輪式移動機器人在衛(wèi)勤保障中的應(yīng)用綜述

關(guān)泰紅，辛連勇，趙 磊，李 誼*，曹小勇*

（1.聯(lián)勤保障部隊第988 醫(yī)院，鄭州 450042；2.河南樸名信息科技有限公司，鄭州 450043）

0 引言

隨著人工智能（artificial intelligence，AI）為代表的新技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)代戰(zhàn)爭作戰(zhàn)方式逐步呈現(xiàn)無人化、自主化、人機協(xié)同化等特征，戰(zhàn)傷發(fā)生逐漸呈點多、數(shù)頻、傷重、隨機性大等趨勢，衛(wèi)勤保障面臨新的挑戰(zhàn)[1]。為適應(yīng)戰(zhàn)創(chuàng)傷救治時效需求、提高衛(wèi)勤保障效能、降低衛(wèi)勤人員危險，自主移動機器人（autonomous mobile robot，AMR）成為世界各國衛(wèi)勤裝備智能化、無人化方向發(fā)展的重要助力[2-4]。AMR 是一種在非結(jié)構(gòu)化未知環(huán)境中通過自身感知對周圍環(huán)境做出有目的運動的自動或半自動機器[5]，區(qū)別于履帶式、足式移動機器人，輪式移動機器人（wheeled mobile robot，WMR）通過驅(qū)動輪子的方式實現(xiàn)自身移動，自1969 年美國斯坦福國際研究所（Stanford Research Institute，SRI）成功研制世界首臺WMR Shakey 以來，WMR因其結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、機動靈活、承載較大、效能較高等優(yōu)點，逐漸成為AMR 的主要形式[6]，被大量應(yīng)用于生產(chǎn)、生活、空間探索和軍事領(lǐng)域等[7]。目前外軍列裝的衛(wèi)勤保障多用途W(wǎng)MR 以火線傷員快速后送和轉(zhuǎn)運為主，未來戰(zhàn)場全范圍、高感知、自協(xié)同、長續(xù)航救援能力研發(fā)將成為重點[8-12]。現(xiàn)總結(jié)分析國內(nèi)外WMR 的應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展方向，以期為我國衛(wèi)勤保障WMR 研發(fā)提供參考。

1 WMR 發(fā)展路線

自世界首臺WMR Shakey 誕生至今，已歷經(jīng)50余年，其發(fā)展路線可從2 個方向追溯：一是機器人智能化的發(fā)展出現(xiàn)3 個高潮期。第一高潮期是20 世紀70 年代初至80 年代中，專家系統(tǒng)取得重大突破，可通過其內(nèi)部存儲的大量特定領(lǐng)域信息，模擬人類專家做出決策，避免計算機單一程序記憶控制，消除機器人重復(fù)錯誤動作，其研究成果主要應(yīng)用于WMR的視覺處理、路徑規(guī)劃和運動控制等。具有代表性的是美國機器人防務(wù)系統(tǒng)公司1984 年開始研發(fā)的Prowler 無人駕駛車，作為美軍首臺WMR 樣車，其系列無人車隨后開始應(yīng)用于戰(zhàn)場巡邏、偵察、掃雷等任務(wù)[13-14]，推動了機器人智能步入研發(fā)高潮[15-16]。第二高潮期是20 世紀90 年代中至2010 年，互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展助推了AI 技術(shù)不斷創(chuàng)新，促使WMR 的定位導(dǎo)航、信息交互和任務(wù)規(guī)劃等系統(tǒng)功能得到持續(xù)優(yōu)化，運動性能更加穩(wěn)定、實時、精準。2005 年，第二屆美國國防高級研究計劃局（Defense Advanced Research Projects Agency，DARPA）無人駕駛車輛挑戰(zhàn)賽中來自斯坦福大學(xué)的Stanley 奪冠，標志著WMR 初具雛形[13，17]。第三高潮期是2011 年至今，機器人智能技術(shù)百花齊放，物聯(lián)網(wǎng)、云計算、泛在互聯(lián)等豐富了數(shù)據(jù)，大數(shù)據(jù)、圖形處理器等創(chuàng)新了算法，深度學(xué)習(xí)、強化學(xué)習(xí)、機器視覺等技術(shù)突破了瓶頸，機器人智能迎來蓬勃發(fā)展的高潮。2019 年，我國首臺無人駕駛出租車在廣州街頭出現(xiàn)，推動了我國智能汽車進軍商業(yè)領(lǐng)域[18]。2021 年，我國“祝融號”火星車成功登陸火星，標志著我國機器人研發(fā)水平與國際同步邁入新臺階[19-20]。二是移動效能的發(fā)展出現(xiàn)2 次提升。第一次是轉(zhuǎn)向靈活性能提升。20 世紀70 年代以前，主要以球型輪的方式實現(xiàn)車輪全方位靈活移動，但這種靈活度的實現(xiàn)建立在運動效率明顯下降的基礎(chǔ)上，限制了其實際應(yīng)用價值[21-22]。1973 年，瑞典麥克納姆公司設(shè)計了一種全方位移動輪-麥克納姆輪，該輪通過輪轂周邊一排繞輪轂軸公轉(zhuǎn)、借助地面摩擦力自轉(zhuǎn)的輥子使車輪的靈活性效能得到了質(zhì)的提升，受到各國學(xué)者青睞[21-22]。第二次是運動穩(wěn)定性能提升。復(fù)雜地形下越障能力等穩(wěn)定控制問題一直制約著WMR 的發(fā)展，2006 年以來，隨著Denavit-Hartenberg（D-H）參數(shù)法和微分運動原理等構(gòu)建的運動方程的深入研究[23-24]，全地形移動輪和變形輪開始出現(xiàn)，WMR 運動精度明顯提高，并在深空探測領(lǐng)域得到應(yīng)用，具有標志意義的是2004 年美國“機遇號”成功登陸火星[25-26]。WMR 發(fā)展時間路線具體如圖1 所示。

圖1 WMR 發(fā)展路線圖

2 輪式移動機器人在衛(wèi)勤保障中的應(yīng)用

軍用WMR 的研發(fā)始于20 世紀80 年代，當時美國DARPA 啟動了自主式地面車輛（autonomous land vehicle，ALV）項目，用于驗證車輛自主行駛的可行性[27-29]。1987 年，ALV 樣車[如圖2（a）所示]在沙漠地帶以3 kg/h 的速度自主行駛了0.6 km，雖然移動速度和環(huán)境適應(yīng)能力受限，但其自主能力得到了成功驗證[27-29]。隨著機器人智能的發(fā)展，DARPA 又于20 世紀90 年代啟動了Demo 系列研究計劃，2000年，其樣車DemoⅢB XUV[如圖2（b）所示]經(jīng)軍事演習(xí)驗證表明，該車在城市“超越控制”地區(qū)的偵察、監(jiān)視和目標搜索等方面作戰(zhàn)優(yōu)勢明顯[30]；隨后，DARPA于2004 年、2005 年和2007 年組織了3 次無人駕駛汽車挑戰(zhàn)賽，助推機器人智能水平、運動穩(wěn)定性能和環(huán)境適應(yīng)能力等得到大幅提升[31]，WMR 基本成形，助推軍用WMR 在全球范圍廣泛研發(fā)與應(yīng)用，并帶動無人駕駛汽車在商業(yè)領(lǐng)域迅猛發(fā)展[32-33]。

圖2 早期軍用WMR 樣車

2.1 美軍衛(wèi)勤保障WMR

作為軍用無人地面車輛研究的發(fā)源地，美軍在研發(fā)衛(wèi)勤保障領(lǐng)域WMR 中處于引領(lǐng)地位。2000 年，美國陸軍在未來戰(zhàn)斗系統(tǒng)（future combat system，F(xiàn)CS）計劃中率先提出了衛(wèi)勤保障無人輪式裝備[34]。2007年，洛克希德·馬丁公司研制的多功能通用/后勤和裝備（multifunction utility/logistics equipment，MULE）無人車[如圖3（a）所示]在越野能力演示中展示出較強的自主能力[34]。該車為多功能模塊化設(shè)計，可適應(yīng)戰(zhàn)場復(fù)雜環(huán)境，裝配運輸模塊后可支持2 名傷員后送，曾在伊拉克戰(zhàn)爭中部署試用。同期，另外2 款比較矚目的無人車是卡耐基梅隆大學(xué)研發(fā)的Crusher[如圖3（b）所示]和美國陸軍研制的APD[如圖3（c）所示]，在極端環(huán)境下均表現(xiàn)出較強的戰(zhàn)場適應(yīng)性和潛在的傷員后送能力[35-36]。由于反恐戰(zhàn)略、技術(shù)、經(jīng)費等因素，F(xiàn)CS 計劃于2009 年被迫取消，但前期形成的技術(shù)優(yōu)勢繼續(xù)推動美國領(lǐng)先發(fā)展衛(wèi)勤保障WMR[35]。隨后，美軍在其機器人戰(zhàn)略規(guī)劃中指出，執(zhí)行傷員后送任務(wù)的機器人將在未來3～5 年內(nèi)投入應(yīng)用，這有助于在最惡劣的戰(zhàn)斗或危險環(huán)境下將傷員立即后送和轉(zhuǎn)運[35]。2013 年，洛克希德·馬丁公司研制的班組任務(wù)支援系統(tǒng)（squad mission support system，SMSS）無人車[如圖3（d）所示]經(jīng)阿富汗戰(zhàn)場試用評估后被美國陸軍正式采購，成為第一代衛(wèi)勤保障WMR[37-38]。該車采用6×6 全地形輪式底盤，以渦輪增壓柴油發(fā)動機驅(qū)動，有效載荷為540 kg，最高時速為24 km/h，最大續(xù)行里程達201 km；運動控制可在遙控、聲控和部分自主監(jiān)控3 種模式間切換；執(zhí)行傷員后送任務(wù)時，可通過貨艙底板和兩側(cè)折疊式平臺安裝3 副標準擔架，一次性運送3 名臥位傷員。該車具有體積小巧、機動靈活、載荷較大、自主性強等優(yōu)點。2019年，美國《防務(wù)新聞》周刊報道，根據(jù)合同，通用動力公司生產(chǎn)的5 700 多臺多用途戰(zhàn)術(shù)運輸車（multiutility tactical transport，MUTT）[如圖3（e）所示]將于2024 年列裝美陸軍[39]。該車設(shè)計8×8 全地形輪式底盤，采用油電混合動力驅(qū)動；運動控制支持有線遙控及無線觸屏操控2 種模式；執(zhí)行傷員后送任務(wù)時，可通過貨艙底板同時運送2 名臥位傷員；此外，根據(jù)保障需求，還可復(fù)合伴隨運輸、火力支援、通信中繼等多種功能。該車具有結(jié)構(gòu)簡單、小巧靈活、承載較大、效能較高等優(yōu)點，主要性能指標明顯優(yōu)于SMSS，成為頗具代表性的新一代衛(wèi)勤保障WMR[39-41]。

圖3 美軍衛(wèi)勤保障WMR

2.2 以色列軍隊衛(wèi)勤保障WMR

作為軍事立國的以色列，其軍隊向來重視人員的生存能力，在無人衛(wèi)勤支援裝備研發(fā)方面具有明顯的地區(qū)優(yōu)勢。2005 年，緊隨美軍FCS 計劃，以色列國防軍開始招標研制無人地面車[42]。2008 年，承標公司G-NIUS 研發(fā)的衛(wèi)士（Guardium）Mk1 無人車[如圖4（a）所示]裝備軍隊成為第一款軍用WMR，主要用于執(zhí)行邊境巡邏任務(wù)[42]；受美軍通用后勤裝備理念影響，G-NIUS 公司隨后推出的衛(wèi)士Mk2、Mk3[如圖4（b）所示]等無人車均加裝了車尾平臺，具備醫(yī)療后送能力[43]；另一款值得關(guān)注的WMR 是2016 年以色列流星宇航公司研制的出口型無人車蘭博[如圖4（c）所示]，其車尾平臺可根據(jù)不同任務(wù)安裝后勤、傷員后送和導(dǎo)彈發(fā)射器模塊[44]；伴隨無人駕駛汽車技術(shù)快速發(fā)展和美軍新一代衛(wèi)勤保障WMR 催化，2021年，以色列埃爾比特系統(tǒng)公司和軍用機器人系統(tǒng)公司聯(lián)合研發(fā)的6×6 全地形多用途無人車Jaguar[如圖4（d）所示]部署加沙邊境使用[45]。該車采用油電混合動力驅(qū)動，最高時速可達30km/h；在運動狀態(tài)下，可實現(xiàn)0 半徑轉(zhuǎn)彎，具備全天時運行能力；在運動控制方面，支持1 km 范圍內(nèi)無線觸屏操控；此外，貨艙底板接口可安放2 副標準軍用擔架，主要用于后送傷員和補給運送。2022 年，以色列軍隊預(yù)部署航空航天工業(yè)（Israel Aerospace Industries，IAI）公司最新生產(chǎn)的REX MKⅡ無人車[如圖4（e）所示]在加沙邊境配合Jaguar 使用[46]。該車采用4×4 油電混合全輪驅(qū)動，最大承載1 300 kg，具備傷員后送、物資運輸、情報收集等多種用途，搭載12.7 mm 機槍后，可與空中無人機實施聯(lián)合自主攻擊，戰(zhàn)場實用性較Jaguar 更強，因此受到人權(quán)專家的批評。

圖4 以色列衛(wèi)勤保障WMR

2.3 德國軍隊衛(wèi)勤保障WMR

作為歐洲老牌工業(yè)強國，德國無人車研究和應(yīng)用目前處于世界領(lǐng)先地位[47]。21 世紀初，德國羅博瓦奇技術(shù)公司聯(lián)合迪爾防務(wù)公司推出的Asendro 無人車[如圖5（a）所示]成為德國第一代軍用AMR，該車外形尺寸為920 mm×400 mm×200 mm（長×寬×高），總質(zhì)量達65 kg，比較適合狹小復(fù)雜空間運動，主要用于輔助作戰(zhàn)人員執(zhí)行偵察與排險任務(wù)[48]。雖然該車采用柔性履帶底盤，但依然具備較強的輪式底盤改造潛能。伴隨AI 關(guān)鍵技術(shù)的突破和全地形移動輪效能的提高，2018 年德國Rheinmetall 公司研發(fā)的運輸型Mission Master-SP 無人車[如圖5（b）所示]在歐洲陸地機器人比賽（European Land Robot Trial，ELROB）中令人矚目，該車采用8×8 全電驅(qū)動，有效載荷達600 kg，可水陸兩棲，最高時速達40 km/h，可通過平板計算機、智能手表、單兵系統(tǒng)和單手遙控器遠程操控，執(zhí)行傷員后送任務(wù)時貨艙底板和兩側(cè)折疊平臺可同時安放4 名臥位傷員[49-50]。鑒于其優(yōu)異的性能，2020 年英軍訂購了4 臺，同年，荷蘭陸軍將其引入聯(lián)合開發(fā)計劃[49-50]。2021 年，Rheinmetall 公司又推出最新版本Mission Master-XT 無人車，該車采用4×4 油電混合驅(qū)動，具有高度機動性和極端地形適應(yīng)性，有效載荷增至1 000 kg，續(xù)航高達750 km，具備較強的火線救援、戰(zhàn)場后送、生化偵察等功能，成為一款典型的全地形多用途通用型WMR[如圖5（c）所示][51]。

圖5 德國衛(wèi)勤保障AMR

2.4 韓國軍隊衛(wèi)勤保障WMR

韓國作為新興工業(yè)化國家，在全球制造業(yè)格局中占有重要地位。2004 年，韓國Rotem 精密工業(yè)公司在漢城防務(wù)展上向軍方展示了2 款軍用WMR，分別是4×4 RXV 和6×6 RXV-E[52]。RXV 外形尺寸為4 300 mm×1 800 mm×1 700 mm（長×寬×高），可遠程遙控和半自主移動，主要執(zhí)行偵察、跟蹤監(jiān)視任務(wù)；RXV-E 外形尺寸為2 700 mm×1 600 mm×1 000 mm（長×寬×高），采用六輪電動驅(qū)動，配裝40 mm 榴彈發(fā)射器，具備偵察、監(jiān)視和戰(zhàn)術(shù)打擊能力。2 款車型雖外形偏大，仍可顯示韓國軍工實力。2006 年，韓華公司推出了STAR-M4 模塊化無人車[如圖6（a）所示]，該車外形尺寸為2 300 mm×1 350 mm×1 600 mm（長×寬×高），支持全輪驅(qū)動全輪轉(zhuǎn)向，具備遙控、跟隨、路點導(dǎo)航和全自主4 種操控模式，其后部平臺換裝戰(zhàn)場搜救模塊后可同時運送2 名傷員，實現(xiàn)衛(wèi)勤保障能力[53]。2015 年，韓國制造業(yè)創(chuàng)新3.0 戰(zhàn)略實施后，制造業(yè)開始向智能方向轉(zhuǎn)型升級，助推了WMR 衛(wèi)勤保障能力的快速提升[54]。2021 年，韓華防務(wù)公司為韓國陸軍推出了I-UGV 新型多用途W(wǎng)MR[如圖6（b）所示]，該車采用6×6 全電驅(qū)動，有效載荷達500 kg，最高時速達40 km/h[55]。其新穎的無內(nèi)胎輪轂驅(qū)動設(shè)計強化了車輛越野能力，同時融合了無人戰(zhàn)車主動開火功能，可以執(zhí)行包括傷員后送、偵察監(jiān)視和火力打擊等在內(nèi)的多種任務(wù)，但其自主攻擊能力同樣令人擔憂。

圖6 韓國衛(wèi)勤保障WMR

外軍衛(wèi)勤保障WMR 主要性能對照見表1。

表1 外軍衛(wèi)勤保障WMR 主要性能對照

2.5 我國WMR 的研發(fā)進展

我國WMR 的研發(fā)始于20 世紀80 年代末，當時國防科技大學(xué)推出的驗證機KDM-1 系統(tǒng)外形類似Shakey，由控制中心主控機和車載視覺處理機2個部分組成，經(jīng)校園內(nèi)道路多次試驗，在遙控和自主操控下均可實現(xiàn)實時運動[56]。在先期技術(shù)基礎(chǔ)上，1992 年，國防科技大學(xué)聯(lián)合國內(nèi)多家院校又研制了ATB-1 無人車[如圖7（a）所示]，該車具備戰(zhàn)場偵察、監(jiān)視等功能[13]。ATB-1 的誕生標志著中國WMR 技術(shù)進入探索期。進入21 世紀，伴隨AI 技術(shù)快速發(fā)展，無人駕駛汽車研究成為熱點，為集成創(chuàng)新研發(fā)成果，推動技術(shù)向產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)化，2009 年國家自然科學(xué)基金委員會啟動了“中國智能車未來挑戰(zhàn)賽”計劃，自此中國無人車技術(shù)進入快速發(fā)展期[13]。21 世紀10 年代，國防科技大學(xué)紅旗HQ3 無人車、軍事交通學(xué)院“軍交猛獅Ⅲ”、百度無人車、長安無人車等先后完成了高速公路全自主駕駛測試，2019 年無人駕駛汽車在國內(nèi)開啟商業(yè)運營模式[13，57]。民用無人車的巨大進步催生了WMR 向軍事領(lǐng)域邁進，2018 年由中國民營企業(yè)山河智能裝備股份有限公司研發(fā)的“龍馬2 號”高機動越野WMR[如圖7（b）所示]首次亮相“跨越險阻-2018”陸上無人系統(tǒng)挑戰(zhàn)賽，其獨特的機電液一體化驅(qū)動、可實現(xiàn)8×8 至2 種4×4 運行模式自由切換的“馬腿”式搖臂設(shè)計、遠程無線遙控和自主跟隨操控方式引起業(yè)內(nèi)專家的廣泛關(guān)注[58]。該車最大越野速度達35 kg/h，有效載荷達1 000 kg，可越過1 200 mm 的高墻，跨過2 000 mm 的寬溝，尤其適合山地、丘陵、沼澤、灘涂等惡劣環(huán)境遂行傷員后送和物資伴隨保障任務(wù)[58-59]，但過大的外形對其戰(zhàn)場生存造成影響。

圖7 中國衛(wèi)勤保障WMR

2.6 其他尚在研制中的戰(zhàn)場救援WMR

目前國內(nèi)外應(yīng)用的多功能通用型WMR 僅能輔助人類執(zhí)行簡單的傷員后送任務(wù)，因AI 技術(shù)、制造水平、軍方需求和道德倫理等多方面影響，尚未具備自主火線解救、創(chuàng)傷診斷和有效救治能力，各國仍在不斷的探索研制中。如2010 年美國應(yīng)用感知公司為美國陸軍研發(fā)的無人后送救援系統(tǒng)REV/REX（如圖8 所示）具備一定的火線緊急救援能力，該系統(tǒng)由大型履帶式無人后送車（robotic evacuation，REV）、小型輪式無人救援車（robotic extraction，REX）、創(chuàng)傷和運輸生命支撐系統(tǒng)（life support for trauma and transport，LSTAT）等組成，通過遠程遙控和半自主能力，可實現(xiàn)REX 火線搶運、LSTAT 創(chuàng)傷診治、REV 戰(zhàn)術(shù)后送功能[2，22]；2019 年，Elektroland Defence 公司在第14屆土耳其國際防務(wù)展上演示的新型戰(zhàn)場救援機器人（如圖9 所示）也具備一定的火線緊急救援能力，該車由一輛大型WMR 和一輛小型履帶式AMR 組成，操作人員通過遠程操控，使小型車的機械臂將傷員轉(zhuǎn)移至大型車的收放式擔架裝置上，這一裝置可為傷員提供緊急生命支持，隨后，大型車自主執(zhí)行傷員后送任務(wù)，但整體效能尚無法滿足戰(zhàn)場需求[60]。

圖8 無人后送救援系統(tǒng)REX/REV[22]

圖9 土耳其戰(zhàn)場救援機器人[60]

3 WMR 的關(guān)鍵技術(shù)

WMR 的關(guān)鍵技術(shù)主要涉及機械結(jié)構(gòu)、感知識別、定位導(dǎo)航與路徑規(guī)劃、運動控制與驅(qū)動等。

3.1 機械結(jié)構(gòu)

典型WMR 的機械部分由車輪、車體、車輪-車體之間的支撐結(jié)構(gòu)和驅(qū)動裝置構(gòu)成，通過與自身承載的感知、運動、規(guī)劃、控制等智能系統(tǒng)結(jié)合，實現(xiàn)有目的自主或半自主移動。其中車輪設(shè)計和選擇對無人車運動效能和越野能力提供重要支持。按照運動自由度可分為全方位輪和差速輪：全方位輪高速靈活，但運動效率不高；差速輪結(jié)構(gòu)簡單，運動效率較高，是WMR 的主要應(yīng)用方式。按照驅(qū)動輪、方向輪和平衡輪的數(shù)量不同，可分為兩輪、三輪、四輪和多輪：兩輪因其穩(wěn)定性不足，應(yīng)用較少；三輪較為常見，經(jīng)典配置方式是1 個前平衡輪和2 個后驅(qū)動輪；四輪及多輪因具有穩(wěn)定性能強、承載能力大、驅(qū)動方式多等優(yōu)勢應(yīng)用最為廣泛。按照輪型可分為球型輪、麥克納姆輪、變形輪等：球型輪可全方位移動，但整體運動效能不高；麥克納姆輪運動效能明顯提升，但承載能力受限；變形輪是指為提高車輪越野越障能力而設(shè)計的兼具輪式和足式優(yōu)點的足輪，移動時根據(jù)地形地貌通過自身調(diào)節(jié)機構(gòu)的驅(qū)動使輪子能夠在圓輪和足輪等模式間自由切換，具有較強的環(huán)境適應(yīng)能力和抗毀能力[61]。因此，差速、變形、多輪設(shè)計正受到各國軍隊重視。

3.2 感知識別

機器人執(zhí)行任務(wù)的精準度取決于其對自身狀態(tài)、所在環(huán)境和任務(wù)目標的準確認識，這完全依賴于傳感器的信息感知。機器人傳感器按用途可分為內(nèi)部傳感器和外部傳感器：內(nèi)部傳感器主要用于感知自身狀態(tài)，同時為控制系統(tǒng)提供必要的反饋信息，主要有速度、加速度、位移、位置等傳感器；外部傳感器主要用于感知任務(wù)目標及周圍環(huán)境，如障礙物、標志物、地形地貌等，為目標識別、路徑規(guī)劃等提供實用信息，主要有視覺、嗅覺、聽覺、觸壓覺、測距、導(dǎo)航等傳感器。由于環(huán)境和目標的復(fù)雜性和不確定性，傳感器單一的信息感知能力比較局限，無法滿足機器人實際應(yīng)用需求。為改變這種困境，各國展開信息融合技術(shù)研究，從多信息的視角進行信息處理和綜合，得到各種信息的內(nèi)在聯(lián)系和規(guī)律，剔除無用和錯誤信息，保留正確和有用成分，最終實現(xiàn)信息優(yōu)化，精準識別目標。常用融合方法分為二大類，即以加權(quán)平均法、卡爾曼濾波法、多貝葉斯估計法為代表的隨機類和以模糊邏輯理論、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)為代表的AI類。目前，WMR 信息識別較多使用隨機類融合方法，較具代表性的是美國火星探測機器人Sojourner 采用航位推測和擴展卡爾曼濾波融合算法，實現(xiàn)了自主定位導(dǎo)航和土壤分析等操作[62]；近年來興起的AI 算法使數(shù)據(jù)確定性和精確性大幅提高，但較大的計算量對機器人計算性能提出新的要求，因此應(yīng)用價值仍需深入研究[63]。

3.3 定位導(dǎo)航與路徑規(guī)劃

定位、導(dǎo)航和路徑規(guī)劃是WMR 實現(xiàn)自主運動的3 個關(guān)鍵問題。

定位是指機器人確定自身在環(huán)境中所處位置的能力，與采用的定位傳感器關(guān)系密切。常用方法有里程計、路標、GPS、地圖等定位。其中里程計法與里程和慣導(dǎo)傳感器相關(guān)，定位成本較低，易于實現(xiàn)，但誤差以常量累計，長期定位精度不高。路標定位法取決于路標識別傳感器，定位精度較高，但需要提前對環(huán)境進行較大改造，成本較高。GPS 定位通過接收天線確定用戶坐標點位，可同時實現(xiàn)三維定位、實時定速和精準授時，但信號易受衛(wèi)星狀態(tài)、氣溫氣候和道路環(huán)境等多因素影響，多用于WMR 的概略定位。地圖定位通過外部傳感器獲取的局部環(huán)境信息與已知地圖中的相應(yīng)信息匹配實現(xiàn)定位，地圖是環(huán)境的模型，根據(jù)構(gòu)圖方式不同可分為拓撲地圖、幾何地圖和柵格地圖。拓撲地圖抽象度高，存儲、搜索空間小，計算效率高，通常采用直接推理法定位，存在的缺點是過度依賴拓撲節(jié)點的識別匹配，僅在視覺導(dǎo)航領(lǐng)域應(yīng)用；幾何地圖構(gòu)圖緊湊，易于建立，環(huán)境信息識別匹配度高，但自然環(huán)境信息提取穩(wěn)定性不足，限制了其應(yīng)用范圍；柵格地圖建立、維護較為簡單，易于理解，結(jié)合馬爾可夫、卡爾曼濾波、蒙特卡洛等概率定位方法使環(huán)境信息識別匹配度大幅提高[64]，成為目前WMR 定位的主要方法。

導(dǎo)航是指機器人確定如何從當前位置移動到目標位置的能力。根據(jù)導(dǎo)航對環(huán)境模型的要求，可分為無地圖導(dǎo)航和地圖導(dǎo)航。無地圖導(dǎo)航是指機器人通過自身傳感器對周圍環(huán)境進行探測、識別或跟蹤完成任務(wù)，通常有基于光流和路標2 種方法，主要適用于簡單或特定的環(huán)境。地圖導(dǎo)航是指機器人依靠自身傳感器不斷探索，建立實時地圖來完成導(dǎo)航。根據(jù)使用傳感器的不同，可分為非視覺傳感器導(dǎo)航、視覺傳感器導(dǎo)航和組合導(dǎo)航。非視覺傳感器具有不受光線限制的優(yōu)點，主要有超聲、紅外、雷達、激光等，缺點是探測范圍較小，整體性不強；視覺傳感器通過圖像可獲取較大范圍的完整信息，但易受天氣和光線影響；組合導(dǎo)航將視覺傳感器獲取的信息面與非視覺傳感器獲得的信息點或線相互融合使用，成為WMR 導(dǎo)航的主要發(fā)展方向。

路徑規(guī)劃是指機器人確定從起點到目標點的最優(yōu)路徑的能力，與機器人的移動能力、越障能力、能源消耗、路徑成本等因素密切相關(guān)。目前，常用的路徑規(guī)劃方法有道路圖規(guī)劃、人工勢場和圖搜索等傳統(tǒng)算法及近年來興起的遺傳、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊邏輯、蟻群、粒子群等智能算法，隨著計算機計算、分析和學(xué)習(xí)能力的日益深入，WMR 智能水平不斷接近甚至超越人類，引起倫理專家的擔憂[65]。

3.4 運動控制與驅(qū)動

WMR 的運動控制系統(tǒng)由通信、控制、驅(qū)動和電源模塊組成。通信模塊負責與外界的通信，包括與遙控器、基站或其他信息設(shè)備之間的信息傳遞?？刂颇K是運動控制的核心，負責接收通信模塊的指令，并根據(jù)指令控制驅(qū)動模塊產(chǎn)生預(yù)定的運動。驅(qū)動模塊由電動機和電路組成，可將控制模塊發(fā)送的指令轉(zhuǎn)化為現(xiàn)實運動，目前采用的進程間通信（inter-process communication，IPC）機制、模糊控制方法和基于脈沖寬度調(diào)制式電動機的驅(qū)動方式得到了較為成功的應(yīng)用[66]。電源模塊為整個系統(tǒng)提供動力，包括驅(qū)動電動機和電子設(shè)備供電，但野戰(zhàn)條件下長時間的工作要求使電源模塊面臨能量輸出不足問題。當前WMR主要采用內(nèi)燃機、蓄電池或鋰電池作為動力源，內(nèi)燃機技術(shù)較為成熟，但工作噪聲較大，產(chǎn)熱量較高，戰(zhàn)場生存能力受限；蓄電池產(chǎn)生熱量雖少，但質(zhì)量過大，較為笨重；鋰電池在體積、質(zhì)量和靜音方面具有較大優(yōu)勢，但可靠性不足[67]。氫能源的研究開發(fā)為實現(xiàn)高能長效、安全可靠的續(xù)航能力提升提供了思路。

4 WMR 在衛(wèi)勤保障領(lǐng)域的應(yīng)用展望

目前WMR 的衛(wèi)勤保障能力日趨完善，但還未替代衛(wèi)勤人員廣泛應(yīng)用于戰(zhàn)救現(xiàn)場，在越障能力、戰(zhàn)場感知、信息交互和續(xù)航能力等方面仍有一定局限性，可以從以下幾個方面進行突破。

4.1 越障能力的優(yōu)化

全地形越野車是指在任何道路上均可行駛的車輛，相對于裝配公路輪胎的越野車，其輪寬較大、胎紋較粗，在非鋪裝路面上附著力更強，較易在惡劣地形中行駛，非常適合戰(zhàn)場環(huán)境使用[68]，但越障能力不足限制了其進一步應(yīng)用。韓國輪履式和我國足輪式全地形越野車設(shè)計較為新穎，一定程度緩解了這一問題，但運動效能均不同程度降低；美軍則另辟蹊徑，提出無人旋翼戰(zhàn)場救護車理念，并由美國蜻蜓公司承研了DP-14 樣機（如圖10 所示），該機可全地形垂直起降，巡航速度達133.3 km/h，每次可后送傷員1 名，但較高的效費比和制空權(quán)需求限制了該機的實戰(zhàn)應(yīng)用[69]。從戰(zhàn)場需求角度出發(fā)，多類型無人戰(zhàn)場救援機器人系統(tǒng)的協(xié)同應(yīng)用成為未來衛(wèi)勤保障WMR 的發(fā)展趨勢。

圖10 DP-14 無人旋翼戰(zhàn)場救護車樣機[69]

4.2 戰(zhàn)場感知信息交互能力的提升

從衛(wèi)勤保障信息流驅(qū)動作用角度出發(fā)，作為信息系統(tǒng)的重要節(jié)點，WMR 戰(zhàn)場感知可區(qū)分為環(huán)境感知、敵情感知和自身感知3 個方面。目前通過加載各類傳感器和自動分析系統(tǒng)，機器人可具備較好的視覺、聽覺、觸覺、嗅覺和距離測量等環(huán)境感知能力，存在的問題是多節(jié)點系統(tǒng)間信息交互融合度不夠，敵情感知和自身感知能力較弱，戰(zhàn)場應(yīng)用時僅能借助人工操控或自主跟隨等方式適當補償，導(dǎo)致WMR 戰(zhàn)場全過程自主救援和自身生存能力發(fā)展受限。雖然美軍研發(fā)的REX/REV 具備一定程度的多系統(tǒng)協(xié)同能力，但仍處于探索階段[2]。隨著物聯(lián)網(wǎng)、泛在互聯(lián)等新技術(shù)的不斷進步，兼容信息系統(tǒng)各節(jié)點，構(gòu)建智能化信息網(wǎng)絡(luò)，進而打破敵情和自身感知遮障，實現(xiàn)衛(wèi)勤保障信息實時透明，可使機器人全程智能化戰(zhàn)場救援成為可能[70-71]。另外，還應(yīng)規(guī)避WMR 自主攻擊能力，保持國際通用被保護屬性，提高戰(zhàn)場生存能力[72]。

4.3 續(xù)航能力的增強

續(xù)航問題一直是限制WMR 廣泛應(yīng)用的重要原因，特別是戰(zhàn)場環(huán)境，能源消耗補充的失衡使衛(wèi)勤保障面臨巨大考驗。目前大多數(shù)戰(zhàn)場救援WMR 多采用油電混合或全電方式驅(qū)動，設(shè)計最大行程約200 km，持續(xù)工作時間達6～10 h，結(jié)合生物作息特點和潛能，WMR 若能一次滿能量續(xù)航18～24 h 或?qū)崿F(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，將可很大程度提高機器人的軍事應(yīng)用價值。2017 年，在美國陸軍秋季會議上通用汽車公司向軍方展示了一款名為SURUS 的全新WMR 救護車（如圖11 所示），該車采用氫燃料電池為動力，同時具備發(fā)電和快速補充燃料能力，續(xù)航里程達644 km，可遠程自主機動進入相對惡劣的環(huán)境進行作業(yè)[73-74]。目前該平臺仍在開發(fā)中，未來有望廣泛用于軍事、救護和物流行業(yè)。

圖11 SURUS WMR 救護車[74]

5 結(jié)語

以AI 為代表的新技術(shù)助推WMR 發(fā)展進入“黃金期”，目前遠程遙控自主跟隨多用途W(wǎng)MR正成為衛(wèi)勤保障領(lǐng)域的應(yīng)用熱點。影響其深入應(yīng)用的主要因素如下：（1）在越障能力方面，崎嶇山地和河流地形不利于輪式車輛移動，研發(fā)水陸空三棲無人車技術(shù)難度較大，效費比較高；（2）在戰(zhàn)場感知信息交互方面，需物聯(lián)網(wǎng)、泛在互聯(lián)等新技術(shù)強力支撐，通過萬物互聯(lián)、信息同步、實時感知實現(xiàn)多系統(tǒng)協(xié)同救援；（3）在能源動力方面，需開發(fā)安全穩(wěn)定、持續(xù)輸出、傳輸快捷的新能源技術(shù)。目前衛(wèi)勤保障WMR 發(fā)展以模塊化、多功能、通用型為主，未來替代衛(wèi)勤專業(yè)人員，實現(xiàn)戰(zhàn)場無人救援全覆蓋將成為重點研發(fā)目標[75]，借力市場需求開發(fā)軍地通用WMR 將是重要方向。