Bojový multifunkční robotický komplex „Uran-9“
Pohled na technologii, vývoj, současný stav věcí a vyhlídky pozemních mobilních robotických systémů (SMRK)
Vývoj nových operačních doktrín, zejména pro městské války a asymetrické konflikty, bude vyžadovat nové systémy a technologie ke snížení obětí mezi armádou a civilisty. Toho lze dosáhnout vývojem v oblasti SMRK, využitím pokročilých technologií pro pozorování a shromažďování informací, jakož i průzkumem a detekcí cílů, ochranou a vysoce přesným úderem. SMRK, stejně jako jejich létající protějšky, kvůli rozšířenému používání ultramoderních robotických technologií nemají na palubě lidského operátora.
Tyto systémy jsou také nepostradatelné pro provoz v kontaminovaném prostředí nebo pro provádění jiných „hloupých, špinavých a nebezpečných“úkolů. Potřeba vývoje pokročilého SMRK je spojena s nutností využívat bezpilotní systémy pro přímou podporu na bojišti. Podle některých vojenských odborníků se neobývaná vozidla, jejichž úroveň autonomie bude postupně zvyšována, stanou jedním z nejdůležitějších taktických prvků ve struktuře moderních pozemních sil.
Robotický komplex založený na obrněném vozidle TERRAMAX M-ATV vede kolonu bezpilotních vozidel
Provozní potřeby a rozvoj SMRK
Na konci roku 2003 americké centrální velení vydalo naléhavé a naléhavé požadavky na systémy, které mají čelit hrozbě improvizovaných výbušných zařízení (IED). Společnost Joint Ground Robotics Enterprise (JGRE) přišla s plánem, který by pomocí malých robotických strojů mohl rychle zajistit výrazné zvýšení schopností. Postupem času se tyto technologie vyvíjely, bylo nasazeno více systémů a uživatelé dostali pokročilé prototypy k vyhodnocení. V důsledku toho došlo ke zvýšení počtu vojenského personálu a jednotek zapojených do oblasti vnitřní bezpečnosti, kteří se naučili ovládat pokročilé robotické systémy.
Agentura Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) v současné době zkoumá robotickou technologii ve strojovém učení a staví na svém vývoji v oblasti umělé inteligence a rozpoznávání obrazu. Všechny tyto technologie, vyvinuté v rámci programu UPI (Unmanned Perception Integration), jsou schopny lépe porozumět prostředí / terénu vozidla s dobrou mobilitou. Výsledkem tohoto výzkumu byl stroj s názvem CRUSHER, který zahájil operační hodnocení již v roce 2009; od té doby bylo vyrobeno několik dalších prototypů.
Program MPRS (Man-Portable Robotic System) se v současné době zaměřuje na vývoj systémů autonomní navigace a vyhýbání se kolizím pro malé roboty. Rovněž identifikuje, studuje a optimalizuje technologie vyvinuté za účelem zvýšení úrovně autonomie a funkčnosti robotických systémů. Program RACS (Robotic for Agile Combat Support) vyvíjí různé robotické technologie tak, aby splňovaly současné hrozby a provozní požadavky i budoucí potřeby a možnosti. Program RACS také vyvíjí a integruje automatizační technologie pro různé bojové mise a různé platformy na základě konceptu společné architektury a takových základních charakteristik, jako je mobilita, rychlost, ovládání a interakce několika strojů.
Účast robotů na moderních bojových operacích umožňuje ozbrojeným silám získat neocenitelné zkušenosti s jejich operací. Objevilo se několik zajímavých oblastí týkajících se používání bezpilotních prostředků (UAV) a SMRK v jednom operačním sále a vojenští plánovači je hodlají pečlivě prostudovat, včetně obecného řízení několika platforem, vývoje vyměnitelných palubních systémů, které lze instalovat jak na UAV a na SMRK s cílem rozšíření globálních schopností, jakož i nových technologií pro slibný boj s neobydlenými systémy.
Podle experimentálního programu ARCD (Active Range Clearance Developments) bude vyvinut takzvaný scénář „zajištění bezpečnosti zóny automatickými prostředky“, ve kterém bude pracovat několik SMRK společně s několika UAV. Kromě toho bude provedeno posouzení technologických řešení týkajících se využívání radarových stanic na bezpilotních platformách, posouzení integrace řídicích a monitorovacích systémů a celkové účinnosti systémů. V rámci programu ARCD plánuje americké letectvo vyvinout technologie nezbytné ke zvýšení účinnosti společných akcí SMRK a UAV (schémata letadel i vrtulníků) a také algoritmy pro „bezproblémový“provoz senzorů všech zúčastněných platformy, výměnu navigačních údajů a údajů o určitých překážkách.
Vnitřní uspořádání mechanických, elektrických a elektronických součástek SMRK SPINNER
Americká armádní výzkumná laboratoř ARL (Army Research Laboratory) provádí experimenty jako součást svých výzkumných programů s cílem posoudit vyspělost technologie. ARL například provádí experimenty, které hodnotí schopnost plně autonomní SMRK detekovat a vyhýbat se pohybujícím se autům a lidem v pohybu. Středisko amerického námořnictva pro vesmír a námořní zbraně navíc provádí výzkum nových robotických technologií a souvisejících klíčových technických řešení, včetně autonomního mapování, vyhýbání se překážkám, pokročilých komunikačních systémů a společných misí SMRK a UAV.
Všechny tyto experimenty se současnou účastí několika pozemních a leteckých platforem se provádějí v realistických vnějších podmínkách, charakterizovaných složitým terénem a sadou realistických úkolů, během nichž se hodnotí schopnosti všech komponent a systémů. V rámci těchto pilotních programů (a související technologické strategie) pro rozvoj pokročilých malých a středních podniků byly stanoveny následující směry, které maximalizují návratnost budoucích investic:
- vývoj technologie poskytne technologický základ pro subsystémy a komponenty a vhodnou integraci do prototypů SMRK pro testování výkonu;
- přední společnosti v této oblasti budou vyvíjet pokročilé technologie nezbytné k rozšíření rozsahu robotizace, například zvýšením dosahu SMRK a rozšířením rozsahu komunikačních kanálů; a
- program zmírňování rizik zajistí vývoj pokročilých technologií pro konkrétní systém a umožní překonat některé technologické problémy.
Díky vývoji těchto technologií jsou SMRK potenciálně schopné poskytnout revoluční skok vpřed ve vojenské sféře, jejich použití sníží ztráty na lidech a zvýší účinnost boje. Aby toho však dosáhli, musí být schopni pracovat samostatně, včetně plnění složitých úkolů.
Příklad ozbrojené SMRK. AVANTGUARD izraelské společnosti G-NIUS Unmanned Ground Systems
Pokročilý modulární robotický systém MAARS (Modular Advanced Armed Robotic System), vyzbrojený kulometem a granátometem
Vyvinuto NASA SMRK GROVER na zasněženém terénu
Technické požadavky na pokročilé SMRK
Pokročilé SMRK jsou navrženy a vyvinuty pro vojenské mise a fungují především v nebezpečných podmínkách. Dnes mnoho zemí poskytuje výzkum a vývoj v oblasti robotických bezpilotních systémů, schopných pracovat ve většině případů na nerovném terénu. Moderní SMRK mohou operátorovi posílat videosignály, informace o překážkách, cílech a dalších proměnných, které jsou zajímavé z taktického hlediska, nebo v případě nejpokročilejších systémů rozhodovat zcela nezávisle. Ve skutečnosti mohou být tyto systémy částečně autonomní, když se používají navigační data spolu s daty palubních senzorů a příkazy vzdáleného operátora k určení trasy. Plně autonomní vozidlo si určuje svůj vlastní směr samo, k vývoji trasy používá pouze palubní senzory, ale současně má operátor vždy možnost učinit nezbytná konkrétní rozhodnutí a převzít kontrolu v kritických situacích nebo v případě poškození do stroje.
Moderní SMRK dnes dokážou rychle detekovat, identifikovat, lokalizovat a neutralizovat mnoho typů hrozeb, včetně nepřátelské aktivity v podmínkách radiace, chemické nebo biologické kontaminace na různých typech terénu. Při vývoji moderního SMRK je hlavním problémem vytvoření funkčně efektivního designu. Mezi klíčové body patří mechanický design, sada palubních senzorů a navigačních systémů, interakce člověk-robot, mobilita, komunikace a spotřeba energie / energie.
Interakce mezi člověkem a robotem zahrnují velmi složitá rozhraní člověk-stroj, a proto je třeba vyvinout multimodální technická řešení pro bezpečná a přátelská rozhraní. Moderní technologie interakce robot-člověk je velmi složitá a bude vyžadovat mnoho testů a hodnocení za realistických provozních podmínek, aby bylo dosaženo dobré úrovně spolehlivosti, a to jak v interakci člověk-robot, tak v interakci robot-robot.
Ozbrojené SMRK vyvinuté estonskou společností MILREM
Cílem konstruktérů je úspěšný vývoj SMRK schopného plnit svůj úkol ve dne i v noci na obtížném terénu. Aby bylo dosaženo maximální účinnosti v každé konkrétní situaci, SMRK by měl být schopen pohybovat se na všech typech terénu s překážkami vysokou rychlostí, s vysokou manévrovatelností a rychle měnit směr bez výrazného snížení rychlosti. Parametry návrhu související s mobilitou také zahrnují kinematické charakteristiky (především schopnost udržovat kontakt se zemí za všech podmínek). SMRK má kromě výhody, že nemá omezení vlastní člověku, také nevýhodu potřeby integrovat složité mechanismy, které mohou nahradit lidské pohyby. Aby byla zajištěna dobrá mobilita a schopnost vyhýbat se různým typům překážek, musí být konstrukční požadavky na jízdní výkon integrovány se snímací technologií a vývojem senzorů a softwaru.
Jedním z mimořádně důležitých požadavků na vysokou mobilitu je schopnost využívat informace o přírodním prostředí (stoupání, vegetace, skály nebo voda), předmětech vytvořených lidmi (mosty, silnice nebo budovy), počasí a překážkách nepřítele (minová pole nebo překážky). V tomto případě je možné určit vlastní pozice a nepřátelské pozice a uplatněním výrazné změny rychlosti a směru se šance SMRK na přežití pod nepřátelskou palbou výrazně zvýší. Tyto technické vlastnosti umožňují vyvinout ozbrojený průzkumný SMRK schopný provádět průzkumné, pozorovací a cíle získávání úkolů, palebné mise za přítomnosti komplexu zbraní a také schopný detekovat hrozby pro účely sebeobrany (miny, nepřátelské zbraňové systémy), atd.).
Všechny tyto bojové schopnosti musí být implementovány v reálném čase, aby se zabránilo hrozbám a neutralizovalo nepřítele, a to buď pomocí jejich vlastních zbraní, nebo komunikačních kanálů se vzdálenými zbraňovými systémy. Mimořádně důležitá je vysoká mobilita a schopnost lokalizovat a sledovat nepřátelské cíle a aktivita v obtížných bojových podmínkách. To vyžaduje vývoj inteligentní SMRK schopné sledovat aktivitu nepřátel v reálném čase díky vestavěným komplexním algoritmům pro rozpoznávání pohybů.
Pokročilé funkce, včetně senzorů, algoritmů pro fúzi dat, proaktivní vizualizace a zpracování dat, jsou zásadní a vyžadují moderní hardwarovou a softwarovou architekturu. Při provádění úkolu v moderní SMRK se k odhadu polohy používá systém GPS, inerciální měřicí jednotka a inerciální navigační systém.
Pomocí navigačních dat získaných díky těmto systémům se SMRK může nezávisle pohybovat v souladu s příkazy palubního programu nebo systému dálkového ovládání. SMRK je zároveň schopná v krátkých intervalech odesílat navigační data na dálkové ovládání, aby operátor věděl o jeho přesné poloze. Plně autonomní SMRK mohou plánovat své akce, a proto je naprosto nezbytné vyvinout trasu, která vyloučí kolize, a přitom minimalizovat tak zásadní parametry, jako je čas, energie a vzdálenost. Pro vykreslení optimální trasy a její opravu lze použít navigační počítač a počítač s informacemi (k efektivní detekci překážek lze použít laserové dálkoměry a ultrazvukové senzory).
Součásti prototypu ozbrojeného SMRK vyvinutého indickými studenty
Návrh navigačních a komunikačních systémů
Dalším důležitým problémem při vývoji efektivní SMRK je návrh navigačního / komunikačního systému. Digitální kamery a senzory jsou instalovány pro vizuální zpětnou vazbu, zatímco infračervené systémy jsou instalovány pro noční provoz; operátor může vidět obraz videa na svém počítači a odeslat některé základní navigační příkazy do SMRK (doprava / doleva, zastavení, vpřed) za účelem opravy navigačních signálů.
V případě plně autonomního SMRK jsou vizualizační systémy integrovány s navigačními systémy založenými na digitálních mapách a datech GPS. K vytvoření plně autonomní SMRK pro takové základní funkce, jako je navigace, bude nutné integrovat systémy pro vnímání vnějších podmínek, plánování trasy a komunikační kanál.
Zatímco integrace navigačních systémů pro jeden SMRK je v pokročilém stádiu, vývoj algoritmů pro plánování současného provozu několika SMRK a společných úkolů SMRK a UAV je v rané fázi, protože je velmi obtížné navázat komunikační interakci mezi několik robotických systémů najednou. Probíhající experimenty pomohou určit, jaké frekvence a frekvenční rozsahy jsou potřeba a jak se budou požadavky pro konkrétní aplikaci lišit. Jakmile budou tyto charakteristiky určeny, bude možné vyvinout pokročilé funkce a software pro několik robotických strojů.
Bezpilotní vrtulník K-MAX přepravuje během testů autonomie robotické vozidlo SMSS (Squad Mission Support System); zatímco pilot byl v kokpitu K-MAX, ale neovládal to
Komunikační prostředky jsou pro fungování SMRK velmi důležité, ale bezdrátová řešení mají poměrně značné nevýhody, protože zavedená komunikace může být ztracena kvůli rušení spojenému s terénem, překážkami nebo aktivitou elektronického systému potlačení nepřítele. Nedávný vývoj komunikačních systémů stroj-stroj je velmi zajímavý a díky tomuto výzkumu lze vytvořit cenově dostupné a efektivní zařízení pro komunikaci mezi robotickými platformami. Standard pro speciální komunikaci krátkého dosahu DRSC (Dedicated Short-Range Communication) bude aplikován v reálných podmínkách pro komunikaci mezi SMRK a mezi SMRK a UAV. V současné době je věnována velká pozornost zajištění bezpečnosti komunikace v operacích zaměřených na síť, a proto by budoucí projekty v oblasti pilotovaných a neobydlených systémů měly být založeny na pokročilých řešeních, která jsou v souladu se společnými standardy rozhraní.
Dnes jsou požadavky na krátkodobé úlohy s nízkou spotřebou do značné míry splněny, ale existují problémy s platformami, které provádějí dlouhodobé úkoly s vysokou spotřebou energie, zejména jedním z nejnaléhavějších problémů je streamování videa.
Pohonné hmoty
Možnosti energetických zdrojů závisí na typu systému: u malých SMRK může být energetickým zdrojem pokročilá dobíjecí baterie, ale u větších SMRK může konvenční palivo generovat potřebnou energii, což umožňuje implementovat schéma s elektrickým motorgenerátor nebo hybridní elektrický pohonný systém nové generace. Nejzjevnějšími faktory ovlivňujícími dodávku energie jsou podmínky prostředí, hmotnost a rozměry stroje a doba provádění úkolu. V některých případech musí napájecí systém sestávat z palivového systému jako hlavního zdroje a dobíjecí baterie (snížená viditelnost). Volba vhodného druhu energie závisí na všech faktorech, které ovlivňují plnění úkolu, a zdroj energie musí zajišťovat požadovanou mobilitu, nepřerušovaný provoz komunikačního systému, sady senzorů a komplexu zbraní (pokud existují).
Kromě toho je nutné vyřešit technické problémy spojené s mobilitou na obtížném terénu, vnímáním překážek a autokorekcí chybných akcí. V rámci moderních projektů byly vyvinuty nové pokročilé robotické technologie týkající se integrace palubních senzorů a zpracování dat, výběru trasy a navigace, detekce, klasifikace a vyhýbání se překážkám a také odstraňování chyb spojených se ztrátou komunikace a destabilizace platformy. Autonomní terénní navigace vyžaduje, aby vozidlo rozlišovalo terén, což zahrnuje 3D orografii terénu (popis terénu) a identifikaci překážek, jako jsou kameny, stromy, stojaté vodní plochy atd. Obecné schopnosti se neustále zvyšují a dnes již můžeme hovořit o dostatečně vysoké úrovni definice obrazu terénu, ale pouze ve dne a za dobrého počasí, ale schopnosti robotických platforem v neznámém prostoru a za špatného počasí podmínky jsou stále nedostatečné. V tomto ohledu DARPA provádí několik experimentálních programů, kde jsou schopnosti robotických platforem testovány v neznámém terénu, za každého počasí, ve dne i v noci. Program DARPA, nazvaný Applied Research in AI (Applied Research in Artificial Intelligence), zkoumá inteligentní rozhodování a další pokročilá technologická řešení pro autonomní systémy pro specifické aplikace v pokročilých robotických systémech a také vyvíjí autonomní multi-robotické učební algoritmy pro provádění společné úkoly, které umožní skupinám robotů automaticky zpracovávat nové úkoly a přerozdělovat si role mezi sebou.
Jak již bylo zmíněno, provozní podmínky a typ úkolu určují návrh moderní SMRK, což je mobilní platforma s napájecím zdrojem, senzory, počítači a architekturou softwaru pro vnímání, navigaci, komunikaci, učení / adaptaci, interakci mezi robot a člověk. V budoucnosti budou vícestranné, budou mít vyšší úroveň sjednocení a interakce a budou také efektivnější z ekonomického hlediska. Obzvláště zajímavé jsou systémy s modulárním užitečným zatížením, které umožňují přizpůsobení strojů pro různé úkoly. V příštím desetiletí budou pro taktické operace a ochranu základen a další infrastruktury k dispozici robotická vozidla založená na otevřené architektuře. Budou se vyznačovat značnou úrovní uniformity a autonomie, vysokou mobilitou a modulárními palubními systémy.
Technologie SMRK pro vojenské aplikace se rychle vyvíjí, což mnoha ozbrojeným silám umožní odstranit vojáky z nebezpečných úkolů, včetně detekce a ničení IED, průzkumu, ochrany jejich sil, odmínování a mnoha dalších. Například koncepce bojových skupin amerických armádních brigád prostřednictvím pokročilých počítačových simulací, bojového výcviku a zkušeností z bojů v reálném světě ukázala, že robotická vozidla zlepšila schopnost přežití pozemních vozidel s posádkou a výrazně zlepšila bojovou účinnost. Rozvoj slibných technologií, jako je mobilita, autonomie, vybavení zbraněmi, rozhraní člověk-stroj, umělá inteligence pro robotické systémy, integrace s jinými systémy SMRK a systémy s posádkou, zajistí zvýšení schopností neobydlených pozemních systémů a jejich úrovně autonomie.
Ruský perkusní robotický komplex Platform-M vyvinutý společností NITI „Progress“
