美國地下領域無人系統發展現狀及啟示

李新年，李清華，王常虹，王振桓，聞 帆，王振偉

(哈爾濱工業大學空間控制與慣性技術研究中心，哈爾濱 150001)

0 引言

地下領域無人系統是指由無人車、無人機以及仿生機器人等單體構成的群體任務執行系統，在沒有外界人為干涉的情況下，能夠通過單體之間的信息共享與自組織協作，在天然洞穴網絡、人造隧道和城市地下環境等典型地下場景執行探索、救援等任務。與傳統無人系統相比，地下領域無人系統需要具備在不同地形快速行進、惡劣場景群體協作、遮蔽場景信息交互、復雜環境態勢感知、無衛星導航的自主定位等能力。

隨著社會的快速發展，人類的生活空間已經不再局限于地面以及天空領域，逐步向地下和太空領域發展，人類對太空領域的探索仍處于初始階段，太空環境暫且不具備人類生存與發展的條件。與之不同的是，地下領域是人類現在主要的生存活動空間之一，且地下建筑系統已經成為現代化城市的標志性元素之一。地下場景不僅在國民生活中充當著不可或缺的角色，在軍事領域同樣具有十分重要的現實意義與應用價值。地下場景具有強隱蔽性和強大的防護能力等優點，使其成為美蘇冷戰期間各國軍用核掩體的主要選擇，如美國建設的夏延山掩體、白宮地下指揮中心、戰略空軍司令部，以及蘇聯的斯大林地堡、北約地下戰略指揮中心等，由此可見，地下領域是各國軍事系統的重要組成部分。

圖1 美國地下領域無人系統發展框架Fig.1 The development framework of American underground unmanned systems

美國比我國更早地認識到研究地下領域無人系統的軍事意義，尤其是美軍在伊拉克戰爭與阿富汗戰爭中吃盡了地穴和城市化地道作戰等地下戰爭的苦頭，使其意識到對地下機動部隊的現實需求，依此可以推斷美國是由現實戰爭需求牽引出對地下領域無人系統的研發[1]。因此，美國早在2016年就開始了地下領域無人系統(圖1)的研發，典型的研發項目包括美國國防部高級研究計劃局(Defense Advanced Rese-arch Projects Agency，DARPA)提出的快速輕量自主(Fast Lightweight Autonomy，FLA)項目[2-3]、機械天線(A MEchanically Based Antenna，AMEBA)計劃[4]和地下挑戰賽[5](Subterranean Challenge，SubT)等，旨在突破地下領域一體化機器人關鍵技術、群體智能控制技術、長時高精度導航與建圖技術、遠距離可靠通信技術等關鍵技術，使地下領域無人系統具備自主執行任務、輔助美軍搜索、探查惡劣地下場景等能力，在保證美軍生命安全的同時高效快速地執行任務。

目前，國內逐漸加深了對發展地下無人系統的認知，但由于起步較晚、軍事需求不明確等客觀原因的存在，我國與美國在該系統研制方面仍存在一定的差距。本文分析了美國地下領域無人系統的發展現狀，梳理并總結了美國地下領域無人系統的發展目標、思路和模式，希望能為國內地下領域無人系統發展需求的確立、發展模式的優化和可持續發展道路的探索等方面提供借鑒。

1 美國地下無人系統發展現狀

1.1 典型研發項目簡介

美國為加速推進地下無人系統的研發，提出了FLA項目、AMEBA計劃和SubT等典型研發項目。下面將通過梳理典型研發項目的應用場景與研究目標，對美國地下領域無人系統的研究進展和下一步發展規劃進行分析，梳理、總結美國地下領域無人系統的發展思路和需要解決的關鍵技術。

1)FLA項目

2016年,DARPA提出了FLA計劃，旨在使美陸軍在陌生、危險的空間中具備探測搜索隱藏戰斗人員或被困人員，以及探索未知環境的能力[6]。FLA的目標是開發一種先進的環境感知和自主導航算法，使得應用此算法的無人機或無人車能夠在無外界全球定位系統(Global Positioning System，GPS)輔助及其他任何數據鏈的引導下，以20m/s(45英里/小時)的速度在不確定環境中自主運行。FLA項目的應用場景如圖2所示。

圖2 FLA項目應用場景Fig.2 The application scenarios of FLA program

目前，FLA項目已完成2個階段性目標[7]。其中第一階段主要測試在真實環境中算法的精度和魯棒性，測試環境從光照強烈的野外到黑暗的建筑內部，在實現外部環境感知的同時完成自身位置和姿態的估計并避免碰撞各類障礙物。2017年6月，第一階段目標達成，無人機能夠在場景驟變的條件下實現快速的姿態調整、環境感知以及避障，在特征稀缺的低紋理環境中穿越較長距離，迅速完成尋找目標的任務，測試路徑如圖3(a)所示。2018年7月，FLA實現了第二階段的測試任務，主要為將小型空中和地面系統轉變為能夠自主執行對人類有危險任務的編隊系統。為了保證順利完成任務，研究人員在佐治亞州佩里培訓基地的模擬城鎮搭建了城市室內和室外場景。在圖3(b)所示測試場景中，FLA無人機完成了高速飛行中穿越狹窄通道，構建出走廊的三維環境地圖，識別出樓梯并沿出口離開大樓。

(a)第一階段測試路徑 (b)第二階段實驗場景 圖3 FLA項目野外、室內等實驗場景Fig.3 The experimental scenes of FLA project, such as open country, indoor, etc.

2)AMEBA項目

2017年，DARPA針對傳統電磁波天線輻射性能受限于天線尺寸、缺乏機動性和靈活性以及在地下領域作用范圍嚴重不足的問題，提出了AMEBA計劃[8]，旨在開發一種超低頻和甚低頻范圍內的射頻發射機，用于地下和水下遠距離可靠通信的便攜式系統，幫助美軍在地下等高遮擋場景具備高穿透性、高可靠性、低功率、長距離且便捷的通信能力。其潛在應用還包括GPS拒止環境下的地面導航系統、檢測未爆炸的軍械、地下設施和隧道的探測系統,AMEBA項目包含2個技術領域(TA1, TA2)。其中，TA1為射頻穿透領域(SLF/ULF, 0.1～1kHz)，期望實現海面下100m和地面下600m內的報文發送能力；TA2為射頻傳播領域(VLF, 10～30kHz)， 期望實現地面150km以上的報文發送能力和100km以上的語音通信能力。AMEBA在地下場景的應用如圖4所示。

圖4 AMEBA在地下場景的應用Fig.4 The underground application scenarios of AMEBA

AMEBA項目研究計劃為：

2018年，設計出高性能駐極體和鐵電材料，實現磁體和帶電材料的大規模、高精度機械驅動；

2019年，設計出小型低頻發射器，能夠在10m水下或30m地下發送文本消息；

2020年，計劃實現水下100m和地下600m文本消息的傳輸，100km地面距離的語音傳輸；

2021年，通過優化實現發射器元件的高效機械調制。

3)SubT項目

2018年，為增強美軍地下領域作業能力，DARPA針對人工隧道系統、城市地下和洞穴網絡等場景舉辦了地下挑戰賽，旨在使無人系統輔助下的美軍及其后勤保障人員具備在地形復雜、通信退化、GPS拒止、廣闊且未知的惡劣地下場景執行任務所需的技術和能力，以應對突發性人為災害或自然災害[9]。

SubT將為活動受限以及特征缺失場景下高精度導航與建圖問題提供新型集成解決方案，推進惡劣條件下依然能進行感知的傳感器和核心計算單元的研發，促進高機動性機器人技術發展，推動地下場景通信、態勢感知和一體化機器人技術的發展，使地下領域無人系統在退化環境中具備分布式信息共享和自主協作能力，達到地下環境中增強人類執行搜救、探查等任務效率，以及確保人員安全的目的。SubT中的人工隧道系統如圖5所示。

圖5 SubT中的人工隧道系統Fig.5 Artificial tunnel system of SubT

SubT賽程為：

2019年8月，在匹茲堡舉辦了SubT的隧道巡回賽，舉辦競賽的場所為地下煤礦；

2020年2月，SubT的地下城市巡回賽在西雅圖以南的薩索普核電站成功舉辦；

2021年10月，SubT在肯塔基州路易斯維爾的Mega Cavern舉辦最后一項包含隧道、城市地下和洞穴虛擬與現實綜合場景的挑戰。

1.2 地下領域無人系統關鍵技術

通過對美國典型研發項目的分析可知，FLA項目旨在實現對受限任務場景的快速穿越與探查感知；AMEBA項目的研究目標是在高遮擋場景下實現一種便攜、低功耗的遠距離可靠通信設備；SubT意圖開發出一套集感知、導航、群體協作等功能于一體的無人作戰系統[10]。可以歸納出美國發展的地下無人系統主要解決：一體化機器人、群體智能控制、長時高精度導航與建圖、遠距離可靠通信等關鍵技術。

1)一體化機器人技術

一體化機器人是指具有多種混合運動模式的機器人，采用混合運動模式能夠融合不同運動模式的優點，使機器人在機動性能上有較大的提升。美國面向地下領域的機器人技術可以分為基于生物仿生學的一體化機器人技術[11]和基于多模態運動的一體化機器人技術兩種[12]。基于仿生學的一體化機器人(圖6)技術是指針對特定場景任務需求，模仿在該場景具有生存優勢的生物，從而研制出適用此場景的機器人技術。美國針對該技術的代表性研究成果包括ROMAN仿人機器人、NEBULA-SPOT大狗機器人、LEMUR狐猴機器人和DUAXEL仿蜘蛛機器人。基于多模運動的一體化機器人(圖7)技術是指能夠依據場景自主調整運動模式適應地形的機器人技術，該控制技術能夠大幅度提升機器人通過復雜空地場景的能力，降低機器人功耗，并提升其續航能力。代表性研究成果包括ROLLOCOPTER機器人[12]、Hopping Rotochute飛行器[13]、HyTAQ飛行機器人[14]以及組合式一體機器人。

圖6 基于生物仿生學的一體化機器人Fig.6 Integrated robot based on biomimicry

圖7 基于多模運動的一體化機器人Fig.7 Integrated robot with multi-modality

2)群體智能控制技術

群體智能控制技術是指采用合理的多機器人協調和規劃組成的最優機器人系統來執行任務，多機智能控制包括：智能協同編隊控制技術、地下空間自主探索技術和地下無人系統協調技術[15]。美國在群體智能控制技術方面做了大量的理論研究，并將部分研究成果成功應用于群體智能系統，在機器人技術、導航及通信技術的協助下實現了地下等惡劣場景的搜索探查[16]。

美國在群體智能控制技術方面處于領先地位，賓夕法尼亞大學的Vijay Kumar提出了編隊控制概念，并將設計的編隊控制算法應用于機器人編隊，引入到美國DARPA的諸多項目中，包括OFFSET和SubT等。編隊控制方法主要包括：領航-跟隨者法、基于行為法、人工勢場法、虛擬結構法和圖論法等[17-18]。地下空間自主探索技術方面，科羅拉多大學博爾德分校的Michael T. Ohradzansky等基于生物啟發式反應控制和度量拓撲規劃，提出了一種簡單而可靠的自主探索未知環境的方法，能夠實現群體在未知環境下的協同探索。SubT是地下無人系統多機器協調問題中最具有代表性的，各參賽隊伍需要協調由無人機、無人車以及機器人等構建的群體對地下空間進行探測、搜救等任務。佐治亞理工學院的CSIRO團隊提出了一種基于在線3D邊界的無人車和無人機地下環境協調技術，并成功應用于多個機器人探索大型環境的任務[19]。俄勒岡州立大學的Explorer團隊基于風險感知圖，設計了多機器人協調規劃方法，通過定期彼此共享子地圖的列表完成信息共享，提高了群體協作執行任務的效率。

3)長時高精度導航與建圖技術

地下領域長時高精度導航是指地下無人系統能夠根據載體自身的運動、外部環境信息和輔助性電磁信號，在長時間的運動過程中準確獲取自身無積累誤差的位置信息[19-20]。長時高精度導航技術是實現地下機動部隊群體智能控制的基礎，也是獲取在地下領域執行任務單元狀態信息的主要方式之一。地下領域長時高精度導航可以通過低頻磁學導航系統和多源傳感器融合的自主導航系統[21-22]等方式實現。建圖技術是依靠視覺傳感器、激光雷達和毫米波雷達等傳感器對未知環境進行感知與重構的過程，地下建圖技術可以根據參與建圖機器的數量分為單機建圖與多機建圖。

長時高精度導航技術在探查感知地下環境和群體智能協作方面具有不可或缺的作用。導航定位方面，美國早在1979年就開始探索通過低頻磁場進行導航的可能性，并于2010年研制出一套類GPS的多磁信標地下導航系統，實現了在地下環境的導航[23]；2018年，美國國家航空航天局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)與S&T合作開發了一套磁信標導航系統POINTER，該系統具備應用于地下高精度導航的潛質；2019年，由NASA主導的COSTAR參賽團隊指出，將集成一種準靜態磁場單元到參與SubT挑戰賽的無人系統，用于實現無人系統之間的長時高精度導航。美國在地下單機和多機聯合建圖技術中均取得了一定的研究成果，在單機建圖方面，內華達大學提出了一種多相機聯合感知的建圖方案，實現了黑暗環境下的環境感知；在多機建圖方面，NASA的COSTAR團隊采用了空中和地面混合平臺聯合建圖的方案，該平臺包含多個輪式機器人和一架無人機，能夠在極端環境中實現準確建圖。

4)遠距離可靠通信技術

美國在突破地下環境通信技術上做了很多工作，特別是DARPA提出的AMEBA計劃，通過借鑒并改進20世紀50年代對潛低頻磁場通信信號實現地下遠距離信息傳輸。遠距離可靠通信技術是指在隧道系統、城市地下和洞穴網絡等通信能力退化的地下場景中，常規無線電通信信號由于穿透能力不足，無法在高遮擋地下場景實現遠距離信息傳輸，需要利用高穿透能力的低頻磁場和自組織多節點通信網絡[24]等方式實現可靠的信息交互。

目前，自組織多節點通信網絡是解決地下領域無人系統間通信問題的主要方式之一。但地下自組織通信網絡存在依賴節點數、無法將信息遠距離傳輸至外界等缺點，導致通信網絡適用范圍受限，無法從根本上解決地下領域遠距離通信問題。

低頻磁場通信技術是解決地下通信問題的潛在方案之一，該技術領域需要解決的問題包括降低天線尺寸、質量與功耗，提升網絡帶寬與信息傳輸準確率等。美國在該方向的研究內容呈現多層次、多元化特征，包括天線的實現形式、陣列結構、構建天線的材料、低頻磁場信號的傳播機理、通信信號的調制方案和通信網絡構建等方面。美國在該方面也取得了比較顯著的階段性研究成果。伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校的機械天線工程師團隊圍繞動力學與微制造、精加工、電磁學和信號調制等方面開展了超高效的機械低頻磁場發射系統的研制，研究人員表示，該實現形式的天線低頻磁場輻射能力可能是電子天線的數千到數百萬倍；美國國家加速器實驗室(Stanford Linear Accelerator Center， SLAC)利用鈮酸鋰晶體設計了一種新型機械天線[25](圖8)，通過在棒狀晶體桿上施加振蕩電壓，促使晶體振動、交替收縮和膨脹產生振蕩電流，輻射出超低頻磁場，僅依靠4英寸高的天線便能實現30m的信息傳輸，輻射效率比傳統的緊湊型天線高300倍，并設計了一種調整發射輻射波長的方法，通過反復切換磁場頻率使傳輸數據的帶寬擴大近100倍，實現了每秒超過100位的信息傳輸速率；加利福尼亞大學設計了一種磁擺陣列便攜式機電通信裝置，可以實現比傳統線圈更高的品質因數，顯著提升磁場信號的傳輸效率，實驗結果表明，該磁擺陣列以諧振頻率工作時，磁場信號能夠提升6.55dB[26]；密歇根大學研究了機械天線輻射功率與旋轉頻率、偶極矩、所需機械力和旋轉半徑之間的關系，在理論上分析了磁介質共振能夠提升機械天線磁場約100dB[27]。

圖8 LiNbO3機械天線發射器Fig.8 Lithium niobate mechanical antenna transmitter

2 美國地下無人系統發展趨勢

美國地下領域無人系統技術初始階段的探索研究已經接近尾聲，目前已初具規模，而地下領域無人系統實際面向的應用場景復雜多變，自然和人為影響因素將使其更加多樣化。因此，美國地下領域無人系統技術將進一步深化發展，成為能夠應用于強對抗環境下的技術儲備。

結合對美國地下無人系統發展現狀的研究分析，可以歸納出美國主要從突破關鍵技術瓶頸、整合系統有效資源、實現基本功能等方面開展無人系統探索研究。美國地下領域無人系統仍處于特定場景的實驗室研究階段，為滿足真實任務場景的需求，美國將從增強單體性能、提升群體協作能力等方面優化地下領域無人系統，滿足強對抗場景下無人系統的應用，進一步加強系統自適應進化能力，推動地下領域無人系統在實際任務場景中的應用。

2.1 增強無人系統單體性能

地下領域無人系統的實際應用場景與需要面向的突發情況會比測試階段搭建的場景更加惡劣，時空受限更加嚴重，無法發揮無人系統整體的群體協作能力。因此，美國將從增強單體性能方面提升無人系統的任務執行能力，同時單體性能的增強也會使無人系統整體的性能得到提升。

目前，美國地下無人系統單體仍存在對特殊情況的適應性不好、自主能力不強、對任務目標的識別依賴特殊標識、載體功耗大續航能力不強、抗干擾能力不佳、導航精度不夠、通信距離不足等多種缺陷，需要針對性地通過精加工、芯片技術、人工智能、信息物理系統等技術，改進單體機械結構、提高控制與傳感器系統的集成度、提高傳感器感知能力、加深傳感器之間的融合程度、優化電源管理系統、加強無人系統對任務目標的辨識能力，從而實現無人系統單體性能的增強。

2.2 提升無人系統群體協作性能

地下領域無人系統主要解決的是群體協作問題，將無人機和無人車等組成的異構群體聯合起來執行感知、探索搜救等任務。目前，美國已經在人工隧道系統、城市地下和洞穴網絡等特定場景實現了基礎功能，而面向實際應用的地下無人系統還需要具備自主解決任何突發性狀況的能力。

提升群體協作性能是增強地下領域無人系統整體任務執行能力的必要手段，使整體無人系統能夠適應不同任務場景的需求。提升無人系統群體性能需要優化群體智能控制策略、信息共享機制及任務執行單元布局；增強整體系統的魯棒性，即在部分單體失聯或失效的情況下，系統具備自適應規劃完成整體任務的能力；建立代價準則，使無人系統整體在信息共享機制下，基于信息判斷具有主動舍棄一些功能來謀求整體更大性能的能力，達到以最小的代價獲取最優任務執行度的效果，從而提升地下領域無人系統的整體性能。

3 對我國地下領域無人系統發展啟示

針對地下領域無人系統技術的研究，美國處于領先地位，其在理論架構以及工程樣機研制方面均取得了階段性成果。基于此可以分析出，美國在地下領域無人系統方面已經完成技術儲備與布局，并逐步將無人系統向軍事應用方面推進。通過分析其研究現狀、發展路線及研究目標過程可以得到如下三方面啟示與建議。

3.1 明確地下領域無人系統發展需求

結合美國軍事情況可以看出，美國是由現實戰爭需求牽引地下領域無人系統研制，符合現實軍事需求推動科學技術進步的發展模式，具有明確的軍事需求；而我國在很長的時間內處于和平時期，難以從實戰中提煉出明確的軍事需求，因此需要借鑒美國地下無人系統發展目標，分析其地下領域無人系統的潛在應用場景，明確國內地下領域無人系統需要具備的功能及其性能指標。

梳理國內地下領域無人系統發展需求，需要結合我國國情、地理條件、科技發展現狀等多方面現實情況和因素進行綜合考慮。目前，國內正處于經濟高速發展的和平時期，地下領域無人系統技術的發展需求主要體現在民用領域，井下作業和煤礦采集等地下資源獲取以及突發情況的搶險救援方面，應用需求明顯。例如，低頻磁場通信技術不僅在軍事領域具有重要的研究價值，其研究成果對解決突發性災害的救援問題同樣具有十分重要的現實意義。2021年1月，山東棲霞五彩龍金礦爆燃事故中，搶險救援的一個難點就是與地下被困人員的信息交互，只能依靠有線通信手段與被困人員進行溝通并開展救援。高穿透性的低頻磁場通信技術能夠快速有效解決地面救援人員與深埋礦井或洞穴中作業人員的無線通信問題，使救援人員能夠快速開展救援任務，提高救援效率，保證被困人員的生命安全；在樓宇火災救援方面，長時高精度導航與建圖技術能夠協助消防員在充滿濃煙的狹窄惡劣場景中進行路徑規劃，使消防員在完成救援任務后，能夠以最快的速度從安全通道撤離，有力地保證了消防員執行救援任務的成功率與安全性。

因此，建議優先圍繞搜索、救援等方面開展地下無人系統技術的研究，取得階段性研究成果后再逐步深化發展，提升系統性能指標。立足國內軍事與民用兩方面發展需求，從技術理論和系統開發等多個角度，層次分明地確立國內地下領域無人系統技術發展的階段性目標和終極目標。

3.2 優化地下領域無人系統技術發展模式

在推動地下領域無人系統的研究方面，美國采用軍民融合和舉辦國際競賽兩種形式，充分利用了國內外研發力量，達到低成本、多技術路線成果儲備的目的，并逐步將技術儲備向軍事裝備轉化。

地下領域無人系統的發展是一種融合材料、控制、機器人、微電子、仿生學、計算機、機械加工、導航、通信以及人工智能等多學科交叉融合的一項工程問題，迫切需要多學科專業人員齊心協力完成地下領域無人系統的技術攻關。

國內地下領域無人系統技術的研究尚處于探索階段，為促進國內在該領域的發展，建議結合國內科技發展情況，整合國內外優良資源，以科研院所為主導聯合高校、民企等多元科研力量，形成具有我國國防工業發展特色的地下領域無人系統發展模式，準確對接軍事需求，補齊國內在該領域的技術儲備短板。

3.3 提高地下領域無人系統發展可持續性

隨著科學技術的發展與人類對高質量生活的追求，地下空間很可能發展成為人類生存活動的另一主要空間，并衍生出多類無規律地下活動場景，因此國內地下領域無人系統應符合可持續發展原則。地下領域無人系統的研究需要在兼容現有技術的基礎上，為下一代地下無人系統留出發展空間。在地下領域無人系統設計過程中，應考慮各類傳感器接口的規范一致、機械結構的可替代性，以及對不同場景的適用性，從而提高地下領域無人系統在不同條件下執行任務的能力。

4 總結

由無人車、無人機以及仿生機器人等構建的地下領域無人系統，具備快速行進、群體協作、信息交互、態勢感知與自主導航等能力，能夠在天然洞穴網絡、人造隧道和城市地下環境等惡劣場景執行探索、搜救等任務。美國地下領域無人系統技術初始階段的探索研究成果表明，該技術能夠顯著增強人類在地下場景執行任務的能力，將引發新一代地下戰爭模式的顛覆性變革。為此，本文梳理了DARPA典型研發項目，提煉出地下領域無人系統需要突破的關鍵技術，歸納總結了該領域的發展趨勢，并結合國內發展情況提出了地下領域無人系統的發展啟示與建議，以加快國內地下領域無人系統技術的研究。