礪劍精兵

熊偉

[編者按]在“跨越險阻2016”挑戰賽C組預賽中，南京理工大學的“礪劍”無人車僅用12分鐘就完成所有越野科目和偵察科目，以突出成績獲得第一名。整個比賽過程中，筆者有幸多次采訪了該車研制團隊——南京理工大學計算機科學與工程學院的主要負責人，朱健聲和蔡云飛老師。

蔡云飛老師向記者介紹，“礪劍”無人車也稱為“地面多任務無人機動平臺”，目前研制有IV型和IV-A兩款型號。在預賽種，他們使用的為IV型（參見下圖），長1.015米，寬0.614米，車體高度在0.305到0.36米之間可變，自重50千克，有效負重30千克，最大行駛速度17千米/小時。決賽時，上場的是IV-A型，長1.12米，寬0.625米，車體高度在0.34到0.43米可變，自重 55千克，載重30千克，最大行駛速度25千米/小時。他們的總體結構和主要技術特點都相似。

這個研究團隊從1997年就開始從事地面輕小型無人平臺的研究工作，先后對履帶機器人傳動、變速、行走、懸掛、車體結構、履帶變形機構、操控終端等各方面都進行了頗具成效的研究，獲得多項國家發明專利。在成果的工程化轉換方面，他們也積累了豐富的理論和實踐經驗。該團隊主要成員研制的移動平臺，已成功應用10年，發揮了重要作用。2011年提出的履帶式偵察機器人結構方案，也獲得肯定，在此后的研制工作中先后攻克了機器人技術重點的各項難題、關鍵性技術，比如總重限制、工作時間、快速分解組合、武器快速掛接、同步瞄準、擊發控制、傾覆復位、大轉矩高精度云臺、底盤降噪、武器后座緩沖、載荷舉升與俯仰調節機構等等。

記者在比賽現場也感受到，樸實的朱健聲老師在業內有比較高的知名度，很多其他參賽隊都對他們的設計有不少了解，看好他們的比賽成績。

記者注意到，參加C組決賽的6輛無人車，雖然都是履帶的，但“礪劍”、“星越”兩車的行走機構和其它車不同。蔡老師介紹說，這兩車的行走裝置是懸掛履帶式的，決賽中的其它無人車都是非懸掛履帶式。像國外的“魔爪”、PackBot那種無人車，還有很多排爆機器人，都是不帶懸掛的，剛性底盤結構，其好處是平臺姿態穩定性高，能滿足排爆等特殊任務的高精度操作需要。

“我們這個是面向野戰用的，具有高速、高通過性。”蔡老師介紹說，那種剛性懸掛的輕小型無人車他們2008年起也研制過，但存在幾個固有缺點無法克服。一是地面適應性差、速度低、越野性能差，很難趟水過河，在爛泥地、草地、鵝卵石、磚塊廢墟等環境中行駛還很容易掉履帶。二是觀察視窗跳動厲害。由于它的車體與履帶間沒有柔性的懸掛，地面的起伏都會傳到車體上，導航攝像頭傳回的圖像會劇烈跳動，操控者看久了會嚴重不適。如果導航攝像頭裝在車體上，操作員相當于貼著地面“看”周圍，視野范圍還會比正常情況小很多。記者觀察過幾款無人車的操控臺，從顯示屏上看到的圖像確實非常非常別扭。模糊不清是一方面，更重要的就是太“矮”，判斷距離、方向時都和原本的感覺差別很大。

“礪劍”研究團隊在履帶高效率轉向傳動及控制、履帶地表適應性變形技術等方面，做了很多努力，在平臺上采用了可升降懸掛，可以在懸掛車體和剛性車體兩個狀態間自由切換，并可通過四個方位的獨立升降懸掛進行車體姿態調整。

普通行駛時，它的外形有些像一輛小坦克，能爬上25厘米高的垂直墻，爬上35°的坡。負重輪上下活動的行程可以達到5厘米，IV-A型則達到了9厘米，因此能承受高速越野行駛時的強烈震動和沖擊。這次挑戰賽中有樓梯，預賽中有沙坑，碎磚、土堆組成的陡坡，對“礪劍”來說都沒有問題。朱老師還認為預賽場地簡單了點，決賽時很希望能到前面的河灘、鵝卵石路況下跑一跑。

“礪劍”的懸掛調低后，車底距地高從13厘米降到5.5厘米，履帶接地長度從56厘米增加到88厘米。這不僅讓它能跨越45厘米寬的壕溝，還提高了縱向、橫向的穩定性，在五六十度的縱向坡面上都不會傾覆。

非懸掛的履帶行動裝置上，履帶和主動輪、誘導輪、負重輪之間，要有比較大的張力，是繃緊的，容雜量小而排雜能力差。而轉向，會讓地面雜物大量進入履帶、懸掛空間。雜草、粗沙、污泥等卡入履帶和輪子中間后，不容易排出，導致張力過大，無法轉動。而在有懸掛的履帶上，輪履之間有一定的彈性空間，不會急劇增加主動輪的轉動負荷，沙石草等可以在滾到下一個輪子時逐步脫落。

對于履帶車來說，轉向靠兩側履帶差動、反轉，因此防脫落是個關鍵課題。研究團隊經過十多年摸索，有了一些獨特的履帶防脫技術，能在草地、沙石地、泥濘地等各種惡劣地面行駛。按照蔡老師的話說，就是“不會掉履帶，隨便你怎么玩。”

“礪劍”使用雙流轉向控制模式，后部的動力艙里布置有兩臺電動機，主電機350瓦，轉向電機250瓦。行進時只需一個電機工作，傳動效率較高。比賽中，“礪劍”只是采用了普通高速檔，速度就已經比其它無人車快了近一倍，給觀賽者留下了非常深刻的印象。

朱老師介紹說，“礪劍”還能采用混合動力模式，也就是一個電機加一個內燃機。變速箱上有兩個動力輸入點，其它都是一樣的，直接接上就行。兩個發動機如果同時工作，無人車的速度能更快，試驗中曾達到近50千米/小時！當然此時回傳的圖像已經抖動劇烈，操作員不容易控制了。所以內燃機的最大用途，還是便于在野外長期工作，免除了充電的麻煩。

依靠車內電池，“礪劍”能連續運行至少4小時。無人車要想得到很長的續航時間，可以外接電池，但防水問題很難解決。車體內的電池，防水防震，但更換起來麻煩。有了內燃機，無人車可以“快速復活”，花一兩分鐘加上油就可以了。這也適合快速反應。

這個內燃機還可以給電池充電，記者看到車體內就有一些24伏、12伏電源輸出口。外場維修時，電動螺絲刀、電烙鐵等工具，都可以接到這里。手機、遙控設備也可以在這里充電。當然，采用內燃機也有一些缺點。一是噪音大，二是加上散熱器、油箱等，會占用載荷艙的一半空間。如果車體再大一些，更適合采用這種混合動力系統。

記者詢問是否能用小一些的內燃機，專為充電用，這樣既保證尺寸，又具備野外長期工作的方便。朱老師解答說：內燃機充電的效率不高，直接驅動無人車行駛更合適一些，不太適合專為充電而設置。如果少量地用電，太陽能電池板倒是也可以考慮。

總得來說，依靠電控機械變速箱、雙流傳動、多動力復合驅動等技術，“礪劍”無人車在動力系統這塊比較靈活，怎么配置就看各種不同的需要了。

朱老師打開動力系統上的艙蓋介紹時，順手打開了車體上另外幾個蓋子。那是工具箱，其它無人車很少有這樣的設置。蔡老師介紹說，這也是因為他們的無人車已經比較成熟，不再是原理樣車，可以算型號的初樣車了。再過一輪設計修改，就可以作為正樣車，“然后全部工程化，基本上就OK了。”

從樣車到成熟產品，確實還需要很多路走。在決賽中，“礪劍”無人車就因為一個小細節，引起翻車。它的車體中部是載荷艙，尺寸不小，40×27×23立方厘米，可以放多種設備。整車自重50～55千克，載重能達到30千克。但在這次比賽中，它的負載能力用不上，車頂搭載了一個球形光電探測器就足夠了。載荷艙內前部被臨時加裝了一塊電池，增加配重，進一步提高爬樓、過障時的穩定性。還不是正式的載荷，因此也就沒采取螺栓等固定措施。從頭一天熟悉場地開始，團隊多次操縱無人車在樓梯、草坪等場地試駕。測試后，團隊認為自己只需半小時就能完成比賽。預賽成績已經領先其他隊很多，只要找到18個目標中的5、6個，他們就能穩獲冠軍（總成績由預賽分和決賽分加權平均得出）。但為了充分展示性能，團隊決定奔著找齊18個目標去。樓內9個目標要比樓外的相對集中，因此他們制定了先上樓偵察，后室外偵察的策略，希望能把所有目標都找到，而且看起來問題不大。

正式比賽時，“礪劍”一馬當先，比同組比賽的另外兩車早早進入樓房，快速向三樓爬去。觀賽者都為他們的速度趕到驚嘆（其實這只是他們的正常速度），現場解說也告訴大家他們是預賽第一名，速度快、越野能力強。不料經過前一天的多次試跑、爬樓、顛簸，載荷艙里的電池有些松動了。這次爬上兩層樓后，在持續震動下，電池滑向了載荷艙后部，整車重心突然偏后。結果無人車從樓梯上倒翻過來。對于經過加固考慮的車體來說，這沒多大問題，但車頂的光電探測器被壓壞，無人車失去了最主要的觀察設備。此后它只能依靠車體上的駕駛用攝像頭尋找偵察目標，效果大打折扣。而且在翻回車體過程中，一個小攝像頭不慎被手指、膠帶弄模糊，現場維修后的“礪劍”成了高度“近視眼”。天線也因翻車受到些影響。結果無人車幾次從偵察目標旁經過，都沒能看清目標。尋找到的目標數量少，影響了“礪劍”的決賽總分。

賽后整個團隊也是因為這個意外而感到遺憾，蔡老師說接下來的工作就是要在工程化這塊做最后的細化、完善。

這次挑戰賽中，絕大多數輕小型無人平臺都是樣車，并非完成所有工程化設計的產品，有的甚至只是概念型樣車。再加上無人平臺是動力、機械、通訊、光電等多方面技術的集成，因此意外頻出。有不少都并非設計、結構不好，而是某個小小的細節、意外影響了參賽表現。

“礪劍”這一跟頭翻得，讓很多觀賽者都感覺很可惜。不過對這類輕小型無人車來說，這樣的情況不會造成重大傷害。決賽中另外一輛小車也在爬樓時翻車。它們的車體都能經受這種沖擊、碰撞。

不僅如此，“礪劍”的車體還有很好的密封性，讓該車能在水面浮渡。設計團隊通過十多年研究，已經掌握了一套高強度、高抗變形箱體材料及成型技術。以前的試驗中，它們還經受住了武器射擊時的沖擊、碰撞。

武器站能通過螺栓直接固定在車頂，或載荷艙位置。它的設計載荷為30千克，實際上能達到六七十千克。而30千克，已經是滿足一整套單兵裝備的重量，包括武器彈藥等。如果帶反坦克導彈、大威力火箭筒，能有2枚，輕型火箭筒能帶4枚。以它的尺寸和速度，能快速突進到敵方車輛附近幾百米，即便用無制導的火箭彈，也能快速抵近、毀傷目標。

利用這套箱體材料和成型技術，還能根據需要設計制造不同尺寸的無人車。履帶、行走系統也都是模塊化設計，有幾種可選，包括履帶板的形狀，負重輪懸掛的方式等。比“礪劍”小一些的同系列無人車，也具備良好的越野、高速性能，可以帶榴彈等武器。

在輕小型無人平臺（也稱地面輕小型機器人）研究領域，“礪劍”無人車設計團隊的主要成員都具有10年以上的技術積累和實際工程經驗。在隨后的采訪中，記者和他們也就無人車的戰場應用交流了很多看法。

“魔爪”、PackBot等無人車已被美軍廣泛用于阿富汗、伊拉克戰場，負責路邊炸彈檢查、拆除，山洞內偵察，甚至進攻性戰斗等任務。

俄羅斯也有多款無人戰車、無人掃雷車投入實用。2016年年初，在敘利亞戰場，俄軍6輛無人車投入了一次高地爭奪戰。遙控人員操縱他們抵近到IS武裝分子據點前100米，用機槍和火箭筒進行火力壓制，敘利亞政府軍士兵則在無人車后150～200米的安全距離對敵人進行清掃。遇到堅固火力點后，無人車傳回圖像、坐標，引導榴彈炮進行拔點炮擊。戰斗持續了20分鐘，IS武裝分子沒有還手之力，被擊斃70人，而敘利亞政府軍只有4名士兵受傷。

俄軍投入戰斗的“平臺M”履帶式無人車、“阿爾戈”輪式無人車和美軍無人車相比，就有很大不同。它們重量更大，分別為0.8和1噸，高度1.2和1.65米，配有防護裝甲；火力強悍，除了一挺7.62毫米機槍，還有4、5具火箭筒、榴彈發射器。

“礪劍”無人車研究團隊認為：反恐、排爆和作戰行動相比，時間更加充裕，無人車也不需要帶很多載荷；而戰斗行動（無論城市還是野外），即便是反恐行動的偵察，無人車都必須有足夠的反制措施，配備一定的武器或裝甲。遭遇敵方攻擊時，它能利用火力予以反擊，或利用高速等措施進行規避、擺脫。即便是反恐戰爭中的排爆行動，也需要無人車具備一定的反制能力。比如伊拉克反美武裝曾雇傭小孩，拿著油漆噴罐走到PackBot無人車前，往攝像頭上一噴，價值成千上萬的無人車就歇菜了。跑跑不過，打又不方便打。

如果是巷戰，彈坑、斷墻會是常見的障礙。即便沒有這些障礙，也有人想出過一些專門針對小型無人車的簡單辦法，比如用漁網罩上，看你怎么擺脫。

因此在輕小型軍用無人車的研制上，高速、高通過性，載荷、反制能力，是“礪劍”研究團隊重點追求的目標。

遙控、通訊技術，是這類小型無人車的另一關鍵技術點。它要具備一定的抗干擾能力，這樣才能適應有眾多電磁污染的戰場。但對于通訊距離、通視情況，記者和研究團隊都認為沒必要太遠。隔著幾道院墻、樓宇遙控無人車，實戰中恐怕很難出現，因為后方的士兵們都會及時跟上，也不會讓無人車獨自跑那么遠。更多情況，可能是士兵們隱蔽在一個拐角或山坡之后，不在敵人的直瞄范圍內就行。

隨著比賽結束，記者和朱老師、蔡老師，“礪劍”無人車研究團隊的交流，也告一段落。通過這次比賽和交流，記者深感輕小型無人平臺在未來戰場，包括城市戰、野戰、反恐，偵察、戰斗、排爆，等等各方面，都有非常重要的應用前景。

可以說：以后誰能把這支無人小尖兵之劍，砥礪得更加鋒利，誰就將在戰斗中占據重大優勢。

寶劍鋒從今磨礪，未來沙場贏先機！