国内外轻型地面无人平台研究现状及发展趋势分析

陆军军事交通学院军事交通运输研究所 李梦晗

陆军军事交通学院学员五大队 汪子盛

陆军军事交通学院军事交通运输研究所 徐楠 冯晓梅

当前高新技术的进步引领了平台车辆无人化日益发展的趋势，同时其应用领域愈加广泛。针对国内外多个公司的某种专用类型的地面无人平台产品进行了研究对比，概述了其设计应用情况，并结合其产品特点对国内外无人平台车辆发展的趋势做出了分析，为该类型专用车辆未来的研究提供了理论参考。

地面无人平台（Unmanned Ground Vehicle）是地面专用车辆的一大重要类别，系指无人驾驶的遥控或按预编程序自主运动以实现执行特定任务功能目的的车辆平台，分为轻型、中型、重型等，是一种凝聚了机械、信息、智能特征的产品[1]。本文以轻型地面无人平台为例，对相关产品进行介绍。

近年来，随着无人机在不同场合的精彩表现，轻型地面无人平台技术也得到了迅速发展，应用领域不断扩展。轻型地面无人平台功能多样，为特定工作岗位人员在复杂条件下延伸环境感知、排除潜在危险、实现运载救援、减轻工作负担等带来了直接的帮助，世界各国都已经将无人平台的技术攻关放在了未来车辆发展的重要地位。

国外轻型地面无人平台发展概况

1.美国相关产品技术

美国在地面无人平台方面的研究一直位于全球前列。自2004年开始，美国每年投入数十亿美元研制轻、中、重各类无人平台车[2]，更有一年一度举办的沙漠机器人大赛，是其动员民间智慧、收集上乘之作的重要手段。

美国现有轻型地面无人平台主要产品介绍如下。

1.1 “粉碎机”（Crusher）

该轻型无人平台由卡梅隆大学国家机器人工程中心研制，整装质量约为6.2t，该平台采用了6×6分布式轮毂电机驱动形式，具有上限1.36t的强大装载能力，可以高速通过复杂路况环境（最大速度11m/s，最大爬坡度40°），如图1所示。该平台能够同时针对不同的地面状况调整其特有的单纵臂式液压主动悬挂的硬度，保证车辆较好的车身姿态。该平台具有优越的越障性能，在设定目的区域或路线后就能够完成长距离无人驾驶，可以实现复杂环境下的大载荷运输、探测、巡视和救援等功能。

图1 “粉碎机”无人平台

1.2 “任务支援系统”（SMSS）

“任务支援系统”轻型无人平台——“SMSS”（Squad Mission Support System）是洛克希德马丁公司的优秀产品，依仗其自身无可比拟的无人系统经验，涵盖了空中、地面、海上多个领域，同时其技术也向着轻量化、快速化推进。

该轻型无人平台基于6×6陆地轮式底盘结合差动转向模式（见图2），可以运输质量超过500kg的载荷，配备涡轮增压的柴油发动机，集合了传感器光测、红外线和彩色照相机，可捕捉辨别3D轮廓，通过GPS定位的道路节点预置程序可自主导航，满足通过恶劣地形执行特定任务的需求。

1.3 “机动运输平台”(SMET)

近年来，在完成了对多家公司产品的竞标比测后，美国也适时地提出了平台应具有500kg运载能力，72h自持，伴随人员完成探测、服务等新功能任务的目标要求。在搭载机器人或其他先进仪器的条件下，进一步拓展了在运输平台复杂环境下实施作业的专用功能。

图2 “任务支援系统”无人平台

图3 SMET平台

表现较为突出的公司有“北极星”（Applied Research Associates Inc（ARA）teamed with Polaris）和Howe兄弟公司（Howe & Howe）。

MRZR D4是一种有人驾驶平台，而MRZR X是MRZR D4的变型，平台为4×4类型，最大速度96km/h，整装质量为867kg，有效负载680kg，可隔离1到2个座位，传动装置/末端驱动为自动无级变速CVT，该平台主要升级部分为换装柴电混合动力系统，改装电控转向、制动，无人控制系统等无人操作必备组成部件，兼具了手动操作和无人自主操作，同时能够实现规避障碍，自主选择线路，适用于多种工况下的操作。

Howe兄弟公司提出的履带式、高扭矩柴电混合动力驱动平台RS2-H1，整装质量为744kg，配备有通用发电机以提供电力输入支持。RS2-H1可最大搭载500kg的人员物资，在丛林实验中，29h内完成了100mile地域试验（见图4），并且实现了低于计划时间一半的出色成绩。

图4 RS2-H1进行丛林试验

2．其他国家相关产品技术

俄罗斯、德国、法国、英国、以色列等国家在轻型无人平台技术发展方面取得了一定的成果，如图5所示。

俄罗斯在无人平台领域相对于英、法、德等国，起步较晚，但借助着在此前有人地面车辆领域的雄厚技术积累，研发速度之快可谓“后发先至”[3]。2016年初，俄罗斯国防出口公司公开展示了三款新型“乌兰”系列地面无人平台，功能涵盖消防、扫雷和防御，颇具技术特色。消防车型车长5.32m，车宽2.2m，车高2.05m，整备质量为11t。“乌兰”-14的车体前部仍有破障清障工具，包括液压机械臂、推土铲、旋转夹具、夹爪等，主要用于推开和清理前进道路中的障碍物，这套破障清障工具的力量十分惊人，可清理推走重达10t的障碍物。

德国一直致力于开发无人平台，包括传感、控制、自动机器人以及人机界面和路径规划等的关键技术。近期又开始投入小型（便携式）机器人技术。与之类似的是法国目前正潜心研究无人平台的协作、智能、夜视和电子传感器技术。英国的“Ironclad”履带式轻型无人平台借助低噪声的轻质履带和电动马达，在500kg的负荷下仍能够切换形态，并完成救援、探测、排爆等困难任务。

以色列目前正在专注激光测距仪技术的轻型无人平台技术项目。IAI公司推出的“卫士”无人侦察车高2.2m，宽1.8m，长2.95m，整装质量为1.4t，可承担300kg的有效载荷，自持能力长达24h。“卫士”可以借助一系列模块化设备如影像设备、夜视仪、传感器、通信设备等在预定程序下巡视输入路线，自动识别道路交通标志，并躲避障碍物，如遇紧急情况则向操作员发出警告。

图5 各类国外无人平台产品

总之，世界发达国家引导的各类无人地面车辆技术浪潮已经来到，各种各样的无人化装备已经开始在探测、排雷、排爆以及特殊环境数据传输等困难度较大的急险任务中崭露头角，是未来地面无人车辆的重要发展方向。

国内轻型地面无人平台发展概况

我国在地面无人平台技术的研发尚处于起步阶段，但近年来，我国已经逐步加大了针对地面无人平台的科研投入，确立了无人平台的发展方向，以国家重点工业集团为代表的各科研单位在轻型地面无人平台研究应用方面也开始展现成果。

1.1 “猛狮”无人车辆

“猛狮”无人驾驶平台车辆是一类基于城市越野SUV车型的地面无人平台（见图6），通过车载激光测距仪、探测雷达、影像收集和微型传感器等组建了车辆感知系统，同时内部配备有更加先进的电脑资料库，综合借助激光雷达、图像识别和卫星导航系统[4]，形成了平台数据链，融入整个区域的无人系统，功能方面既能够做到识别路况、避让车辆与行人、车辆安全行驶，同时可以结合信息流实现人工智能操控，应用前景十分广阔。

图6 “猛狮”无人平台

1.2 “Chrysor”地面无人平台

随着无人平台分布式驱动研究开展的逐步深化，差动式转向技术也得到了长足进步。中国兵器工业集团自主研发的八轮差动转向平台Chrysor可自主导航行驶，该车长2.92m，宽1.64m，高1.92m，整装质量约950kg，地面最大载重680kg，水上最大载重300kg。该平台最大行驶速度达45km/h，垂直越障高0.4m，越壕宽度达1m，具备响应快、行驶灵活等特点，具有较强的越野能力，在搭载高精度智能电脑和多种机器人的“豪华”配置下，可广泛适应于各仓库、机场等区域的安全监控、危险品探测等需求。

1.3 “龙马一号”无人平台

2017年8月，“龙马一号”无人平台在世界机器人大会上“登台表演”，收获了许多目光，如图7所示。这是一款适应于野外条件下的智能交通的轻型无人平台，在山地越野、攀越高台和跨越堑壕的过程中都表现出了其灵活的变化形式和较强的适应能力，在泥泞、涉水和其他复杂地形的情况下能够完成快速变换，即便是狭小空间也保持着灵活机动的优良性能，其详细性能数据目前尚处于保密阶段，有待后续进一步升级。

图7 “龙马一号”无人平台

技术研究重难点及发展趋势

目前，无人平台的技术发展特点是提高车辆的自主控制技术、动力性能和交互技术。根据国内外近十年无人车辆的发展情况，轻型地面无人平台的技术研发重难点及发展趋势主要集中在以下几方面。

1．自主导航

自主导航是指在未知环境中自动执行任务而没有来自操作者的连续引导。在通讯受限或不可靠的情况下，自主导航降低了操作者的工作负担并能提高性能。在识别物体、车辆、道路等实物，分析路况和捕捉预测动态障碍方面都应当具有突出性能。

2．协同控制

通常，当前的机器人架构集中在单个无人平台，随着时间的推移，这种架构很可能向多机器人协同与控制方向发展。最初多机器人应用被限制在单一领域，将有望扩展到多领域，再到有人-无人团队。通讯技术的发展将有助于多机器人的协同作用（见表1）。组播无线电可提高该协同，美国科学与技术协会已加速在组播和其他类似技术的发展投资。

表 1 无人平台通讯技术

3．动力输入

无人平台需配备能够有效操作、能量密集、可充电和可靠的动力源。这些动力源必须满足主机平台尺寸和质量要求，必须满足多种环境和安全要求。轻型UGV动力技术大部分采自商业发动机，偏于汽油或柴油机燃料。为减轻动力负担，要求轻型无人平台应当能够使用多种燃料，需进一步发展燃料电池和低噪音、高效率、高功率密度的内燃机。

4．地面机动性

地面机动性是指机器人通过恶劣地形和障碍的能力。无人平台通常用履带或轮子机动，实现阿克曼转向、滑移转向和全向转向。未来十年内，仿生学的腿机动将逐步成熟，这些技术应用范围的扩展可能会在现有平台上迅速提升机动能力，适应更加多元的特殊环境。

5．人机交互

当前在美国Gamepads已经常用于操作地面无人平台，正在通过美国科学与技术协会设定目标努力转向触摸屏显示，触摸屏可以帮助使用者既能控制又能收到来自机器人的影像信息。先进的脑控技术允许驾驶员脑波、心率和眼睛跟踪显示。未来，人脑与计算机互动交互技术（BCIT）发展能使操纵者通过用于监测脑信号的先进算法预测接下来性能状态的衰减，进而自动调整策略，以更适合使用者状态。

结语

无人平台的技术特点适应了未来车辆发展中不同任务的实际需求，带来了设计者与使用者思维方式的转变。装备应用领域的不断拓展带来了对于装备本身技术提升的迫切需要，作为轻型地面无人平台而言，如何更好地适应复杂多变的行驶环境、更好地提升车辆性能与协同能力，始终是设计者们不断迈进的方向。