军用机器人控制技术的未来发展方向

2017-02-15    来源:知远战略与防务研究所

使用遥控装置是公认的军事技术装备未来发展方向之一。遥控装置不仅包括无人机,还包括地面、海上和太空无人装备。但是其使用规模的扩大也会带来一些问题。

每种机器人系统不仅装备侦察和数据传输设备,有时还装备武器。这是包括控制、定位、通信、信息处理设备和无人机操纵员在内的复杂系统。

集体智慧

遗憾的是,机器人装备研发热已经导致其每一种都是独一无二的,因此我们看到,有多少种无人机或地面机器人,就有多少种控制系统在工作,而它们实际上相互无法协同动作。自然,这种状况不可能永远持续下去。

群体智能(Swarmintelligence)被认为是解决机器人设备控制问题的方向之一。这个术语是1989年由加利福尼亚大学的赫拉多·白尼和王津(音)提出的,但至今没有形成准确的定义。群体智能描述的是分散的自组织系统的集体行为。

简单地说,机器人装备的群体控制技术应确保实现昆虫、鱼或鸟群的联合行动原则,这些动物能够交换信息,利用集体智慧执行共同的任务,互相补充并且在工作过程中互不影响。这种无人机群将只由一名操纵员控制。同时,执行诸如根据当时情况和任务特点配置战斗队形、群内机动和其他一些任务无须人的参与——全部交给群体智能。

在军用机器人装备中大规模采用群体智能原理将使国内外的许多昂贵系统失去意义。例如,现代化的第四代前线航空兵综合航空系统价值数千万美元,第五代更是贵得多。用S-300、S-400、S-500防空导弹系统消灭这种飞机物有所值,因为防空导弹系统执行战斗任务的成本显著更低。因此,现代化飞机在敌人防空范围内行动,突破对空防御——代价过于昂贵。相应地,上述防空导弹系统非常高效。

但如果在战场上出现数百架无人机,一切将发生根本变化:对它们使用昂贵的防空导弹系统无异于用苹果手机打苍蝇。在这种情况下,如果无人机能够交换关于防空系统的位置和行动的信息,进行反防空机动,对雷达系统实施干扰,对防空兵器及其所掩护的目标实施打击,那么以现有防空导弹系统为基础的有效的防御系统将会变得没有意义。同时,这种无人机群执行的任务范围可能要多广有多广,例如,搜索和封锁弹道导弹发射装置。

在常规战争中,它们不仅可能成为消灭敌人的武器,还可被用于进行心理压制、瓦解士气。 2012年9月,斯坦福大学和纽约大学在一份报告中介绍了美国无人机在阿富汗北瓦齐里斯坦的使用情况:有6架能随时对目标(恐怖分子的藏匿地点)进行打击的无人机在当地村庄上空全天时飞行。但实际上没有人知道按什么原则确定应该消灭的人和建筑物。最后,由于惧怕始终在天空中游荡的死神,大片区域完全丧失了活力。

如果无人机群登上航空母舰,将具备对全球任何地点进行打击的最广泛的能力。美国专家已经明白这一点,因此美国正在顺利研制专业化的X-47B舰载无人机。无疑,航母上的舰载无人机将采用群体智能。

根据美国国防部高级研究计划局的订货,美国专家在“小魔怪”(Gremlins)项目实施过程中已经走得更远。根据研制者们的意图,无人机群将由载机携带,从而可以大规模起降。

容器中的“蝗虫”

在群体技术开发领域,关键点之一是研发无人机间信息交换系统。2012年约翰·霍普金斯大学应用物理学试验室宣布研发了移动网络,它可以让无人机在飞行过程交换信息。

同年,波音公司的专家们首次演示了经过扩展的无人机控制系统(采用群体(swarm)技术)。在试验过程中,波音公司的2架“扫描鹰”无人机和ProcerusUnicorn公司的1架无人机完成了联合飞行,独立交换了执行同一任务所需的信息。这项任务是搜索预定场地。同时无人机还联合扫描了地形,形成了飞行地图,并向指挥所发送了数据。

一名操纵员用笔记本电脑和无线电台对自主行动的无人机的飞行进行了指挥。顺便提一下,传输指令时未使用制式地面站,这表明操纵简单,可减少无人机群指挥系统的成本。波音公司的专家们认为其所进行的试验可能是无人机发展中的重要里程碑,是不无理由的。

预计,在研的群体技术未来将简化空中操纵员对大量机器人的控制——只需要下达任务并依靠群体智能就足够了。预计在这项技术中还将实现一项创新:将战场上的任何用户接入群体信道。

美国国防部海军研究局正在实施一个名为低成本无人机群技术(LOCUST:LowCost UAV Swarm Technology)的项目。计划研制在地面、空中和海上部署、用容器储存和发射的无人机。该系统将被用于探测空中目标,包括高度10米、距离100-200公里的超低空隐身目标,其对目标的飞行速度测定精度将达到0.2米/秒。

可见,美国在研的上述群体系统将使现有的突防模式和防空组织模式发生全新变化。它们将使现有防空兵器的能力化为乌有,并帮助建立更有效但成本更低的空中侦察。

群体控制技术不仅可用于无人机。NASA的研究已使美国人建立起了海上机器人群。2014年在尤斯吉斯堡(弗吉尼亚州)附近的詹姆斯河上,美国海军举行了有13艘无人艇(以统一编队行动)参加的演习。使用了专门的CARACaS群体控制架构。它需要有光电和雷达侦察系统、船只识别、敌我识别和情况分析系统 (CDAS:ContactDetection and Analysis System)以及机器人运动控制系统。

群体控制算法从一开始就是为在地面、空中和太空技术装备上通用而研制的。目前无人艇群的主要任务是为舰船、港口、石油平台、其他海上近岸设施进行警戒。

预计在无人艇上可安装遥控的或自动控制的12.7毫米机枪及其他武器。这样,没有人的参与无人艇群也可以拦阻恐怖分子、海盗、小型和大型军用船只,以及敌方的无人艇编队,并在必要时消灭他(它)们。但美国自主机器人在阿富汗的负面使用经验让人们怀疑:没有操纵员的批准这样是否可行。因此,我们重申,仍然有些问题需要解决。

否定之否定

为这种船艇装备足够厉害的武器使它们可以执行更复杂的任务:封锁海峡,布设水雷,在海洋交通线上作战。无须怀疑,这种技术正在开发之中。

因为上面提到了美国NASA,应该说,群体控制技术也早就被视为太空技术。例如,为了完成地球遥测任务,取代单颗大型卫星被认为是有效的,并已经在研制携带各种设备(例如可视、红外、雷达波段的设备)的小型卫星群。小型卫星不仅应独立做出决策,必要时还要能协调并灵活地组群。同时,临时改变整个卫星群计划的信号可以来自地球,也可以来自任何一颗卫星,例如,首先发现新的危险物体的卫星。在这个意义上,整个卫星群集体受控制,每颗卫星都参与控制,要知道,群里的每颗卫星都可以发出警报并通知其他卫星组建新群。

这种系统的运行需要全新的方法和控制系统配置手段。显然,NASA在这一方向上取得了显著成果,从而可以推广这种技术用于控制其他设施。

无疑,目前还谈不上群体系统已经成为现代化战争中的完美武器。一系列十分重要的复杂任务尚未解决。第一个是控制和数据交换系统在强大的电子战条件下的稳定性。使用电子战装备可以阻碍群体行动,并使其效能化为乌有。与此同时,众所周知,光电子技术发展迅速,它可以成为反击电子战力量的方法。

第二个问题是对来自群体各成员的信息进行相应的处理(达到人的智能水平)和做出符合情况的最佳决策的算法。当然,人也会犯错,但群体智能否在复杂情况下能否做出决策,会不会犯下不仅参导致局部灾难,还会导致更严重灾难的不可避免的错误?

计划使用来自各种传感器的信息。这不是一项简单任务,除了处理算法十分复杂外,还需要准备大量的情报, 在无人机上拟定并实时做出最佳决策。因此,将对其计算能力、保障能力提出非常严格的要求。而据美国专家说,这在低成本、简单的小型无人机上很难实现。但所有这些问题早晚会解决。


产品推荐

企业推荐