Combatti il complesso robotico multifunzionale "Uran-9"
Uno sguardo alla tecnologia, agli sviluppi, allo stato attuale delle cose e alle prospettive dei sistemi robotici mobili terrestri (SMRK)
Lo sviluppo di nuove dottrine operative, in particolare per la guerra urbana e i conflitti asimmetrici, richiederà nuovi sistemi e tecnologie per ridurre le vittime tra militari e civili. Ciò può essere realizzato attraverso gli sviluppi nel campo dell'SMRK, l'uso di tecnologie avanzate per l'osservazione e la raccolta di informazioni, nonché la ricognizione e il rilevamento del bersaglio, la protezione e l'attacco ad alta precisione. SMRK, come le loro controparti volanti, a causa dell'uso diffuso di tecnologie robotiche ultramoderne, non hanno un operatore umano a bordo.
Questi sistemi sono inoltre indispensabili per operare in un ambiente contaminato o per svolgere altri compiti "stupidi, sporchi e pericolosi". La necessità dello sviluppo di SMRK avanzati è associata alla necessità di utilizzare sistemi senza equipaggio per il supporto diretto sul campo di battaglia. Secondo alcuni esperti militari, i veicoli disabitati, il cui livello di autonomia sarà gradualmente aumentato, diventeranno uno degli elementi tattici più importanti nella struttura delle moderne forze di terra.
Un complesso robotico basato sul veicolo blindato TERRAMAX M-ATV guida una colonna di veicoli senza equipaggio
Esigenze operative e sviluppo di SMRK
Alla fine del 2003, il comando centrale degli Stati Uniti ha emesso richieste urgenti e urgenti di sistemi per contrastare la minaccia di ordigni esplosivi improvvisati (IED). La Joint Ground Robotics Enterprise (JGRE) ha escogitato un piano che potrebbe fornire rapidamente aumenti significativi delle capacità attraverso l'uso di piccole macchine robotiche. Nel tempo, queste tecnologie si sono evolute, sono stati implementati più sistemi e gli utenti hanno ricevuto prototipi avanzati per la valutazione. Di conseguenza, c'è stato un aumento del numero di personale militare e unità coinvolte nel campo della sicurezza interna, che hanno imparato a gestire sistemi robotici avanzati.
La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) sta attualmente ricercando la tecnologia robotica nell'apprendimento automatico, basandosi sui suoi sviluppi nell'intelligenza artificiale e nel riconoscimento delle immagini. Tutte queste tecnologie, sviluppate nell'ambito del programma UPI (Unmanned Perception Integration), sono in grado di fornire una migliore comprensione dell'ambiente/terreno per un veicolo con una buona mobilità. Il risultato di questa ricerca è stata una macchina chiamata CRUSHER, che ha iniziato la valutazione operativa nel 2009; da quel momento sono stati realizzati molti altri prototipi.
Il programma MPRS (Man-Portable Robotic System) si sta attualmente concentrando sullo sviluppo di sistemi di navigazione autonoma e prevenzione delle collisioni per piccoli robot. Inoltre identifica, studia e ottimizza le tecnologie sviluppate per aumentare il livello di autonomia e funzionalità dei sistemi robotici. Il programma RACS (Robotic for Agile Combat Support) sviluppa varie tecnologie robotiche per soddisfare le minacce attuali e i requisiti operativi, nonché le esigenze e le capacità future. Il programma RACS sviluppa e integra anche tecnologie di automazione per varie missioni di combattimento e varie piattaforme, basate sul concetto di un'architettura comune e su caratteristiche fondamentali come mobilità, velocità, controllo e interazione di più macchine.
La partecipazione dei robot alle moderne operazioni di combattimento consente alle forze armate di acquisire una preziosa esperienza nelle loro operazioni. Sono emerse diverse aree interessanti per quanto riguarda l'uso di veicoli aerei senza pilota (UAV) e SMRK in un unico teatro operativo, e i pianificatori militari intendono studiarli attentamente, compresa la gestione generale di più piattaforme, lo sviluppo di sistemi di bordo intercambiabili che possono essere installati sia su UAV e su SMRK con l'obiettivo di espandere le capacità globali, nonché nuove tecnologie per promettenti sistemi disabitati da combattimento.
Secondo il programma sperimentale ARCD (Active Range Clearance Developments), verrà sviluppato il cosiddetto scenario di "garantire la sicurezza della zona con mezzi automatici", in cui diversi SMRK lavoreranno insieme a diversi UAV. Verrà inoltre effettuata una valutazione delle soluzioni tecnologiche relative all'utilizzo di stazioni radar su piattaforme non presidiate, una valutazione dell'integrazione dei sistemi di controllo e monitoraggio e dell'efficienza complessiva dei sistemi. Nell'ambito del programma ARCD, l'US Air Force prevede di sviluppare le tecnologie necessarie per aumentare l'efficacia delle azioni congiunte di SMRK e UAV (schemi sia aerei che elicotteri), nonché algoritmi per il funzionamento "senza soluzione di continuità" dei sensori di tutti i soggetti coinvolti piattaforme, lo scambio di dati di navigazione e di dati su determinati ostacoli.
Disposizione interna dei componenti meccanici, elettrici ed elettronici SMRK SPINNER
L'American Army Research Laboratory ARL (Army Research Laboratory) conduce esperimenti come parte dei suoi programmi di ricerca al fine di valutare la maturità della tecnologia. Ad esempio, ARL sta conducendo esperimenti che valutano la capacità di un SMRK completamente autonomo di rilevare ed evitare lo spostamento di auto e persone in movimento. Inoltre, il Centro per le armi spaziali e marine della Marina degli Stati Uniti sta conducendo ricerche su nuove tecnologie robotiche e relative soluzioni tecniche chiave, tra cui mappatura autonoma, prevenzione degli ostacoli, sistemi di comunicazione avanzati e missioni congiunte SMRK e UAV.
Tutti questi esperimenti con la partecipazione simultanea di diverse piattaforme terrestri e aeree vengono eseguiti in condizioni esterne realistiche, caratterizzate da un terreno complesso e una serie di compiti realistici durante i quali vengono valutate le capacità di tutti i componenti e i sistemi. Come parte di questi programmi pilota (e della strategia tecnologica associata) per lo sviluppo di SMRC avanzati, sono state identificate le seguenti direzioni per massimizzare il ritorno sugli investimenti futuri:
- lo sviluppo tecnologico fornirà una base tecnologica per sottosistemi e componenti e un'adeguata integrazione nei prototipi SMRK per i test delle prestazioni;
- le aziende leader in questo settore svilupperanno tecnologie avanzate necessarie per ampliare l'ambito della robotizzazione, ad esempio aumentando la portata dell'SMRK e aumentando la gamma dei canali di comunicazione; e
- il programma di mitigazione del rischio assicurerà lo sviluppo di tecnologie avanzate per uno specifico sistema e consentirà di superare alcuni problemi tecnologici.
Grazie allo sviluppo di queste tecnologie, gli SMRK sono potenzialmente in grado di fornire un rivoluzionario balzo in avanti in ambito militare, il loro utilizzo ridurrà le perdite umane e aumenterà l'efficacia del combattimento. Tuttavia, per raggiungere questo obiettivo, devono essere in grado di lavorare in modo indipendente, compreso l'esecuzione di compiti complessi.
Un esempio di SMRK armato. AVANTGUARD della società israeliana G-NIUS Unmanned Ground Systems
Sistema robotico modulare avanzato MAARS (Modular Advanced Armed Robotic System), armato con mitragliatrice e lanciagranate
Sviluppato dalla NASA SMRK GROVER su terreno innevato
Requisiti tecnici per SMRK. avanzato
Gli SMRK avanzati sono progettati e sviluppati per missioni militari e operano principalmente in condizioni pericolose. Oggi molti paesi forniscono ricerca e sviluppo nel campo dei sistemi robotici senza pilota, in grado di lavorare nella maggior parte dei casi su terreni accidentati. I moderni SMRK possono inviare segnali video all'operatore, informazioni su ostacoli, bersagli e altre variabili interessanti dal punto di vista tattico, oppure, nel caso dei sistemi più avanzati, prendere decisioni completamente indipendenti. In effetti, questi sistemi possono essere semi-autonomi quando i dati di navigazione vengono utilizzati insieme ai dati dei sensori di bordo e ai comandi dell'operatore remoto per determinare il percorso. Un veicolo completamente autonomo determina da solo la propria rotta, utilizzando solo i sensori di bordo per sviluppare un percorso, ma allo stesso tempo l'operatore ha sempre la possibilità di prendere le decisioni specifiche necessarie e prendere il controllo in situazioni critiche o in caso di avaria alla macchina.
Oggi, i moderni SMRK possono rilevare, identificare, localizzare e neutralizzare rapidamente molti tipi di minacce, inclusa l'attività nemica in condizioni di radiazioni, contaminazione chimica o biologica su vari tipi di terreno. Quando si sviluppa il moderno SMRK, il problema principale è la creazione di un design funzionalmente efficace. I punti chiave includono la progettazione meccanica, una suite di sensori di bordo e sistemi di navigazione, interazione uomo-robot, mobilità, comunicazioni e consumo di energia/energia.
I requisiti di interazione uomo-robot includono interfacce uomo-macchina altamente complesse e pertanto è necessario sviluppare soluzioni tecniche multimodali per interfacce sicure e amichevoli. La moderna tecnologia di interazione robot-uomo è molto complessa e richiederà molti test e valutazioni in condizioni operative realistiche per raggiungere buoni livelli di affidabilità, sia nell'interazione uomo-robot che nell'interazione robot-robot.
Armato SMRK sviluppato dalla società estone MILREM
L'obiettivo dei progettisti è lo sviluppo di successo di un SMRK in grado di svolgere il suo compito giorno e notte su terreni difficili. Per ottenere la massima efficienza in ogni situazione specifica, l'SMRK dovrebbe essere in grado di muoversi su tutti i tipi di terreno con ostacoli ad alta velocità, con elevata manovrabilità e cambiare rapidamente direzione senza una significativa riduzione della velocità. I parametri di progettazione relativi alla mobilità includono anche le caratteristiche cinematiche (principalmente la capacità di mantenere il contatto con il suolo in tutte le condizioni). SMRK ha, oltre al vantaggio di non avere le limitazioni insite nell'uomo, anche lo svantaggio della necessità di integrare meccanismi complessi che possano sostituire i movimenti umani. I requisiti di progettazione per le prestazioni di guida devono essere integrati con la tecnologia di rilevamento e lo sviluppo di sensori e software al fine di ottenere una buona mobilità e la capacità di evitare vari tipi di ostacoli.
Uno dei requisiti estremamente importanti per un'elevata mobilità è la capacità di utilizzare informazioni sull'ambiente naturale (salite, vegetazione, rocce o acqua), oggetti artificiali (ponti, strade o edifici), condizioni meteorologiche e ostacoli nemici (campi minati o ostacoli). In questo caso, diventa possibile determinare le proprie posizioni e le posizioni nemiche e, applicando un cambiamento significativo di velocità e direzione, le possibilità di sopravvivenza dell'SMRK sotto il fuoco nemico aumentano significativamente. Tali caratteristiche tecniche consentono di sviluppare SMRK di ricognizione armata in grado di svolgere attività di ricognizione, osservazione e acquisizione di bersagli, missioni di fuoco in presenza di un complesso di armi e anche in grado di rilevare minacce per scopi di autodifesa (mine, sistemi d'arma nemici, eccetera.).
Tutte queste capacità di combattimento devono essere implementate in tempo reale per evitare minacce e neutralizzare il nemico, utilizzando le proprie armi o canali di comunicazione con sistemi d'arma a distanza. L'elevata mobilità e la capacità di localizzare e seguire i bersagli nemici e l'attività in condizioni di combattimento difficili sono estremamente importanti. Ciò richiede lo sviluppo di SMRK intelligenti in grado di tracciare l'attività nemica in tempo reale grazie ai complessi algoritmi integrati per il riconoscimento dei movimenti.
Funzionalità avanzate, inclusi sensori, algoritmi per la fusione dei dati, visualizzazione proattiva ed elaborazione dei dati, sono essenziali e richiedono un'architettura hardware e software moderna. Quando si esegue un'attività nel moderno SMRK, per stimare la posizione vengono utilizzati il sistema GPS, un'unità di misurazione inerziale e un sistema di navigazione inerziale.
Utilizzando i dati di navigazione ottenuti grazie a questi sistemi, SMRK può muoversi autonomamente secondo i comandi del programma di bordo o del sistema di controllo remoto. Allo stesso tempo, SMRK è in grado di inviare dati di navigazione a una stazione di controllo remoto a brevi intervalli in modo che l'operatore conosca la sua posizione esatta. Gli SMRK completamente autonomi possono pianificare le loro azioni, e per questo è assolutamente necessario sviluppare un percorso che escluda le collisioni, riducendo al minimo parametri fondamentali come tempo, energia e distanza. Un computer di navigazione e un computer con informazioni possono essere utilizzati per tracciare il percorso ottimale e correggerlo (telemetri laser e sensori a ultrasuoni possono essere utilizzati per rilevare efficacemente gli ostacoli).
Componenti di un prototipo SMRK armato sviluppato da studenti indiani
Progettazione di sistemi di navigazione e comunicazione
Un altro problema importante nello sviluppo di un SMRK efficace è la progettazione del sistema di navigazione/comunicazione. Sono installate telecamere e sensori digitali per il feedback visivo, mentre sono installati sistemi ad infrarossi per il funzionamento notturno; l'operatore può vedere l'immagine video sul suo computer e inviare alcuni comandi di navigazione di base a SMRK (destra/sinistra, stop, avanti) per correggere i segnali di navigazione.
Nel caso di SMRK completamente autonomo, i sistemi di visualizzazione sono integrati con i sistemi di navigazione basati su mappe digitali e dati GPS. Per creare un SMRK completamente autonomo, per funzioni di base come la navigazione, sarà necessario integrare sistemi di percezione delle condizioni esterne, pianificazione del percorso e un canale di comunicazione.
Mentre l'integrazione dei sistemi di navigazione per un singolo SMRK è in una fase avanzata, lo sviluppo di algoritmi per pianificare il funzionamento simultaneo di più SMRK e compiti congiunti di SMRK e UAV è in una fase iniziale, poiché è molto difficile stabilire un'interazione di comunicazione tra più sistemi robotici contemporaneamente. Gli esperimenti in corso aiuteranno a determinare quali frequenze e gamme di frequenza sono necessarie e come varieranno i requisiti per una particolare applicazione. Una volta determinate queste caratteristiche, sarà possibile sviluppare funzioni e software avanzati per più macchine robotiche.
L'elicottero K-MAX senza pilota trasporta il veicolo robotico SMSS (Squad Mission Support System) durante i test di autonomia; mentre il pilota era nella cabina di pilotaggio del K-MAX, ma non lo controllava
I mezzi di comunicazione sono molto importanti per il funzionamento dell'SMRK, ma le soluzioni wireless presentano inconvenienti piuttosto significativi, poiché la comunicazione stabilita può essere persa a causa di interferenze associate al terreno, agli ostacoli o all'attività del sistema di soppressione elettronica del nemico. I recenti sviluppi nei sistemi di comunicazione machine-to-machine sono molto interessanti e, grazie a questa ricerca, è possibile creare apparecchiature convenienti ed efficaci per la comunicazione tra piattaforme robotiche. Lo standard per la comunicazione speciale a corto raggio DRSC (Dedicated Short-Range Communication) verrà applicato in condizioni reali per la comunicazione tra SMRK e tra SMRK e UAV. Molta attenzione è attualmente rivolta a garantire la sicurezza della comunicazione nelle operazioni network-centric e pertanto i futuri progetti nel campo dei sistemi presidiati e disabitati dovrebbero basarsi su soluzioni avanzate conformi a standard di interfaccia comuni.
Oggi i requisiti per le attività a breve termine ea basso consumo sono ampiamente soddisfatti, ma ci sono problemi con le piattaforme che eseguono attività a lungo termine con un elevato consumo energetico, in particolare, uno dei problemi più urgenti è lo streaming video.
Carburante
Le opzioni per le fonti energetiche dipendono dal tipo di sistema: per piccoli SMRK, la fonte di energia può essere una batteria ricaricabile avanzata, ma per SMRK più grandi, il combustibile convenzionale può generare l'energia necessaria, il che rende possibile implementare uno schema con un motogeneratore o un sistema di propulsione elettrica ibrida di nuova generazione. I fattori più ovvi che influenzano la fornitura di energia sono le condizioni ambientali, il peso e le dimensioni della macchina e il tempo di esecuzione dell'attività. In alcuni casi, il sistema di alimentazione deve essere costituito da un sistema di alimentazione come fonte principale e da una batteria ricaricabile (visibilità ridotta). La scelta del tipo appropriato di energia dipende da tutti i fattori che influenzano l'esecuzione del compito e la fonte di energia deve fornire la mobilità richiesta, il funzionamento ininterrotto del sistema di comunicazione, il set di sensori e il complesso di armi (se presente).
Inoltre, è necessario risolvere i problemi tecnici associati alla mobilità su terreni difficili, alla percezione degli ostacoli e all'autocorrezione di azioni errate. Nell'ambito di progetti moderni, sono state sviluppate nuove tecnologie robotiche avanzate riguardanti l'integrazione dei sensori di bordo e l'elaborazione dei dati, la selezione del percorso e la navigazione, il rilevamento, la classificazione e l'evitamento degli ostacoli, nonché l'eliminazione degli errori associati alla perdita di comunicazione e destabilizzazione della piattaforma. La navigazione fuoristrada autonoma richiede che il veicolo distingua il terreno, che include l'orografia 3D del terreno (descrizione del terreno) e l'identificazione di ostacoli come rocce, alberi, specchi d'acqua stagnanti, ecc. Le capacità generali sono in costante aumento e già oggi si può parlare di un livello sufficientemente alto di definizione dell'immagine del terreno, ma solo di giorno e con il bel tempo, ma le capacità delle piattaforme robotiche in uno spazio sconosciuto e in caso di maltempo le condizioni sono ancora insufficienti. A questo proposito, DARPA sta portando avanti diversi programmi sperimentali, in cui le capacità delle piattaforme robotiche vengono testate in terreni sconosciuti, con qualsiasi tempo, giorno e notte. Il programma DARPA, chiamato Applied Research in AI (Applied Research in Artificial Intelligence), sta ricercando processi decisionali intelligenti e altre soluzioni tecnologiche avanzate per sistemi autonomi per applicazioni specifiche in sistemi robotici avanzati, oltre allo sviluppo di algoritmi di apprendimento multi-robotici autonomi per eseguire compiti congiunti, che consentiranno a gruppi di robot di elaborare automaticamente nuovi compiti e ridistribuire i ruoli tra di loro.
Come già accennato, le condizioni operative e il tipo di compito determinano la progettazione di un moderno SMRK, ovvero una piattaforma mobile con alimentazione, sensori, computer e architettura software per la percezione, la navigazione, la comunicazione, l'apprendimento/adattamento, l'interazione tra un robot e una persona. In futuro saranno più multilaterali, avranno un maggiore livello di unificazione e interazione e saranno anche più efficienti dal punto di vista economico. Di particolare interesse sono i sistemi con payload modulari, che consentono di adattare le macchine per diverse attività. Nel prossimo decennio saranno disponibili veicoli robotici basati su architettura aperta per operazioni tattiche e protezione di basi e altre infrastrutture. Saranno caratterizzati da un significativo livello di uniformità e autonomia, elevata mobilità e sistemi di bordo modulari.
La tecnologia SMRK per applicazioni militari è in rapida evoluzione, il che consentirà a molte forze armate di rimuovere i soldati da compiti pericolosi, tra cui il rilevamento e la distruzione di IED, la ricognizione, la protezione delle loro forze, lo sminamento e molto altro. Ad esempio, il concetto di gruppi di combattimento delle brigate dell'esercito americano, attraverso simulazioni al computer avanzate, addestramento al combattimento ed esperienza di combattimento nel mondo reale, ha dimostrato che i veicoli robotici hanno migliorato la capacità di sopravvivenza dei veicoli terrestri con equipaggio e hanno notevolmente migliorato l'efficacia del combattimento. Lo sviluppo di tecnologie promettenti, come mobilità, autonomia, equipaggiamento con armi, interfacce uomo-macchina, intelligenza artificiale per sistemi robotici, integrazione con altri SMRK e sistemi con equipaggio, fornirà un aumento delle capacità dei sistemi terrestri disabitati e del loro livello di autonomia.
Complesso robotico russo a percussione Platform-M sviluppato da NITI "Progress"
