砺剑精兵

熊伟

[编者按]在“跨越险阻2016”挑战赛C组预赛中，南京理工大学的“砺剑”无人车仅用12分钟就完成所有越野科目和侦察科目，以突出成绩获得第一名。整个比赛过程中，笔者有幸多次采访了该车研制团队——南京理工大学计算机科学与工程学院的主要负责人，朱健声和蔡云飞老师。

蔡云飞老师向记者介绍，“砺剑”无人车也称为“地面多任务无人机动平台”，目前研制有IV型和IV-A两款型号。在预赛种，他们使用的为IV型（参见下图），长1.015米，宽0.614米，车体高度在0.305到0.36米之间可变，自重50千克，有效负重30千克，最大行驶速度17千米/小时。决赛时，上场的是IV-A型，长1.12米，宽0.625米，车体高度在0.34到0.43米可变，自重 55千克，载重30千克，最大行驶速度25千米/小时。他们的总体结构和主要技术特点都相似。

这个研究团队从1997年就开始从事地面轻小型无人平台的研究工作，先后对履带机器人传动、变速、行走、悬挂、车体结构、履带变形机构、操控终端等各方面都进行了颇具成效的研究，获得多项国家发明专利。在成果的工程化转换方面，他们也积累了丰富的理论和实践经验。该团队主要成员研制的移动平台，已成功应用10年，发挥了重要作用。2011年提出的履带式侦察机器人结构方案，也获得肯定，在此后的研制工作中先后攻克了机器人技术重点的各项难题、关键性技术，比如总重限制、工作时间、快速分解组合、武器快速挂接、同步瞄准、击发控制、倾覆复位、大转矩高精度云台、底盘降噪、武器后座缓冲、载荷举升与俯仰调节机构等等。

记者在比赛现场也感受到，朴实的朱健声老师在业内有比较高的知名度，很多其他参赛队都对他们的设计有不少了解，看好他们的比赛成绩。

记者注意到，参加C组决赛的6辆无人车，虽然都是履带的，但“砺剑”、“星越”两车的行走机构和其它车不同。蔡老师介绍说，这两车的行走装置是悬挂履带式的，决赛中的其它无人车都是非悬挂履带式。像国外的“魔爪”、PackBot那种无人车，还有很多排爆机器人，都是不带悬挂的，刚性底盘结构，其好处是平台姿态稳定性高，能满足排爆等特殊任务的高精度操作需要。

“我们这个是面向野战用的，具有高速、高通过性。”蔡老师介绍说，那种刚性悬挂的轻小型无人车他们2008年起也研制过，但存在几个固有缺点无法克服。一是地面适应性差、速度低、越野性能差，很难趟水过河，在烂泥地、草地、鹅卵石、砖块废墟等环境中行驶还很容易掉履带。二是观察视窗跳动厉害。由于它的车体与履带间没有柔性的悬挂，地面的起伏都会传到车体上，导航摄像头传回的图像会剧烈跳动，操控者看久了会严重不适。如果导航摄像头装在车体上，操作员相当于贴着地面“看”周围，视野范围还会比正常情况小很多。记者观察过几款无人车的操控台，从显示屏上看到的图像确实非常非常别扭。模糊不清是一方面，更重要的就是太“矮”，判断距离、方向时都和原本的感觉差别很大。

“砺剑”研究团队在履带高效率转向传动及控制、履带地表适应性变形技术等方面，做了很多努力，在平台上采用了可升降悬挂，可以在悬挂车体和刚性车体两个状态间自由切换，并可通过四个方位的独立升降悬挂进行车体姿态调整。

普通行驶时，它的外形有些像一辆小坦克，能爬上25厘米高的垂直墙，爬上35°的坡。负重轮上下活动的行程可以达到5厘米，IV-A型则达到了9厘米，因此能承受高速越野行驶时的强烈震动和冲击。这次挑战赛中有楼梯，预赛中有沙坑，碎砖、土堆组成的陡坡，对“砺剑”来说都没有问题。朱老师还认为预赛场地简单了点，决赛时很希望能到前面的河滩、鹅卵石路况下跑一跑。

“砺剑”的悬挂调低后，车底距地高从13厘米降到5.5厘米，履带接地长度从56厘米增加到88厘米。这不仅让它能跨越45厘米宽的壕沟，还提高了纵向、横向的稳定性，在五六十度的纵向坡面上都不会倾覆。

非悬挂的履带行动装置上，履带和主动轮、诱导轮、负重轮之间，要有比较大的张力，是绷紧的，容杂量小而排杂能力差。而转向，会让地面杂物大量进入履带、悬挂空间。杂草、粗沙、污泥等卡入履带和轮子中间后，不容易排出，导致张力过大，无法转动。而在有悬挂的履带上，轮履之间有一定的弹性空间，不会急剧增加主动轮的转动负荷，沙石草等可以在滚到下一个轮子时逐步脱落。

对于履带车来说，转向靠两侧履带差动、反转，因此防脱落是个关键课题。研究团队经过十多年摸索，有了一些独特的履带防脱技术，能在草地、沙石地、泥泞地等各种恶劣地面行驶。按照蔡老师的话说，就是“不会掉履带，随便你怎么玩。”

“砺剑”使用双流转向控制模式，后部的动力舱里布置有两台电动机，主电机350瓦，转向电机250瓦。行进时只需一个电机工作，传动效率较高。比赛中，“砺剑”只是采用了普通高速档，速度就已经比其它无人车快了近一倍，给观赛者留下了非常深刻的印象。

朱老师介绍说，“砺剑”还能采用混合动力模式，也就是一个电机加一个内燃机。变速箱上有两个动力输入点，其它都是一样的，直接接上就行。两个发动机如果同时工作，无人车的速度能更快，试验中曾达到近50千米/小时！当然此时回传的图像已经抖动剧烈，操作员不容易控制了。所以内燃机的最大用途，还是便于在野外长期工作，免除了充电的麻烦。

依靠车内电池，“砺剑”能连续运行至少4小时。无人车要想得到很长的续航时间，可以外接电池，但防水问题很难解决。车体内的电池，防水防震，但更换起来麻烦。有了内燃机，无人车可以“快速复活”，花一两分钟加上油就可以了。这也适合快速反应。

这个内燃机还可以给电池充电，记者看到车体内就有一些24伏、12伏电源输出口。外场维修时，电动螺丝刀、电烙铁等工具，都可以接到这里。手机、遥控设备也可以在这里充电。当然，采用内燃机也有一些缺点。一是噪音大，二是加上散热器、油箱等，会占用载荷舱的一半空间。如果车体再大一些，更适合采用这种混合动力系统。

记者询问是否能用小一些的内燃机，专为充电用，这样既保证尺寸，又具备野外长期工作的方便。朱老师解答说：内燃机充电的效率不高，直接驱动无人车行驶更合适一些，不太适合专为充电而设置。如果少量地用电，太阳能电池板倒是也可以考虑。

总得来说，依靠电控机械变速箱、双流传动、多动力复合驱动等技术，“砺剑”无人车在动力系统这块比较灵活，怎么配置就看各种不同的需要了。

朱老师打开动力系统上的舱盖介绍时，顺手打开了车体上另外几个盖子。那是工具箱，其它无人车很少有这样的设置。蔡老师介绍说，这也是因为他们的无人车已经比较成熟，不再是原理样车，可以算型号的初样车了。再过一轮设计修改，就可以作为正样车，“然后全部工程化，基本上就OK了。”

从样车到成熟产品，确实还需要很多路走。在决赛中，“砺剑”无人车就因为一个小细节，引起翻车。它的车体中部是载荷舱，尺寸不小，40×27×23立方厘米，可以放多种设备。整车自重50～55千克，载重能达到30千克。但在这次比赛中，它的负载能力用不上，车顶搭载了一个球形光电探测器就足够了。载荷舱内前部被临时加装了一块电池，增加配重，进一步提高爬楼、过障时的稳定性。还不是正式的载荷，因此也就没采取螺栓等固定措施。从头一天熟悉场地开始，团队多次操纵无人车在楼梯、草坪等场地试驾。测试后，团队认为自己只需半小时就能完成比赛。预赛成绩已经领先其他队很多，只要找到18个目标中的5、6个，他们就能稳获冠军（总成绩由预赛分和决赛分加权平均得出）。但为了充分展示性能，团队决定奔着找齐18个目标去。楼内9个目标要比楼外的相对集中，因此他们制定了先上楼侦察，后室外侦察的策略，希望能把所有目标都找到，而且看起来问题不大。

正式比赛时，“砺剑”一马当先，比同组比赛的另外两车早早进入楼房，快速向三楼爬去。观赛者都为他们的速度赶到惊叹（其实这只是他们的正常速度），现场解说也告诉大家他们是预赛第一名，速度快、越野能力强。不料经过前一天的多次试跑、爬楼、颠簸，载荷舱里的电池有些松动了。这次爬上两层楼后，在持续震动下，电池滑向了载荷舱后部，整车重心突然偏后。结果无人车从楼梯上倒翻过来。对于经过加固考虑的车体来说，这没多大问题，但车顶的光电探测器被压坏，无人车失去了最主要的观察设备。此后它只能依靠车体上的驾驶用摄像头寻找侦察目标，效果大打折扣。而且在翻回车体过程中，一个小摄像头不慎被手指、胶带弄模糊，现场维修后的“砺剑”成了高度“近视眼”。天线也因翻车受到些影响。结果无人车几次从侦察目标旁经过，都没能看清目标。寻找到的目标数量少，影响了“砺剑”的决赛总分。

赛后整个团队也是因为这个意外而感到遗憾，蔡老师说接下来的工作就是要在工程化这块做最后的细化、完善。

这次挑战赛中，绝大多数轻小型无人平台都是样车，并非完成所有工程化设计的产品，有的甚至只是概念型样车。再加上无人平台是动力、机械、通讯、光电等多方面技术的集成，因此意外频出。有不少都并非设计、结构不好，而是某个小小的细节、意外影响了参赛表现。

“砺剑”这一跟头翻得，让很多观赛者都感觉很可惜。不过对这类轻小型无人车来说，这样的情况不会造成重大伤害。决赛中另外一辆小车也在爬楼时翻车。它们的车体都能经受这种冲击、碰撞。

不仅如此，“砺剑”的车体还有很好的密封性，让该车能在水面浮渡。设计团队通过十多年研究，已经掌握了一套高强度、高抗变形箱体材料及成型技术。以前的试验中，它们还经受住了武器射击时的冲击、碰撞。

武器站能通过螺栓直接固定在车顶，或载荷舱位置。它的设计载荷为30千克，实际上能达到六七十千克。而30千克，已经是满足一整套单兵装备的重量，包括武器弹药等。如果带反坦克导弹、大威力火箭筒，能有2枚，轻型火箭筒能带4枚。以它的尺寸和速度，能快速突进到敌方车辆附近几百米，即便用无制导的火箭弹，也能快速抵近、毁伤目标。

利用这套箱体材料和成型技术，还能根据需要设计制造不同尺寸的无人车。履带、行走系统也都是模块化设计，有几种可选，包括履带板的形状，负重轮悬挂的方式等。比“砺剑”小一些的同系列无人车，也具备良好的越野、高速性能，可以带榴弹等武器。

在轻小型无人平台（也称地面轻小型机器人）研究领域，“砺剑”无人车设计团队的主要成员都具有10年以上的技术积累和实际工程经验。在随后的采访中，记者和他们也就无人车的战场应用交流了很多看法。

“魔爪”、PackBot等无人车已被美军广泛用于阿富汗、伊拉克战场，负责路边炸弹检查、拆除，山洞内侦察，甚至进攻性战斗等任务。

俄罗斯也有多款无人战车、无人扫雷车投入实用。2016年年初，在叙利亚战场，俄军6辆无人车投入了一次高地争夺战。遥控人员操纵他们抵近到IS武装分子据点前100米，用机枪和火箭筒进行火力压制，叙利亚政府军士兵则在无人车后150～200米的安全距离对敌人进行清扫。遇到坚固火力点后，无人车传回图像、坐标，引导榴弹炮进行拔点炮击。战斗持续了20分钟，IS武装分子没有还手之力，被击毙70人，而叙利亚政府军只有4名士兵受伤。

俄军投入战斗的“平台M”履带式无人车、“阿尔戈”轮式无人车和美军无人车相比，就有很大不同。它们重量更大，分别为0.8和1吨，高度1.2和1.65米，配有防护装甲；火力强悍，除了一挺7.62毫米机枪，还有4、5具火箭筒、榴弹发射器。

“砺剑”无人车研究团队认为：反恐、排爆和作战行动相比，时间更加充裕，无人车也不需要带很多载荷；而战斗行动（无论城市还是野外），即便是反恐行动的侦察，无人车都必须有足够的反制措施，配备一定的武器或装甲。遭遇敌方攻击时，它能利用火力予以反击，或利用高速等措施进行规避、摆脱。即便是反恐战争中的排爆行动，也需要无人车具备一定的反制能力。比如伊拉克反美武装曾雇佣小孩，拿着油漆喷罐走到PackBot无人车前，往摄像头上一喷，价值成千上万的无人车就歇菜了。跑跑不过，打又不方便打。

如果是巷战，弹坑、断墙会是常见的障碍。即便没有这些障碍，也有人想出过一些专门针对小型无人车的简单办法，比如用渔网罩上，看你怎么摆脱。

因此在轻小型军用无人车的研制上，高速、高通过性，载荷、反制能力，是“砺剑”研究团队重点追求的目标。

遥控、通讯技术，是这类小型无人车的另一关键技术点。它要具备一定的抗干扰能力，这样才能适应有众多电磁污染的战场。但对于通讯距离、通视情况，记者和研究团队都认为没必要太远。隔着几道院墙、楼宇遥控无人车，实战中恐怕很难出现，因为后方的士兵们都会及时跟上，也不会让无人车独自跑那么远。更多情况，可能是士兵们隐蔽在一个拐角或山坡之后，不在敌人的直瞄范围内就行。

随着比赛结束，记者和朱老师、蔡老师，“砺剑”无人车研究团队的交流，也告一段落。通过这次比赛和交流，记者深感轻小型无人平台在未来战场，包括城市战、野战、反恐，侦察、战斗、排爆，等等各方面，都有非常重要的应用前景。

可以说：以后谁能把这支无人小尖兵之剑，砥砺得更加锋利，谁就将在战斗中占据重大优势。

宝剑锋从今磨砺，未来沙场赢先机！