基于電驅動的地面無人裝備機動技術發展研究

袁 東， 紀伯公， 張 杰

(1. 陸軍裝甲兵學院兵器與控制系, 北京 100072； 2. 陸軍裝甲兵學院科研學術處, 北京 100072)

隨著軍事科技的迅猛發展和軍事變革的持續推進，陸基裝備逐步向信息化、智能化、無人化方向發展，地面無人裝備成為未來陸戰場的戰略前沿和發展熱點[1-4]。與有人裝備相比，地面無人裝備在執行高危險、高重復、超越人體生理極限的任務等方面具有獨特優勢：在時域上，能夠長時間(從以小時計算，到以天、月，甚至以年為任務周期)、高強度、持久高效地執行各種作戰和勤務保障任務；在地域上，能夠到達和適應傳統裝備或人員難以到達和適應的復雜地形(如陡崖、窄縫、洞穴等)、危險區域(如雷場、生化污染地帶等)和極端氣象環境(如極寒、高海拔地域等)。同時，地面無人裝備不受有人裝備乘員的心理極限因素影響，在任何情況下都能“一往無前、毫不畏懼”地堅決執行任務，并能減少人員傷亡。因此各軍事強國都在不斷加大地面無人裝備的研發力度和運用實踐。目前，地面無人裝備已在偵察感知、指揮控制、機動突擊、火力打擊、后勤保障和核生化探測等諸多戰術行動中發揮著重要作用，特別是經過近幾次局部戰爭的實戰運用，其作戰效能和獨特優勢已引起高度關注。

隨著地面無人裝備使命任務的不斷拓展和功能的多樣化，其機動能力要求也在不斷提高。機動平臺是無人裝備任務載荷的承載者，也是實現達成作戰任務的基礎[5]。如何快速、隱蔽、準確地到達各種復雜地域，并能夠根據使命任務要求完成相應的戰術機動動作，是地面無人裝備機動技術研究的核心問題。筆者從地面無人裝備機動性能需求出發，探討采用電驅動實現無人裝備機動的技術特點與主要研究內容，為進一步提高其機動性能提供參考。

1 地面無人裝備機動性能需求

1.1 地面無人裝備發展概況

20世紀30年代，前蘇聯開始了無線遙控坦克的研發[3]，在二次世界大戰期間德軍也研發出了無線遙控履帶車輛，這些早期的地面無人裝備由于受環境感知、運動規劃、跟蹤控制等相關技術的限制，均采用遙控方式。20世紀80年代以來，美、英、法、德、俄、日、韓等國相繼啟動了多項研究計劃，開展了地面無人裝備的關鍵技術與作戰運用研究，并取得了大量研究成果。

總體來看，在自主化程度方面，逐步由遙控型向半自主、自主型發展[1，6]。其中：遙控型地面無人裝備技術較為成熟并大量列裝，如美國的Recon Scout Magnetic無人車、“帕克博特”(Packbot)系列無人車、“魔爪”(Talon)系列無人車、“安德羅斯”(Andros)無人車、“粉碎者”(Crusher)無人車等，德國的“清道夫”2000掃雷車、TelMAX排爆機器人、tEODor無人車，英國的“獨眼巨人”(Cyclops)系列無人車、“手推車”(Wheelbarrow)系列、Armtrac400掃雷無人車，法國的Cameleon無人車、TSR202無人車、AMX-30B/B2 DT掃雷無人車，以色列的VIPeR無人車，俄羅斯的“天王星-9”(Uran-9)無人車、“平臺-M”(Platform-M)無人車等；半自主型地面無人裝備也取得了突破性進展，并有部分列裝，如美國的班級任務保障系統(Squad Mission Support System,SMSS)、以色列的“先鋒”(AvantGuard)無人車等，還有多個項目正處于研發階段；自主型地面無人裝備研發項目也不斷啟動，如美國的自主平臺演示樣車(Autonomous Platform Demonstration,APD)、越野機器人感知技術演示項目，法國的自主式快速運動偵察車等。

在功能集成方面，由單一功能向多功能綜合化發展。早期的地面無人裝備大多是單一功能的專用裝備，如無人偵察裝備、無人掃雷車或者無人運輸車。隨著戰場需求的不斷變化，要求地面無人裝備功能要逐漸向綜合一體化邁進，從而使其具有多種用途，一臺裝備往往能夠同時擁有偵察、打擊、指揮、控制甚至保障方面的多重能力，且逐步呈現出“通用機動平臺+專用任務載荷”的系列化發展趨勢。

從實戰運用方式來看，地面無人裝備逐步由支援保障功能向作戰功能拓展[7]。在科索沃作戰中主要用于掃雷任務，如“黑豹”(Panther)系統、Mini-Flail掃雷裝置；阿富汗作戰中拓展到多項后勤支援保障任務，如采用“帕克博特”(Packbot)系列無人車和“魔爪”(Talon)系列無人車進行爆炸物探測和處理，洞穴搜索等任務，采用SMSS運輸裝備和補給；在敘利亞作戰中，俄軍采用“平臺-M”(Platform-M)無人車和“暗語”地面武裝平臺與無人機協同，直接參與進攻作戰。

國內地面無人裝備技術研究也取得了長足的進步，相關高校和科研機構研制出了多種不同用途的地面無人平臺[1]。近年來，連續進行的幾屆“跨越險阻”陸上無人系統挑戰賽有力推動了相關技術領域的發展。

1.2 地面無人裝備的主要型譜

隨著相關技術領域的不斷進步和裝備研究的不斷深入，地面無人裝備的使命任務領域還將不斷拓展，未來可能遍及戰場抵近偵察監視、精確引導與毀傷評估、火力打擊與特種作戰、掃雷爆破與防化作業、無人值守與巡邏警戒、物資運輸與伴隨保障、戰場救護與裝備搶修等諸多領域[8-9]。郝為利等[2]根據地面無人裝備使命任務需求，結合相關領域關鍵技術發展水平，按照無人裝備重量，構建了地面無人裝備發展的主要型譜，由微小型、小型、輕小型、輕型、中型和重型等6種類型構成。各型譜無人裝備一般均具備自行機動執行任務的能力，但根據其重量和尺寸不同，運輸(或攜行)部署方式有所區別，所搭載的任務載荷與使命任務也不盡相同，如表1所示。

1.3 機動部署能力需求及其主要評價指標

機動是地面無人裝備遂行各種任務的基本條件，從其使用條件來看，地面無人裝備面臨大量的不規則路面，例如：在野外戰場，路面基本上是不規則土路、泥濘道路或者崎嶇山路；城市作戰中，往往要面臨高樓傾塌、公路塌陷、彈坑和廢墟阻滯等環境；對于執行班組伴隨保障任務的無人裝備來說，還需隨單兵通過臺階、壕溝、陡崖、叢林等復雜地形。此外，對于執行特種任務的微小型、小型與輕小型無人裝備，由于其外形尺寸相對較小，也給其機動性特別是通過性帶來了更大的挑戰。隨著使命任務的不斷拓展和功能的多樣化，地面無人裝備機動能力要求還會不斷提高[10]。

表1 不同類型無人平臺的任務載荷與使命任務

需要說明的是,機動能力的提高不僅能夠增強地面無人裝備的環境適應性，同時還可以減輕其環境感知和路徑規劃的負擔；此外，具備高機動能力可以使其采用捷徑或者更為隱蔽的路線到達任務區域，提高達成任務的快速性和隱蔽性。具有高機動能力的無人裝備還能通過靈活的戰術規避動作躲避威脅，在一定程度上提高自身的戰場生存能力。

地面無人裝備機動性能通常用快速性、通過性、靈活性和續航能力等指標來衡量[11-14]：

1) 快速性。常用的評價指標有最大速度、公路平均速度、越野平均速度，兩棲無人裝備還有最大航速等。

2) 通過性。包括爬坡能力、越障能力、涉水能力、軟地面通過能力等。常用的評價指標有最大爬坡度、最大側傾行駛坡度、過垂直墻高、過斷崖高、過崖壁高、越壕寬、涉水深等，軟地面通過能力常用通過地面時的平均接地壓力來衡量。

3) 靈活性。包括加速性、轉向性和制動性等。常用的評價指標有加速時間、制動距離、最小轉向半徑等。

4) 續航能力。常用的評價指標有最大行程、連續工作時間等。

考慮到部署方便，地面無人裝備還需滿足可運輸及攜行能力要求(如鐵路輸送、公路輸送、航空輸送、水路輸送、空投要求等)小型、微小型無人裝備還需具備伴隨班組和單兵攜行要求。此外，根據搭載任務載荷的不同，通常還需滿足一定的平順性要求。

2 地面無人裝備典型的機動方式

目前，地面無人裝備的典型機動方式主要有輪式機動、履帶式機動、足式機動以及由這3種方式組合而成的混合式機動，如輪履混合式、輪足混合式和履足混合式等[15]。

2.1 輪式機動

輪式機動具有機動速度快、行駛效率高、噪聲小等特點[16]，在重型、中型、輕型、輕小型等多種型譜的地面無人裝備中都有廣泛應用。圖1為幾種典型的輪式無人裝備[17]。

其中：“粉碎者”(Crusher)無人車動力系統為發動機與鋰電池組成的混合動力系統，采用基于輪轂電機的全輪驅動型式，同時安裝有硬度和高度均可調節的懸掛裝置，最大速度42 km/h，最大爬坡度>40°，越障高>1.2 m，越障寬2.03 m；多功能通用/后勤裝備(Multi-function Utility/Logistics Equipment,MULE)無人車也采用輪轂電機驅動，且車輪與獨立鉸鏈式車軸相連，構成獨立懸掛裝置，能夠實現車輛姿態調整，其最大側傾行駛坡度超過40°，同時具備車輪/車軸受損情況下采用5個甚至3個車輪應急行駛的能力；“狼牙棒”(Mine Area Clearance Equipment,MACE)無人車采用4×4全輪電驅動與全輪轉向技術，最大速度80 km/h，最大爬坡度可達到45°。

2.2 履帶式機動

較之輪式機動方式，履帶式機動雖然機動速度和機動效率受限，但是道路適應性和牽引附著性能好，越野機動能力、爬坡能力、軟地面通過能力和越障能力強，同時可實現原地或中心轉向，轉向半徑小，其應用場合基本遍及地面無人裝備的各個型譜。圖2為幾種典型的履帶式無人裝備[17]。

其中：“魔爪”(Talon)無人車采用電機驅動方式，最大爬坡度48°，轉彎半徑1.04 m，底盤自重62 kg，機械臂抓舉重量可達32 kg；“劍”式無人車在“魔爪”(Talon)無人車基礎上進行了改進，可進行偵察和武裝攻擊；“粗鋸齒”(Ripsaw)無人車采用Baha越野型履帶式懸掛系統，最大速度甚至達到112 km/h，越障高0.96 m，最大爬坡度50°，具有優良的加速性、制動能力和全地形通過能力。

2.3 足式機動

足式機動是為了適應山地、叢林等復雜地形中執行作戰任務而設計的，其設計源于仿生學，足式機動平臺的出現豐富了地面無人系統的裝備類型。與輪式、履帶式機動方式相比，具有可任意選擇著地點進行移動的優點，能夠完成各種非結構環境下的作戰和保障任務，可擴展部隊作戰空間和提高作戰效能，是新型作戰力量構建的重要載體[6,16,18]，但足式機動的速度一般不會太快。目前，足式機動主要應用于輕小型無人裝備，圖3為2種典型的足式無人裝備。

圖3 2種典型的足式無人裝備

其中：“大狗”(BigDog)機器人是為了通過極端地形而設計的，最大速度6 km/h，最大爬坡度35°，涉水深0.6 m，具有緩行、步行、小跑和快跑等多種運動模式;腿形班保障系統長度比“大狗”增加1倍,高度增加3/4，可在崎嶇和多石地形上快跑，計劃最終實現平地運動速度為11 km/h。

2.4 混合式機動

在作戰運用過程中，地面無人裝備通常要面臨多種不同的地形環境，因此單一機動方式往往難以滿足高機動要求。混合式機動的目的是為了綜合各種機動方式的優點，根據不同的地形環境，在輪式、履帶式、足式3種機動方式之間切換，如美軍的GXV-T項目中研制的可重構輪軌(如圖4所示)，可在車輛行駛過程中實現圓形車輪與三角履帶的快速轉換，從而提升其在不同地形的戰術機動性[19]。

圖4 可重構輪軌

呂海洋等[20]設計了一種關節式輪履混合機動平臺，可實現輪式機動和履帶式機動間的切換，具有良好的環境適應性和越障能力，可應用于偵察、探測等領域；杜微等[21]設計了一種履足混合機動平臺，并進行了仿真分析；輪式機動與足式機動也有多種結合方式，總體上可分為輪足耦合式和輪足組合式，前者主要是將腿和車輪的功能融合設計在一起，從而使車輪同時具有足式機動的功能，如無框輪輻條驅動輪、旋轉外行星輪臂以及可轉換變結構輪等，后者是將輪和足2種運動機構在機械上進行獨立組合與集成，如關節式輪足混合型式、輪足分離型式、主動適應懸掛型式以及多自由度集體鉸接型式等[22-23]；段星光等[24]還設計了一種具有輪、履、足多種運動模式的復合式移動機器人，其可以實現輪式高速運動、履帶或足式越障等多種模式的運動。

3 基于電驅動的無人裝備機動技術

3.1 電驅動的優勢與特點

較之傳統機械傳動系統，采用電驅動實現地面無人裝備的平臺機動，具有如下優點：

1) 機動性能好，環境適應性強。電驅動系統具有動態響應速度快、加速性能好、過載能力強等特點；同時其控制更加靈活，能夠實現雙重轉向、機電復合制動及能量回收等控制[25]，可提高機動性能和能源利用效率，增大續航里程。此外，如前所述，對于采用全輪獨立驅動的電傳動系統來說，驅動力執行機構的冗余度增加，即便出現個別驅動輪故障，平臺仍然可以依靠剩余驅動輪完成行駛，從而提升了地面無人裝備的戰場生存能力。

2) 整車布局方便，行走機構設計靈活。電驅動系統采用電路柔性連接取代傳統的機械連接，各部件的布置更加靈活，裝備布局與功能重構相對容易，可增強滿足多樣化戰爭行動的能力。同時，柔性連接可有效降低對行走機構的設計約束，為懸掛、轉向等系統的變革提供了條件，可為催生和發展更多高適應行走機構奠定技術基礎。

3) 能量形式統一，任務載荷承載能力強。采用電驅動時，整車以電能作為基本能量源，綜合運用變換、傳輸、控制等技術，既可用于機動，也可為搭載的任務載荷供電，對武器、防護等作戰廣譜功能模塊具有較強的承載能力，可為更多新型高能偵察、打擊系統的應用集成提供能源支撐。

4) 可靜音行駛，隱身能力好。在特殊作戰任務下，可關閉發動機，采用儲能系統給驅動電機供電，實現靜音行駛，可大幅降低車輛的噪聲以及紅外特性，有利于達成任務的隱蔽性和突然性。

5) 可測試性強，維護保障難度小。系統內部狀態信息獲取方便，可測試性設計好，在線故障診斷方便，同時其系統結構簡單、可靠性高、維護保養方便。

3.2 關鍵技術

3.2.1 高適應行走機構及其運動控制技術

高適應行走機構是實現地面無人裝備高機動的物理基礎，對于不同型譜的無人裝備，由于其自身特點與作戰需求區別，其電驅動行走機構的結構模式與運動控制方法也不盡相同。蓋江濤[26]針對重型履帶車輛，研究了一種雙側電機耦合驅動結構方案，并提出了雙電機解耦與電子機械協調差速轉向控制策略；曾慶含等[27]針對輕型履帶車輛，提出了基于“雙側主動輪驅動+負重輪輔助驅動”的結構模式(如圖5所示)，即在雙電機驅動兩側主動輪的基礎上，利用電驅動的柔性連接優勢，在負重輪輪轂內集成了驅動電機，實現主動輪+負重輪的協同驅動，在一側履帶損毀情況下，依賴負重輪的動力輸出，可以實現應急跛行，顯著提高了車輛的機動性能和戰場生存能力。

圖5 “雙側主動輪驅動+負重輪輔助驅動”結構模式

文獻[28-29]作者針對小型履帶移動平臺，結合Mecanum輪和傳統履帶式移動機構的結構原理，提出一種新型全方位移動機構——全方位移動履帶，并設計了一種履帶式全方位移動平臺，可實現橫向運動、斜向45°運動、中心轉向、橫向復合轉向和縱向復合轉向，同時對復雜路面具有較強的適應能力，其結構模式如圖6所示。

圖6 全方位移動履帶平臺結構模式

黑沫[30]針對非結構化復雜環境下的機動需求，研究了一種基于平行四邊形機構的可變形履帶式無人平臺，并對其直線行進、轉向運動和爬坡穩定性進行了分析。

在輪式平臺電驅動方面，采用輪轂電機驅動成為重要的發展方向。如：GXV-T項目研制出采用高功率密度永磁同步電機、變頻器和行星變速機構組成的輪轂電機驅動系統樣機，同時采用多模式極限行駛懸掛(Multi-mode Extreme Travel Suspension,METS)技術，保證車輛在崎嶇地形上高速行駛時保持水平狀態[19]；“粉碎者”(Crusher)無人車、MULE無人車等均采用輪轂電機驅動；楊貴兵[31]以8×8輪轂電機驅動車輛為研究對象，以提高車輛行駛穩定性和低速靈活性為基本目標，開展了車輛狀態參數估計、車輛穩定性分析及運動跟蹤控制、基于多層次優化的轉矩協調控制等研究。此外，仿生機動機構、行走步態規劃等研究也不斷拓展，行走機理、腿關節機構、步態生成與控制、足端腳力分配、行走能耗優化等方面的探索不斷深入[1,23,32]。

總體來看，電驅動行走裝置朝著緊湊型、集成化、輕量化、多樣化方向發展；同時，運動控制策略研究的不斷深入對機動性能的提高具有越來越重要的作用。

3.2.2 多能量源復合電力系統及其能量管理技術

優良的能源供給能力是實現高機動的重要保障，不同型譜無人裝備的重量與機動要求不同，其車載電力系統的供電體制與結構體系也各不相同。對于輕型、中型、重型地面無人裝備，一般采用多能量源復合結構的車載電力系統[1,33]，如：美國國家機器人工程中心(National Robotics Engineering Center，NREC)研制的自主平臺演示樣車APD、“粉碎者”(Crusher)無人車，愛沙尼亞Milrem公司研制的模塊化地面無人車TheMIS，烏克蘭研制的“幽靈”2(Fantom-2)多用途無人車等。黃千等[34]分析了以發動機-發電機組為主電源，動力電池直接掛在直流母線上，二者并聯作為復合電力系統輸出電能的供電特性；鄒淵等[35]研究了一種基于隨機動態規劃的混合動力履帶車輛能量管理策略；李軍求等[36]提出在動力電池與直流母線之間增設DC/DC變換器實現電氣解耦，并研究了一種基于發動機負載跟隨與動力電池功率補償的能量管理策略；董玉剛等[37]進一步討論了發動機-發電機組的控制策略；馬曉軍等[38]提出了一種基于多驅動特性能量源的車載綜合電力系統，其原型結構如圖7所示。系統采用發動機-發電機組作為主能量源，通過脈寬調制(Pulse Width Modulation,PWM)整流器與直流供電網絡連接，輔助能量源采用動力電池與超級電容復合儲能結構，動力電池通過雙向DC/DC變換器與超級電容并聯到直流網絡。這種復合儲能結構有效結合動力電池高能量密度和超級電容高功率密度的特點，提高了系統負載適應能力。同時，由于發電機和動力電池與直流網絡之間都有可控功率變換裝置，2個能量源可實現解耦控制。

圖7 綜合電力系統原型結構

劉勇等[39]研究了供電體制與電源系統、輸配電系統以及任務載荷之間的關系，提出了不同型譜、不同噸位全電車輛供電體制論證設計方法。

受動力電池能量和功率密度限制，采用動力電池獨立作為能量源的供電模式一般主要用于微小型和小型地面無人裝備，如美國Roboteam公司研制的PROBOTV2地面無人車。對于執行長期無人值守任務的地面無人裝備還可考慮采用光伏發電實現長時間持續供電。此外，燃料電池、新材料電池、飛輪儲能電池、超導儲能與發電等技術及其車載化應用的進程也在不斷加速。

3.2.3 高功率密度電機與功率變換技術

驅動電機及其功率變換裝置是實現機動的核心部件，特別是對于中型、重型地面無人裝備來說，其功率需求大，性能要求高，體積、質量約束苛刻，較之普通工業用電機驅動系統，具有高性能、高功率密度、高可靠性與高環境適應性等特點[26]。如：在額定轉速以下要求驅動電機大扭矩輸出，以滿足車輛加速、爬坡要求；在額定轉速以上又要求其弱磁能力強，最高轉速高，以滿足車輛最高機動速度要求。即要同時滿足高轉速和高轉矩，又受到體積和重量的限制，它的角功率密度可達到普通電機的4～10倍之多。此外還需要實現全轉速范圍內效率最優化，以提高續航里程，同時減小損耗，降低散熱難度。

李俊龍[40]針對電驅動系統中的輪轂電機應用需求，分析了恒功率運行約束下電機的設計方法、渦流損耗、電機轉矩波動及其抑制方法；宮海龍[41]分析了高轉矩永磁輪轂電機的磁系統特性，研究了電機轉矩波動與振動特性；蓋江濤等[42]針對基于永磁同步電機的車輛驅動系統在負載變化過程中轉速受到較大影響的問題，設計了基于負載觀測的二階自抗擾控制器(Active Disturbance Rejection Controller，ADRC)，實現系統速度控制，提高了動態穩定性能和響應能力；李敏裕[43]針對軍用車輛驅動系統高功率密度需求，開展了基于T型逆變器的永磁同步電機三電平驅動控制技術研究。

對于足式機動裝備來說，關節電機驅動系統需具備轉動慣量小、響應速度快、執行機構靈活、驅動力矩大、抗沖擊能力強等要求，以提高其機動能力與環境適應性，同時要滿足關節安裝空間位置和質量限制。盛沙等[44]設計了具有復合運動模式的耦合驅動關節，提高了電機驅動能力和效率。

此外，電機驅動系統的電磁兼容性也是電機與功率變換裝置研究的重要內容。一方面，驅動電機功率大，功率變換裝置基本均采用PWM控制方式，開關頻率高，且安裝密集度高，容易產生電磁輻射，對控制系統產生干擾；另一方面，地面無人裝備遂行任務時需要大量的通信與控制鏈路，本身就處于一個極端復雜的電磁環境，它們也會對電機驅動系統產生影響[45]。因此，電機驅動系統設計時需從供電特性、接地特性、安裝方式、匹配設計、濾波與屏蔽設計等多方面入手，提高系統的電磁兼容性。

4 結論與建議

隨著電機控制、電力變換以及新型能源等相關技術領域的進步，電驅動將成為地面無人裝備的理想驅動方式，具有廣闊的應用前景，需要加強深入研究，以適應未來裝備發展需求。具體建議如下：

1) 加強頂層設計規劃論證。以作戰需求為牽引，開展任務需求、功能配置與技術形態的一致性轉化研究，規劃論證不同型譜無人裝備的機動平臺技術體系和發展路線。規范不同噸位和功率等級無人裝備的供電體制、能源型式、驅動模式等，注重“基型+變型”的發展模式，促進基于電驅動的機動平臺標準化、通用化、系列化。

2) 加強基礎理論與重難點技術環節攻關。梳理電驅動機動平臺的關鍵技術體系，制定高適應性行走機構、高功率密度電機以及運動控制等關鍵技術的近期和中長期技術發展目標，構建“關鍵技術突破、典型裝備研制、前沿技術探索”相結合的協調發展模式。重視關鍵器件、結構材料、制造工藝等方面研究，不斷推動電驅動系統的輕量化、集成化、高效化發展。

3) 深度推進融合式、創新式發展。充分吸收裝甲車輛電傳動、民用電動汽車等相關技術領域成果，注重傳統有人裝備，特別是老舊裝備底盤的無人化改造，探索基于電驅動系統的無人化改造和直接在傳統推進系統中加裝自動操縱機構進行無人化改造等多條技術途徑。促進燃料電池、超導儲能、功率變換等民用相關技術的移植轉化，避免重復研發，降低技術風險，促進地面無人裝備穩步、高效發展。