Complexo robótico multifuncional de combate "Uran-9"
Um olhar sobre a tecnologia, os desenvolvimentos, o estado atual das coisas e as perspectivas dos sistemas robóticos móveis terrestres (SMRK)
O desenvolvimento de novas doutrinas operacionais, especialmente para a guerra urbana e conflitos assimétricos, exigirá novos sistemas e tecnologia para reduzir as baixas entre militares e civis. Isso pode ser realizado por meio de desenvolvimentos no campo de SMRK, o uso de tecnologias avançadas para observação e coleta de informações, bem como reconhecimento e detecção de alvos, proteção e ataque de alta precisão. SMRK, como seus equivalentes voadores, devido ao uso generalizado de tecnologias robóticas ultramodernas, não tem um operador humano a bordo.
Esses sistemas também são indispensáveis para operar em um ambiente contaminado ou para realizar outras tarefas "burras, sujas e perigosas". A necessidade de desenvolvimento de SMRK avançado está associada à necessidade de usar sistemas não tripulados para suporte direto no campo de batalha. Segundo alguns especialistas militares, os veículos desabitados, cujo nível de autonomia será gradualmente aumentado, tornar-se-ão um dos elementos táticos mais importantes na estrutura das forças terrestres modernas.
Um complexo robótico baseado no veículo blindado TERRAMAX M-ATV lidera uma coluna de veículos não tripulados
Necessidades operacionais e desenvolvimento de SMRK
No final de 2003, o Comando Central dos EUA emitiu solicitações urgentes e urgentes de sistemas para conter a ameaça de dispositivos explosivos improvisados (IEDs). A Joint Ground Robotics Enterprise (JGRE) apresentou um plano que pode fornecer rapidamente aumentos significativos nas capacidades por meio do uso de pequenas máquinas robóticas. Com o tempo, essas tecnologias evoluíram, mais sistemas foram implantados e os usuários receberam protótipos avançados para avaliação. Como resultado, houve um aumento no número de militares e unidades envolvidas na área de segurança interna, que aprenderam a operar sistemas robóticos avançados.
A Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) está atualmente pesquisando tecnologia robótica em aprendizado de máquina, com base em seus desenvolvimentos em inteligência artificial e reconhecimento de imagem. Todas essas tecnologias, desenvolvidas no âmbito do programa UPI (Unmanned Perception Integration), são capazes de proporcionar um melhor entendimento do ambiente / terreno para um veículo com boa mobilidade. O resultado dessa pesquisa foi uma máquina chamada CRUSHER, que iniciou a avaliação operacional em 2009; desde então, vários outros protótipos foram feitos.
O programa MPRS (Man-Portable Robotic System) está atualmente se concentrando no desenvolvimento de navegação autônoma e sistemas de prevenção de colisão para pequenos robôs. Também identifica, estuda e otimiza tecnologias desenvolvidas para aumentar o nível de autonomia e funcionalidade dos sistemas robóticos. O programa RACS (Robotic for Agile Combat Support) desenvolve várias tecnologias robóticas para atender às ameaças atuais e aos requisitos operacionais, bem como às necessidades e capacidades futuras. O programa RACS também desenvolve e integra tecnologias de automação para várias missões de combate e várias plataformas, com base no conceito de uma arquitetura comum e em características fundamentais como mobilidade, velocidade, controle e interação de várias máquinas.
A participação de robôs em operações de combate modernas permite que as Forças Armadas ganhem uma experiência inestimável em sua operação. Várias áreas interessantes surgiram em relação ao uso de veículos aéreos não tripulados (UAVs) e SMRKs em um teatro operacional, e os planejadores militares pretendem estudá-los cuidadosamente, incluindo a gestão geral de várias plataformas, o desenvolvimento de sistemas intercambiáveis a bordo que podem ser instalados ambos em UAVs e em SMRK com o objetivo de expandir as capacidades globais, bem como novas tecnologias para sistemas desabitados de combate promissores.
De acordo com o programa experimental ARCD (Active Range Clearance Developments), será desenvolvido o chamado cenário de "garantir a segurança da zona por meios automáticos", no qual vários SMRK trabalharão em conjunto com vários UAVs. Adicionalmente, será efectuada uma avaliação das soluções tecnológicas relativas à utilização de estações de radar em plataformas não tripuladas, uma avaliação da integração dos sistemas de controlo e monitorização e da eficiência global dos sistemas. Como parte do programa ARCD, a Força Aérea dos EUA planeja desenvolver tecnologias necessárias para aumentar a eficácia das ações conjuntas de SMRK e UAVs (esquemas de aeronaves e helicópteros), bem como algoritmos para a operação "contínua" dos sensores de todos os envolvidos plataformas, o intercâmbio de dados de navegação e dados sobre determinados obstáculos.
Layout interno de componentes mecânicos, elétricos e eletrônicos SMRK SPINNER
O Laboratório de Pesquisa do Exército Americano ARL (Laboratório de Pesquisa do Exército) realiza experimentos como parte de seus programas de pesquisa para avaliar a maturidade da tecnologia. Por exemplo, a ARL está conduzindo experimentos que avaliam a capacidade de um SMRK totalmente autônomo de detectar e evitar carros e pessoas em movimento. Além disso, o Centro de Armas Espaciais e Marinhas da Marinha dos EUA está conduzindo pesquisas em novas tecnologias robóticas e soluções técnicas importantes relacionadas, incluindo mapeamento autônomo, prevenção de obstáculos, sistemas de comunicação avançados e missões conjuntas SMRK e UAV.
Todos esses experimentos com a participação simultânea de várias plataformas terrestres e aéreas são realizados em condições externas realistas, caracterizadas por terrenos complexos e um conjunto de tarefas realistas durante as quais as capacidades de todos os componentes e sistemas são avaliadas. Como parte desses programas piloto (e a estratégia de tecnologia associada) para o desenvolvimento de SMRCs avançados, as seguintes direções foram identificadas para maximizar o retorno sobre o investimento futuro:
- o desenvolvimento de tecnologia fornecerá uma base tecnológica para subsistemas e componentes e integração apropriada em protótipos SMRK para testes de desempenho;
- empresas líderes nesta área desenvolverão tecnologias avançadas necessárias para expandir o escopo da robotização, por exemplo, aumentando o alcance do SMRK e aumentando o alcance dos canais de comunicação; e
- o programa de mitigação de riscos garantirá o desenvolvimento de tecnologias avançadas para um sistema específico e permitirá a superação de alguns problemas tecnológicos.
Graças ao desenvolvimento dessas tecnologias, os SMRKs são potencialmente capazes de fornecer um salto revolucionário na esfera militar, seu uso reduzirá as perdas humanas e aumentará a eficácia do combate. No entanto, para isso, eles devem ser capazes de trabalhar de forma independente, incluindo a execução de tarefas complexas.
Um exemplo de um SMRK armado. AVANTGUARD da empresa israelense G-NIUS Unmanned Ground Systems
Sistema robótico modular avançado MAARS (Modular Advanced Armed Robotic System), armado com metralhadora e lança-granadas
Desenvolvido pela NASA SMRK GROVER em terreno nevado
Requisitos técnicos para SMRK avançado
SMRKs avançados são projetados e desenvolvidos para missões militares e operam principalmente em condições perigosas. Hoje, muitos países fornecem pesquisa e desenvolvimento no campo de sistemas robóticos não tripulados, capazes de funcionar na maioria dos casos em terrenos acidentados. Os SMRKs modernos podem enviar sinais de vídeo ao operador, informações sobre obstáculos, alvos e outras variáveis que sejam interessantes do ponto de vista tático, ou, no caso dos sistemas mais avançados, tomar decisões totalmente independentes. Na verdade, esses sistemas podem ser semi-autônomos quando os dados de navegação são usados junto com os dados do sensor a bordo e comandos remotos do operador para determinar a rota. Um veículo totalmente autônomo determina seu próprio curso por si mesmo, usando apenas sensores de bordo para desenvolver uma rota, mas ao mesmo tempo o operador sempre tem a oportunidade de tomar as decisões específicas necessárias e assumir o controle em situações críticas ou em caso de danos para a máquina.
Hoje, os SMRKs modernos podem detectar, identificar, localizar e neutralizar rapidamente muitos tipos de ameaças, incluindo atividade inimiga em condições de radiação, contaminação química ou biológica em vários tipos de terreno. Ao desenvolver o SMRK moderno, o principal problema é a criação de um design funcionalmente eficaz. Os pontos principais incluem design mecânico, um conjunto de sensores e sistemas de navegação a bordo, interação humano-robô, mobilidade, comunicações e consumo de energia / potência.
Os requisitos de interação robô-homem incluem interfaces homem-máquina altamente complexas e, portanto, soluções técnicas multimodais devem ser desenvolvidas para interfaces seguras e amigáveis. A tecnologia moderna de interação robô-humano é muito complexa e exigirá muitos testes e avaliações em condições operacionais realistas para atingir bons níveis de confiabilidade, tanto na interação humano-robô quanto na interação robô-robô.
Armed SMRK desenvolvido pela empresa estoniana MILREM
O objetivo dos projetistas é o desenvolvimento bem-sucedido de um SMRK capaz de realizar sua tarefa dia e noite em terrenos difíceis. Para atingir a máxima eficiência em cada situação específica, o SMRK deve ser capaz de se mover em todos os tipos de terrenos com obstáculos em alta velocidade, com grande capacidade de manobra e mudar de direção rapidamente sem redução significativa da velocidade. Os parâmetros de projeto relacionados à mobilidade também incluem características cinemáticas (principalmente a capacidade de manter contato com o solo em todas as condições). O SMRK possui, além da vantagem de não apresentar as limitações inerentes ao ser humano, também a desvantagem da necessidade de integrar mecanismos complexos que possam substituir os movimentos humanos. Os requisitos de design para o desempenho do passeio devem ser integrados à tecnologia de detecção, bem como ao desenvolvimento de sensor e software, a fim de obter boa mobilidade e a capacidade de evitar vários tipos de obstáculos.
Um dos requisitos extremamente importantes para alta mobilidade é a capacidade de usar informações sobre o ambiente natural (escaladas, vegetação, pedras ou água), objetos feitos pelo homem (pontes, estradas ou edifícios), clima e obstáculos inimigos (campos minados ou obstáculos). Nesse caso, torna-se possível determinar as próprias posições e as posições inimigas e, aplicando uma mudança significativa na velocidade e direção, as chances de sobrevivência do SMRK sob o fogo inimigo aumentam significativamente. Tais características técnicas tornam possível desenvolver o reconhecimento armado SMRK capaz de realizar tarefas de reconhecimento, observação e aquisição de alvos, missões de fogo na presença de um complexo de armas, e também capaz de detectar ameaças para fins de autodefesa (minas, sistemas de armas inimigas, etc.).
Todas essas capacidades de combate devem ser implementadas em tempo real, a fim de evitar ameaças e neutralizar o inimigo, usando suas próprias armas ou canais de comunicação com sistemas de armas remotos. A alta mobilidade e a capacidade de localizar e rastrear alvos inimigos e atividades em condições de combate difíceis são extremamente importantes. Isso requer o desenvolvimento de SMRK inteligente capaz de rastrear a atividade inimiga em tempo real devido aos complexos algoritmos integrados para reconhecimento de movimentos.
Capacidades avançadas, incluindo sensores, algoritmos para fusão de dados, visualização proativa e processamento de dados, são essenciais e requerem uma arquitetura moderna de hardware e software. Ao realizar uma tarefa no SMRK moderno, o sistema GPS, uma unidade de medida inercial e um sistema de navegação inercial são usados para estimar a localização.
Utilizando os dados de navegação obtidos graças a estes sistemas, o SMRK pode mover-se de forma independente de acordo com os comandos do programa de bordo ou do sistema de controle remoto. Ao mesmo tempo, o SMRK é capaz de enviar dados de navegação para uma estação de controle remoto em intervalos curtos para que o operador saiba sua localização exata. SMRKs totalmente autônomos podem planejar suas ações, e para isso é absolutamente necessário desenvolver uma rota que exclua colisões, enquanto minimiza parâmetros fundamentais como tempo, energia e distância. Um computador de navegação e um computador com informações podem ser usados para traçar a rota ideal e corrigi-la (telêmetros a laser e sensores ultrassônicos podem ser usados para detectar obstáculos com eficácia).
Componentes de um protótipo de SMRK armado desenvolvido por estudantes indianos
Projeto de sistemas de navegação e comunicação
Outro problema importante no desenvolvimento de um SMRK eficaz é o projeto do sistema de navegação / comunicação. Câmeras digitais e sensores são instalados para feedback visual, enquanto sistemas infravermelhos são instalados para operação noturna; o operador pode ver a imagem do vídeo em seu computador e enviar alguns comandos básicos de navegação para o SMRK (direita / esquerda, parar, avançar) para corrigir os sinais de navegação.
No caso do SMRK totalmente autônomo, os sistemas de visualização são integrados aos sistemas de navegação baseados em mapas digitais e dados GPS. Para criar um SMRK totalmente autônomo, para funções básicas como navegação, será necessário integrar sistemas de percepção de condições externas, planejamento de rotas e um canal de comunicação.
Enquanto a integração de sistemas de navegação para SMRK único está em estágio avançado, o desenvolvimento de algoritmos para planejar a operação simultânea de vários SMRK e tarefas conjuntas de SMRK e UAV está em um estágio inicial, uma vez que é muito difícil estabelecer interação de comunicação entre vários sistemas robóticos ao mesmo tempo. Os experimentos em andamento ajudarão a determinar quais frequências e faixas de frequência são necessárias e como os requisitos variam para uma aplicação específica. Uma vez determinadas essas características, será possível desenvolver funções e softwares avançados para diversas máquinas robóticas.
Helicóptero não tripulado K-MAX transporta veículo robótico SMSS (Squad Mission Support System) durante testes de autonomia; enquanto o piloto estava na cabine do K-MAX, mas não o controlou
Os meios de comunicação são muito importantes para o funcionamento do SMRK, mas as soluções sem fio apresentam desvantagens bastante significativas, uma vez que a comunicação estabelecida pode ser perdida devido a interferências associadas ao terreno, obstáculos ou à atividade do sistema de supressão eletrônica do inimigo. Desenvolvimentos recentes em sistemas de comunicação máquina a máquina são muito interessantes e, graças a essa pesquisa, equipamentos acessíveis e eficazes para comunicação entre plataformas robóticas podem ser criados. O padrão para comunicação especial de curto alcance DRSC (Comunicação Dedicada de Curto Alcance) será aplicado em condições reais para comunicação entre SMRK e entre SMRK e UAV. Muita atenção é dada atualmente para garantir a segurança da comunicação em operações centradas em rede e, portanto, projetos futuros no campo de sistemas tripulados e desabitados devem ser baseados em soluções avançadas que estejam em conformidade com os padrões de interface comuns.
Hoje, os requisitos para tarefas de curto prazo e baixo consumo de energia são amplamente atendidos, mas há problemas com plataformas que executam tarefas de longo prazo com alto consumo de energia, em particular, um dos problemas mais urgentes é o streaming de vídeo.
Combustível
As opções de fontes de energia dependem do tipo de sistema: para SMRKs pequenos, a fonte de energia pode ser uma bateria recarregável avançada, mas para SMRKs maiores, o combustível convencional pode gerar a energia necessária, o que torna possível implementar um esquema com um elétrico motor-gerador ou um sistema de propulsão elétrica híbrido de nova geração. Os fatores mais óbvios que afetam o fornecimento de energia são as condições ambientais, o peso e as dimensões da máquina e o tempo de execução da tarefa. Em alguns casos, o sistema de alimentação deve consistir em um sistema de combustível como fonte principal e uma bateria recarregável (visibilidade reduzida). A escolha do tipo apropriado de energia depende de todos os fatores que afetam o desempenho da tarefa, e a fonte de energia deve fornecer a mobilidade necessária, operação ininterrupta do sistema de comunicação, conjunto de sensores e complexo de armas (se houver).
Além disso, é necessário resolver problemas técnicos associados à mobilidade em terrenos difíceis, a percepção de obstáculos e a autocorreção de ações errôneas. Como parte de projetos modernos, novas tecnologias robóticas avançadas foram desenvolvidas em relação à integração de sensores de bordo e processamento de dados, seleção de rotas e navegação, detecção, classificação e prevenção de obstáculos, bem como eliminação de erros associados à perda de comunicação e desestabilização da plataforma. A navegação off-road autônoma exige que o veículo distinga o terreno, o que inclui orografia 3D do terreno (descrição do terreno) e a identificação de obstáculos como rochas, árvores, corpos d'água estagnados, etc. As capacidades gerais estão em constante aumento e hoje já podemos falar de um nível suficientemente alto de definição da imagem do terreno, mas apenas durante o dia e com bom tempo, mas as capacidades das plataformas robóticas em um espaço desconhecido e com mau tempo as condições ainda são insuficientes. Nesse sentido, a DARPA está realizando diversos programas experimentais, onde as capacidades das plataformas robóticas são testadas em terrenos desconhecidos, em qualquer clima, dia e noite. O programa DARPA, denominado Pesquisa Aplicada em IA (Pesquisa Aplicada em Inteligência Artificial), está pesquisando a tomada de decisão inteligente e outras soluções tecnológicas avançadas para sistemas autônomos para aplicações específicas em sistemas robóticos avançados, bem como o desenvolvimento de algoritmos de aprendizagem multi-robótica autônoma para desempenho tarefas conjuntas, que permitirão a grupos de robôs processar automaticamente novas tarefas e realocar funções entre si.
Como já mencionado, as condições de operação e o tipo de tarefa determinam o design de um SMRK moderno, que é uma plataforma móvel com fonte de alimentação, sensores, computadores e arquitetura de software para percepção, navegação, comunicação, aprendizagem / adaptação, interação entre um robô e uma pessoa. No futuro, serão mais multilaterais, terão um maior nível de unificação e interação e também serão mais eficientes do ponto de vista econômico. De particular interesse são os sistemas com cargas úteis modulares, que permitem que as máquinas sejam adaptadas para diferentes tarefas. Na próxima década, veículos robóticos baseados em arquitetura aberta estarão disponíveis para operações táticas e proteção de bases e outras infraestruturas. Eles serão caracterizados por um nível significativo de uniformidade e autonomia, alta mobilidade e sistemas de bordo modulares.
A tecnologia SMRK para aplicações militares está evoluindo rapidamente, o que permitirá que muitas forças armadas removam soldados de tarefas perigosas, incluindo detecção e destruição de IEDs, reconhecimento, proteção de suas forças, desminagem e muito mais. Por exemplo, o conceito de grupos de combate de brigada do Exército dos EUA, por meio de simulações de computador avançadas, treinamento de combate e experiência de combate no mundo real, demonstrou que os veículos robóticos melhoraram a capacidade de sobrevivência dos veículos terrestres tripulados e melhoraram significativamente a eficácia do combate. O desenvolvimento de tecnologias promissoras, como mobilidade, autonomia, equipamento de armas, interfaces homem-máquina, inteligência artificial para sistemas robóticos, integração com outros SMRK e sistemas tripulados, proporcionará um aumento nas capacidades dos sistemas terrestres desabitados e seu nível de autonomia.
Complexo robótico de percussão russa Platform-M desenvolvido pela NITI "Progress"
