机器人的发展与规划
目前世界上已有十几个国家对民用及军用机器人进行了大量的研究。机器人系统在我们生活领域中越来越重要。在未来的战场上,机器人也将发挥不可忽视的作用。尽管现在世界的局势以和平和发展为主,但战争的威胁始终都存在。因此,我们必须认真研究怎样在愈加电子化、机械化的未来战场上部署机器人,怎样使更加占据优势的自主式机器人和多环境机器人代替机器人遥控系统。
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(旁注)为什么要研究军事机器人?
人类为什么一定要发展军用机器人呢?通过分析未来战争的经济消耗、对国家的破坏及其残酷性,人们会发现机器人武器更有优势,未来战场环境必将导致大量机器人的投入。
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(旁注)机器人在哪些情况下要优于载人系统?
在有些情况下,机器人系统要明显地优于载人系统:
当战争环境极为险恶,唯一的选择是机器人系统,在未来战场上只有无人系统能在毒气袭击的情况下执行任务,并能抵抗冲击波和热辐射,就像现在它们在核电站、外层空间、海底及不适于人工操作的装配线等危险环境中出色地工作一样。一旦它被毁坏,另一个机器人即可马上代替它继续完成任务。
机器人可以适应危险环境
当更重要的任务需要人去完成时,机器人可以代替人完成那些不太复杂的任务,可成为战场上的有生力量。
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(旁注)机器人在战场上可以完成哪些任务?
机器人和自动化机械系统最适合在核生化战场上部署,它们能在这种情况下安全高效地检修装备,维修车辆,灭火和抢救伤员,它们是核生化战场上唯一的生力军。
机器人没有人类恐惧的本能,能完成对人类来说是极危险的动作,它能以大加速度转向,机器人武器系统的耐受力大大超过载人系统,不会像载人系统那样因人的精力和体力的疲劳而影响它的操作性能。
机器人可以接管一些一般性工作,诸如安全、消防、维修、后勤等方面的任务,受过良好训练的人员如驾驶员,可以去承担更重要的任务,把那些不太重要或没有生还可能的任务留给机器人去完成。
军用机器人的工作方式
遥控式机器人系统的制造技术相对简单,而且更容易被军方接受,所以现在遥控式机器人系统已经率先部署于战场;而自主式系统由于研制费用昂贵,特别是人们对它是否能确保不伤害人类本身仍持怀疑态度,使得自主式系统的发展面临困境。
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(旁注)军用机器人的工作方式是什么?
近期已装备部队的遥控式机器人正是军方所冀求的“勇士”和“技师”。如果遥控器与操作手之间有更加安全的传输线路,比如用卫星远距离遥控,那么未来战争的性质与参战士兵的类型将与现在完全不同。试想,一个五角大楼的官员坐在办公室里代替前线的士兵操纵坦克,或是一个电子游戏通过遥控机器人执行特种作战任务,它们的战斗力可能大大超过现代战场上的勇士。操作手还不受年龄、性别、身体状况的限制,使军方有更大的人员选择的余地。将来,掌握先进的遥控技术的国家将更热衷于远距离作战。
多环境机器人系统(MERV)
在无人系统的发展中,多环境机器人系统异军突起,这种机器人系统的出现受益于使美国青少年着魔的日本机器人玩具——“变形金刚”(Transformers)和“格博兹”(Go-Bots)。研究者们希望这一系统能适应各种环境,陆地、空中、海洋及空间,并已开始尝试,比如美国人能在潜艇上发射“战斧”(Tomahawk)式导弹,这种自动控制导弹可以用鱼雷发射管发射入水,游出水面后脱掉外壳展开尾翼升空。可以预言,更先进的多环境机器人系统将成为未来机器人研究发展的大趋势。
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(旁注)未来机器人研究发展的大趋势是什么?
一些人设想在多环境机器人上安装逆向旋转叶片,就像加拿大航空公司的“哨兵”CL-227(CL-227Sentinel)机器人系统一样,并兼有奥德迪克斯公司的步行式机器人的功能。在地面上它将叶片折叠,能在茂密的灌木丛中行驶,也可隐蔽潜伏数日,用传感器收集各种情报。一旦需要升空时,机器人可马上伸展旋翼,像直升机一样在空中侦察或执行其他空中任务。
还有些人想把多环境机器人系统设计成一种遥控航行器,像小型潜艇一样在水下部署。这种系统在水面行驶时可拖带传声阵列,在水下可用磁探仪完成非声探测任务,它还能作为一种突击潜艇跟踪敌艇并发动攻击。目前,对多环境机器人系统人们还处于设想阶段,但它的重要性不容忽视。
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(旁注)为什么机器人有可能成为“恐怖分子”?
机器人恐怖分子与反恐怖分子
机器人的另一种准军事应用是参与反恐怖活动,但同时人们也担心有一天它们也会成为“恐怖分子”。它们一旦失控或是落入恐怖分子之手,将会带来很大的灾难。所以各国的防务、执法及情报机构都严格控制不让无人武器系统及其制造技术被恐怖分子所掌握。
当然,机器人不可能完全消灭恐怖分子,但我们能利用我们的自主式海、陆、空机器人对机场、使馆、港口及其他可能遭受攻击的目标和地区进行巡查,而且机器人系统在这方面的使用比载人系统更加优越,它花费少,隐蔽性好,受到的威胁也小。目前凭借先进的自动化和机器人技术,反恐怖机器人能拦阻和检查有可能携带爆炸物的车辆,避免了人类在执行这类检查时有可能受到的直接伤害。美国机器人防御系统的“觅食兽”机器人在这方面已有了成功的例子,这表明无人系统完全可以胜任拦阻和检查进入车辆的任务。装配了先进的摄像机和传感器(包括红外、传声、雷达、传感器)的遥控飞行器的使用范围也很广阔,遥控飞行器能够执行周密的侦察任务、干扰恐怖分子的联络、引导灵巧武器命中目标。美国科学开发公司研制的RPMB遥控飞行器和ILC多佛空气动力公司建造的可充气遥控器均属于遥控飞艇,这种飞艇能连续在空中盘旋数日,监视杂乱的城区,用摄像机和传感器对目标区和选定的建筑物进行监控。
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(旁注)机器人无人系统可以胜任哪些任务?
在爆炸物处理机器人还没有出现以前,爆炸物需要专门人员排除。首先要小心地取下引信,取下引信帽,使雷管失效,然后或是冒险卸下雷管,或是用控制爆破销毁爆炸物。许多人在排除爆炸物时由于出了极小的差错失去手指、胳膊甚至生命。机器人的使用可使爆炸物处理专门人员远离爆炸物进行操作,他们遥控机器人到作业位置,这时机器人将现场画面用电视摄像机传给操作手,之后,操作手发送指令让机器人用机械手打开爆炸装置。然后拆除引爆装置或是用轻机枪射击破坏引爆装置。
我国生产的排爆机器人
而且机器人不仅可以排除炸弹,利用它的侦察传感器还可监视犯罪分子的活动。监视人员可以在远处对犯罪分子昼夜进行观察,监听他们的谈话,不必暴露自己就可对情况了如指掌。
“微型无人机”
所谓的微型无人机,是指翼展和长度小于15厘米的无人机,也就是说,最大的大约只有飞行中的燕子那么大,小的就只有昆虫大小。微型飞行器从原理、设计到制造不同于传统概念上的飞机,它是MEMS(微机电系统)技术集成的产物。要想研制出如此小的无人机面临着许多技术及工程问题。
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(旁注)无人机面临的最大困难是什么?
最大的困难是动力问题。在微型无人机的开发中,近期最大的困难是发动机系统及其相关的空气动力学问题,而发动机又是关键,它必须在极小的体积内产生足够的能量,并把它转变为推力,而又不增加过多的重量。
不同的空气动力学原理。由于尺寸小速度低,微型无人机的工作环境更像是小鸟及较大昆虫的生活环境,而人们对于这种环境中的空气动力学还知之甚少,其中的许多问题,都难以用普通空气动力学理论加以解释。
由于微型无人机只能低速飞行,层流占主导地位,它引起较大的力及力矩,这可能要求用三维方法解释它的空气动力学。微型无人机的机翼载荷很小,几乎不存在惯性,很容易受到不稳定气流、如城市楼群中的阵风以及风雨的影响。
飞行控制。怎样控制微型无人机的飞行是另一个难点。首先要有一个飞行控制系统来稳定微型无人机,至少增加其自然的稳定性。这样在面临湍流或突发的阵风时可以保持其航线,并可执行操作人员的机动命令。若微型机需要对目标成像的话,还需要稳定瞄准线。
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(旁注)怎样控制微型无人机的飞行?
为使微型无人机自主飞行,要采用重量轻、功率低的GPS接收机,低漂移量的微型陀螺仪和加速度计,也可以利用地理信息系统提供地形图导航。GPS可以大大提高微型机的能力,但目前它在功率、天线尺寸、重量及处理能力等方面均存在不少问题,需要加以解决。而且,系统还要不受电磁波及无线电频率的干扰,要求通信电子元件的质量/功率效率极高。(www.xing528.com)
通信。一旦飞到空中,微型无人机需要保持它与操作人员之间的通信联系。由于体积重量的限制,目前只能采用微波通信方式。尽管微波可以传播大量的数据,足够进行电视实况转播,但它却无法穿透墙壁,因而只能在视距内使用它,微型无人机的尺寸小限制了无线电的频率及通信距离。当微型机飞出视距或视线被挡住时,就需要一个空中的通信中继站,中继站可以是另一架飞机或者卫星。
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(旁注)微型无人机平台有哪三种?
侦察传感器。要想在战场上实际应用,微型无人机还需要携带各种侦察传感器,如电视摄像机、红外、音响及生化探测器等。这些都必须是超轻重量的微型传感器,因而部件小型化是传感器技术发展的关键。
美国正大力开发微型无人机技术,并研制各种微型无人机平台,有固定翼、旋翼及扑翼式三种。
1998年初,加利福尼亚大学开始研制一种扑翼式微型无人机,叫机器苍蝇。研制的目的是利用仿生原理获得苍蝇的杰出的飞行性能。军方对它的侦察能力很感兴趣,想利用它在城市环境中进行秘密监视及侦察。
机器苍蝇有普通苍蝇大小,样子也像苍蝇。不过它有4只翅膀而不是两只,只有一个玻璃眼睛而不是两只球形眼睛。机器苍蝇重约43毫克,直径5~10毫米,与真苍蝇差不多,
它的身体用像纸一样薄的不锈钢制成,翅膀用聚酯树脂做成。机器苍蝇由太阳能电池驱动,一个微型压电石英驱动器以每秒180次的频率扇动它的4只小翅膀。驱动器的质量大大小于一只绿头苍蝇的质量,但它比肌肉产生的能量密度大得多。
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微型无人机军事上有哪些用?
微型无人机在军事上有广泛的用途,它可进行侦察,生化战剂的探测,目标指示,通信中继,武器的发射,甚至可以对大型建筑物及军事设施的内部进行监视。它特别适合于在城市作战中使用,它可以填补卫星和侦察机达不到的盲区。机上装备的摄像机、红外传感器或雷达可将目标信息传回,士兵通过手掌上的显示器,可以看见山后或建筑物中的敌人。如果装上电子鼻,它甚至可以根据气味跟踪某个要人。
现在微型无人机的研究正在进行中,它发展的潜力是非常大的。在战场上,微型无人机、特别是昆虫式无人机,不易引起敌人的注意。即使在和平时期,微型无人机也是探测核生化污染、搜寻灾难幸存者、监视犯罪团伙的得力工具。
机器工兵
所谓地面军用机器人是指在地面上使用的机器人系统,它们不仅在和平时期可以帮助民警排除炸弹、完成要地保安任务,在战时还可以代替士兵执行扫雷、侦察和攻击等各种任务,今天美、英、德、法、日等国均已研制出多种型号的地面军用机器人。
在世界上许多战乱的国家中,到处都散布着未爆炸的各种弹药。例如,海湾战争后的科威特,就像一座随时可能爆炸的弹药库。在伊科边境一万多平方公里的地区内,有16个国家制造的25万颗地雷,85万发炮弹,以及多国部队投下的布雷弹及子母弹的2500万颗子弹,其中至少有20%没有爆炸。而且直到现在,在许多国家中甚至还残留有一次大战和二次大战中未爆炸的炸弹和地雷。因此,爆炸物处理机器人的需求量是很大的。现在世界上每月有2000人死于地雷爆炸,每年约有2~2.6万人因触雷而丧生,地
什么是地面军用机器人?
考考你雷已使25万人致残。而且每清除一颗30美元的地雷,需要花费300~1000美元,这么多的地雷以现在的投资与技术需要1400年才能清除完毕。在阿富汗,只靠人工扫雷,清除全国的地雷需要4300年。而且扫雷还会造成士兵的伤亡。因此扫雷成了各国紧迫而又长期的任务。
考考你有
机器人扫雷哪些优点?
机器人扫雷不仅扫雷速度快,更重要的是它可以避免人员的伤亡。
英国早在20世纪60年代就研制成功排爆机器人。英国研制的履带式“手推车”及“超级手推车”排爆机器人,已向50多个国家的军警机构售出了800台以上。最近英国又将手推车机器人加以优化,研制出“土拨鼠”及“野牛”两种遥控电动排爆机器人,英国皇家工程兵在波黑及科索沃都用它们探测及处理爆炸物。“土拨鼠”重35公斤,在桅杆上装有两台摄像机。“野牛”重210公斤,可携带100公斤负载。两者均采用无线电控制系统,遥控距离约1公里。
美国的豹式扫雷车,是将M60坦克的炮塔去掉,在底盘上加上一个Omnitech公司研制的标准机器人系统,车前1.8米处装上10吨重的扫雷钢滚制成的,主要用来清扫反坦克地雷。作战时它可在装甲部队前面开道,接近敌人雷区时,操作人员遥控机器人发射火箭弹引爆地雷,然后扫雷车通过雷区,用扫雷滚子压爆那些未被引爆的地雷,开辟出一条宽8米、长90米的通道,并用发光棒将通道标记出来。该车装有两台红外摄像机,士兵可由远处的控制车上看到地雷的热信号。在波黑的扫雷行动中,豹式扫雷车在两天之内扫除了71颗杀伤地雷。美国还研制了遥控的豹II扫雷车,2000年7月已派一辆豹II到科索沃参加紧急扫雷行动。
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(旁注)德国FFG车辆制造公司取得了哪些成果?
德国FFG车辆制造公司研制出了Minebreacker2000机器人扫雷车,该车采用豹I主战坦克的底盘,车前装有3.6米宽的液压驱动的犁地用的滚子,滚上装有重型碳化钨齿,可用来清除地表的植被,割断地雷的引爆索,挖出及摧毁埋在地下的弹药。针对不同的土质备有各种滚子,更换损坏的齿只需要几分钟时间。车底带有配重以防工作时车辆摆动。底盘外增加了钢板及衬垫材料,使它可以经受住大多数类型地雷的爆炸而不会有严重损坏。该机器人在6小时内的扫雷面积相当于30个有经验的工兵同期内扫雷面积的15~20倍。
(旁注)考考你
(旁注)哪种机器人在波黑无故障地工作了几百个小时?
一般专门扫除杀伤地雷的机器人体积都比较小,美国新研制的Mini-Flail小型遥控扫雷机器人,就是这种机器人。它是在Bobcat推土机的基础上改装的,采用一个装有链条的转筒扫雷,链条炸坏后很容易更换。有4辆这种机器人在波黑已经无故障地工作了几百个小时,获得军方的一致好评。1999年9月美军又派出三辆Mini-Flail前往科索沃的道路上扫雷,加拿大驻科索沃的维和部队也装备了两辆这种扫雷车。这种机器人是正式列入美国陆军编制的第一种地面军用机器人。
为了从根本上解决探雷问题, 1997年美国启动了一项为期3年的基础研究计划,打算利用仿生的方法开发出各种探雷技术,它的名字叫“电子狗鼻”计划。它利用与狗同样的闻炸药气味的方法探测地雷中的炸药,这改变了以往探测地雷物理特征的基本原理。其中的一种方法叫核四级矩共振技术,这是一种非常有前途的机器人探雷技术。
核四级矩共振系统的原理是:它不是直接模仿狗闻地雷中氮气的气味,而是利用无线电频率的能量穿透地雷内部的炸药,激发炸药中的氮原子引起它的共振,产生一个能量波。测定这个能量波并经计算机处理后,就可确定是否有炸药存在。这种探测器比现有探测器的精度高得多,还可识别地雷中炸药的类型,而且虚警率很低。
目前机器人探雷扫雷的应用才刚刚开始,由于用机器人探雷及扫雷的速度快,特别是可以避免士兵伤亡这一最大的优点,使它具有光明的前景。
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(旁注)核四级矩共振系统的原理是什么?
水下军用机器人
水下机器人又称为水下无人潜器,分为遥控、半自治及自治型。水下机器人是典型的军民两用技术,不仅可用于海上资源的勘探和开发,而且在海战中也有不可替代的作用。为了争夺制海权,各国都在开发各种用途的水下机器人,有探雷机器人、扫雷机器人、侦察机器人等。
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(旁注)水下机器人分为哪几种类型?
一枚不到1000美元的小小的水雷,就可以重创上亿美元的大型军舰,水雷真是海军的大敌!水雷的种类繁多,有漂雷、锚雷、沉底雷、上浮雷、自掩埋水雷、拖带水雷及遥控水雷等。从引爆方式又可分为触发水雷及非触发水雷,后者可分为磁性水雷、音响水雷和水压水雷等。利用不同的水雷封锁航道,虽然在战争期间对海军构成巨大威胁,但是战后清理它们却也是个令人头痛的事情。
正像在地面上一样,海上扫雷也是一项既困难又危险的工作。要扫雷先要发现水雷,现在海军主要依靠扫雷舰上的声呐,但是它的效果并不理想,而要发现沉底雷及埋在泥沙中的水雷就更加困难。扫雷则非常危险,在作战情况下就更加危险,因为除了水雷外,扫雷舰随时可能受到敌机、岸炮和导弹的袭击。
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(旁注)什么是ROV?
为了避免人员的伤亡,一些发达国家都依靠遥控潜水器(ROV)扫雷。目前扫雷用的ROV的潜水深度一般为几米到500米左右。用ROV扫雷的过程大致如下:扫雷舰的声呐发现水雷后,先给出其大致方位,然后给ROV装上扫雷炸药,再把ROV放入水中。操作人员通过光缆控制它驶向目标,在目标附近,ROV的摄像机拍摄目标的图像并将它传回军舰,操作人员进一步确定它是不是水雷,若是,就对目标精确定位,ROV把炸药在水雷旁放好,然后返回母舰,最后引爆水雷。扫除锚雷时,先由ROV切断锚链,水雷浮出水面后再用炸药引爆。
采用ROV扫雷比较安全,有很多优势,但从长远来看,无人无缆潜水器UUV,或称之为自治潜水器AUV,具有更大的应用潜力。由于自带电源,无缆潜水器的自治能力强,航程长,机动性好。母舰将它放入水中,经过几小时后,它可在一个预定地点与母舰会合,由母舰回收,因而母舰更加安全。UUV还可由潜艇发射,这样比由水面舰只发射更加隐蔽。可在水面舰只达到某一战区之前由潜艇发射它,对该水域的水雷进行侦察。
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(旁注)什么是UUV?
不过,UUV要比ROV复杂得多。它需要高能量密度的电源,复杂的控制系统,它要求能精确地自主导航,并能将探测到的数据储存起来格式化后传送给舰队。UUV可用于探雷扫雷,也可用于侦察、情报搜集及海洋探测方面。
为了对付岸边的水雷,美国罗克威尔公司及IS机器人公司研制了一种名叫“水下自主行走装置”(ALUV)的机器蟹,这种机器蟹可以隐藏在海浪下面,在水中行走,迅速通过岸边的浪区。当风浪太大时,它可以将脚埋入泥沙中,通过振动,甚至可将整个身子都隐藏在泥沙中。
ALUV长约56厘米,重10。4公斤,包括一个3.17公斤重的压载物。为了携带传感器,它的脚比较大,便于发现目标。当它遇到水雷时,就把它抓住,然后等待近海登陆艇上的控制中心的命令。一旦收到信号,这个小东西就会自己爆炸,同时引爆水雷。技术人员还打算使机器蟹之间可以进行通信联络,从而提高扫雷的效率。
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