Bestrijd multifunctioneel robotcomplex "Uran-9"
Een blik op technologie, ontwikkelingen, huidige stand van zaken en vooruitzichten van landmobiele robotsystemen (SMRK)
De ontwikkeling van nieuwe operationele doctrines, met name voor stedelijke oorlogvoering en asymmetrische conflicten, vereist nieuwe systemen en technologie om het aantal slachtoffers onder militairen en burgers te verminderen. Dit kan worden gerealiseerd door ontwikkelingen op het gebied van SMRK, het gebruik van geavanceerde technologieën voor observatie en informatieverzameling, evenals verkenning en doeldetectie, bescherming en zeer nauwkeurige aanval. SMRK heeft, net als hun vliegende tegenhangers, vanwege het wijdverbreide gebruik van ultramoderne robottechnologieën, geen menselijke operator aan boord.
Deze systemen zijn ook onmisbaar voor het werken in een vervuilde omgeving of voor het uitvoeren van andere "domme, vuile en gevaarlijke" taken. De noodzaak voor de ontwikkeling van geavanceerde SMRK hangt samen met de noodzaak om onbemande systemen te gebruiken voor directe ondersteuning op het slagveld. Volgens sommige militaire experts zullen onbewoonde voertuigen, waarvan het niveau van autonomie geleidelijk zal worden verhoogd, een van de belangrijkste tactische elementen worden in de structuur van moderne grondtroepen.
Een robotcomplex gebaseerd op het gepantserde voertuig TERRAMAX M-ATV leidt een colonne onbemande voertuigen
Operationele behoeften en ontwikkeling van SMRK
Eind 2003 deed het US Central Command dringende verzoeken om systemen om de dreiging van geïmproviseerde explosieven (IED's) tegen te gaan. De Joint Ground Robotics Enterprise (JGRE) heeft een plan bedacht dat door het gebruik van kleine robotmachines snel een aanzienlijke toename van de capaciteit kan opleveren. In de loop van de tijd zijn deze technologieën geëvolueerd, zijn er meer systemen geïmplementeerd en hebben gebruikers geavanceerde prototypen ontvangen voor evaluatie. Als gevolg hiervan is het aantal militairen en eenheden op het gebied van binnenlandse veiligheid toegenomen, die hebben geleerd geavanceerde robotsystemen te bedienen.
Het Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) doet momenteel onderzoek naar robottechnologie in machine learning, voortbouwend op zijn ontwikkelingen op het gebied van kunstmatige intelligentie en beeldherkenning. Al deze technologieën, ontwikkeld in het kader van het UPI-programma (Unmanned Perception Integration), kunnen een beter begrip van de omgeving / het terrein bieden voor een voertuig met een goede mobiliteit. Het resultaat van dit onderzoek was een machine genaamd de CRUSHER, die in 2009 met de operationele evaluatie begon; sindsdien zijn er nog een aantal prototypes gemaakt.
Het MPRS-programma (Man-Portable Robotic System) richt zich momenteel op de ontwikkeling van autonome navigatie- en botsingsvermijdingssystemen voor kleine robots. Het identificeert, bestudeert en optimaliseert ook technologieën die zijn ontwikkeld om het niveau van autonomie en functionaliteit van robotsystemen te vergroten. Het RACS-programma (Robotic for Agile Combat Support) ontwikkelt verschillende robottechnologieën om te voldoen aan de huidige bedreigingen en operationele vereisten, evenals aan toekomstige behoeften en mogelijkheden. Het RACS-programma ontwikkelt en integreert ook automatiseringstechnologieën voor verschillende gevechtsmissies en verschillende platforms, gebaseerd op het concept van een gemeenschappelijke architectuur en fundamentele kenmerken als mobiliteit, snelheid, controle en interactie van verschillende machines.
De deelname van robots aan moderne gevechtsoperaties stelt de krijgsmacht in staat om onschatbare ervaring op te doen in hun operatie. Er zijn verschillende interessante gebieden naar voren gekomen met betrekking tot het gebruik van onbemande luchtvaartuigen (UAV's) en SMRK's in één operatiegebied, en militaire planners zijn van plan deze zorgvuldig te bestuderen, waaronder het algemene beheer van verschillende platforms, de ontwikkeling van uitwisselbare boordsystemen die zowel kunnen worden geïnstalleerd als op UAV's en op SMRK met als doel de wereldwijde capaciteiten uit te breiden, evenals nieuwe technologieën voor veelbelovende onbewoonde gevechtssystemen.
Volgens het experimentele programma ARCD (Active Range Clearance Developments) zal het zogenaamde scenario van "waarborgen van de veiligheid van de zone met automatische middelen" worden ontwikkeld, waarbij meerdere SMRK's zullen samenwerken met meerdere UAV's. Daarnaast zal een beoordeling worden uitgevoerd van technologische oplossingen met betrekking tot het gebruik van radarstations op onbemande platforms, een beoordeling van de integratie van controle- en monitoringsystemen en de algehele efficiëntie van de systemen. Als onderdeel van het ARCD-programma is de Amerikaanse luchtmacht van plan om technologieën te ontwikkelen die nodig zijn om de effectiviteit van gezamenlijke acties van SMRK en UAV's (zowel vliegtuig- als helikopterschema's) te vergroten, evenals algoritmen voor de "naadloze" werking van sensoren van alle betrokkenen platforms, de uitwisseling van navigatiegegevens en gegevens over bepaalde obstakels.
Interne lay-out van mechanische, elektrische en elektronische componenten SMRK SPINNER
Het American Army Research Laboratory ARL (Army Research Laboratory) voert experimenten uit als onderdeel van zijn onderzoeksprogramma's om de volwassenheid van technologie te beoordelen. ARL voert bijvoorbeeld experimenten uit die het vermogen van een volledig autonome SMRK evalueren om bewegende auto's en bewegende mensen te detecteren en te vermijden. Daarnaast doet het Space and Marine Weapons Centre van de Amerikaanse marine onderzoek naar nieuwe robottechnologieën en gerelateerde belangrijke technische oplossingen, waaronder autonome kartering, het vermijden van obstakels, geavanceerde communicatiesystemen en gezamenlijke SMRK- en UAV-missies.
Al deze experimenten met de gelijktijdige deelname van verschillende grond- en luchtplatforms worden uitgevoerd in realistische externe omstandigheden, gekenmerkt door complex terrein en een reeks realistische taken waarbij de mogelijkheden van alle componenten en systemen worden geëvalueerd. Als onderdeel van deze proefprogramma's (en de bijbehorende technologiestrategie) voor de ontwikkeling van geavanceerde SMRC's, zijn de volgende richtingen geïdentificeerd om het rendement op toekomstige investeringen te maximaliseren:
- technologieontwikkeling zal een technologische basis bieden voor subsystemen en componenten en passende integratie in SMRK-prototypes voor prestatietests;
- toonaangevende bedrijven op dit gebied zullen geavanceerde technologieën ontwikkelen die nodig zijn om de reikwijdte van robotisering uit te breiden, bijvoorbeeld door het bereik van de SMRK te vergroten en het bereik van communicatiekanalen te vergroten; en
- het programma voor risicobeperking zal zorgen voor de ontwikkeling van geavanceerde technologieën voor een specifiek systeem en zal het mogelijk maken om een aantal technologische problemen op te lossen.
Dankzij de ontwikkeling van deze technologieën zijn SMRK's potentieel in staat om een revolutionaire sprong voorwaarts te maken op militair gebied, het gebruik ervan zal menselijke verliezen verminderen en de slagkracht vergroten. Om dit te bereiken, moeten ze echter zelfstandig kunnen werken, inclusief het uitvoeren van complexe taken.
Een voorbeeld van een gewapende SMRK. AVANTGUARD van het Israëlische bedrijf G-NIUS Unmanned Ground Systems
Geavanceerd modulair robotsysteem MAARS (Modular Advanced Armed Robotic System), gewapend met een machinegeweer en granaatwerpers
Ontwikkeld door NASA SMRK GROVER op besneeuwd terrein
Technische vereisten voor geavanceerde SMRK
Geavanceerde SMRK's zijn ontworpen en ontwikkeld voor militaire missies en werken voornamelijk in gevaarlijke omstandigheden. Tegenwoordig bieden veel landen onderzoek en ontwikkeling op het gebied van onbemande robotsystemen, die in de meeste gevallen op ruw terrein kunnen werken. Moderne SMRK's kunnen videosignalen naar de operator sturen, informatie over obstakels, doelen en andere variabelen die vanuit tactisch oogpunt interessant zijn, of, in het geval van de meest geavanceerde systemen, volledig onafhankelijke beslissingen nemen. Deze systemen kunnen zelfs semi-autonoom zijn wanneer navigatiegegevens worden gebruikt in combinatie met sensorgegevens aan boord en opdrachten van de afstandsbediening om de route te bepalen. Een volledig autonoom voertuig bepaalt zelf zijn koers en gebruikt alleen boordsensoren om een route te ontwikkelen, maar tegelijkertijd heeft de bestuurder altijd de mogelijkheid om de nodige specifieke beslissingen te nemen en de controle over te nemen in kritieke situaties of bij schade naar de automaat.
Tegenwoordig kunnen moderne SMRK's snel vele soorten bedreigingen detecteren, identificeren, lokaliseren en neutraliseren, waaronder vijandelijke activiteit in omstandigheden van straling, chemische of biologische besmetting op verschillende soorten terrein. Bij het ontwikkelen van moderne SMRK is het grootste probleem het creëren van een functioneel effectief ontwerp. Belangrijke punten zijn onder meer mechanisch ontwerp, een reeks ingebouwde sensoren en navigatiesystemen, mens-robot-interactie, mobiliteit, communicatie en stroom-/energieverbruik.
De vereisten voor robot-mens interactie omvatten zeer complexe mens-machine-interfaces en daarom moeten multimodale technische oplossingen worden ontwikkeld voor veilige en gebruiksvriendelijke interfaces. Moderne robot-mens-interactietechnologie is zeer complex en zal veel tests en evaluaties onder realistische bedrijfsomstandigheden vereisen om een goede betrouwbaarheid te bereiken, zowel in mens-robot-interactie als in robot-robot-interactie.
Gewapende SMRK ontwikkeld door het Estse bedrijf MILREM
Het doel van de ontwerpers is de succesvolle ontwikkeling van een SMRK die in staat is zijn taak dag en nacht uit te voeren op moeilijk terrein. Om in elke specifieke situatie maximale efficiëntie te bereiken, moet de SMRK in staat zijn om met hoge snelheid en met hoge wendbaarheid op alle soorten terrein met obstakels te bewegen en snel van richting te veranderen zonder een significante snelheidsvermindering. Mobiliteitsgerelateerde ontwerpparameters omvatten ook kinematische kenmerken (voornamelijk het vermogen om onder alle omstandigheden contact met de grond te houden). SMRK heeft naast het voordeel dat het niet de beperkingen heeft die inherent zijn aan de mens, ook het nadeel van de noodzaak om complexe mechanismen te integreren die menselijke bewegingen kunnen vervangen. De ontwerpvereisten voor rijprestaties moeten worden geïntegreerd met sensortechnologie, evenals sensor- en softwareontwikkeling om een goede mobiliteit te verkrijgen en de mogelijkheid om verschillende soorten obstakels te vermijden.
Een van de uiterst belangrijke vereisten voor hoge mobiliteit is het vermogen om informatie te gebruiken over de natuurlijke omgeving (beklimmingen, vegetatie, rotsen of water), door de mens gemaakte objecten (bruggen, wegen of gebouwen), het weer en vijandelijke obstakels (mijnenvelden of obstakels). In dit geval wordt het mogelijk om de eigen posities en vijandelijke posities te bepalen en door een significante verandering in snelheid en richting toe te passen, worden de overlevingskansen van de SMRK onder vijandelijk vuur aanzienlijk vergroot. Dergelijke technische kenmerken maken het mogelijk om gewapende verkennings-SMRK te ontwikkelen die in staat is verkennings-, observatie- en doelverwervingstaken uit te voeren, vuurmissies in aanwezigheid van een complex van wapens uit te voeren en ook in staat is om bedreigingen te detecteren voor zelfverdedigingsdoeleinden (mijnen, vijandelijke wapensystemen, enzovoort.).
Al deze gevechtscapaciteiten moeten in realtime worden geïmplementeerd om bedreigingen te vermijden en de vijand te neutraliseren, met behulp van hun eigen wapens of communicatiekanalen met wapensystemen op afstand. Hoge mobiliteit en het vermogen om vijandelijke doelen en activiteit in moeilijke gevechtsomstandigheden te lokaliseren en te volgen, zijn uiterst belangrijk. Dit vereist de ontwikkeling van intelligente SMRK die in staat is vijandelijke activiteit in realtime te volgen dankzij de ingebouwde complexe algoritmen voor het herkennen van bewegingen.
Geavanceerde mogelijkheden, waaronder sensoren, algoritmen voor datafusie, proactieve visualisatie en dataverwerking, zijn essentieel en vereisen een moderne hardware- en softwarearchitectuur. Bij het uitvoeren van een taak in het moderne SMRK worden het GPS-systeem, een traagheidsmeeteenheid en een traagheidsnavigatiesysteem gebruikt om de locatie te schatten.
Met behulp van de navigatiegegevens die dankzij deze systemen zijn verkregen, kan de SMRK zich zelfstandig verplaatsen volgens de commando's van het boordprogramma of het afstandsbedieningssysteem. Tegelijkertijd is SMRK in staat om met korte tussenpozen navigatiegegevens naar een afstandsbedieningsstation te sturen, zodat de operator de exacte locatie weet. Volledig autonome SMRK's kunnen hun acties plannen, en hiervoor is het absoluut noodzakelijk om een route te ontwikkelen die botsingen uitsluit, terwijl fundamentele parameters als tijd, energie en afstand worden geminimaliseerd. Een navigatiecomputer en een computer met informatie kunnen worden gebruikt om de optimale route uit te stippelen en te corrigeren (laserafstandsmeters en ultrasone sensoren kunnen worden gebruikt om obstakels effectief te detecteren).
Onderdelen van een prototype gewapende SMRK ontwikkeld door Indiase studenten
Ontwerp van navigatie- en communicatiesystemen
Een ander belangrijk probleem bij de ontwikkeling van een effectieve SMRK is het ontwerp van het navigatie/communicatiesysteem. Digitale camera's en sensoren zijn geïnstalleerd voor visuele feedback, terwijl infraroodsystemen zijn geïnstalleerd voor nachtbedrijf; de operator kan het videobeeld op zijn computer bekijken en enkele basisnavigatiecommando's naar de SMRK sturen (rechts/links, stop, vooruit) om de navigatiesignalen te corrigeren.
Bij volledig autonome SMRK zijn visualisatiesystemen geïntegreerd met navigatiesystemen op basis van digitale kaarten en GPS-gegevens. Om een volledig autonome SMRK te creëren, voor basisfuncties als navigatie, zal het nodig zijn om systemen voor perceptie van externe omstandigheden, routeplanning en een communicatiekanaal te integreren.
Hoewel de integratie van navigatiesystemen voor enkele SMRK in een vergevorderd stadium is, bevindt de ontwikkeling van algoritmen voor het plannen van de gelijktijdige werking van meerdere SMRK en gezamenlijke taken van SMRK en UAV zich in een vroeg stadium, aangezien het erg moeilijk is om communicatie-interactie tot stand te brengen tussen meerdere robotsystemen tegelijk. De lopende experimenten zullen helpen bepalen welke frequenties en frequentiebereiken nodig zijn en hoe de vereisten voor een bepaalde toepassing zullen variëren. Zodra deze kenmerken zijn bepaald, is het mogelijk om geavanceerde functies en software te ontwikkelen voor verschillende robotmachines.
Onbemande K-MAX-helikopter vervoert SMSS (Squad Mission Support System) robotvoertuig tijdens autonomietests; terwijl de piloot in de K-MAX cockpit zat, maar deze niet bestuurde
Communicatiemiddelen zijn erg belangrijk voor het functioneren van de SMRK, maar draadloze oplossingen hebben nogal belangrijke nadelen, aangezien de gevestigde communicatie verloren kan gaan door interferentie in verband met het terrein, obstakels of de activiteit van het elektronische onderdrukkingssysteem van de vijand. Recente ontwikkelingen in machine-naar-machine communicatiesystemen zijn zeer interessant en dankzij dit onderzoek kan betaalbare en effectieve apparatuur voor communicatie tussen robotplatforms worden gecreëerd. De standaard voor speciale korteafstandscommunicatie DRSC (Dedicated Short-Range Communication) zal in reële omstandigheden worden toegepast voor communicatie tussen SMRK en tussen SMRK en UAV. Er wordt momenteel veel aandacht besteed aan het waarborgen van de veiligheid van communicatie in netwerkgerichte operaties en daarom moeten toekomstige projecten op het gebied van bemande en onbewoonde systemen gebaseerd zijn op geavanceerde oplossingen die voldoen aan gemeenschappelijke interfacestandaarden.
Tegenwoordig wordt grotendeels voldaan aan de vereisten voor kortetermijntaken met een laag stroomverbruik, maar er zijn problemen met platforms die langetermijntaken uitvoeren met een hoog stroomverbruik, met name een van de meest urgente problemen is videostreaming.
Brandstof
De opties voor energiebronnen zijn afhankelijk van het type systeem: voor kleine SMRK's kan de energiebron een geavanceerde oplaadbare batterij zijn, maar voor grotere SMRK's kan conventionele brandstof de benodigde energie opwekken, waardoor het mogelijk is om een schema met een elektrische motor-generator of een nieuwe generatie hybride elektrisch voortstuwingssysteem. De meest voor de hand liggende factoren die van invloed zijn op de energievoorziening zijn de omgevingsomstandigheden, het gewicht en de afmetingen van de machine en de uitvoeringstijd van de taak. In sommige gevallen moet het stroomvoorzieningssysteem bestaan uit een brandstofsysteem als hoofdbron en een oplaadbare batterij (verminderd zicht). De keuze van het juiste type energie hangt af van alle factoren die van invloed zijn op de uitvoering van de taak, en de energiebron moet zorgen voor de vereiste mobiliteit, ononderbroken werking van het communicatiesysteem, sensorset en wapencomplex (indien aanwezig).
Bovendien is het noodzakelijk om technische problemen op te lossen die verband houden met mobiliteit op moeilijk terrein, de perceptie van obstakels en zelfcorrectie van foutieve acties. Als onderdeel van moderne projecten zijn nieuwe geavanceerde robottechnologieën ontwikkeld met betrekking tot de integratie van sensoren aan boord en gegevensverwerking, routeselectie en navigatie, detectie, classificatie en vermijden van obstakels, evenals eliminatie van fouten in verband met verlies van communicatie en platform destabilisatie. Autonome offroad-navigatie vereist dat het voertuig het terrein onderscheidt, inclusief 3D-orografie van het terrein (terreinbeschrijving) en de identificatie van obstakels zoals rotsen, bomen, stilstaande watermassa's, enz. De algemene mogelijkheden nemen voortdurend toe en vandaag kunnen we al spreken van een voldoende hoog niveau van definitie van het beeld van het terrein, maar alleen overdag en bij goed weer, maar de mogelijkheden van robotplatforms in een onbekende ruimte en bij slecht weer omstandigheden zijn nog onvoldoende. In dit verband voert DARPA verschillende experimentele programma's uit, waarbij de mogelijkheden van robotplatforms worden getest op onbekend terrein, bij elk weer, dag en nacht. Het DARPA-programma, Applied Research in AI (Applied Research in Artificial Intelligence) genaamd, doet onderzoek naar intelligente besluitvorming en andere geavanceerde technologische oplossingen voor autonome systemen voor specifieke toepassingen in geavanceerde robotsystemen, evenals de ontwikkeling van autonome multi-robotic leeralgoritmen voor het uitvoeren van gezamenlijke taken, waardoor groepen robots automatisch nieuwe taken kunnen verwerken en rollen onderling kunnen herverdelen.
Zoals eerder vermeld, bepalen de bedrijfsomstandigheden en het soort taak het ontwerp van een moderne SMRK, dat is een mobiel platform met een voeding, sensoren, computers en software-architectuur voor perceptie, navigatie, communicatie, leren/adapteren, interactie tussen een robot en een persoon. In de toekomst zullen ze meer multilateraal zijn, meer eenwording en interactie hebben en ook economisch efficiënter zijn. Van bijzonder belang zijn systemen met modulaire payloads, waarmee de machines kunnen worden aangepast voor verschillende taken. In het komende decennium zullen robotvoertuigen op basis van open architectuur beschikbaar komen voor tactische operaties en bescherming van bases en andere infrastructuur. Ze zullen worden gekenmerkt door een hoge mate van uniformiteit en autonomie, hoge mobiliteit en modulaire systemen aan boord.
SMRK-technologie voor militaire toepassingen evolueert snel, waardoor veel strijdkrachten soldaten kunnen verwijderen van gevaarlijke taken, waaronder het detecteren en vernietigen van IED's, verkenning, het beschermen van hun troepen, mijnopruiming en nog veel meer. Het concept van gevechtsgroepen van brigades van het Amerikaanse leger, door middel van geavanceerde computersimulaties, gevechtstraining en echte gevechtservaring, heeft bijvoorbeeld aangetoond dat robotvoertuigen de overlevingskansen van bemande grondvoertuigen hebben verbeterd en de effectiviteit van de gevechten aanzienlijk hebben verbeterd. De ontwikkeling van veelbelovende technologieën, zoals mobiliteit, autonomie, uitrusting met wapens, mens-machine-interfaces, kunstmatige intelligentie voor robotsystemen, integratie met andere SMRK en bemande systemen, zal zorgen voor een toename van de mogelijkheden van onbewoonde grondsystemen en hun niveau van autonomie.
Russisch percussie-robotcomplex Platform-M ontwikkeld door NITI "Progress"
