Роботизация средств вооружения

По материалам иностранной печати.

Предлагаемая статья – первая из серии, посвященной проблеме роботизации средств вооружения и военной техники. Цель данной публикации состоит в том, чтобы на основании анализа имеющихся данных о достижениях зарубежного военного роботостроения познакомить читателей с основными терминологическими определениями в этой области, очертить контуры нового направления, раскрыть методологические аспекты анализа и синтеза робототехнических систем и роботов, показать динамику и тенденции их развития.

Механическая музыкантша Пьера и Анри Дро (1774 г.. Франция).

Слово «робот» как термин появилось впервые в 1921 г. и по своему смысловому наполнению означало человекоподобие. Причем предполагалось и внешнее, и интеллектуальное подобие. Со временем по мере развития робототехники внешнее человекоподобие стало лишь частным проявлением, а интеллектуальное не только сохраняется, но и постоянно углубляется. Исходя из этого, зарубежные специалисты формулируют термин «робот» как абстрактную (по принципам построения) многофункциональную машину, в определенных условиях аналогичную по действию и поведению человеку. При этом он должен иметь ярко выраженное материальное тело (любой конфигурации), необходимые средства очувствления, перепрограммируемую и адаптивную системы управления.

Достижение такого уровня человекоподобия сопряжено с необходимостью решения ряда взаимосвязанных и сложных проблем, что требует времени и этапности в работе.

В настоящее время машин (в том числе и военного назначения), в полной мере соответствующих приведенному выше определению, не существует. Поэтому в зарубежной печати термин «военный робот», начиная с 1980 г., употребляется редко. Более часто применяются выражения «робототехнические устройства» (т. е. подсистемы, синтезированные по методологии робототехники) и «средства искусственного интеллекта» (т. е. подсистемы принятия решений по совокупности информации, поступающей со средств очувствления).

По мнению зарубежных специалистов, переход от человекооператорных систем к военным роботам не может осуществляться скачкообразно. Первоначально будут создаваться гибридные военные средства (человекооператорные системы + робототехническиё устройства).

Специфической особенностью военной робототехники специалисты за рубежом считают то, что она включает в свой состав: автоматические (неперепрограммируемые) средства; безэкипажные машинные средства (БЭМСы); военные роботизированные средства (PC); военные роботы (Р).

Безэкипажные машинные средства – это такие военные средства, на подвижном борту которых полностью отсутствует экипаж, при этом он размещается на специально оборудованном пункте управления.

Под роботизированным средством подразумевается любое ранее известное военное средство, одна или же несколько операций которого в силу его модернизации и усовершенствования стали роботизированными.

Важнейшим вопросом роботизации военной техники считают вычленение ее этапов, прогнозирование использования достижений в области новейших технологий и использование их в потенциальных сферах. По мнению специалистов и экспертов исследовательского института (г. Стенфорд), динамика развития военной робототехники определяется научными, техническими и технологическими достижениями. На современном этапе многие научные неопределенности в общем плане практически решены. Сдерживающей причиной следует считать отсутствие соответствующих технических средств и технологических возможностей.

Безэкипажные машинные средства могут быть синтезированы с позиций современной теории систем по различной методологии. На современном этапе развития робототехники индивидуальными техническими решениями являются телеБЭМСы, автоБЭМСы, роботоБЭМСы, представляющие собой специализированные технические средства, которые синтезированы по методологии телеуправления, автоматического управления или робототехнического управления, соответственно.

Функции наблюдения, работы, движения являются размерными степенями. С учетом вышеизложенного можно истолковать понятие «роботизированное средство». Поскольку четкого определения в зарубежных источниках не приводится, предлагаем свое толкование. Роботизированное военное средство – это такое гибридное техническое устройство (телеБЭМСы, автоБЭМСы или роботоБЭМСы), одна или же несколько размерных степеней которого частично или полностью роботизированы.

По прогнозам американского института робототехники, до 2000 г. в армиях всех стран будут внедряться только роботизированные военные средства, но не военные роботы, притом наиболее предпочтительными направлениями роботизации являются средства разведки, минирования и разминирования, транспортные и различные самообучающие системы.

Робототехническое устройство, по определению американских специалистов, – это перепрограммируемый манипулятор, предназначенный для перемещения деталей, инструментов и специальных узлов. Робот же – строго специализированное, многофункциональное. сугубо автономное энергообеспеченное техническое устройство, имеющее перепрограммируемую систему управления и предназначенное для оценки текущих ситуационных сцен и выдачи необходимой информации, выполнения предписанной работы, совершения предписанных движений или для одновременной реализации всех вышеназванных функций. Робот, который осуществляет функции оценки текущих ситуационных сцен и выдачи требуемой информации, называется информационным, выполняющий предписанную сервисную работу – манипуляционным, предписанные технологические операции – технологическим. Робот же, который, совершая функции предписанных движений, перемещается в пространстве, называется мобильным.

Механический человек-робот «Эрик» инженера Ричардса (1928 г., Великобритания).

Приведенные определения всецело относятся и к военным роботам, так как согласно современной теории систем гражданские промышленные роботы и военные роботы синтезируются по единой методологии.

По мнению зарубежных специалистов, производство роботов, робототехнических и дистанционно управляемых средств, а также автоматических систем базируется на основных разделах мехатроники. Военную робототехнику стимулирует развитие измерительной и информационной техники, электротехники, микропроцессоров, систем автоматического управления, теории информации, механики, транспортной техники, лазерной техники и электронной оптики, вычислительной техники и программирования, материаловедения.

Считают, что для осуществления роботизации сухопутных войск необходимо в первую очередь решить такие технические и технологические проблемы, как разработка специальных датчиков и систем очувствления, вычислительной техники и программирования, сервоприводов, механических узлов роботов, систем обработки информации, распознавания образцов и принятия решений, устройств сопряжения (оператор – средства отображения информации – машина); совершенствование технологической, метрологической и испытательной баз (подразделений).

Современные достижения в области науки и техники способствуют развитию военной робототехники, применение коммерческих роботов в промышленности подтверждает физическую реализуемость многих военных образцов, развитие систем очувствления и микропроцессорной техники стимулирует создание систем искусственного интеллекта.

Основные сферы ожидаемого применения военных роботов и. роботизированных средств общего назначения, боевых, боевого обеспечения, инженерного обеспечения, технического и тылового обеспечения (по обобщенным данным зарубежной печати) представлены в таблице.

Проблемными вопросами роботизации считают новую постановку тактических задач, формулирование требований к гипотетическим роботам, создание научного, технического и технологического обеспечения.

По данным, которые приводятся в американской печати, армия и промышленность США осуществляют практическую реализацию робототехнических систем по модульному принципу: выбирается многоцелевая дистанционно управляемая самоходная установка, на базе которой синтезируются различные системы вооружения.

Говоря о становлении и развитии военной робототехники в зарубежных армиях, уместно привести исследования американской Президентской комиссии по промышленной конкурентоспособности (President's Comission on Industrial Competitivenes). Информативность результатов исследований по изучению темпов и перспектив использования промышленных роботов в США и Японии очень велика и убедительна. Ниже приводится только один из фрагментов сопоставительного анализа. Так, в США потребовалось на роботизацию автомобилестроения 15 лет, электротехники – 17 лет, бытовой техники – 19 лет, металлургии – 20 лет, сталелитейной промышленности – 3 года, станкостроения – 18 лет (в среднем – 12 лет). В Японии по сравнению с США этот процесс начался на 6 лет позже, то есть в 1967 г., роботизация автомобилестроения заняла 6 лет, электротехники – 2 года, металлургии – 9 лет, машиностроения – 15 лет (в среднем – 8 лет). Эти данные убедительно свидетельствуют о том, что даже при практически безупречной упорядоченности любого промышленного производства, при его абсолютной стационарности требуется не менее 15 лет на решение проблем роботизации.

Проецируя эти оценки на военную робототехнику, следует помнить, что ее освоение и производство практически осуществляются без партнерства и взаимного обогащения в области технических решений. При этом степень корреляции между промышленной и военной роботизацией не вызывает у специалистов сомнений. Поэтому достаточно информативны данные по промышленной робототехнике. Так, если в США в 1982 г. было изготовлено 6 300 роботов, то в 1990 г. их число составило 100000 штук, а, соответственно, в Японии – 55700 штук. Национальный институт стандартов и технологии США (National Institute of Standarts) прогнозирует, что за десять лет только в США (1984-1994 гг.) объем выпуска промышленных систем технического зрения (СТЗ) возрастет с 60 млн. до 1,2 млрд. долларов. Следует особо подчеркнуть, что система технического зрения достаточно однозначно определяет степень машинного (искусственного) интеллекта в роботостроении.

В настоящее время исследованиями в области робототехники заняты ведущие институты и университеты США, ФРГ, Японии, Великобритании, Италии. Направления их исследований не ограничиваются рамками машиностроительного профиля. Так, в Технологическом институте штата Джорджия (США) исследовались способы навигации мобильных роботов, использующих стереотипные схемы движения. В основе этого подхода, работоспособность которого была показана' путем моделирования и в экспериментах с реальным мобильным роботом, лежат данные нейрофизиологии. Скорость робота и рулевое управление определяются ро методу потенциального поля. Распределенная архитектура системы управления автономным мобильным роботом обеспечивает работу ультразвукового и зрительного сенсоров, «лоцмана» (блока обхода препятствий) и модулей, реализующих стереотипные схемы движений. Краткосрочная память хранит информацию о модели мира, построенной блоком картографирования местности. Перепланирование действий осуществляется сравнительно редко – при обнаружении неподвижных препятствий. Этот подход предполагается распространить на случай трехмерного пространства для управления аэрокосмическими и подводными мобильными роботами.

Корпорация NEC (США) разработала систему наведения транспортных робокаров, испопьзующих высокочувствительный магнитный сенсор и маршрутопроводы из мягкого ферромагнитного материала или ферритовой краски. Такие маршрутопроводы очень дешевы, надежны, устойчивы к загрязнениям, могут быть легко проложены как внутри, так и вне помещений и позволяют гибко менять программу движений мобильного аппарата, управляемого от микропроцессора.

Устройство механизма музыкантши.

Телеуправляемая машина-робот MF3 (ФРГ).

Мобильная дистанционно управляемая машина-робот «Prowler» (США).

Решением робототехнических проблем в США заняты не только специализированные научные и производственные организации, но и практически все машиностроительные и технологические учебные институты. В качестве примера достаточно привести университет Южной Калифорнии, где исследования в области робототехники ведутся почти десять лет базовыми лабораториями робототехники, моделирования мозга, машинного зрения и интеллекта, захватных устройств. Субсидируется эта работа Национальным научным фондом, НАСА, Управлением оборонных исследований (DARPA) и промышленными предприятиями США, Лабораторией реактивного движения.

Достаточно отметить, что усилиями механического и электротехнического факультетов разработаны роботы US Robotics-100, IBN-7545 и другие аналогичные модели. В университете выполняются исследования по проблемам дистанционного управления манипуляторами, телероботами с учетом влияния временного запаздывания и неидеальности канала связи; синтеза экспертных систем в помощь человеку-оператору, осуществляющему управление телероботом.

Наглядным примером стремительного развития военных роботов и робототехнических систем может служить программа работ Окриджской национальной лаборатории (США) в области робототехнических и интеллектуальных систем (РИС). Она осуществляет комплексные исследования в области робототехники, дистанционно управляемых манипуляторов, искусственного интеллекта, нейросетей, параллельных вычислений. Министерство обороны через организации а^рмии и ВМС США, лабораторию аэронавтики ВВС США, НАСА субсидирует исследования по мобильным роботам, телеуправляемым БЭМСам, дистанционно управляемым манипуляционным системам. Лаборатория разрабатывает системы координации применения разнотипных Р и PC в условиях боевых действий.

Программа РИС имеет междисциплинарную структуру: в ней используется опыт ученых и инженеров различных подразделений, лабораторий, а результаты работ передаются Министерству энергетики, Министерству обороны, НАСА и другим спонсорам и заказчикам.

Исследования по программе РИС направлены на реализацию интересов человека в агрессивных и полуструктурированных средах, где необходимо обеспечивать навигацию, манипуляцию и инспекцию в реальном времени. В число изучаемых областей входят: машинный интеллект – построение машин, способных к логическим рассуждениям и самообучению при встрече с непредвиденными ситуациями; эффективные вычисления – разработка нейросетевых компьютеров, параллельных алгоритмов (в том числе реализуемых на последовательных машинах), мультипроцессорных систем; механика, динамика и управление гибко формируемыми манипуляционными операциями и локацией роботов; системы технического зрения (СТЗ) и другие сенсоры для эффективного построения модели трехмерного мира; развитие системы телеуправления для сложных дистанционных операций с максимальными эффективностью и устойчивостью к постепенному ухудшению характеристик аппаратуры (для этого требуется разработка систем передачи информации, отражения усилий, связи и т. д.); человеко- машинное взаимодействие при «совместном» выполнений заданий; интеграция системы в целом для проверки реализуемости предлагаемых концепций и синтеза результатов независимых исследований и разработок.

Работы по программе РИС организационно ведутся по двум направлениям: роботы и дистанционно управляемые манипуляторы (с группами специалистов по обеспечению мобильности и манипуляционных операций и по разработке сенсоров и электронных блоков роботов); искусственный интеллект и развитые вычислительные системы (с группами по планированию, логическим рассуждениям, решению задач и по нейросетям и объединению сенсорных данных). Еще одна область деятельности связана с общей интеграцией результатов программы и координацией проектов, включая распределение ресурсов, обеспечение качества и сроков выполнения работ.

В Центре перспективных исследований технических систем (CESAR) создан специальный интерфейс, позволяющий осуществлять связь человеку-оператору с боевыми роботами. Здесь имеется специальный стенд, предназначенный для испытаний Р и PC, а также для исследований применения роботов-солдат. Технические характеристики стенда приводятся ниже.

Австрийская дистанционно управляемая машина «Echidna».

Он имеет мобильную платформу массой 1 134 кг с дизельным двигателем, обеспечивающим скорость движения 12-16 км/ч по пересеченной местности. Связь с пультом управления оператора осуществляется по автоматически выпускаемому и втягиваемому кабелю. Устанавливаемый на платформе манипулятор с тремя степенями подвижности имеет грузоподъемность 136 кг (при собственной массе 90 кг), радиус рабочей зоны 2,4 м.

повторяемость позицирования + 0,3 мм, скорость движения 0,6 м/с по вертикали и 1,25 м/с по горизонтали. Предполагается также разработка кисти грузоподъемностью 100 кг (при собственной массе 34 кг).

Вычислительные средства, используемые в Центре, включают в себя: аналогичный ЭВМ компьютер Gray-1 , построенный по структуре двухмерного клеточного автомата с 65 536 узлами; LISP- и Lambda-машины; графическую рабочую станцию с IRIS-3; гиперкубический параллельный компьютер NCUBE с 63 узлами (при полной нагрузке – 1 024 процессора – его производительность составляет около 500 млн. операций с плавающей запятой, а объем не превышает половины кубометра, включая блоки питания и систему охлаждения). Центр обладает также развитым программным обеспечением, в частности программной поддержкой САПР.

В рамках программы РИС было выполнено и опубликовано большое число научных работ по автономной навигации (машинное зрение, параллельные вычисления, мультисенсорные системы, формирование моделей нестационарного мира, экспертные системы реального времени, самообучение автономного робота при последовательных перемещениях в среде); по манипуляционным системам (модели легких податливых рук, кинематическое управление при избыточных степенях подвижности, управление манипуляторами по зрительной информации); по интеграции различных средств и методов в единой системе (планирование заданий, координация действий разнородных участников совместной работы, анализ неопределенностей, распределение вычислительной нагрузки); по прикладным результатам использования роботов в различных областях.

Одной из центральных проблем в области военной робототехники, по мнению зарубежных специалистов, является создание автономных (колесных или гусеничных) мобильных роботов, которые способны к самостоятельной навигации в заранее неизвестной рабочей среде. В одной из теоретических разработок в отличие от большинства известных алгоритмов, отвечающих схеме останов-осмотр-движение, предлагается алгоритм, позволяющий на основе сенсорной информации формировать несколько подцелей в процессе движения робота так, что гарантируется достижение цели за заданное время.

Для управления движениями мобильных роботов необходимо строить иерархические управляющие системы. Характерной особенностью таких систем является то, что на верхнем уровне с использованием карт окружающей – местности планируется путь мобильного робота без столкновения с препятствиями. Затем в соответствие этому пути ставится расчетный профиль, в результате чего задается желаемая траектория в системе координат мира робота. Сформулированная таким образом траектория поступает на нижний уровень управляющей системы, который непосредственно уже формирует соответствующие команды на сервоприводы руля и колес мобильного робота.

При реализации визуальной навигации мобильных роботов необходимо учитывать рельеф местности, а также разветвление сетей естественных дорог. В лаборатории технического зрения Univ of Maryland (США) разработана модульная система навигации, которая после обработки и анализа видеоинформации формирует управляющие воздействия на сервоприводы системы движения мобильного робота. Стратегия навигации реализуется следующим образом: система сначала «смотрит вперед», анализирует осмотренное, продвигается на гарантированное расстояние, затем робот «вслепую» продвигается на небольшое расстояние, после чего цикл повторяется. В процессе «слепого движения» производится обработка монокулярного изображения, выделяются признаки (прямолинейные контурные), которые затем интерпретируются как трехмерные конфигурации. При этом используются метод восстановления формы по контурам, а также рассуждения (машинные) с применением системы правил. На основе полученной таким образом информации строится локальная карта, которая используется при навигации, а также при выборе зоны (интереса) в поле зрения. Интерес в военной робототехнике всегда конкретен.

Полковник А. АВЕРЧЕНКО, кандидат технических наук;

подполковник В. КУЛЕШОВ, зам. начальника отдела; Б. КОНОНЫХИН,

главный научный сотрудник, доктор технических наук