 款比較矚目的無人車是卡耐基梅隆大學(xué)研發(fā)的Crusher[如圖3（b）所示]和美國(guó)陸軍研制的APD[如圖3（c）所示]，在極端環(huán)境下均表現(xiàn)出較強(qiáng)的戰(zhàn)場(chǎng)適應(yīng)性和潛在的傷員后送能力[35-36]。由于反恐戰(zhàn)略、技術(shù)、經(jīng)費(fèi)等因素，F(xiàn)CS 計(jì)劃于2009 年被迫取消，但前期形成的技術(shù)優(yōu)勢(shì)繼續(xù)推動(dòng)美國(guó)領(lǐng)先發(fā)展衛(wèi)勤保障WMR[35]。隨后，美軍在其機(jī)器人戰(zhàn)略規(guī)劃中指出，執(zhí)行傷員后送任務(wù)的機(jī)器人將在未來3～5 年內(nèi)投入應(yīng)用，這有助于在最惡劣的戰(zhàn)斗或危險(xiǎn)環(huán)境下將傷員立即后送和轉(zhuǎn)運(yùn)[35]。2013 年，洛克希德·馬丁公司研制的班組任務(wù)支援系統(tǒng)（squad mission support system，SMSS）無人車[如圖3（d）所示]經(jīng)阿富汗戰(zhàn)場(chǎng)試用評(píng)估后被美國(guó)陸軍正式采購(gòu)，成為第一代衛(wèi)勤保障WMR[37-38]。該車采用6×6 全地形輪式底盤，以渦輪增壓柴油發(fā)動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，有效載荷為540 kg，最高時(shí)速為24 km/h，最大續(xù)行里程達(dá)201 km；運(yùn)動(dòng)控制可在遙控、聲控和部分自主監(jiān)控3 種模式間切換；執(zhí)行傷員后送任務(wù)時(shí)，可通過貨艙底板和兩側(cè)折疊式平臺(tái)安裝3 副標(biāo)準(zhǔn)擔(dān)架，一次性運(yùn)送3 名臥位傷員。該車具有體積小巧、機(jī)動(dòng)靈活、載荷較大、自主性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。2019年，美國(guó)《防務(wù)新聞》周刊報(bào)道，根據(jù)合同，通用動(dòng)力公司生產(chǎn)的5 700 多臺(tái)多用途戰(zhàn)術(shù)運(yùn)輸車（multiutility tactical transport，MUTT）[如圖3（e）所示]將于2024 年列裝美陸軍[39]。該車設(shè)計(jì)8×8 全地形輪式底盤，采用油電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)；運(yùn)動(dòng)控制支持有線遙控及無線觸屏操控2 種模式；執(zhí)行傷員后送任務(wù)時(shí)，可通過貨艙底板同時(shí)運(yùn)送2 名臥位傷員；此外，根據(jù)保障需求，還可復(fù)合伴隨運(yùn)輸、火力支援、通信中繼等多種功能。該車具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、小巧靈活、承載較大、效能較高等優(yōu)點(diǎn)，主要性能指標(biāo)明顯優(yōu)于SMSS，成為頗具代表性的新一代衛(wèi)勤保障WMR[39-41]。

圖3 美軍衛(wèi)勤保障WMR

2.2 以色列軍隊(duì)衛(wèi)勤保障WMR

作為軍事立國(guó)的以色列，其軍隊(duì)向來重視人員的生存能力，在無人衛(wèi)勤支援裝備研發(fā)方面具有明顯的地區(qū)優(yōu)勢(shì)。2005 年，緊隨美軍FCS 計(jì)劃，以色列國(guó)防軍開始招標(biāo)研制無人地面車[42]。2008 年，承標(biāo)公司G-NIUS 研發(fā)的衛(wèi)士（Guardium）Mk1 無人車[如圖4（a）所示]裝備軍隊(duì)成為第一款軍用WMR，主要用于執(zhí)行邊境巡邏任務(wù)[42]；受美軍通用后勤裝備理念影響，G-NIUS 公司隨后推出的衛(wèi)士Mk2、Mk3[如圖4（b）所示]等無人車均加裝了車尾平臺(tái)，具備醫(yī)療后送能力[43]；另一款值得關(guān)注的WMR 是2016 年以色列流星宇航公司研制的出口型無人車蘭博[如圖4（c）所示]，其車尾平臺(tái)可根據(jù)不同任務(wù)安裝后勤、傷員后送和導(dǎo)彈發(fā)射器模塊[44]；伴隨無人駕駛汽車技術(shù)快速發(fā)展和美軍新一代衛(wèi)勤保障WMR 催化，2021年，以色列埃爾比特系統(tǒng)公司和軍用機(jī)器人系統(tǒng)公司聯(lián)合研發(fā)的6×6 全地形多用途無人車Jaguar[如圖4（d）所示]部署加沙邊境使用[45]。該車采用油電混合動(dòng)力驅(qū)動(dòng)，最高時(shí)速可達(dá)30km/h；在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，可實(shí)現(xiàn)0 半徑轉(zhuǎn)彎，具備全天時(shí)運(yùn)行能力；在運(yùn)動(dòng)控制方面，支持1 km 范圍內(nèi)無線觸屏操控；此外，貨艙底板接口可安放2 副標(biāo)準(zhǔn)軍用擔(dān)架，主要用于后送傷員和補(bǔ)給運(yùn)送。2022 年，以色列軍隊(duì)預(yù)部署航空航天工業(yè)（Israel Aerospace Industries，IAI）公司最新生產(chǎn)的REX MKⅡ無人車[如圖4（e）所示]在加沙邊境配合Jaguar 使用[46]。該車采用4×4 油電混合全輪驅(qū)動(dòng)，最大承載1 300 kg，具備傷員后送、物資運(yùn)輸、情報(bào)收集等多種用途，搭載12.7 mm 機(jī)槍后，可與空中無人機(jī)實(shí)施聯(lián)合自主攻擊，戰(zhàn)場(chǎng)實(shí)用性較Jaguar 更強(qiáng)，因此受到人權(quán)專家的批評(píng)。

圖4 以色列衛(wèi)勤保障WMR

2.3 德國(guó)軍隊(duì)衛(wèi)勤保障WMR

作為歐洲老牌工業(yè)強(qiáng)國(guó)，德國(guó)無人車研究和應(yīng)用目前處于世界領(lǐng)先地位[47]。21 世紀(jì)初，德國(guó)羅博瓦奇技術(shù)公司聯(lián)合迪爾防務(wù)公司推出的Asendro 無人車[如圖5（a）所示]成為德國(guó)第一代軍用AMR，該車外形尺寸為920 mm×400 mm×200 mm（長(zhǎng)×寬×高），總質(zhì)量達(dá)65 kg，比較適合狹小復(fù)雜空間運(yùn)動(dòng)，主要用于輔助作戰(zhàn)人員執(zhí)行偵察與排險(xiǎn)任務(wù)[48]。雖然該車采用柔性履帶底盤，但依然具備較強(qiáng)的輪式底盤改造潛能。伴隨AI 關(guān)鍵技術(shù)的突破和全地形移動(dòng)輪效能的提高，2018 年德國(guó)Rheinmetall 公司研發(fā)的運(yùn)輸型Mission Master-SP 無人車[如圖5（b）所示]在歐洲陸地機(jī)器人比賽（European Land Robot Trial，ELROB）中令人矚目，該車采用8×8 全電驅(qū)動(dòng)，有效載荷達(dá)600 kg，可水陸兩棲，最高時(shí)速達(dá)40 km/h，可通過平板計(jì)算機(jī)、智能手表、單兵系統(tǒng)和單手遙控器遠(yuǎn)程操控，執(zhí)行傷員后送任務(wù)時(shí)貨艙底板和兩側(cè)折疊平臺(tái)可同時(shí)安放4 名臥位傷員[49-50]。鑒于其優(yōu)異的性能，2020 年英軍訂購(gòu)了4 臺(tái)，同年，荷蘭陸軍將其引入聯(lián)合開發(fā)計(jì)劃[49-50]。2021 年，Rheinmetall 公司又推出最新版本Mission Master-XT 無人車，該車采用4×4 油電混合驅(qū)動(dòng)，具有高度機(jī)動(dòng)性和極端地形適應(yīng)性，有效載荷增至1 000 kg，續(xù)航高達(dá)750 km，具備較強(qiáng)的火線救援、戰(zhàn)場(chǎng)后送、生化偵察等功能，成為一款典型的全地形多用途通用型WMR[如圖5（c）所示][51]。

圖5 德國(guó)衛(wèi)勤保障AMR

2.4 韓國(guó)軍隊(duì)衛(wèi)勤保障WMR

韓國(guó)作為新興工業(yè)化國(guó)家，在全球制造業(yè)格局中占有重要地位。2004 年，韓國(guó)Rotem 精密工業(yè)公司在漢城防務(wù)展上向軍方展示了2 款軍用WMR，分別是4×4 RXV 和6×6 RXV-E[52]。RXV 外形尺寸為4 300 mm×1 800 mm×1 700 mm（長(zhǎng)×寬×高），可遠(yuǎn)程遙控和半自主移動(dòng)，主要執(zhí)行偵察、跟蹤監(jiān)視任務(wù)；RXV-E 外形尺寸為2 700 mm×1 600 mm×1 000 mm（長(zhǎng)×寬×高），采用六輪電動(dòng)驅(qū)動(dòng)，配裝40 mm 榴彈發(fā)射器，具備偵察、監(jiān)視和戰(zhàn)術(shù)打擊能力。2 款車型雖外形偏大，仍可顯示韓國(guó)軍工實(shí)力。2006 年，韓華公司推出了STAR-M4 模塊化無人車[如圖6（a）所示]，該車外形尺寸為2 300 mm×1 350 mm×1 600 mm（長(zhǎng)×寬×高），支持全輪驅(qū)動(dòng)全輪轉(zhuǎn)向，具備遙控、跟隨、路點(diǎn)導(dǎo)航和全自主4 種操控模式，其后部平臺(tái)換裝戰(zhàn)場(chǎng)搜救模塊后可同時(shí)運(yùn)送2 名傷員，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)勤保障能力[53]。2015 年，韓國(guó)制造業(yè)創(chuàng)新3.0 戰(zhàn)略實(shí)施后，制造業(yè)開始向智能方向轉(zhuǎn)型升級(jí)，助推了WMR 衛(wèi)勤保障能力的快速提升[54]。2021 年，韓華防務(wù)公司為韓國(guó)陸軍推出了I-UGV 新型多用途W(wǎng)MR[如圖6（b）所示]，該車采用6×6 全電驅(qū)動(dòng)，有效載荷達(dá)500 kg，最高時(shí)速達(dá)40 km/h[55]。其新穎的無內(nèi)胎輪轂驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)強(qiáng)化了車輛越野能力，同時(shí)融合了無人戰(zhàn)車主動(dòng)開火功能，可以執(zhí)行包括傷員后送、偵察監(jiān)視和火力打擊等在內(nèi)的多種任務(wù)，但其自主攻擊能力同樣令人擔(dān)憂。

圖6 韓國(guó)衛(wèi)勤保障WMR

外軍衛(wèi)勤保障WMR 主要性能對(duì)照見表1。

表1 外軍衛(wèi)勤保障WMR 主要性能對(duì)照

2.5 我國(guó)WMR 的研發(fā)進(jìn)展

我國(guó)WMR 的研發(fā)始于20 世紀(jì)80 年代末，當(dāng)時(shí)國(guó)防科技大學(xué)推出的驗(yàn)證機(jī)KDM-1 系統(tǒng)外形類似Shakey，由控制中心主控機(jī)和車載視覺處理機(jī)2個(gè)部分組成，經(jīng)校園內(nèi)道路多次試驗(yàn)，在遙控和自主操控下均可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)[56]。在先期技術(shù)基礎(chǔ)上，1992 年，國(guó)防科技大學(xué)聯(lián)合國(guó)內(nèi)多家院校又研制了ATB-1 無人車[如圖7（a）所示]，該車具備戰(zhàn)場(chǎng)偵察、監(jiān)視等功能[13]。ATB-1 的誕生標(biāo)志著中國(guó)WMR 技術(shù)進(jìn)入探索期。進(jìn)入21 世紀(jì)，伴隨AI 技術(shù)快速發(fā)展，無人駕駛汽車研究成為熱點(diǎn)，為集成創(chuàng)新研發(fā)成果，推動(dòng)技術(shù)向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，2009 年國(guó)家自然科學(xué)基金委員會(huì)啟動(dòng)了“中國(guó)智能車未來挑戰(zhàn)賽”計(jì)劃，自此中國(guó)無人車技術(shù)進(jìn)入快速發(fā)展期[13]。21 世紀(jì)10 年代，國(guó)防科技大學(xué)紅旗HQ3 無人車、軍事交通學(xué)院“軍交猛獅Ⅲ”、百度無人車、長(zhǎng)安無人車等先后完成了高速公路全自主駕駛測(cè)試，2019 年無人駕駛汽車在國(guó)內(nèi)開啟商業(yè)運(yùn)營(yíng)模式[13，57]。民用無人車的巨大進(jìn)步催生了WMR 向軍事領(lǐng)域邁進(jìn)，2018 年由中國(guó)民營(yíng)企業(yè)山河智能裝備股份有限公司研發(fā)的“龍馬2 號(hào)”高機(jī)動(dòng)越野WMR[如圖7（b）所示]首次亮相“跨越險(xiǎn)阻-2018”陸上無人系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽，其獨(dú)特的機(jī)電液一體化驅(qū)動(dòng)、可實(shí)現(xiàn)8×8 至2 種4×4 運(yùn)行模式自由切換的“馬腿”式搖臂設(shè)計(jì)、遠(yuǎn)程無線遙控和自主跟隨操控方式引起業(yè)內(nèi)專家的廣泛關(guān)注[58]。該車最大越野速度達(dá)35 kg/h，有效載荷達(dá)1 000 kg，可越過1 200 mm 的高墻，跨過2 000 mm 的寬溝，尤其適合山地、丘陵、沼澤、灘涂等惡劣環(huán)境遂行傷員后送和物資伴隨保障任務(wù)[58-59]，但過大的外形對(duì)其戰(zhàn)場(chǎng)生存造成影響。

圖7 中國(guó)衛(wèi)勤保障WMR

2.6 其他尚在研制中的戰(zhàn)場(chǎng)救援WMR

目前國(guó)內(nèi)外應(yīng)用的多功能通用型WMR 僅能輔助人類執(zhí)行簡(jiǎn)單的傷員后送任務(wù)，因AI 技術(shù)、制造水平、軍方需求和道德倫理等多方面影響，尚未具備自主火線解救、創(chuàng)傷診斷和有效救治能力，各國(guó)仍在不斷的探索研制中。如2010 年美國(guó)應(yīng)用感知公司為美國(guó)陸軍研發(fā)的無人后送救援系統(tǒng)REV/REX（如圖8 所示）具備一定的火線緊急救援能力，該系統(tǒng)由大型履帶式無人后送車（robotic evacuation，REV）、小型輪式無人救援車（robotic extraction，REX）、創(chuàng)傷和運(yùn)輸生命支撐系統(tǒng)（life support for trauma and transport，LSTAT）等組成，通過遠(yuǎn)程遙控和半自主能力，可實(shí)現(xiàn)REX 火線搶運(yùn)、LSTAT 創(chuàng)傷診治、REV 戰(zhàn)術(shù)后送功能[2，22]；2019 年，Elektroland Defence 公司在第14屆土耳其國(guó)際防務(wù)展上演示的新型戰(zhàn)場(chǎng)救援機(jī)器人（如圖9 所示）也具備一定的火線緊急救援能力，該車由一輛大型WMR 和一輛小型履帶式AMR 組成，操作人員通過遠(yuǎn)程操控，使小型車的機(jī)械臂將傷員轉(zhuǎn)移至大型車的收放式擔(dān)架裝置上，這一裝置可為傷員提供緊急生命支持，隨后，大型車自主執(zhí)行傷員后送任務(wù)，但整體效能尚無法滿足戰(zhàn)場(chǎng)需求[60]。

圖8 無人后送救援系統(tǒng)REX/REV[22]

圖9 土耳其戰(zhàn)場(chǎng)救援機(jī)器人[60]

3 WMR 的關(guān)鍵技術(shù)

WMR 的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及機(jī)械結(jié)構(gòu)、感知識(shí)別、定位導(dǎo)航與路徑規(guī)劃、運(yùn)動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)等。

3.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)

典型WMR 的機(jī)械部分由車輪、車體、車輪-車體之間的支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)裝置構(gòu)成，通過與自身承載的感知、運(yùn)動(dòng)、規(guī)劃、控制等智能系統(tǒng)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)有目的自主或半自主移動(dòng)。其中車輪設(shè)計(jì)和選擇對(duì)無人車運(yùn)動(dòng)效能和越野能力提供重要支持。按照運(yùn)動(dòng)自由度可分為全方位輪和差速輪：全方位輪高速靈活，但運(yùn)動(dòng)效率不高；差速輪結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)動(dòng)效率較高，是WMR 的主要應(yīng)用方式。按照驅(qū)動(dòng)輪、方向輪和平衡輪的數(shù)量不同，可分為兩輪、三輪、四輪和多輪：兩輪因其穩(wěn)定性不足，應(yīng)用較少；三輪較為常見，經(jīng)典配置方式是1 個(gè)前平衡輪和2 個(gè)后驅(qū)動(dòng)輪；四輪及多輪因具有穩(wěn)定性能強(qiáng)、承載能力大、驅(qū)動(dòng)方式多等優(yōu)勢(shì)應(yīng)用最為廣泛。按照輪型可分為球型輪、麥克納姆輪、變形輪等：球型輪可全方位移動(dòng)，但整體運(yùn)動(dòng)效能不高；麥克納姆輪運(yùn)動(dòng)效能明顯提升，但承載能力受限；變形輪是指為提高車輪越野越障能力而設(shè)計(jì)的兼具輪式和足式優(yōu)點(diǎn)的足輪，移動(dòng)時(shí)根據(jù)地形地貌通過自身調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)使輪子能夠在圓輪和足輪等模式間自由切換，具有較強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力和抗毀能力[61]。因此，差速、變形、多輪設(shè)計(jì)正受到各國(guó)軍隊(duì)重視。

3.2 感知識(shí)別

機(jī)器人執(zhí)行任務(wù)的精準(zhǔn)度取決于其對(duì)自身狀態(tài)、所在環(huán)境和任務(wù)目標(biāo)的準(zhǔn)確認(rèn)識(shí)，這完全依賴于傳感器的信息感知。機(jī)器人傳感器按用途可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器：內(nèi)部傳感器主要用于感知自身狀態(tài)，同時(shí)為控制系統(tǒng)提供必要的反饋信息，主要有速度、加速度、位移、位置等傳感器；外部傳感器主要用于感知任務(wù)目標(biāo)及周圍環(huán)境，如障礙物、標(biāo)志物、地形地貌等，為目標(biāo)識(shí)別、路徑規(guī)劃等提供實(shí)用信息，主要有視覺、嗅覺、聽覺、觸壓覺、測(cè)距、導(dǎo)航等傳感器。由于環(huán)境和目標(biāo)的復(fù)雜性和不確定性，傳感器單一的信息感知能力比較局限，無法滿足機(jī)器人實(shí)際應(yīng)用需求。為改變這種困境，各國(guó)展開信息融合技術(shù)研究，從多信息的視角進(jìn)行信息處理和綜合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，剔除無用和錯(cuò)誤信息，保留正確和有用成分，最終實(shí)現(xiàn)信息優(yōu)化，精準(zhǔn)識(shí)別目標(biāo)。常用融合方法分為二大類，即以加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、多貝葉斯估計(jì)法為代表的隨機(jī)類和以模糊邏輯理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)為代表的AI類。目前，WMR 信息識(shí)別較多使用隨機(jī)類融合方法，較具代表性的是美國(guó)火星探測(cè)機(jī)器人Sojourner 采用航位推測(cè)和擴(kuò)展卡爾曼濾波融合算法，實(shí)現(xiàn)了自主定位導(dǎo)航和土壤分析等操作[62]；近年來興起的AI 算法使數(shù)據(jù)確定性和精確性大幅提高，但較大的計(jì)算量對(duì)機(jī)器人計(jì)算性能提出新的要求，因此應(yīng)用價(jià)值仍需深入研究[63]。

3.3 定位導(dǎo)航與路徑規(guī)劃

定位、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃是WMR 實(shí)現(xiàn)自主運(yùn)動(dòng)的3 個(gè)關(guān)鍵問題。

定位是指機(jī)器人確定自身在環(huán)境中所處位置的能力，與采用的定位傳感器關(guān)系密切。常用方法有里程計(jì)、路標(biāo)、GPS、地圖等定位。其中里程計(jì)法與里程和慣導(dǎo)傳感器相關(guān)，定位成本較低，易于實(shí)現(xiàn)，但誤差以常量累計(jì)，長(zhǎng)期定位精度不高。路標(biāo)定位法取決于路標(biāo)識(shí)別傳感器，定位精度較高，但需要提前對(duì)環(huán)境進(jìn)行較大改造，成本較高。GPS 定位通過接收天線確定用戶坐標(biāo)點(diǎn)位，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)三維定位、實(shí)時(shí)定速和精準(zhǔn)授時(shí)，但信號(hào)易受衛(wèi)星狀態(tài)、氣溫氣候和道路環(huán)境等多因素影響，多用于WMR 的概略定位。地圖定位通過外部傳感器獲取的局部環(huán)境信息與已知地圖中的相應(yīng)信息匹配實(shí)現(xiàn)定位，地圖是環(huán)境的模型，根據(jù)構(gòu)圖方式不同可分為拓?fù)涞貓D、幾何地圖和柵格地圖。拓?fù)涞貓D抽象度高，存儲(chǔ)、搜索空間小，計(jì)算效率高，通常采用直接推理法定位，存在的缺點(diǎn)是過度依賴拓?fù)涔?jié)點(diǎn)的識(shí)別匹配，僅在視覺導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用；幾何地圖構(gòu)圖緊湊，易于建立，環(huán)境信息識(shí)別匹配度高，但自然環(huán)境信息提取穩(wěn)定性不足，限制了其應(yīng)用范圍；柵格地圖建立、維護(hù)較為簡(jiǎn)單，易于理解，結(jié)合馬爾可夫、卡爾曼濾波、蒙特卡洛等概率定位方法使環(huán)境信息識(shí)別匹配度大幅提高[64]，成為目前WMR 定位的主要方法。

導(dǎo)航是指機(jī)器人確定如何從當(dāng)前位置移動(dòng)到目標(biāo)位置的能力。根據(jù)導(dǎo)航對(duì)環(huán)境模型的要求，可分為無地圖導(dǎo)航和地圖導(dǎo)航。無地圖導(dǎo)航是指機(jī)器人通過自身傳感器對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)、識(shí)別或跟蹤完成任務(wù)，通常有基于光流和路標(biāo)2 種方法，主要適用于簡(jiǎn)單或特定的環(huán)境。地圖導(dǎo)航是指機(jī)器人依靠自身傳感器不斷探索，建立實(shí)時(shí)地圖來完成導(dǎo)航。根據(jù)使用傳感器的不同，可分為非視覺傳感器導(dǎo)航、視覺傳感器導(dǎo)航和組合導(dǎo)航。非視覺傳感器具有不受光線限制的優(yōu)點(diǎn)，主要有超聲、紅外、雷達(dá)、激光等，缺點(diǎn)是探測(cè)范圍較小，整體性不強(qiáng)；視覺傳感器通過圖像可獲取較大范圍的完整信息，但易受天氣和光線影響；組合導(dǎo)航將視覺傳感器獲取的信息面與非視覺傳感器獲得的信息點(diǎn)或線相互融合使用，成為WMR 導(dǎo)航的主要發(fā)展方向。

路徑規(guī)劃是指機(jī)器人確定從起點(diǎn)到目標(biāo)點(diǎn)的最優(yōu)路徑的能力，與機(jī)器人的移動(dòng)能力、越障能力、能源消耗、路徑成本等因素密切相關(guān)。目前，常用的路徑規(guī)劃方法有道路圖規(guī)劃、人工勢(shì)場(chǎng)和圖搜索等傳統(tǒng)算法及近年來興起的遺傳、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、蟻群、粒子群等智能算法，隨著計(jì)算機(jī)計(jì)算、分析和學(xué)習(xí)能力的日益深入，WMR 智能水平不斷接近甚至超越人類，引起倫理專家的擔(dān)憂[65]。

3.4 運(yùn)動(dòng)控制與驅(qū)動(dòng)

WMR 的運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)由通信、控制、驅(qū)動(dòng)和電源模塊組成。通信模塊負(fù)責(zé)與外界的通信，包括與遙控器、基站或其他信息設(shè)備之間的信息傳遞?？刂颇K是運(yùn)動(dòng)控制的核心，負(fù)責(zé)接收通信模塊的指令，并根據(jù)指令控制驅(qū)動(dòng)模塊產(chǎn)生預(yù)定的運(yùn)動(dòng)。驅(qū)動(dòng)模塊由電動(dòng)機(jī)和電路組成，可將控制模塊發(fā)送的指令轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實(shí)運(yùn)動(dòng)，目前采用的進(jìn)程間通信（inter-process communication，IPC）機(jī)制、模糊控制方法和基于脈沖寬度調(diào)制式電動(dòng)機(jī)的驅(qū)動(dòng)方式得到了較為成功的應(yīng)用[66]。電源模塊為整個(gè)系統(tǒng)提供動(dòng)力，包括驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和電子設(shè)備供電，但野戰(zhàn)條件下長(zhǎng)時(shí)間的工作要求使電源模塊面臨能量輸出不足問題。當(dāng)前WMR主要采用內(nèi)燃機(jī)、蓄電池或鋰電池作為動(dòng)力源，內(nèi)燃機(jī)技術(shù)較為成熟，但工作噪聲較大，產(chǎn)熱量較高，戰(zhàn)場(chǎng)生存能力受限；蓄電池產(chǎn)生熱量雖少，但質(zhì)量過大，較為笨重；鋰電池在體積、質(zhì)量和靜音方面具有較大優(yōu)勢(shì)，但可靠性不足[67]。氫能源的研究開發(fā)為實(shí)現(xiàn)高能長(zhǎng)效、安全可靠的續(xù)航能力提升提供了思路。

4 WMR 在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域的應(yīng)用展望

目前WMR 的衛(wèi)勤保障能力日趨完善，但還未替代衛(wèi)勤人員廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)救現(xiàn)場(chǎng)，在越障能力、戰(zhàn)場(chǎng)感知、信息交互和續(xù)航能力等方面仍有一定局限性，可以從以下幾個(gè)方面進(jìn)行突破。

4.1 越障能力的優(yōu)化

全地形越野車是指在任何道路上均可行駛的車輛，相對(duì)于裝配公路輪胎的越野車，其輪寬較大、胎紋較粗，在非鋪裝路面上附著力更強(qiáng)，較易在惡劣地形中行駛，非常適合戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境使用[68]，但越障能力不足限制了其進(jìn)一步應(yīng)用。韓國(guó)輪履式和我國(guó)足輪式全地形越野車設(shè)計(jì)較為新穎，一定程度緩解了這一問題，但運(yùn)動(dòng)效能均不同程度降低；美軍則另辟蹊徑，提出無人旋翼戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)車?yán)砟?，并由美?guó)蜻蜓公司承研了DP-14 樣機(jī)（如圖10 所示），該機(jī)可全地形垂直起降，巡航速度達(dá)133.3 km/h，每次可后送傷員1 名，但較高的效費(fèi)比和制空權(quán)需求限制了該機(jī)的實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用[69]。從戰(zhàn)場(chǎng)需求角度出發(fā)，多類型無人戰(zhàn)場(chǎng)救援機(jī)器人系統(tǒng)的協(xié)同應(yīng)用成為未來衛(wèi)勤保障WMR 的發(fā)展趨勢(shì)。

圖10 DP-14 無人旋翼戰(zhàn)場(chǎng)救護(hù)車樣機(jī)[69]

4.2 戰(zhàn)場(chǎng)感知信息交互能力的提升

從衛(wèi)勤保障信息流驅(qū)動(dòng)作用角度出發(fā)，作為信息系統(tǒng)的重要節(jié)點(diǎn)，WMR 戰(zhàn)場(chǎng)感知可區(qū)分為環(huán)境感知、敵情感知和自身感知3 個(gè)方面。目前通過加載各類傳感器和自動(dòng)分析系統(tǒng)，機(jī)器人可具備較好的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和距離測(cè)量等環(huán)境感知能力，存在的問題是多節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)間信息交互融合度不夠，敵情感知和自身感知能力較弱，戰(zhàn)場(chǎng)應(yīng)用時(shí)僅能借助人工操控或自主跟隨等方式適當(dāng)補(bǔ)償，導(dǎo)致WMR 戰(zhàn)場(chǎng)全過程自主救援和自身生存能力發(fā)展受限。雖然美軍研發(fā)的REX/REV 具備一定程度的多系統(tǒng)協(xié)同能力，但仍處于探索階段[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、泛在互聯(lián)等新技術(shù)的不斷進(jìn)步，兼容信息系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)，構(gòu)建智能化信息網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)而打破敵情和自身感知遮障，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)勤保障信息實(shí)時(shí)透明，可使機(jī)器人全程智能化戰(zhàn)場(chǎng)救援成為可能[70-71]。另外，還應(yīng)規(guī)避WMR 自主攻擊能力，保持國(guó)際通用被保護(hù)屬性，提高戰(zhàn)場(chǎng)生存能力[72]。

4.3 續(xù)航能力的增強(qiáng)

續(xù)航問題一直是限制WMR 廣泛應(yīng)用的重要原因，特別是戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，能源消耗補(bǔ)充的失衡使衛(wèi)勤保障面臨巨大考驗(yàn)。目前大多數(shù)戰(zhàn)場(chǎng)救援WMR 多采用油電混合或全電方式驅(qū)動(dòng)，設(shè)計(jì)最大行程約200 km，持續(xù)工作時(shí)間達(dá)6～10 h，結(jié)合生物作息特點(diǎn)和潛能，WMR 若能一次滿能量續(xù)航18～24 h 或?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，將可很大程度提高機(jī)器人的軍事應(yīng)用價(jià)值。2017 年，在美國(guó)陸軍秋季會(huì)議上通用汽車公司向軍方展示了一款名為SURUS 的全新WMR 救護(hù)車（如圖11 所示），該車采用氫燃料電池為動(dòng)力，同時(shí)具備發(fā)電和快速補(bǔ)充燃料能力，續(xù)航里程達(dá)644 km，可遠(yuǎn)程自主機(jī)動(dòng)進(jìn)入相對(duì)惡劣的環(huán)境進(jìn)行作業(yè)[73-74]。目前該平臺(tái)仍在開發(fā)中，未來有望廣泛用于軍事、救護(hù)和物流行業(yè)。

圖11 SURUS WMR 救護(hù)車[74]

5 結(jié)語

以AI 為代表的新技術(shù)助推WMR 發(fā)展進(jìn)入“黃金期”，目前遠(yuǎn)程遙控自主跟隨多用途W(wǎng)MR正成為衛(wèi)勤保障領(lǐng)域的應(yīng)用熱點(diǎn)。影響其深入應(yīng)用的主要因素如下：（1）在越障能力方面，崎嶇山地和河流地形不利于輪式車輛移動(dòng)，研發(fā)水陸空三棲無人車技術(shù)難度較大，效費(fèi)比較高；（2）在戰(zhàn)場(chǎng)感知信息交互方面，需物聯(lián)網(wǎng)、泛在互聯(lián)等新技術(shù)強(qiáng)力支撐，通過萬物互聯(lián)、信息同步、實(shí)時(shí)感知實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)協(xié)同救援；（3）在能源動(dòng)力方面，需開發(fā)安全穩(wěn)定、持續(xù)輸出、傳輸快捷的新能源技術(shù)。目前衛(wèi)勤保障WMR 發(fā)展以模塊化、多功能、通用型為主，未來替代衛(wèi)勤專業(yè)人員，實(shí)現(xiàn)戰(zhàn)場(chǎng)無人救援全覆蓋將成為重點(diǎn)研發(fā)目標(biāo)[75]，借力市場(chǎng)需求開發(fā)軍地通用WMR 將是重要方向。