Автоматические системы транспортных средств

АВТОМАТИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ 
ТРАНСПОРТНЫХ
СРЕДСТВ

В.В. Беляков, Д.В. Зезюлин, 
B.C. Макаров, А.В. Тумасов

Допущено УМО вузов РФ по образованию
в области транспортных машин
и транспортно-технологических комплексов
в качестве учебника для студентов вузов,
обучающихся по направлению 23.03.02 
«Наземные транспортно-технологические комплексы»

УЧЕБНИК

Москва                                        2020

ИНФРА-М

УДК 629(075.8)
ББК 39.33я73
 
Б44

Беляков В.В.
Б44 
 
Автоматические системы транспортных средств : учебник / В.В. Беляков, Д.В. Зезюлин, B.C. Макаров, А.В. Тумасов. — Москва :  ФОРУМ : 
ИНФРА-М, 2020. — 352 с. — (Высшее образование).

ISBN 978-5-00091-696-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-011913-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-107745-0 (ИНФРА-М, online)

В учебнике рассматриваются основные понятия теории управления 
технических систем, классификация, конструкционные особенности 
и процессы функционирования систем автоматического регулирования 
и управления транспортных средств: автомобилей, тракторов, многоцелевых колесных и гусеничных машин, мобильных роботов и планетоходов.
Учебник предназначен для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению 23.03.02 «Наземные транспортно-технологические комплексы», а также конструкторов и исследователей автотракторной 
техники, специальных многоцелевых автономных автоматических транспортных средств и наземных транспортно-технологических комплексов.

УДК 629(075.8)
ББК 39.33я73

Р е ц е н з е н т ы:
Котиев Г.О. — доктор технических наук, профессор;
Наумов В.Н. — доктор технических наук, профессор кафедры «Колесные и гусеничные машины» Санкт-Петербургского государственного политехнического университета

ISBN 978-5-00091-696-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-011913-7 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-107745-0 (ИНФРА-М, online)

© Беляков В.В., Зезюлин Д.В., 
Макаров B.C., Тумасов А.В., 2014
© ФОРУМ, 2014

Введение

Первые автоматы, то есть машины, работающие без участия человека, были созданы очень давно. Еще греческим ученым Героном
Александрийским, жившим в I в., описано около ста автоматов, известных в то время. Автоматы древности служили, как правило, развлекательным и религиозным целям.
Первые автоматические устройства промышленного назначения
были разработаны в связи с появлением паровых машин. Изобретение первого в мире промышленного регулятора было осуществлено
знаменитым русским механиком И.И. Ползуновым в 1765 г. Это был
регулятор, автоматически поддерживавший уровень воды в котле паровой машины. Предложенный И.И. Ползуновым принцип регулирования по отклонению является одним из основных принципов построения различных автоматических систем.
Во второй половине XIX в. появились автоматические устройства,
основанные на использовании электрической энергии. Одним из первых таких автоматов был электромагнитный регулятор скорости вращения паровой машины, разработанный русским ученым К.И. Константиновым.
Теоретические основы проектирования автоматических регуляторов были разработаны русским ученым И.А. Вышнеградским и английским ученым Дж.К. Максвеллом. Для создания и развития математического аппарата, используемого в исследовании автоматических систем, много сделали выдающиеся отечественные ученые
А.М. Ляпунов, П.Л. Чебышев, Н.Е. Жуковский.
Длительное время работы по созданию автоматических систем в
механике, теплотехнике, электротехнике и других областях техники
велись независимо друг от друга, и только в 40х годах прошлого века
автоматика сформировалась в качестве самостоятельной научной
дисциплины, изучающей методы анализа и синтеза систем автоматического управления в технике независимо от их физической природы.

В эти же годы возникла новая научная дисциплина — кибернетика. Слово «кибернетика» происходит от двух греческих слов: «кибер»
(«над») и «наутис» («моряк»), то есть «кибернаутис» — старший над
моряками. Греческий философ Платон использовал термин «кибернетика» для названия искусства управления обществом. В 1948 г. американский ученый Н. Винер снова ввел этот термин, определив кибернетику как науку об управлении и связи в живой и неживой природе.
Одно из основных положений кибернетики состоит в том, что
управление — это процесс переработки информации. Методы кибернетики находят применение не только при исследовании процессов
управления в неживой природе, но и при исследовании процессов
управления в живых организмах и в обществе. Поэтому автоматику
теперь рассматривают как раздел кибернетики, посвященный изучению систем автоматического управления в технике (техническая кибернетика).
В настоящее время автоматические системы нашли широкое применение во всех областях деятельности человека — в промышленности, на транспорте, в связи, в научных (в частности, космических) исследованиях и др.
В нашей стране разработаны и используются самые разнообразные системы автоматического управления. Первый в мире полностью
автоматический завод был создан в СССР, на нем изготавливались
поршни для автомобильных двигателей. Выдающимися являются успехи Советского Союза, а теперь России в освоении космического
пространства с помощью автоматических межпланетных кораблей.
В развитии теории автоматического управления велика роль трудов А.А. Андронова, Н.Н. Боголюбова, Б.В. Булгакова, И.Н. Вознесенского, П.С. Гольдфарба, A.Н. Колмогорова, А.А. Красовского,
Н.М. Крылова, B.С. Кулебакина, А.В. Михайлова, Б.П. Петрова,
Е.П. Попова, Г.С. Поспелова, В.С. Пугачева, В.В. Солодовникова,
А.С. Шаталова, А.А. Фельдбаума, Я.З. Цыпкина и многих других советских ученых.
Развитие всех областей техники в России и за границей характеризуется широкой автоматизацией различных производственных
процессов.
Автоматическими называются устройства, которые управляют
различными процессами и контролируют их без непрерывного вмешательства человека. При этом не только облегчается труд человека,
но и повышается скорость и точность выполнения операций, что зна4
Введение

чительно повышает производительность труда. Подобные автоматические системы используются в различных областях техники, обеспечивая адаптацию управляемых объектов к изменяющимся условиям,
оптимизацию режимов их работы, высокое быстродействие, надежность и т. д.
В настоящее время широко применяются автоматические и автоматизированные системы управления на автомобильном транспорте.
Встроенные бортовые автоматические системы управления автомобилем улучшают его эксплуатационные характеристики, облегчают
труд водителя, повышают безопасность движения.
Как известно, возможности традиционных механических устройств ограниченны. Поэтому внимание научных работников и инженеров привлекают вопросы применения различных электронных
устройств на автомобиле.
В автомобиле уже давно используются такие электронные приборы, как диодные полупроводниковые выпрямители, обеспечивающие
преобразование переменного тока генератора в постоянный; устройства электронного зажигания, повышающие экономичность двигателя и уменьшающие токсичность выхлопных газов. Опыт эксплуатации подобных устройств на автомобиле показал перспективность их
использования.
К автомобильной электронной аппаратуре предъявляются и особые требования, среди которых такие: небольшие размеры и масса
электронных устройств, их надежная работа в условиях вибраций,
значительных ускорений, резких температурных перепадов, запыленности и влажности, при колебаниях питающего напряжения.
Широкое применение электронной техники и малогабаритных
быстродействующих микропроцессоров и микроЭВМ позволяет создавать различные бортовые автомобильные автоматические (полуавтоматические) системы, облегчающие труд или заменяющие (дублирующие) водителя. В связи с этим инженеры переходят от использования отдельных электронных устройств, выполняющих определенные
функции, к автоматической централизованной системе управления с
помощью бортовых микропроцессоров.
Так, наиболее распространены электронные автоматические и
полуавтоматические системы, управляющие работой двигателя, силовой передачей, системами курсовой устойчивости и безопасности,
обеспечения комфорта при движении. Другой областью применения
бортовых автоматических систем является решение задачи обеспечеВведение
5

ния комфортности и безопасности водителя и пассажиров. Для этой
цели используются автоматические системы как для обеспечения заданных условий микроклимата, так и системы активной и пассивной
безопасности.
Другой важной областью использования автоматических и полуавтоматических систем является управление движением транспортных
средств (ТС). Находят применение и разрабатываются автоматизированные системы управления движением (АСУД), решающие в основном навигационные задачи по регулированию движения. В АСУД на
основе данных о ТС, условиях их движения, поступающих на сервер
системы, вырабатываются указания о необходимой скорости и маршруте движения всех ТС. Эти данные поступают на светофоры или через спутниковую связь передаются на борт ТС, отображаются на дисплее и являются руководящими для водителей. Наряду с АСУД разработаны и начинают применяться различные бортовые автоматические
(полуавтоматические) системы управления движением отдельных ТС.
В учебнике рассматриваются основные понятия теории управления технических систем, классификация, конструкционные особенности и процессы функционирования систем автоматического регулирования и управления транспортных средств: автомобилей, тракторов, многоцелевых колесных и гусеничных машин, наземных
транспортнотехнологических комплексов, мобильных роботов и
планетоходов. Формулируются задачи, решаемые автоматическими и
полуавтоматическими системами на ТС. В книге представлены различные типы автоматических автотракторных систем управления, а
также автомобиль как объект управления в целом. Описаны элементы
этих систем управления — датчики, устройства обработки (микропроцессоры), исполнительные механизмы.
Любая транспортнотехнологическая машина (ТТМ) может быть
представлена определенным набором узлов и агрегатов, механизмов и
систем, которые решают в зависимости от назначения одну из задач
управления: задачу поддержания скорости движения, поддержания
курсовой ориентации, поддержания подвижности машины, а также
устранения критических ситуаций. Решение этих задач направлено на
реализацию основной проблемы управления — обеспечения устойчивого и безопасного движения автомобиля.
Каждая из систем автомобиля, представляя определенную задачу,
является локальной по отношению к совокупности систем автомобиля в целом.

6
Введение

Автоматические и автоматизированные системы отвечают не
только за поддержание подвижности ТТМ, но и обеспечивают необходимый уровень комфорта и безопасности движения. Системы автоматического управления на всех уровнях повышают проходимость,
мобильность и надежность техники, возможность поддержания ее работоспособности при отказах систем самовосстановления и дублирования, комфорт и эргономику, а также обеспечивают активную и пассивную безопасность транспортных средств.
Необходимость создания автономных автоматических транспортных средств (ААТС), способных автономно функционировать в условиях, опасных для жизни человека, существует во многих областях
науки и техники, например при проведении космических и подводных исследований, при работе в зоне радиоактивного или химического загрязнения, при создании безэкипажных боевых машин и т. д.
Среди вопросов, которые необходимо решить при разработке подобных систем, можно назвать выбор программных и аппаратных
средств распознавания образов, ориентирования, обеспечение автономности, построение искусственного интеллекта и пр.
В настоящее время развитие процесса автоматизации управления
усложняют воздействия условий эксплуатации. Решение этой задачи
рассмотрено во второй части учебного пособия.
На сегодняшний день нет единой теории по проблеме разработки
ААТС, существуют лишь отдельные рекомендации. В данной работе
сформулирована концепция построения таких ТС, описаны создание
ААТС, приемы обеспечения надежности при конструировании
ААТС, поиски технических решений по оснащению техники необходимыми системами, подсистемами, узлами и агрегатами с целью
обеспечения автоматического управления в системе «автономное
транспортное средство — система управления — местность».
Приведены концептуальные подходы и методология создания
ААТС, показаны примеры автономных систем ТТМ.
Учебник предназначен для студентов вузов, обучающихся по направлению 23.03.02 «Наземные транспортнотехнологические комплексы», а также конструкторов и исследователей автотракторной
техники, специальных многоцелевых автономных автоматических
транспортных средств и наземных транспортнотехнологических
комплексов.

Введение
7

Глава 1
СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ
И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ
СИСТЕМ ЭЛЕКТРОННОГО УПРАВЛЕНИЯ
АВТОМОБИЛЕЙ

1.1. Мотивация создания
систем автоматического управления автомобилей

Мотивацией к развитию систем автоматического управления
(САУ) послужила сложная дорожная ситуация, связанная с высоким
риском возникновения различных дорожнотранспортных происшествий.
Постоянно увеличивающиеся скорости и плотность дорожного
движения создают растущую потребность в автомобилях с хорошими
динамическими качествами и одновременно высоким уровнем безопасности во всех режимах движения. Это стимулирует рост производства различных систем контроля движения автомобиля (системы помощи водителю), призванных помочь ему сохранять контроль над автомобилем в сложных ситуациях [1]. Еще одной предпосылкой
развития САУ является то, что человек, т. е. водитель, является наименее надежным «элементом» любого транспортного средства и, как
правило, именно по причине ошибочных действий человека происходят дорожнотранспортные происшествия (ДТП).
В нашей стране проблема повышения безопасности дорожного
движения является весьма актуальной. Ежегодно на дорогах России в
миллионах ДТП погибают десятки тысяч наших сограждан.

В соответствии со статистикой Правительства РФ в 2008 г. зарегистрировано около 21 погибшего в ДТП на каждые 100 000 жителей.
Для сравнения в США в 2008 г. было 12 погибших на каждые 100 000
жителей, в Германии — 6 погибших. Без принятия какихлибо действий и конструктивных решений возможно, что в ближайшие годы
в России будут гибнуть в ДТП более 100 000 человек в год.

Одной из главных причин ДТП в России является так называемый человеческий фактор, в частности невнимательность водителей
транспортных средств (ТС). Такая ситуация характерна и для других
стран мирового сообщества. Например, в Европе более 90 % ДТП
происходят изза ошибок водителей ТС. В этой связи становится актуальной проблема снижения количества ДТП за счет оснащения
транспортных средств автоматическими системами активной безопасности (системами поддержки подвижности).
За счет контроля дорожных условий и условий движения ТС данные системы управления способны среагировать на внезапно изменяющуюся ситуацию намного раньше, чем это может сделать водитель.
Более того, интеллектуальные системы не позволяют водителю совершать ошибочные действия, которые могут стать причиной ДТП [2].

1.1. Мотивация создания систем автоматического управления автомобилей
9

Рис. 1.1. Примеры ДТП [3]

1.2. Что такое автоматическое управление в технике?

Автоматическое управление в технике — совокупность действий,
направленных на поддержание или улучшение функционирования
управляемого объекта без непосредственного участия человека в соответствии с заданной целью управления. Под управлением понимают целенаправленное изменение состояния объекта для наилучшего
выполнения им определенных задач [4]. Агрегат, машина, аппарат,
комплекс машин или аппаратов, в которых протекает процесс, подлежащий управлению, называются объектом управления.
В общем случае процесс управления состоит из получения информации о цели управления, получения информации о результатах
управления (поведении управляемого объекта), анализа полученной
информации, выработки решения и исполнения принятого решения.
Для осуществления процесса управления необходимо иметь источники информации о цели и результатах управления, устройство
для анализа информации и принятия решения, устройство, реализующее принятое решение (исполнительное устройство).
Чтобы лучше понять процесс управления, рассмотрим типовой
пример управления автомобилем. Видя перед собой препятствие, водитель принимает решение о том, как нужно изменить направление
движения автомобиля, в какую сторону и насколько повернуть рулевое колесо.
Рассматривая этот пример, мы можем выделить в процессе управления следующие элементы. Первый — получение информации о
маршруте движения, т. е. о цели (задаче) управления. Второй элемент — получение информации о положении автомобиля, т. е. о результатах управления. Требуемую информацию водитель получает
при помощи зрения. Третий элемент — анализ полученной информации и принятие решения о требуемых управляющих действиях. Эту
задачу решает мозг водителя. Четвертый элемент — исполнение принятого решения (в данном случае это поворот рулевого колеса).
В рассмотренном примере объектом управления является автомобиль, точнее — процесс его движения. Здесь все элементы процесса управления осуществляет человек; такое управление называют
ручным.
Однако в целом ряде случаев человек не в состоянии управлять
процессом. Он при помощи своих органов чувств не может получать
информацию, необходимую для управления. Поэтому для получения

10
Глава 1. Современное состояние и тенденции развития...