1、破碎机破碎机的首次亮相是以真正的怪物卡车造型出现的：两辆原型车进入卡内基梅隆大学的建筑物内，发出响亮的音乐并闪耀着强光。一辆破碎机待命，同时它的姊妹车轧过成堆的汽车并将它们碾碎。这堆汽车能使大多数怪物卡车望而却步。破碎机不是一般的卡车，它可以装载约 3,600 公斤货物并直接越过 1.22 米高的垂直墙。卡内基梅隆大学国家机器人工程中心供图破碎机无人地面车辆破碎机是一种无人地面车辆（UGV），由美国国防高级研究计划局（DARPA）投资，卡内基梅隆大学国家机器人工程中心（NREC）设计。破碎机项目的基础是另一项由 NREC 设计的称为“蜘蛛”的 UGV，因此破碎机有时也称为“蜘蛛 2.0 版”。
2、它的研发动力很大程度上与美国目前 UGV 领域中所有军方投资的研究和开发项目相同：更高的感知能力、自主性能和耐用性。这种无人操控、悄无声息的坦克，能够运载任何货物、防范敌人攻击并轻而易举地高速通过能使“悍马”车也会翻车的地形没有比这更让美国陆军高兴的了。破碎机可能永远也不会大规模生产。它的成本将会非常高昂（设计人员甚至无法提出报价）。它设计为功能原型车，用于测试NREC 为称为 UPI 的计划开发的部分技术。UPI 代表 Unmanned Ground Combat Vehicle PerceptOR (off-road) Integration（无人地面战斗车辆感知越野综合计划），是由DAR
3、PA 投资的重要计划，里面包括“评估大型 UGV 在大范围复杂越野地形的自主操作能力”的试验参考。破碎机重 6.5 吨，比“蜘蛛”轻约 30%，并且能够运载更多货物。NREC 在“蜘蛛”升级中唯一没有考虑的是车辆上下倾覆时仍可继续行驶的能力。没人解释为何取消这项绝妙的功能，尽管逻辑上推测可能是为了实现破碎机的某些其他升级功能，或者是想减少一项对于 UPI 的主要任务并不至关重要而又高成本的功能。那么破碎机能干什么？这种无人车辆主要设计用于侦察和支援。由于没有乘员，所以可以生产出一种坚固耐用、灵活并能够运载大量货物的车辆。例如，破碎机在某些情况下可以不需要装甲，从而运送更多给养。 最重要的是，破
4、碎机能够在包括沟渠、岩石和人为障碍的极端地形上自主前行。 卡内基梅隆大学国家机器人工程中心供图破碎机可以只依靠电池能量行驶，使运作近乎悄无声息。 破碎机可以携载武器，因此完全可以参与战斗任务。 根据 NREC 所说，破碎机的技术距离在世界上推广还有 6 到 10年的时间。虽然更小的、有人操纵的机器人已经投入战场，但像破碎机这样的大型无人操控机器人仍停留在实验阶段。大型机器人处理未知地形和未知情况所必需的复杂感知系统和控制系统仍处于研发阶段。破碎机的感知和导航系统都是原型，被计划用作测试平台，以不断创造出地面战斗车辆无需人员输入即可执行任务的新方法。在下一部分中，我们将介绍其中的某些系统。由于破
5、碎机是一个首要也是最重要的军事项目，普通人无法获得完整的详细信息，但博闻网还是设法找到了一些有趣的资料。在破碎机的开发中共有三个主要关注领域： 坚固耐用，即使运载约 3,600 公斤货物也可以经受极端地形的考验而不降低速度 低噪机动，使其成为能在战场上生存的侦察车辆 自控操作，使其能够自行搜索、侦察甚至战斗，而不必冒生命危险 卡内基梅隆大学国家机器人工程中心供图破碎机原型车破碎机的构架由铝和钛制成。车体为铝质立体构架（一种连杆敞开式结构），使用超级坚固的钛节点连接连杆，来增加在与巨大坚硬物体碰撞时的强度。车体下面是一块滑板主要是一块悬吊式防震钢质“减震器”，作为第一层防护，保护车体以免与巨石、
6、树桩和台阶直接接触。卡内基梅隆大学国家机器人工程中心供图为了使其能够越过障碍物和一般的崎岖地形，破碎机装备有六轮全轮驱动系统，由一台柴-电混合动力装置提供动力，使其可以近乎悄无声息地操作这在侦察工作中是一项较好的特性。一台 78马力的涡轮增压柴油发动机作为该系统的发电机，可持续输出 58 千瓦动力，为破碎机 300 伏特、18.7 千瓦锂离子蓄电池组充电。这些蓄电池依次驱动分别位于六个车轮轮毂中的六台 210 千瓦电动机。每台电动机可产生 282 匹马力。与多数混合动力电动系统一样，破碎机也使用再生制动技术在每次减速时向蓄电池返回一些能量（有关再生制动技术的信息，请参见混合动力车探秘）。根据速
7、度和载货量，该车可以单独依靠蓄电池动力无声行驶 3 到 16 公里。由于每个车轮都是单独提供动力，所以即使一两个轮子失灵，破碎机仍可继续行进。只需六个轮子中有四个正常，即可保持其各项功能。如果该车突然发现需要转向假如三面都是不可逾越的障碍则可以使用其滑动转向能力（一种转弯半径为零的技术）迅速向后转而根本无需回旋空间。为了适应低垂的障碍、岩石地形或更好地隐蔽以免敌人发现，破碎机可在 0 到 76 厘米范围内调整行驶高度。除此以外，破碎机的悬挂系统行程约为 76 厘米，可以吸收震动，并调整硬度以适应不同地面状况。我们可以揭开“蜘蛛”（破碎机的前身）的神秘面纱不要忘记破碎机是“蜘蛛 1.0”的升级版
8、：破碎机升级了行驶高度调整、悬挂系统行程、车重和载货量方面的功能。破碎机强有力的车架、六轮驱动装置和极佳的悬挂系统性能使UGV 能够高速行驶，目前最高可达 42 公里/小时，在跨越崎岖地形，克服诸如沟渠、巨石、陡坡等障碍以及最高约 1.22 米的垂直障碍时也丝毫不会减慢速度。虽然坚固耐用、动力十足、无声无息使得破碎机成为一种理想的搜索工具，但问题主要是 DARPA 迄今为止已经花费了 3,500 万美元来开发的 UGV 自主系统，。NREC 尚未发布多少有关 UPI 系统的详细信息，但他们说“该技术使整个车辆遍布感知能力，可以帮助平衡其感知，还可以支持某些可能不太好感知环境的车身区域。（感知）
9、软件还可以让破碎机学习先前收集的信息并应用到对新的障碍的处理上”。我们知道硬件感知主要包含激光雷达（激光探测和测距）装置和相机阵列。激光雷达装置发出激光束扫描某一区域并测量激光束反射回到该装置的激光传感器所需的时间。破碎机有八套这种装置四套用于水平扫描环境，另外四套用于垂直扫描。它使用六对立体视觉摄像机进行深度感知，并使用四台彩色摄像机将彩色像素应用于由激光雷达传感器确定的距离上的每个点。破碎机感知系统的早期版本破碎机最新实现的功能是约 5.5 米长的伸缩式机架，用于从更高的有利位置收集数据。该机架可以与上面看到的激光雷达和照相装置的部件结合在一起，也可以仅为感知系统增加一组额外的传感器。卡内
10、基梅隆大学国家机器人工程中心供图将所有激光雷达和摄像机数据结合起来后，破碎机的车载 CPU即可创建其正在行驶地形的三维图像。CPU 为 700MHz 奔腾，用于控制破碎机机械运动并运行执行传感器数据处理的导航软件。惯性测量装置（IMU）结合使用加速度计（倾角传感器）和陀螺仪来探测破碎机的海拔高度、位置和移动方向，以使破碎机始终知道自己相对于地形的运动和位置。UGV 还有一台内置 GPS 接收机和基于计算机的 GPS 数据库，其中包括预先编程的地形数据。迄今为止，场地试验表明破碎机正在逐步实现真正的自动化。在测试中，破碎机在没有任何外部操控的情况下，可以从一个 GPS位点移动到另一个相距超过 1
11、 公里的 GPS 位点。利用感知系统和导航系统，破碎机可在行驶过程中对障碍物做出反应在撞到某些物体时不需要操作人员告诉它怎么做。自带的决策制定功能使它可以攀爬超过 40 度的陡坡，驶过约 1.22 米的台阶，并跃过约 2 米深的壕沟。跃沟能力尤其出色破碎机的轮胎以特殊方式安装，当车辆跨越壕沟时可以下降以支撑车辆。卡内基梅隆大学国家机器人工程中心供图破碎机的规格： 空车重：5,990 公斤 最大载荷：3,600 公斤 长度：510 厘米 宽度：260 厘米 车高（离地距离 41 厘米时）：152 厘米 离地距离：0 到 76 厘米 轮胎直径：125.7 厘米 最大速度：7 秒内加速到 42 公里
12、/小时 载荷体积（有两个内部货舱时）：1.6 立方米 可能的控制模式： 遥控 基于位点的导航 完全自主 这样的尺寸和重量规格意味着一架 C-130H 运输机可将两辆破碎机运载到世界任何位置的战场。在 2006 年 8 月，破碎机已经配备Rafael 迷您台风装备，并携带一支 12.7 毫米口径枪械。这说明在军用车辆的自主技术开发中，战斗任务可能成为日益突出的焦点。在下一部分中，我们将介绍破碎机原型车的未来，并探讨其如何顺应军事研发的整体趋势。到 2006 年，美国军方已经部署大约 4,000 台战斗机器人投入实际使用。军方使用这些机器人主要进行“嗅探”炸弹以及清理建筑物和其他封闭结构的任务。陆
13、军的未来战斗系统（FCS）计划准备花费 3 亿美元资助研究扩展战场机器人的职能。FCS 正在寻求能够运载货物和部队穿越崎岖地形的机器骡子，以及可在无人输入指令的情况下可以行进的无人车辆，用以搜索地域和巡逻边境，并将重要数据发回部队。如果这些大型自主车辆还能运载大量载荷穿越崎岖地形而不降低速度，那将是意外收获。破碎机或其他类似产品将是后一项任务的理想选择。 卡内基梅隆大学国家机器人工程中心供图破碎机自身可能不会部署行动。它主要是一个研究项目，对它的测试和试验将进行到 2008 年。到那时，NREC 会将破碎机的技术移交给 DARPA，以便将其应用在大部分属于未来战斗系统领域的相关项目。FCS 正
14、在进行相关开发计划。例如，武装侦察车辆（ARV）项目，主要目的在于实现完全自主的、能够完成侦察任务的战备车辆；以及自主导航系统（ANS），一个要为各种军用机器人开发通用平台自主功能的综合项目。FCS 的整体目标是将有人操控车辆和无人车辆、地面和空中平台无缝集成到统一结构中，并通过简单的、类似网络的控制系统进行管理。有了 FCS，我们将会看到类似破碎机的车辆支持部队在 5 到 10年内投入战斗行动。它们极有可能先从事侦察任务，然后过渡到战斗中，支持部队而并非代替部队。但破碎机的尖端自主技术并不属于军方。NREC 在构想并且已经在计划相关的研究项目，以便将为破碎机开发的系统应用于民用领域。在十年内
15、，我们可能会看到自主车辆在诸如农业、采矿和建筑等领域执行危险作业，最终将人类在这些领域内面对的某些危险转移到可代替作业的、感觉不到痛苦的机器人身上。美军最新无人战车面世 为未来无人战车做出定义 军备专家早就预测无人战车将在未来军队中扮演重要角色，但技术上的限制使人们还未看到无人车大规模装备军队的迹象。要想成为战斗中的主角，无人战车必须再改进自主性能。如今，研究者的努力已经有了更新的成果，美国军事工程师研制的“破碎机”无人战车于日前面世，以验证最新的自主导航和决策技术，如果成功，无人战车取代士兵成为战场的主角将为时不远。 相对于无人战机近年来的迅猛发展，无人战车的发展脚步相对缓慢。军备专家早就预
16、测无人战车将在未来军队中扮演重要角色，在执行一些类似拆弹的危险任务时，无人战车将是士兵手、眼、耳的延伸。但一直以来，技术上的限制使人们还没有看到无人战车大规模装备军队的迹象，要想成为战斗中的主角，无人战车必须在自主导航和通讯互动方面作出更多改进。如今，无人战车研究者的努力已经有了更新的成果，美国科学家研制的“破碎机”无人战车于日前面世，以验证相关的最新技术。 现有无人车类似骑马 目前的无人战车多由人工远程遥控，不具备自主执行任务的能力。指挥者通常通过电视屏幕监视无人车周围的环境，并对其发出适当指令，命令其前进、后退或者开火。在指挥官看来，这就类似于骑马，如果你不发出命令，马儿就不会行动。由于远
17、程指挥需要占据大量通信带宽，一旦通信网络不畅或者遇到死角，无人战车就会变成一堆不知所措的废铁。虽然远程指挥也可通过无线电波和光纤实现，但这两种技术非常容易受到干扰和破坏。 半自主的无人车系统具备感知碰撞和障碍的能力，即便通信中断，也能够自动对周围环境作出反应。这种无人战车才是指挥官眼中最好使的武器，只需告诉它该做什么，剩余的事都不用再多操心。完全自主的无人战车更具备实时处理能力，它们将像人类一样思考、发出指令。美军未来战斗系统需要的正是这种无人战车，主要用来执行前沿情报侦察和运送补给任务。 作为美军最重要的未来武器研究计划，“未来战斗系统”的无人战车计划最受关注，它的重要性决定了将采用目前所有
18、最先进和最成熟的技术，因此美国国防部大力推动无人战车的相关研究。在这些努力之下，几年前还不具有可行性的半自主导航和自主导航技术，如今已经取得了一些实质性突破，推动了无人战车向战场迈出更近一步。 “破碎机”展示无人作战前景 研制无人地面战车最直接的目标是为战场上的士兵提供更多安全保障，为此，美国国防先进计划研究局（DARPA）资助了 2005 年的首次“无人车大挑战”，并在两年后继续资助第二回合挑战赛。与前次在美国内华达沙漠中的大挑战不同，为了增加比赛的难度，这次赛事地点选在了繁忙的都市里。这样的比赛显著加速了陆地自主导航技术的研究进展，帮助美军挑选出能力最强的技术人员，与军方展开研制无人战车的
19、合作。“无人车大挑战”中的佼佼者、美国卡内基梅隆大学的机器人工程学研究中心(NREC)日前揭开了该中心研制的最新型无人战车“破碎机”（Crusher）。 由于慢了几秒钟，卡内基梅隆大学的无人车在去年的沙漠挑战赛中屈居第三，但这一成绩依然足以证明该大学在机器人研究领域所处的领先地位。虽然如此，“破碎机”并非卡内基梅隆大学派出参加大挑战的无人车后继产品，它是无人车中的新鲜族，设计有混合动力、六轮驱动和平滑的遥控功能，展示了十年后战场上无人战车参加作战的前景。 轻松越过树丛岩石垄沟 “破碎机”无人战车满载燃油时总重 6.35 吨，与美军悍马战车大小相差无几。自身设计负载能力达 1.36 吨，满载时总
20、重 7.71 吨，一架空军 C-130 大力神运输机一次可运输两辆满载的“破碎机”，并空投到地球上任一区域。一旦空降到地面，“破碎机”的运载能力可增加到 3.62 吨，而不影响机动性。而这 3.62 吨负载可以是任意的货物组合、装甲、武器或者侦察监视装备。 为了强调无人战车的优势，“破碎机”的设计使其能够适应各种极端复杂的地形，即便在高速行进中也能轻松越过树丛、岩石、围墙、树桩和垄沟。由于六个轮子采用独立驱动，“破碎机”几乎能在任何坡度攀爬。但这些都还不是“破碎机”的独门绝技，它最独特的设计是倒置能力。如果在攀爬和越沟的过程中翻车，它的六个轮子可以直接从底盘移动到车顶，继续行进，丝毫不影响它执
21、行任务的能力。 “破碎机”无人战车的混合动力来自燃油和电池组，内置高性能锂离子电池组可提供安静的能量源，直接驱动 6 个轮子内的电动车专用电动机，为战车在战场上进行纵深侦察和突袭提供了无与伦比的优势。另外，它的车体悬挂系统可以上下 76cm 移动，随时调整车体的高度，大大提高了车辆适应地形的能力。 前身“蜘蛛”乃革新之作 其实，“破碎机”并非完全创新之作，它的前身“蜘蛛”（Spinner）无人战车面世已有三年时间，由卡内基梅隆大学和美国著名的波音公司联手研制，美国国防先进计划研究为该项目投入了550 万美元的巨资。“蜘蛛”是人类首次尝试生产在所有地形条件下都能够正常工作的无人地面战车，旨在验证
22、无人战车自主执行任务的能力、混合动力的表现以及车体坚固程度等相关的最新技术。因此，有人把“蜘蛛”称为“破碎机”之父，两者除了外观上的区别外，“破碎机”的主要技术均继承自“蜘蛛”。 “蜘蛛”样车于年 2002 年底面世并于 2003 年进行测试，整个项目总计进行了 18 个月的时间。根据设计要求，“蜘蛛”具有省油、生存能力强以及负荷灵活的特点，能够远程使用。另外，“蜘蛛”能够越过并快速通过途中遇到的障碍、承受中等程度的碰撞，在翻车时能够迅速调整车轮并恢复正常行进。卡内基梅隆大学负责项目管理，并在匹兹堡完成了样车的最后组装，而波音公司负责在西雅图生产样车的整体构架、车身外壳、前端和负荷装载舱。 “
23、蜘蛛”的设计目标是尽可能利用无人驾驶带来的优势，而美国先进计划研究局在此之前关注无人战车的研制重点是如何取代车辆行驶中人的因素，因此非常关注如何把自主导航系统整合到现有成熟车辆中。因此，“蜘蛛”获得了无人战车整个内部空间设计的完全自由。 “蜘蛛”无人战车最显著的特点也是倒置能力。战车驾驶员在车辆倒置或翻滚时会受伤或感觉难受，但无人战车可以完全不用考虑这一问题。在倒置或翻车时，“蜘蛛”与“破碎机”都可将轮子调整到车体的另一边，因此，它们能行驶到任何普通车辆到不了的地方。 不用设计司机位置的好处不仅仅是这些，车体中央载物接口能够随着车体位置的变化随时调整自己的位置，不影响功能的发挥。 除了高性能的
24、倒置和翻滚适应能力外，车体自身的设计十分坚固，保证其在高速行进中撞上树干、岩石或未看见的垄沟时不会受到大的破坏。 降低耗油耗电量则降低了无人战车对后勤支援的需求，使其尽可能扩大作战范围。 “蜘蛛”超过所有设计目标 除此之外，无人战车必须具备一定的“韧性”。有人车辆出现故障和错误后，驾驶人员可以修理和纠正，而无人战车不可能得到这样的待遇。一辆无人地面战车必须有能力应付非同寻常的困难，任务期间即便出现故障也要保证完成工作，这些困难对于那些通过远程遥控操作运行的半自动式无人车来说并不希奇。 美国国防先进计划研究局对全新概念无人战车提出的要求十分苛刻。越障能力：正面 1 米、背面 2 米、爬坡能力 3
25、5 度；适用性：轻装时可承受恶劣地形；耐力：无加油情形下在 14 天内、450 公里范围执行任务；载重能力：超过车辆总重 25%。 设计、制造、组装完成后，“蜘蛛”接下来两年里在极端地形条件下接受了高强度测试，它的表现非常出色，超出了美国国防先进计划的所有要求。例如，军方在美国亚利桑那尤马试验场进行的测试中，“蜘蛛”在非常崎岖的越野地形上连续奔跑了 100 英里。 “破碎机”继承“蜘蛛”优点 6.5 吨重的“破碎机”比“蜘蛛”略微重了一些，继承了“蜘蛛”的坚固和机动性能，但更换了卡内基梅隆大学研制的最新自主识别系统。因此，“破碎机”和“蜘蛛”的技术比目前世界上最先进的无人战车都要领先 6 到
26、10 年，使人们可以预见未来军用无人车的作战能力。 “破碎机”车体采用高强度铝管制造而成，车头使用了钛合金，既坚固重量又轻便，车底和车顶分别覆盖高强度钢板，保证可以承受任何来自地表树桩和岩石的撞击。与“蜘蛛”相比，“破碎机”的车头被重新设计过，能够承受和吸收与树干和灌木的正常撞击力。即便如此，它们所使用的技术离完善还有一定距离，“破碎机”将在随后两年内接受广泛的野外试验。这一先进的作战平台有望改变未来无人车辆的设计趋势，促进军方未来作战系统更加完善。 作为美军未来战斗力量中的核心部分，战术无人车将允许美国在未来战争中投入更少的有生力量，势必影响美军未来的指挥规则、人员配置、甚至基本架构。 目前
27、，“破碎机”在车辆安全、如何利用有限的通信带宽和如何有效配置和管理荷载方面依然不够完善。到 2006 年年中，卡内基梅隆大学将把它最新的自动化技术集成到该型无人车上，新的激光雷达和摄像系统将大大增强车辆的自主性能，保证车辆可对障碍物作出更灵活的反应，并能在 1 公里范围内完全自主执行任务。通过安装地形匹配分析系统，两辆原型车将在明年实现对地形的分析和计划，并在没有任何人工指挥的情况下自动穿越复杂地形。 作为技术先行者，“破碎机”安装了美国最具代表性的传感和武器系统，并将严整这些技术在战场上是否实用。美国国防先进计划研究局主任托尼特泽尔说：“破碎机”将坚固、高机动能力和最新的自主控制系统整合到一体，将为未来的先进无人地面战车做出定义。”
