探秘GXV-T的先进技术

2018年5月，美国DARPA针对GXV-T计划在机动性和乘员能力增强技术领域研发的轮-履转换行走技术、轮毂驱动技术、大行程悬挂技术、装甲透视技术、虚拟透视交互技术和自主驾驶技术进行了演示验证。

1.机动性能增强技术

GXV-T计划认为未来战车应能在95%的越野地形（包括各种坡度和海拔）行驶。与现有地面车辆相比，GXV-T所需能力包括变革性的轮轨技术和悬挂技术，以便能够进入越野和非越野道路并在上面快速行驶。

1）轮-履转换行走技术

众所周知，轮型车辆跨越障碍物能力稍弱，在高乘载重量时所能够通过的地形非常有限，并且在恶劣气候下的行走能力远不如履带车辆。履带装甲车的复杂地貌机动性强，翻越障碍物能力强，可以形成360°原地转体，履带式适合渡海登陆、抢滩、沙漠等地作战。同样一台车换上履带之后比普通轮胎的越野能力要高出很多，但在越野环境下，履带的使用寿命要比普通轮胎短很多。

如何让车辆既适应公路路面又适应非铺装的越野路面，一直是困扰各国陆军的一个难题。第二次世界大战期间是使用半履带车辆的高峰时期，在第二次世界大战期间，德国和美国已经提出了解决方案。德国与美国都曾经生产过数量众多的半履带车辆，用它们来执行运输或者是作战任务（例如德国的Sd-Kfz250、SdK fz251系列，美国的M2、M3半履带车系列）。这些车辆的共同点是，前方采用车轮，后方则采用履带。前车轮、后履带的半履带车可以有效提升越野路况下车辆的越野能力和行驶速度。

美国在第二次世界大战生产了M2半履带军用装甲车辆，美国海军陆战队利用M2在战场发挥了很大的作用。还有M3半履带装甲运兵车是第二次世界大战中应用最广的战斗车辆之一，发动机在前，3名乘员居中，载员室在后，最多可装载12名士兵，还可以拖曳大炮，或装备反坦克火炮、防空火炮、重型火炮和迫击炮等武器。

这一技术是陆军野外机动的一个新里程碑。但实际使用效果并不好，既不能发挥轮式车的优点，履带效果也不好，因此这些半履带车在第二次世界大战后都消失了。

之后的履带车经常会出现在雪地环境或者汽车主机厂的官方改装车型上。

为提高战车在各种路面的机动能力，美国卡耐基·梅隆大学国家机器人工程中心开发出了轮-履转换行走技术（RWT）。研发的行走装置形状类似于车轮，用6块近似长方形的金属支撑装置取代传统车轮的轮辋，外部套有一圈橡胶履带，在车辆机动时可根据地形在圆形车轮和三角形履带之间自由转换。采用轮-履转换行走装置的车辆兼具轮式车辆的高速机动性和履带式车辆的越野机动性特点，在一般的路面上，车辆保持圆形轮胎快速移动，在复杂的越野地形上，圆形轮胎就变形成三角形，变成履带式车轮，而这整个过程可以在2 s内完成，大幅提高了车辆的通过性和机动能力。目前，该行走装置已经安装在4×4高机动多用途轮式车上进行了演示验证。

该项技术理念的核心在于根据具体的路面情况及车轮载荷，调节地面行走装置与地面接触区域的面积。路面较硬、较光滑时，减少接地面积，可提高车速。而当车辆在松软土质地面上行驶时，增加接地面积，能实现牵引力最大化，提升行驶安全性。

轮-履转换行走装置让车辆在行驶时实现圆形车轮和三角形履带轮的相互转换，以便即时改善战术机动性和对不同地形的适应能力。车辆高速行驶时通过液压机构保持圆形截面，与普通车轮并无不同；而在越野模式下，液压机构收缩，车轮截面变为三角形，增加与地面的接触面积，增强抓地力。

该款轮-履转换行走装置外有橡胶履带，内置实现车轮变型导轮架。在早期的产品版本中，研究人员为其配置了电机，利用电能推动轮胎的变形。然而，研究员不久后发现，或许能利用行走装置本身的速度来迫使车轮发生变形，而不必采用复杂的电机系统。

从结构上看，这套可变形车轮主要部件就是6块金属支架，在操作演示中，车轮模式时，当6块金属支架撑起，借助车轮内的齿轮配置，系统轮廓呈圆形车轮，完成车轮的变形，同时轮毂制动系统阻止车轮旋转；而在履带模式时，轮毂制动系统关闭，金属支架向内收缩后，车轮就会变成三角形的履带。

在迄今为止的各类测试中，配置轮-履转换行走装置的军用车辆在车轮模式和履带模式下的车速分别为50 mi/h和近30 mi/h。在从车轮模式向履带模式切换时，车速仍高达25 mi/h，而从履带模式向车轮模式切换时，车速近12 mi/h。

DARPA表示，这是一种和以往完全不同的技术解决方案，能在全地形上保持车辆的敏捷性。DARPA透露将在未来考虑和各军种合作，将这种新颖的技术应用在实际的车辆上。不过美方并没有展示这种技术在复杂地形上的实际表现，而只是在普通路面展示变形过程。从目前公布的资料来看，这种自适应可变形车轮还只是初步样机，其平台也是普通的悍马车型，并非其他更大吨位的车辆。

2）轮毂驱动技术

对于传统车辆来说，离合器、变速器、传动轴、差速器乃至分动器都是必不可少的，而这些部件不但重量不轻，让车辆的结构更为复杂，同时也存在需要定期维护和故障率的问题。但是轮毂驱动技术就很好地解决了这个问题。

轮毂驱动技术又称车轮内装电机技术，它的最大特点就是将动力装置、传动装置和制动装置都整合到轮毂内，因此将电动车辆的机械部分大大简化。它是实现轮式装甲车辆电推进的关键技术。装甲车辆采用轮毂驱动可以省却复杂的传统机械传动系统，既可以减轻车重，提高车辆单位功率密度，提高车辆速度、加速性、转向等机动特性和制动特性，又可以获得更好的空间利用率，提高了车辆总体设计自由度。

GXV-T计划旨在开发能促进未来军用车辆革命性发展的颠覆性技术。奎奈蒂克公司是唯一一个参与GXV-T计划的非美国合作伙伴，负责为GXV-T计划研发轮毂电机驱动系统。该轮毂电机驱动系统的设计目标是：在具备最佳性能的同时重量更轻、结构设计更灵活，从而开发一种新的车辆结构布置方案。

英国奎奈蒂克公司研制的轮毂驱动系统由高功率小型永磁电动机、变频器、三速行星变速机构、摩擦盘式制动器、可控冷却系统等组成，集成在20 in轮毂内，采用全新密封轮毂结构设计解决防尘问题，重180 kg，额定/峰值功率65 kW/100 kW，连续输出转矩/峰值转矩16 kN·m/24 kN·m，最大负载为4吨/车轮，标称机械效率达92%。

轮毂驱动系统集成多挡变速机构，能够提供车辆低速越障/爬坡所需的高驱动转矩和水平道路高速行驶特性；齿轮换挡机构设有空挡，在车辆出现故障被牵引时，通过空挡隔离轮毂防止不可控的电再生制动以实现保护功能；轮毂驱动系统集成机械制动器，制动性能优于电动机和制动机独立安装的非集成系统，在驱动系统发生故障时能够安全停车，具备坡度驻车功能。

奎奈蒂克公司采用的轮毂电机的设计方法，可取代多挡变速箱、差速器和驱动轴，当车身底部发生爆炸时，该设计能够提高车辆生存能力，还能大幅降低整车重量，从而可采用完全独立悬挂，有效提高车辆悬挂行程。使提高军用及民用车辆安全性并增强车辆性能成为可能。此外，轮毂电机驱动技术还具有提高现有军用车辆能力的潜力。例如，现有的轮式步兵战车用轮毂电机驱动系统改装后可获得额外的动力和灵活性，同时能降低车辆重量，或者利用节省的重量用于额外装甲、装备或人员。传统的驱动系统太大、太重，限制车内空间的使用，在车底发生爆炸时驱动系统的部件还可能会变成致命弹丸。将驱动系统移入车轮中不仅能消除这一威胁，还能扭转车辆由于增加防护和武器而变得更重、机动性更差的发展趋势。

在按比例增减尺寸后，轮毂电机驱动系统能够应用到从自卸车到空间探测器的任何车辆上，采用可用的、经济可承受的组件来降低车辆重量并保持车轮标准尺寸，提高了从根本上增强车辆机动性和生存力的可能性。

美国国防高级研究计划局的投资为轮毂电机驱动技术的早期发展提供了机会，而且发展速度超出了预期。未来不同国家和行业的设计人员会大量采用轮毂电机驱动技术，以推动其所在领域的突破性发展。(www.xing528.com)

3）大行程悬挂技术

美国普拉特·米勒公司基于大行程悬挂技术研制出多模极限行程悬挂系统（METS）旨在实现在崎岖地形上高速行驶的同时，保持车辆直立并减少乘员不适。根据DARPA公布的信息，演示车辆采用标准的军用20 in车轮，与之匹配的是一套行程4～6 in（10～15 cm）的先进短行程悬挂以及最大行程可达6 ft（约1.8 m）的新型长行程悬架组成的四轮独立悬架系统，其中，长行程悬架支持向上压缩42 in（1.06 m）/向下伸展30 in（约0.76 m）。这套悬架系统通过主动独立调整车辆每个车轮上的液压悬架来提高陡坡和斜坡的通过性。举例来说，在通过水平长斜坡时，这套底盘可以通过主动悬架行程，将右侧悬架大幅向下伸展，与左侧悬架形成一个足以保持驾驶舱始终处于水平状态的夹角，进而确保车辆在行进过程中一直处于水平直立状态。

这项技术是为了满足装甲车在不平坦的地形上进行高速前进的需求，普拉特·米勒公司的METS在相关测试中表现极为优秀。安装这种悬挂系统的4×4车辆可实现不平路面上的高速行驶，且始终保持车身直立，确保车辆行驶稳定性和乘员舒适感。该系统还可通过调整每个车轮的液压悬挂装置来提高车辆攀爬陡坡的能力。大行程悬挂技术能满足不同地形需求，大幅提升了车辆越野机动能力、通过性和乘员舒适性。

2.成员能力增强技术

现代作战行动的经验表明，未来装甲战车需要拥有更加优越的机动性能，并能够在完全无窗条件下作战。特别是在居民区作战，更需无窗作战的能力。然而，对于坦克装甲车辆乘员来说，在封闭的战车中作战并不是件轻松的事，眼观六路、耳听八方似乎更像是神话。在无窗条件下，装甲战车在传统上跟踪己方和敌方的作战力量是极为复杂的工作。特别是在近距离内存在威胁的情况下。从生存性角度来看，在主动防护系统领域取得的成果能够部分解决这种问题，但主动防护系统必须在无窗情况下工作。由此，需要开发新的技术，以便重塑由于无窗战斗所带来的地域局限或态势感知水平。

为此，美军考虑研发全封闭装甲车，以及与其相匹配的驾驶技术。

1）装甲透视技术

传统战斗车辆所设计的小窗口可以提高防护能力，但是限制了视野。除新兴的无人地面战斗车辆外，几乎所有的军用车辆都装有防弹玻璃制成的窗户，即使是重达数十吨的主战坦克，也必须为驾驶员的潜望镜设置专用的观察窗。但这些玻璃组件不仅容易磨损，而且一定程度上降低了全车的防护强度，还不利于隐身。为此，GXV-T寻求具有多种车载传感器和技术的解决方案，在保持车辆封闭的同时提供高分辨率和360°的态势感知能力。

除强调智能化系统、高度灵活性并放弃厚重装甲外，GXV-T的另一大核心技术就是如何使驾驶员在封闭的座舱中获得更广的视野和更好的态势感知能力——在车体外部安装高清摄像头显然无法解决这一难题。

美国航空电子巨头霍尼韦尔公司为DARPA研制车辆用“虚拟现实风挡”，以增强未来地面战车乘员的态势感知能力。这是近年来科技界虚拟现实技术热潮进入军事领域的新动向。该公司给出的方案是混合使用增强现实（AR）技术和虚拟现实（VR）技术。两种技术集成在一套头戴式显示设备（HMD）中，通过车载摄像头和任务计算机融合为实时图像，为驾驶员提供“穿过车体”的360°全向观察能力。头戴式设备与环绕显示屏相搭配，使操作人员能够在无窗车辆中查看车辆周边环境。

GXV-T的操作环境对计算机的高速图像处理能力、人机工程设计能力和信息融合显示能力提出了较高要求。霍尼韦尔公司利用在高速图形处理、人因设计和显示系统方面的专业知识，创建虚拟场景，让驾驶员能够驾驶无窗车辆以正常行驶速度在真实路面上行驶。为达到DARPA制定的能够通过95%地形的项目指标，该方案采用了智能地形测绘技术与动态跟踪技术，通过虚拟现实技术将其展示给驾驶员，并用增强现实技术实时显示当前环境、行驶速度、路径规划等信息。引入智能设计后，该方案还提供现实世界测试，公司研发的无车窗显示系统还能克服眩动病及视觉疲劳相关的传统挑战。霍尼韦尔的产品方案证明，该方案或将为用户提供安全性更高的封闭式座舱体验。在未来军事及商业市场上，会有大量该技术相关的应用出现，其产品市场将呈现增长态势。

GXV-T一期项目始于2015年7月，霍尼韦尔公司对该理念进行了大量的测试，并提出了无车窗陆上车辆的可行性。驾驶员采用AR及VR头盔及全景活动式显示屏，测试车辆及设备的性能。在完成初步测试后，DARPA与霍尼韦尔公司续签合约，双方合约有效期至2017年8月29日。

为验证该方案的可行性，霍尼韦尔公司对一辆小型4×4全地形车进行了改装，并进行首次测试。结果表明，一名经验丰富的驾驶员在封闭的座舱中能够通过该系统获得160°的广域视场，并在崎岖道路上达到35 mi的时速（约合53 km/h），而在第二轮测试中，这一数字被提升至40 mi/h（约合64 km/h）。这一数据已经大大超过M1“艾布拉姆斯”主战坦克40 km/h左右的越野速度，令科研人员十分满意。该公司研发部高级技术经理布莱恩·阿勒斯卡表示，技术成熟的完整版系统有望安装在美军所有军用车辆上，大幅提高其机动性和防护性。之后，霍尼韦尔公司将改进现有系统，尽可能降低与减少摄像机捕捉图像和屏幕显示内容间的延迟和差异；并将在车辆上集成红外和热扫描传感器，确保传感器满足战场环境下使用的严苛要求。

通过重新定义驾驶员与外部世界的交互方式，这款基于GXV-T研究的未来系统或将实现全新的驾驶方式。驾驶员或将利用360°全景视角，查看车辆周边环境，使其采用新方法及新驾驶策略，防止车辆受到来自外部环境的威胁。这些未来系统或将向驾驶员提供更多的任务信息，如最优驾驶路径、险要地形或军队部署，上述功能均可借助增强现实设备来呈现。此外，虚拟现实技术在测试训练或仿真环境中也将发挥重要作用。

霍尼韦尔公司并非唯一正在研究360°全方位态势感知能力的公司。BAE系统公司有一个类似的项目“战斗视野360”（Battle View 360）系统，允许士兵使用可穿戴的单眼式显示器“看穿”车辆。该公司在这一系统中运用了在欧洲战斗机“台风”上所用到的技术，包括单眼显示器和触摸式显示屏。单眼显示器可以显示战车的摄像机和有传感器拍摄的光学和红外影像。德国莱茵金屈公司开发了“帕诺观察”（Pano View）镶嵌式头盔显示器系统；以色列埃尔比特系统公司“铁视觉”（Iron Vision）头盔系统以航空飞机传感器和系统架构为基础，集成了英国商用头盔显示器、态势感知、C4 I和告警等技术；乌克兰车辆对外贸易公司推出的“透视装甲”（limpid armor）环绕观察系统则是以联合攻击战机分布式孔径系统为基础，集成美国商用现货全息透镜、传感器、专用软件等技术。乘员在车内即可360°感知战车周围环境态势；俄罗斯T-14坦克采用的“装甲梦幻”技术，依靠安装在车体周边的各种摄像头获取图像信息，保证全视角态势感知能力。这些新技术将使装甲装备具备无窗作战能力，提高乘员、装甲装备的生存力及智能化水平。

此外，类似的还有在F-35“闪电”Ⅱ联合攻击战斗机中提出的“透明喷气式飞机”概念。F-35战斗机飞行员头盔与机上航空电子设备和传感器集成在一起，以前显示在驾驶舱仪表板上的所有信息，现在都投射在头盔的观察面板上。飞行员根据头盔的显示对目标进行定位、跟踪和攻击。

2）虚拟透视交互技术

美国雷声BBN技术公司基于虚拟透视交互技术研制出“虚拟视角增强自然体验”（V-PANE）系统。这是一种使用激光雷达（LIDAR）探测与车载大尺寸超清LCD显示的组合解决方案。该公司高级科学家大卫·迪勒认为，相较于增强现实和虚拟现实技术而言，激光雷达在数据处理和信息融合方面具有速度优势，而且显示形式单一，不会造成驾驶员视觉疲劳或判读错误，同时其对于速度、方位等矢量的测算更精确，而且扫描范围更大、覆盖死角更少，同时所有数据可以即时储存，用于后续分析。缺点在于，该技术需要大量的系统内存和高效散热设备作为支撑，雷声BBN技术公司在原型试验中发现，激光雷达系统每秒可扫描70万个轨迹点，由此产生高达3.5 G的视频数据，对于车载计算机而言显然负荷过大。另外激光雷达系统较为精密，必须避免撞击、磕碰或被泥尘覆盖。雷声BBN技术公司计划在对其进行可靠性加强后再装车展开道路测试。

该“虚拟视角增强自然体验”系统将车载激光雷达获得的点云信息、车载摄像机获得的二维视频信息、狙击手探测系统获得的威胁信息、导航系统的路径规划信息等融合生成“真实”的三维模型，再将三维模型输入驾驶员、车长、炮长的二维显示器上，形成多视角虚拟透视场景。通过采用虚拟透视交互技术，乘员能够身临其境地感知车外环境、前方威胁、规划路线等信息，在低速行驶和高速行驶期间能准确操控车辆并探测目标。

战术车辆为决策者提供的可视性和数据非常有限，尤其是在快速通过陌生领域时。雷声BBN技术公司的V-PANE技术演示器将来自多个车载视频和激光雷达摄像头的数据融合在一起，使驾驶员能够从一系列不同的视角观察外界，每个视角都来自一系列摄像机和激光雷达传感器。该系统能够创建汽车周围环境的实时3D模型（直观的驾驶室视角，高处第三人称视角，以及通过模型增强的其他视角），通过这些视角协助驾驶员进行严密的技术操作。显然，如果发现威胁，这个生动的3D视角系统，也将帮助驾驶员更好地运用定位系统。在最后的第二阶段演示验证中，无窗休旅车中的驾驶员和指挥员成功地切换了多个虚拟角度，以便在低速行驶和高速行驶期间准确地操纵车辆并检测感兴趣的目标。

3）自主驾驶技术

美国卡耐基·梅隆大学（CMU）国家机器人工程中心（NREC）还负责开展基于自主驾驶技术的“乘员越野驾驶能力增强”（ORCA）项目研究，其目标是开发半自主或全自主操控的“虚拟驾驶员”系统。该系统既可以为驾驶员提供辅助驾驶功能，也可以在“驾驶员放手”模式下自主驾驶车辆，并可以自主选择最安全和最快速的行驶路线。采用“虚拟驾驶员”系统的车辆可在越野地形上自主避障驾驶，将驾驶员解放出来执行其他任务，降低了乘员工作负荷，提高了车辆及乘员的行驶安全性。

ORCA类似传统汽车上带辅助线的倒车影像，但并不会像传统导航系统那样，简单地发出操作指示，如“在下个路口右转”之类的指令。该系统使用大量摄像头和传感器来绘制车辆前方的地形，驾驶员可利用视频显示屏查看周边环境并完成驾驶操作。同时，该系统会将驾驶员行为同传感器及其他数据相结合，实时预测和规划最安全、最快捷的行车路线，在显示屏上向车内人员展示相关的信息，帮助驾驶员选择最佳的行驶路径，穿过“不毛之地”。在驾驶过程中还会提醒驾驶员进行转向、障碍物规避并告知前方有难行的地形。当驾驶员需要时，系统可指挥车辆自行绕开障碍物，自主完成车辆的相关驾驶操作，而不会给驾驶带来负担。

当驾驶员在第二阶段试验中，得益于ORCA辅助设备和视觉叠加技术的运用，驾驶员驾车行驶得更快，并且能在几乎没有停顿的情况下就能确定其行驶路线、避开障碍。现场测试试验表明，这是人与计算机并重的驾驶策略，据测量数据显示，人机配合可将车速及驾驶员的表现提升20%～30%。