坦克車輛虛擬遠程駕駛技術綜述

姚壽文,丁 佳,王 瑀,胡子然

(北京理工大學 機械與車輛學院， 北京 100081)

隨著傳感器和機器學習的不斷進步，國內外許多乘用車制造商都瞄準了無人化、智能化車輛駕駛的發展方向[1]。車輛自動駕駛技術的快速崛起，推動無人駕駛產業的迅速升溫。但是若實現完全的無人駕駛，并投入實際運營，目前還存在許多技術難點，尚不能達到全天候以及非結構化道路行駛[2]，無人駕駛技術從其初步探索，到技術的發展成熟至全面推廣普及將需要很長時間[3]。

無人駕駛技術主要面臨路況識別、車輛控制以及車輛信息交互等諸多技術的發展限制[4]，并且由此帶來的一系列倫理規范、法律責任與監管政策等社會問題[5]也逐漸顯現出來。基于人工智能的路況識別與環境感知是無人駕駛最重要的技術之一，車輛需要自主對行人、來往車輛、交通信號燈等進行準確識別并做出相應判斷[6]。然而近年來，Uber、谷歌、特斯拉等發生的多起自動駕駛汽車致死事故[7]對目前的路況識別技術提出了更大的質疑與挑戰。圖1所示為Uber一輛自動駕駛SUV發生車禍現場。對于無人車輛而言，車輛與現代交通系統、車輛與車輛之間的信息交互也尤為重要。此外，OTA(Over-The-Air，空中下載)作為未來無人駕駛汽車升級車載程序的發展趨勢，網絡的下載速度、覆蓋范圍和信號的穩定性等也對無人車的駕駛安全性及使用便捷性有至關重要的作用[8]。由此來看，無人駕駛車輛的發展將還有很長的一段路要走。現代戰爭中，戰場范圍之廣泛、環境之復雜、態勢之多變等給坦克車輛的無人化提出了更高的要求。若僅依賴現有的無人駕駛技術，實現坦克的無人駕駛非常困難。

圖1 Uber一輛自動駕駛SUV發生車禍現場

遠程控制技術從20世紀初第一次被提出，并隨著計算機技術、無線通信技術和傳感器技術等新興技術的出現，如今已廣泛的應用于海、陸、空等各個領域，影響著人類生活的方方面面[9]。運用遠程控制技術，可使機器或設備到達人難以到達的艱苦環境，有效降低工作成本，避免人員傷亡[10]。可靠的導航、有效的運動控制以及定位傳感器數據的實時獲取是車輛遠程控制技術的關鍵[11]。

傳統的車輛遠程控制技術，是通過從車輛安裝的傳感器與攝像頭傳回的畫面，由操作者分析當前車輛所處的環境，做出決策對車輛進行姿態調整，實現車輛的控制。由于車輛安裝的傳感器和攝像頭數量有限，可能產生盲區。此外操作者的臨場感不強，操作精度得不到保證。通信技術也限制了數據傳輸的實時性，使得遠程操作者對車輛運動姿態的控制無法根據環境變化及時進行調整。由于遠程車輛只能依靠人的行為決策進行運動，但操作者無法全面獲取車輛及環境信息，當車輛面對突發狀況時，由于缺少一定的自主性，如障礙判斷、環境感知等，導致車輛遠程控制失敗。隨著機器學習、人工智能等新興學科的蓬勃發展，車輛的智能化、自主化程度越來越高，為車輛遠程駕駛提供了新的起點。此外，隨著5G網絡的發展，超大帶寬、超低延時和超高可靠的特性，使數據的實時傳輸得到有效保證[12]，也為車輛遠程駕駛提供了可靠的通信保障。2018年6月27日，在世界移動大會(MWC)·上海期間，中國聯通攜手愛立信、馭勢科技進行了國內首個5G超遠程駕駛實車演示并取得成功[13]，如圖2所示。

圖2 中國聯通、愛立信、馭勢科技聯合演示5G超遠程智能駕駛現場圖

虛擬現實技術具有強烈的沉浸性(Immersion)、交互性(Interaction)和想象性(Imagination)，即所謂的3I特點[13]，近年來也逐漸滲透到科技的各個領域。

2018年GTC大會上，英偉達通過將Holodeck、包括HTC Vive，駕駛賽車座椅和方向盤在內的VR設置，以及安裝有遠程控制器的一輛汽車相結合，展示出用戶如何一邊佩戴頭顯一邊遠程控制汽車，其展示的一大重點是自動駕駛汽車與AI自動駕駛平臺DRIVE[14]。圖3為英偉達用VR遠程駕駛真實汽車，這將給研究虛擬現實坦克車輛遠程駕駛技術提供更加開闊的思路和技術切入點。我國由于在虛擬現實環境下的駕駛技術研究較晚，在新的歷史環境下,還需要進一步的發展才能逐步縮小與發展國家的差距，從而實現更強、更具有沉浸感的虛擬仿真技術。

圖3 英偉達用VR遠程駕駛真實汽車

2016年8月，硅谷產品設計公司219 Design團隊開發出了一款能利用HTC Vive 虛擬現實頭盔控制的機械臂，可以允許用戶精確而直觀的實時控制手臂，并且可以記錄自己手臂的運動軌跡，機器手臂在響應命令后可以模擬用戶記錄的手臂運動軌跡，從而“教”會機械臂實現指定動作[15]。2017年10月，麻省理工學院計算機科學和人工智能實驗室(CSAIL)發明了一種新型虛擬現實頭顯設備，操作者可以使用Oculus Rift頭盔和Touch手柄來遠程控制機器人，甚至還可以使用手動控制器來直接控制機器人的機械臂[16]。另據外媒2017年12月報道，NASA和索尼正在利用PlayStation VR開發一個名為Mighty Morphenaut的演示應用，用來練習如何控制太空中的人形機器人[17]。2018年1月，Brown University計算機科學家開發了一款軟件，可幫助用戶沉浸式觀察機器人的周圍環境，在千里之外對機器人進行操控。通過互聯網，這款軟件能夠將機器人的力臂抓手、攝像頭、傳感器連接至VR硬件設備。操作者借助手持控制器，只需移動自己的手臂，便能控制機器人的力臂，從而完成復雜的操作任務[18]。

我國有關企業也在致力于VR遠程控制的研究。目前而言，百度公司和上汽集團對于無人車輛的虛擬駕駛研究，處于國內較為領先的地位。

圖4為MIT用VR技術遠程控制機器人。

圖4 MIT用VR技術遠程控制機器人

國內外通過對VR遠程控制機器人、機械臂的研究并取得的一系列成果，使VR遠程控制坦克車輛成為可能。將人與遠程機械的運動結合，操作者操控遠程機械的同時遠程機械又具有一定的自主性，從而實現對機械的訓練及遠程控制。

因此，結合虛擬現實技術，綜合現代通訊的發展，并提高坦克車輛的一定自主程度，通過虛擬環境完成對無人車輛的全方位觀察和控制，實現坦克車輛虛擬遠程駕駛，不僅可以有效解決當前無人車輛面臨的環境識別不足、車輛自主控制不準確等問題，而且可以保證車輛安全，也可使操作者具有身臨其境的駕駛體驗感受。本文以近年來VR遠程控制及相關技術為基礎，綜合虛擬駕駛技術及遠程控制技術，介紹了實現坦克車輛虛擬遠程駕駛的技術框架，分析了關鍵技術，為未來我國無人坦克的應用開發提供研究思路。

2 坦克遠程虛擬駕駛技術框架

隨著數字技術的不斷發展，基于虛擬現實的虛擬駕駛技術不斷進步。虛擬駕駛技術也從對汽車模擬器的研究，到如今應用于無人車的道路測試及駕駛員的駕駛訓練。虛擬駕駛系統主要由控制系統、視景仿真系統、駕駛模擬器[19]以及音響設備、顯示器等其他部件組成，其工作原理框圖如圖5所示。其中，控制系統為實物，包括方向盤、油門踏板、剎車踏板和換擋桿，駕駛員通過控制系統改變虛擬環境中車輛的運動狀態，視景仿真系統對車輛姿態進行解算，并將車輛信息通過顯示器傳遞給駕駛員，使駕駛員及時感知車輛運動姿態及路況環境變化；駕駛模擬器根據車輛運動姿態的變化調整方位與角度，使駕駛員姿態與車身姿態保持一致，增強體驗感與真實性。

圖5 虛擬駕駛系統工作原理框圖

車輛遠程控制系統主要包括監控終端和車載終端兩大部分，系統結構圖如圖6。車輛的主要位置及姿態信息通過衛星定位和傳感器進行數據采集，并以網絡傳輸至監控人員的操作界面上，操作人員對信息進行分析判斷并發出相關指令，實現對車輛運動姿態的調整[20]。遠程控制系統主要通過無線網絡進行信息傳輸，5G網絡的出現對通信延遲性的解決提供了很好的解決途徑。

圖6 車輛遠程控制系統結構

虛擬車是在虛擬環境下通過車輛動力學模型、道路模型、輪胎模型等實現車輛的行駛，而實車是在實際路面上進行行駛。由于建模精度的影響，為保證虛擬車和實車盡可能一致的位姿狀態，在分析虛擬駕駛系統和車輛遠程控制系統的基礎上，建立了基于虛擬現實的坦克車輛遠程駕駛技術結構框圖如圖7所示。圖7中實車和虛擬車之間的信息采用5G技術實現車間通信。駕駛員通過操控方向盤、油門踏板、制動踏板和換擋手柄等操控系統控制虛擬車輛的運動狀態，虛擬車輛通過姿態預判調整實際車輛的操縱，使實車的運動狀態發生變化。若實車狀態與虛擬車狀態不一致，則通過兩車之間的姿態修正模塊將數據傳遞至姿態預測模塊，實現對實車的車輛姿態調整。同時，實車傳感器采集到的周圍環境信息對虛擬車輛所處的虛擬環境進行實時生成，并傳遞至視覺仿真系統中，通過HTC頭盔顯示裝置將信息反饋至駕駛員，且將車輛由于運動姿態的改變而產生的位姿信息通過駕駛座椅進行體感反饋，保證遠程駕駛員具備實際車駕駛的感覺，進一步提升遠程車輛行駛的安全性。

坦克虛擬遠程駕駛概念如圖8所示。操作者頭戴VR頭顯，通過觀察頭顯內虛擬環境中車輛的運動狀態與周圍環境，對車輛進行相應的操作指令，如操縱換擋手柄進行換擋、控制方向盤使車輛轉向等，使真實環境下的車輛運動狀態發生相應改變，實現對實車的遠程控制。同時為了消除視野盲區，通過在實車上安裝雷達、傳感器等使車輛具有一定的自主性。與無人駕駛技術相比，坦克車輛虛擬遠程駕駛技術沒有將人真正的排除在車輛控制之外，而是通過操作者遠程發出的一系列控制動作，并通過虛擬環境對實際車輛進行監測控制，既可實現車輛的“無人”駕駛，有效提高遠程車輛行駛的安全性能，使駕駛員與車輛分離，又可真正實現車輛的無人化。

圖7 車輛虛擬遠程駕駛技術結構框圖

上圖：操作者佩戴頭盔遠程操控。左下圖：顯示屏顯示實車周圍畫面。右下圖：實車真實運動情況。

3 關鍵技術分析

1) 環境實時生成技術

虛擬戰場環境可以為計算機作戰推演、半實兵演習、實兵演習提供與實際演習區域的仿真環境，也可以構造出典型而復雜的戰爭環境。由于其功能的特殊性，運用虛擬現實技術實現戰場環境的實時仿真，構成多維的、可感知的、可度量的、逼真的虛擬戰場環境，對于坦克車輛的遠程駕駛尤為重要[21]。

在虛擬世界中，虛擬世界的物理模型側重于幾何表示，缺少逼真的物理和行為模型，從而使虛擬對象與真實對象之間存在很大的差異。而且虛擬現實技術目前主要研究的是視覺方面，在聽覺、觸覺、力反饋等的研究還比較落后，這有可能導致人機交互中存在一些局限因素，降低了真實性與實時性。戰場環境具有的復雜性和不確定性等特點，使得虛擬戰場環境的實時渲染成為一項很大的挑戰。

2) 基于人工智能的車輛動力學仿真技術

人工智能是計算機科學的分支之一，所包含的領域較多，涵蓋機器人、語言識別、圖像識別等。隨著人工智能研究的不斷深入，人工智能逐漸應用到各個領域中。目前，人工智能在車輛中的應用主要用于車輛的自動駕駛，完成對車輛的視覺、語言等信息的識別[22]。而車輛動力學系統的結構較為復雜，系統自由度較多，各組件之間的連接也較多，這增大了在虛擬環境中準確描述車輛動力學性能的難度。基于深度學習的人工智能，應用于車輛動力學仿真模型的研究，虛擬環境下車輛動力學仿真技術的進一步發展具有重要意義。

3) 碰撞檢測技術

虛擬場景里的模型，包括天空、地面、車輛等對象都是相互獨立的，在交互控制過程中，視點(虛擬車輛)可以從各個對象中直接穿過。而在現實生活中，兩個不可穿透的物體是不可能擁有一個相同的空間區域，因此，利用碰撞檢測(Collision Detection)可以來判斷某個時刻虛擬場景中的不同對象之間是否發生了碰撞[23]。然而，目前的碰撞檢測技術尚不滿足任意物體間檢測的需要，仍較局限于規則的幾何凸體，因此研究滿足虛擬駕駛環境的碰撞檢測技術具有重要的意義。

4) 無線通信技術

近十年來，移動通信技術己成為當今應用最廣泛、發展最迅速的通信技術。移動通信技術的發展迅猛，使新技術和新業務不斷涌現。要想實現在虛擬環境下對現實世界的車輛進行遠程遙控駕駛，就必須對虛擬世界和現實車輛的相關數據進行實時傳輸并及時發送指令。而無線通信技術就像一座橋梁，架起了車輛遠程控制系統和監控中心的數據通信之路。利用無線通信網絡建立車輛遠程控制系統，具有永遠在線、網絡覆蓋范圍廣、通信資費低、數據傳輸快、實時性好等的特點。通信技術的實時性、快速性對于調整實際車輛的實時姿態以及應對突發情況都具有重要意義[24]。對于遠程駕駛車輛，數據及圖畫的實時傳輸尤為重要。因此，如何解決無線通信技術的延遲性、滯后性問題是一關鍵技術。5G無線通信技術[25]的發展也為車輛遠程遙控駕駛的實現提供了更大的可能。

4 基于虛擬遠程駕駛的坦克未來發展

通過坦克VR遠程駕駛技術，實現了坦克的無人化駕駛，這將給坦克車輛及未來戰場帶來根本性變化。實車坦克的駕駛艙空間將大大減小，車內各類儀表盤將以虛擬儀表代替并反映到虛擬環境中，駕駛員座椅、方向盤等也將不復存在；通過對車輛進行實時監測，分析實車數據，可在坦克車輛發生故障時，及時發現問題、排除故障，并進行相應遠程維修指導；基于坦克的無人化，坦克可對復雜的戰場環境進行實時監測，從而達到全天侯作戰。這對于減少坦克車輛的重量、提高坦克作戰性能，并真正實現戰場無人化具有重要的變革意義。

坦克虛擬遠程駕駛技術雖然還有很長的路要走，主要有以下幾個方面。

1) 基于車聯網的協同作戰。車聯網可以為車輛的智能化控制提供有效的保障。車聯網是以車內網、車際網和車載移動互聯網為基礎，按照約定的通信協議和數據交互標準[26]，在車-車、車輛與互聯網之間，進行無線通信和信息交換，以實現智能交通管理控制、車輛智能化控制和智能動態信息服務的一體化網絡[27]。車聯網實現的重要因素便是車輛的無人化，基于目前無人駕駛技術的限制，作為有人駕駛向無人駕駛的過渡，基于VR遠程駕駛的車聯網具有很大的發展前景。對于坦克車輛而言，作戰時坦克分隊之間便可通過車聯網這種形式實現相互之間的數據傳輸和交互，增強協同作戰能力。

2) 改變坦克車輛布局，有效提升戰斗性能。坦克的無人駕駛使坦克車輛整體結構布局發生改變，駕駛艙空間的減少，可以實現戰斗室容量的最大化，有效延長作戰時間，提高在戰場的作戰能力。

3) 貼近戰時的訓練，快速優化戰略戰術。坦克在戰爭中的戰術是贏得戰場主動性的關鍵，研究VR遠程控制坦克車輛實現更為真實的戰時模擬訓練，不僅可以訓練戰術隊形及作戰方法，更能鍛煉指揮官的臨場應變能力，研究并實現對戰略戰術的進一步調整。

5 結論

本文分析了國內外無人駕駛、虛擬駕駛和車輛遠程控制的特點，結合戰場環境多變性，車輛動力學模型仿真精度以及實際駕駛中的沉浸、交互對提高車輛行駛安全性等需求，介紹了虛擬現實環境下坦克車輛的遠程駕駛框架，分析了相關的關鍵技術，敘述了基于坦克虛擬遠程駕駛帶來的未來發展。隨著虛擬現實技術的軟硬件的不斷進步，利用虛擬現實技術遠程駕駛坦克車輛必然成為可能，最終實現坦克無人化，達到戰爭人員的零傷亡。