Complexe robotique multifonctionnel de combat "Uran-9"
Un regard sur la technologie, les développements, l'état actuel et les perspectives des systèmes robotiques mobiles terrestres (SMRK)
Le développement de nouvelles doctrines opérationnelles, en particulier pour la guerre urbaine et les conflits asymétriques, nécessitera de nouveaux systèmes et technologies pour réduire les pertes parmi les militaires et les civils. Cela peut être réalisé grâce aux développements dans le domaine du SMRK, à l'utilisation de technologies avancées pour l'observation et la collecte d'informations, ainsi que la reconnaissance et la détection de cibles, la protection et la frappe de haute précision. Les SMRK, comme leurs homologues volants, en raison de l'utilisation généralisée de technologies robotiques ultramodernes, n'ont pas d'opérateur humain à bord.
Ces systèmes sont également indispensables pour opérer dans un environnement contaminé ou pour effectuer d'autres tâches « stupides, sales et dangereuses ». La nécessité de développer un SMRK avancé est associée à la nécessité d'utiliser des systèmes sans pilote pour un soutien direct sur le champ de bataille. Selon certains experts militaires, les véhicules inhabités, dont le niveau d'autonomie sera progressivement augmenté, deviendront l'un des éléments tactiques les plus importants de la structure des forces terrestres modernes.
Un complexe robotique basé sur le véhicule blindé TERRAMAX M-ATV dirige une colonne de véhicules sans pilote
Besoins opérationnels et développement de SMRK
À la fin de 2003, le Commandement central des États-Unis a émis des demandes urgentes et urgentes de systèmes pour contrer la menace des engins explosifs improvisés (EEI). La Joint Ground Robotics Enterprise (JGRE) a élaboré un plan qui pourrait rapidement augmenter considérablement les capacités grâce à l'utilisation de petites machines robotiques. Au fil du temps, ces technologies ont évolué, davantage de systèmes ont été déployés et les utilisateurs ont reçu des prototypes avancés pour évaluation. En conséquence, il y a eu une augmentation du nombre de militaires et d'unités impliqués dans le domaine de la sécurité intérieure, qui ont appris à utiliser des systèmes robotiques avancés.
La Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) étudie actuellement la technologie robotique dans l'apprentissage automatique, en s'appuyant sur ses développements en matière d'intelligence artificielle et de reconnaissance d'images. Toutes ces technologies, développées dans le cadre du programme UPI (Unmanned Perception Integration), sont capables d'apporter une meilleure compréhension de l'environnement/terrain pour un véhicule avec une bonne mobilité. Le résultat de cette recherche a été une machine appelée le CRUSHER, qui a commencé l'évaluation opérationnelle en 2009; depuis lors, plusieurs autres prototypes ont été réalisés.
Le programme MPRS (Man-Portable Robotic System) se concentre actuellement sur le développement de systèmes autonomes de navigation et d'évitement des collisions pour les petits robots. Il identifie, étudie et optimise également les technologies développées pour augmenter le niveau d'autonomie et de fonctionnalité des systèmes robotiques. Le programme RACS (Robotic for Agile Combat Support) développe diverses technologies robotiques pour répondre aux menaces et aux exigences opérationnelles actuelles, ainsi qu'aux besoins et capacités futurs. Le programme RACS développe et intègre également des technologies d'automatisation pour diverses missions de combat et diverses plates-formes, basées sur le concept d'une architecture commune et des caractéristiques fondamentales telles que la mobilité, la vitesse, le contrôle et l'interaction de plusieurs machines.
La participation de robots aux opérations de combat modernes permet aux forces armées d'acquérir une expérience inestimable dans leur opération. Plusieurs domaines intéressants ont émergé concernant l'utilisation de véhicules aériens sans pilote (UAV) et de SMRK dans un théâtre opérationnel, et les planificateurs militaires ont l'intention de les étudier attentivement, notamment la gestion générale de plusieurs plates-formes, le développement de systèmes embarqués interchangeables pouvant être installés à la fois sur les drones et sur les SMRK dans le but d'étendre les capacités mondiales, ainsi que de nouvelles technologies pour des systèmes de combat inhabités prometteurs.
Selon le programme expérimental ARCD (Active Range Clearance Developments), le scénario dit "d'assurer la sécurité de la zone par des moyens automatiques" sera développé, dans lequel plusieurs SMRK travailleront avec plusieurs drones. En outre, une évaluation des solutions technologiques concernant l'utilisation de stations radar sur des plates-formes sans pilote, une évaluation de l'intégration des systèmes de contrôle et de surveillance et de l'efficacité globale des systèmes seront effectuées. Dans le cadre du programme ARCD, l'US Air Force prévoit de développer les technologies nécessaires pour augmenter l'efficacité des actions conjointes des SMRK et des drones (à la fois des systèmes d'avions et d'hélicoptères), ainsi que des algorithmes pour le fonctionnement "en continu" des capteurs de toutes les parties impliquées. plates-formes, l'échange de données de navigation et de données sur certains obstacles.
Disposition interne des composants mécaniques, électriques et électroniques SMRK SPINNER
L'American Army Research Laboratory ARL (Army Research Laboratory) mène des expérimentations dans le cadre de ses programmes de recherche afin d'évaluer la maturité de la technologie. Par exemple, ARL mène des expériences qui évaluent la capacité d'un SMRK entièrement autonome à détecter et à éviter les voitures en mouvement et les personnes en mouvement. En outre, le Space and Marine Weapons Center de l'US Navy mène des recherches sur les nouvelles technologies robotiques et les solutions techniques clés associées, notamment la cartographie autonome, l'évitement d'obstacles, les systèmes de communication avancés et les missions conjointes SMRK et UAV.
Toutes ces expériences avec la participation simultanée de plusieurs plates-formes terrestres et aériennes sont réalisées dans des conditions externes réalistes, caractérisées par un terrain complexe et un ensemble de tâches réalistes au cours desquelles les capacités de tous les composants et systèmes sont évaluées. Dans le cadre de ces programmes pilotes (et de la stratégie technologique associée) pour le développement de SMRC avancés, les orientations suivantes ont été identifiées pour maximiser le retour sur investissement futur:
- le développement technologique fournira une base technologique pour les sous-systèmes et les composants et une intégration appropriée dans les prototypes SMRK pour les tests de performance;
- les entreprises leaders dans ce domaine développeront les technologies avancées nécessaires pour étendre le champ de la robotisation, par exemple, en augmentant la portée du SMRK et en augmentant la gamme des canaux de communication; et
- le programme d'atténuation des risques assurera le développement de technologies avancées pour un système spécifique et permettra de surmonter certains problèmes technologiques.
Grâce au développement de ces technologies, les SMRK sont potentiellement capables de faire un bond en avant révolutionnaire dans le domaine militaire, leur utilisation réduira les pertes humaines et augmentera l'efficacité au combat. Cependant, pour y parvenir, ils doivent être capables de travailler de manière autonome, notamment en effectuant des tâches complexes.
Un exemple de SMRK armé. AVANTGUARD de la société israélienne G-NIUS Unmanned Ground Systems
Système robotique modulaire avancé MAARS (Modular Advanced Armed Robotic System), armé d'une mitrailleuse et de lance-grenades
Développé par la NASA SMRK GROVER sur terrain enneigé
Exigences techniques pour le SMRK avancé
Les SMRK avancés sont conçus et développés pour des missions militaires et fonctionnent principalement dans des conditions dangereuses. Aujourd'hui, de nombreux pays assurent la recherche et le développement dans le domaine des systèmes robotiques sans pilote, capables de travailler dans la plupart des cas sur des terrains accidentés. Les SMRK modernes peuvent envoyer des signaux vidéo à l'opérateur, des informations sur les obstacles, les cibles et d'autres variables intéressantes d'un point de vue tactique ou, dans le cas des systèmes les plus avancés, prendre des décisions totalement indépendantes. En fait, ces systèmes peuvent être semi-autonomes lorsque les données de navigation sont utilisées avec les données des capteurs embarqués et les commandes de l'opérateur à distance pour déterminer l'itinéraire. Un véhicule entièrement autonome détermine lui-même son propre parcours, en utilisant uniquement des capteurs embarqués pour développer un itinéraire, mais en même temps, l'opérateur a toujours la possibilité de prendre les décisions spécifiques nécessaires et de prendre le contrôle dans des situations critiques ou en cas de dommages à la machine.
Aujourd'hui, les SMRK modernes peuvent détecter, identifier, localiser et neutraliser rapidement de nombreux types de menaces, y compris l'activité ennemie dans des conditions de rayonnement, de contamination chimique ou biologique sur divers types de terrain. Lors du développement de SMRK modernes, le problème principal est la création d'une conception fonctionnellement efficace. Les points clés incluent la conception mécanique, une suite de capteurs et de systèmes de navigation embarqués, l'interaction homme-robot, la mobilité, les communications et la consommation d'énergie/d'énergie.
Les exigences d'interaction robot-humain incluent des interfaces homme-machine très complexes et, par conséquent, des solutions techniques multimodales doivent être développées pour des interfaces sûres et conviviales. La technologie moderne d'interaction robot-humain est très complexe et nécessitera de nombreux tests et évaluations dans des conditions de fonctionnement réalistes afin d'atteindre de bons niveaux de fiabilité, à la fois dans l'interaction homme-robot et dans l'interaction robot-robot.
SMRK armé développé par la société estonienne MILREM
L'objectif des concepteurs est le développement réussi d'un SMRK capable d'effectuer sa tâche de jour comme de nuit sur des terrains difficiles. Afin d'atteindre une efficacité maximale dans chaque situation spécifique, le SMRK doit pouvoir se déplacer sur tous types de terrains avec des obstacles à grande vitesse, avec une grande maniabilité et changer rapidement de direction sans réduction significative de la vitesse. Les paramètres de conception liés à la mobilité incluent également des caractéristiques cinématiques (principalement la capacité de maintenir le contact avec le sol dans toutes les conditions). SMRK a, en plus de l'avantage de ne pas avoir les limitations inhérentes à l'homme, également l'inconvénient de la nécessité d'intégrer des mécanismes complexes pouvant remplacer les mouvements humains. Les exigences de conception pour les performances de conduite doivent être intégrées à la technologie de détection ainsi qu'au développement de capteurs et de logiciels afin d'obtenir une bonne mobilité et la capacité d'éviter divers types d'obstacles.
L'une des exigences extrêmement importantes pour une mobilité élevée est la capacité d'utiliser des informations sur l'environnement naturel (montées, végétation, rochers ou eau), les objets artificiels (ponts, routes ou bâtiments), la météo et les obstacles ennemis (champs de mines ou obstacles). Dans ce cas, il devient possible de déterminer ses propres positions et les positions ennemies, et en appliquant un changement significatif de vitesse et de direction, les chances de survie du SMRK sous le feu ennemi sont considérablement augmentées. De telles caractéristiques techniques permettent de développer des SMRK de reconnaissance armée capables d'effectuer des missions de reconnaissance, d'observation et d'acquisition d'objectifs, des missions de tir en présence d'un complexe d'armes, mais également capables de détecter des menaces à des fins d'autodéfense (mines, systèmes d'armes ennemis, etc.).
Toutes ces capacités de combat doivent être mises en œuvre en temps réel afin d'éviter les menaces et de neutraliser l'ennemi, en utilisant soit ses propres armes, soit des canaux de communication avec des systèmes d'armes à distance. Une mobilité élevée et la capacité de localiser et de suivre les cibles et les activités ennemies dans des conditions de combat difficiles sont extrêmement importantes. Cela nécessite le développement d'un SMRK intelligent capable de suivre l'activité ennemie en temps réel grâce aux algorithmes complexes intégrés pour reconnaître les mouvements.
Les capacités avancées, y compris les capteurs, les algorithmes de fusion de données, la visualisation proactive et le traitement des données, sont essentielles et nécessitent une architecture matérielle et logicielle moderne. Lors de l'exécution d'une tâche dans le SMRK moderne, le système GPS, une unité de mesure inertielle et un système de navigation inertielle sont utilisés pour estimer l'emplacement.
En utilisant les données de navigation obtenues grâce à ces systèmes, le SMRK peut se déplacer de manière autonome en fonction des commandes du programme embarqué ou du système de télécommande. Dans le même temps, SMRK est capable d'envoyer des données de navigation à une station de contrôle à distance à de courts intervalles afin que l'opérateur connaisse son emplacement exact. Les SMRK entièrement autonomes peuvent planifier leurs actions, et pour cela, il est absolument nécessaire de développer un itinéraire qui exclue les collisions, tout en minimisant des paramètres fondamentaux tels que le temps, l'énergie et la distance. Un ordinateur de navigation et un ordinateur avec des informations peuvent être utilisés pour tracer l'itinéraire optimal et le corriger (des télémètres laser et des capteurs à ultrasons peuvent être utilisés pour détecter efficacement les obstacles).
Composants d'un prototype SMRK armé développé par des étudiants indiens
Conception de systèmes de navigation et de communication
Un autre problème important dans le développement d'un SMRK efficace est la conception du système de navigation/communication. Des caméras numériques et des capteurs sont installés pour un retour visuel, tandis que des systèmes infrarouges sont installés pour un fonctionnement de nuit; l'opérateur peut voir l'image vidéo sur son ordinateur et envoyer quelques commandes de navigation de base au SMRK (droite/gauche, stop, avance) pour corriger les signaux de navigation.
Dans le cas du SMRK entièrement autonome, les systèmes de visualisation sont intégrés aux systèmes de navigation basés sur des cartes numériques et des données GPS. Pour créer un SMRK entièrement autonome, pour des fonctions de base telles que la navigation, il sera nécessaire d'intégrer des systèmes de perception des conditions extérieures, de planification d'itinéraire et un canal de communication.
Alors que l'intégration de systèmes de navigation pour un seul SMRK est à un stade avancé, le développement d'algorithmes pour planifier le fonctionnement simultané de plusieurs SMRK et des tâches conjointes de SMRK et d'UAV est à un stade précoce, car il est très difficile d'établir une interaction de communication entre plusieurs systèmes robotiques à la fois. Les expériences en cours aideront à déterminer quelles fréquences et gammes de fréquences sont nécessaires et comment les exigences varieront pour une application particulière. Une fois ces caractéristiques déterminées, il sera possible de développer des fonctions avancées et des logiciels pour plusieurs machines robotiques.
L'hélicoptère sans pilote K-MAX transporte un véhicule robotique SMSS (Squad Mission Support System) pendant les tests d'autonomie; alors que le pilote était dans le cockpit du K-MAX, mais ne le contrôlait pas
Les moyens de communication sont très importants pour le fonctionnement du SMRK, mais les solutions sans fil présentent des inconvénients assez importants, car la communication établie peut être perdue en raison d'interférences liées au terrain, aux obstacles ou à l'activité du système de suppression électronique de l'ennemi. Les développements récents des systèmes de communication machine à machine sont très intéressants, et grâce à cette recherche, des équipements abordables et efficaces pour la communication entre plates-formes robotiques peuvent être créés. La norme de communication spéciale courte portée DRSC (Dedicated Short-Range Communication) sera appliquée en conditions réelles pour la communication entre SMRK et entre SMRK et UAV. Une grande attention est actuellement accordée à la sécurité de la communication dans les opérations réseau-centrées et donc les futurs projets dans le domaine des systèmes habités et inhabités devraient être basés sur des solutions avancées conformes aux normes d'interface communes.
Aujourd'hui, les exigences pour les tâches à court terme et à faible consommation d'énergie sont largement satisfaites, mais il existe des problèmes avec les plates-formes effectuant des tâches à long terme avec une consommation d'énergie élevée, en particulier, l'un des problèmes les plus urgents est le streaming vidéo.
Carburant
Les options pour les sources d'énergie dépendent du type de système: pour les petits SMRK, la source d'énergie peut être une batterie rechargeable avancée, mais pour les plus gros SMRK, le carburant conventionnel peut générer l'énergie nécessaire, ce qui permet de mettre en œuvre un schéma avec un moteur-générateur ou un système de propulsion électrique hybride de nouvelle génération. Les facteurs les plus évidents affectant l'approvisionnement en énergie sont les conditions environnementales, le poids et les dimensions de la machine et le temps d'exécution des tâches. Dans certains cas, le système d'alimentation doit être constitué d'un système de carburant comme source principale et d'une batterie rechargeable (visibilité réduite). Le choix du type d'énergie approprié dépend de tous les facteurs qui affectent l'exécution de la tâche, et la source d'énergie doit fournir la mobilité requise, le fonctionnement ininterrompu du système de communication, de l'ensemble de capteurs et du complexe d'armes (le cas échéant).
De plus, il est nécessaire de résoudre les problèmes techniques liés à la mobilité sur terrain difficile, à la perception des obstacles et à l'autocorrection des actions erronées. Dans le cadre de projets modernes, de nouvelles technologies robotiques avancées ont été développées concernant l'intégration de capteurs et de traitement de données embarqués, la sélection d'itinéraires et la navigation, la détection, la classification et l'évitement d'obstacles, ainsi que l'élimination des erreurs liées à la perte de communication et déstabilisation de la plateforme. La navigation tout-terrain autonome nécessite que le véhicule distingue le terrain, ce qui inclut l'orographie 3D du terrain (description du terrain) et l'identification des obstacles tels que les rochers, les arbres, les plans d'eau stagnants, etc. Les capacités générales sont en constante augmentation et aujourd'hui on peut déjà parler d'un niveau de définition suffisamment élevé de l'image du terrain, mais seulement de jour et par beau temps, mais les capacités des plateformes robotiques dans un espace inconnu et par mauvais temps les conditions sont encore insuffisantes. À cet égard, la DARPA mène plusieurs programmes expérimentaux, où les capacités des plates-formes robotiques sont testées en terrain inconnu, par tous les temps, de jour comme de nuit. Le programme DARPA, appelé Applied Research in AI (Applied Research in Artificial Intelligence), étudie la prise de décision intelligente et d'autres solutions technologiques avancées pour les systèmes autonomes pour des applications spécifiques dans les systèmes robotiques avancés, ainsi que le développement d'algorithmes d'apprentissage multi-robotiques autonomes pour effectuer des tâches conjointes, ce qui permettra à des groupes de robots de traiter automatiquement de nouvelles tâches et de réaffecter les rôles entre eux.
Comme déjà mentionné, les conditions de fonctionnement et le type de tâche déterminent la conception d'un SMRK moderne, qui est une plate-forme mobile avec une alimentation électrique, des capteurs, des ordinateurs et une architecture logicielle pour la perception, la navigation, la communication, l'apprentissage/l'adaptation, l'interaction entre un robot et une personne. À l'avenir, ils seront plus multilatéraux, auront un niveau accru d'unification et d'interaction, et seront également plus efficaces d'un point de vue économique. Les systèmes avec des charges utiles modulaires sont particulièrement intéressants, qui permettent d'adapter les machines à différentes tâches. Au cours de la prochaine décennie, des véhicules robotiques basés sur une architecture ouverte deviendront disponibles pour les opérations tactiques et la protection des bases et autres infrastructures. Ils se caractériseront par un niveau important d'uniformité et d'autonomie, une grande mobilité et des systèmes embarqués modulaires.
La technologie SMRK pour les applications militaires évolue rapidement, ce qui permettra à de nombreuses forces armées de soustraire les soldats à des tâches dangereuses, notamment la détection et la destruction des EEI, la reconnaissance, la protection de leurs forces, le déminage et bien plus encore. Par exemple, le concept de groupes de combat de brigade de l'armée américaine, grâce à des simulations informatiques avancées, à un entraînement au combat et à une expérience de combat dans le monde réel, a démontré que les véhicules robotiques ont amélioré la capacité de survie des véhicules terrestres avec équipage et considérablement amélioré l'efficacité au combat. Le développement de technologies prometteuses, telles que la mobilité, l'autonomie, l'équipement en armes, les interfaces homme-machine, l'intelligence artificielle pour les systèmes robotiques, l'intégration avec d'autres systèmes SMRK et habités, permettront d'augmenter les capacités des systèmes au sol inhabités et leur niveau de autonomie.
Complexe robotique à percussion russe Platform-M développé par NITI "Progress"
