Эскизное проектирование беспилотных транспортных средств

 
 
Л. М. Макаров 
 
 
 
 
 
ЭСКИЗНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ 
БЕСПИЛОТНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ 
 
 
 
Учебное пособие 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2024 
1 
 

УДК 656.02 
ББК 39.12 
М15 
 
 
Рецензенты: 
ПАО «Интелтех», доктор технических наук, профессор В. И. Курносов; 
заведующий кафедрой информатики и компьютерного дизайна СПбГУТ 
доктор технических наук, профессор Д. В. Волошинов 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Макаров, Л. М. 
М15  
Эскизное проектирование беспилотных транспортных средств : учебное пособие / Л. М. Макаров. – Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 
2024. – 116 с. : ил., табл.  
 ISBN 978-5-9729-1934-5 
 
Содержит типовые схемы компоновки деталей, узлов и агрегатов, а также эскизные проектные решения размещения функциональных блоков в различных конструкциях беспилотных транспортных средств. Содержание книги представлено основными тематическими линиями эскизного проектирования беспилотных транспортных 
средств, создающими базовые понятия о конструктивных элементах, блоках и функциональных узлах современных подвижных технических систем, обладающих возможностью воспроизводить сложные транспортные сети.  
Для студентов, магистров и аспирантов, владеющих базовыми знаниями в области научных дисциплин: «Механотроника», «Автоматика и телемеханика», «Вычислительная техника», «Автоматизированные системы телекоммуникации и управления», 
«Системы связи», «Интеллектуальные информационные системы». Может представлять интерес для инженеров и научных работников.   
 
УДК 656.02 
ББК 39.12 
 
 
 
 
ISBN 978-5-9729-1934-5 
” Макаров Л. М., 2024 
 
” Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
 
” Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024 
2 
 

ǵȊȒȇȉȒȌȔȏȌ 
 
Введение ...................................................................................................................... 4 
 
РАЗДЕЛ 1. БЕСПИЛОТНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА ...................... 6 
1.1. Исторический аспект БТС 
................................................................................ 6 
1.2. Беспилотное транспортное средство 
............................................................... 7 
1.3. Контроль передвижения БТС 
......................................................................... 10 
 
РАЗДЕЛ 2. НАВИГАЦИЯ 
...................................................................................... 21 
2.1. Навигация в пространстве .............................................................................. 21 
2.2. Картография 
..................................................................................................... 24 
2.3. Транспортная задача навигации .................................................................... 27 
2.4. Акселерометр 
................................................................................................... 33 
 
РАЗДЕЛ 3. ИНФОРМАЦИОННАЯ СЕТЬ 
......................................................... 41 
3.1. Терминалы сети ............................................................................................... 41 
3.2. Локальная информационная сеть на БТС 
..................................................... 42 
3.3. Интерфейс и каналы связи ............................................................................. 47 
3.4. Модуль нейронной навигации ....................................................................... 50 
 
РАЗДЕЛ 4. АППАРАТУРА ПЕРЕДВИЖЕНИЯ И УПРАВЛЕНИЯ ............. 60 
4.1. Электропривод для БТС ................................................................................. 60 
4.2. Электродвигатели 
............................................................................................ 68 
4.3. Блок управления БТС...................................................................................... 81 
4.4. Квадрокоптер ................................................................................................... 84 
 
РАЗДЕЛ 5. НАЗЕМНЫЕ ТРАНСПОРТНЫЕ СРЕДСТВА 
........................... 102 
5.1. Автотранспорт ............................................................................................... 102 
5.2. Сеть мониторинга территории  
.................................................................... 104 
 
Заключение ............................................................................................................. 112 
 
Литература 
.............................................................................................................. 113 
 
 
 
 
 
 
 
 
3 
 

ǩȉȌȋȌȔȏȌ 
 
Современные научные исследования демонстрируют широкие возможности информационных технологий организации процессов эскизного проектирования беспилотных транспортных средств. Значительный опыт проектирования сложных аппаратов и устройств актуализирует создание новых образцов изделий, но с учетом новых технологий. Можно сказать, что, используя достижения в области микроэлектроники, стало возможным создавать известные в прошлом приборы и устройства, но совершенно на новой элементной базе. На первом плане таких разработок оказались относительно простые изделия, такие как 
компактные и малогабаритные компьютеры, телевизоры, средства связи и целый ряд других устройств. Массовое использование средств связи в решении 
совершенно несхожих задач открыло новые горизонты развития известных технических проектов. 
Многолетний опыт эскизного проектирования транспортных средств оказался важным звеном в процессе создания беспилотных средств доставки грузов различной категории. Традиционное использование транспорта как средства 
доставки грузов или организации пассажиропотока сформировало новое техническое направление – создание мобильных малогабаритных аппаратов. Введение в практику таких технических систем стало возможным благодаря развитию 
микроэлектроники, электротехники и робототехники. 
Декларируя наличие малых габаритов проектируемых транспортных аппаратов, инициализируется новая ранее не освещаемая проблема, связанная с 
управлением такого транспорта. Принимая это во внимание, представляется целесообразным рассматривать несколько технологий связи с объектом управления. Здесь могут рассматриваться как традиционные технологии радиосвязи, так 
и технологии коммуникации процессоров, осуществляющих весь процесс передвижения транспортного средства. Включение в состав конструкции транспортного средства микропроцессоров, способных формировать маршрут движения 
как при участии человека, так и в автоматическом режиме исполнения заданного маршрута, требует достаточно большого опыта и знаний проектирования подобных аппаратов. Чтобы понизить требования к разработчику проекта, создающего малогабаритное мобильное транспортное средство, представляется целесообразным использовать прошлый опыт, представленный в виде готовых решений исполнения функциональных элементов проектируемого изделия. В таком случае проектирование следует рассматривать как процесс определения архитектуры, компонентов, интерфейсов и других характеристик системы или ее 
части (ISO 247651). 
Международная организация по стандартизации была создана в 1946 году 
двадцатью пятью национальными организациями по стандартизации, на основе 
 
1 Международная организация по стандартизации, ИСО (англ. International Organization for Standardization, ISO; 
фр. Organisation internationale de normalisation, ISO) – международная организация, занимающая-ся выпуском 
стандартов. 
4 
 

двух организаций: ISA (International Federation of National Standardizing Associations), учрежденной в Нью-Йорке в 1926 году (расформирована в 1942), и UNSCC 
(United Nations Standards Coordinating Committee), учрежденной в 1944 году. 
Фактически работа с участием России по выработке общих стандартов и их применению на практике началась с 1947 года. 23 сентября 2005 года Россия вошла 
в Совет ИСО.  
Малогабаритные транспортные средства являются частью технического 
интереса большой отрасли знаний – робототехники. Робототехника является 
междисциплинарной областью исследований на стыке информатики и инженерного дела. Робототехника включает в себя проектирование, создание, эксплуатацию и использование робототехнических систем. Цель робототехники – 
разработать интеллектуальные машины, которые способны исполнять сложные 
и трудоемкие работы в социуме. Робототехника опирается на достижения информационной инженерии, компьютерной инженерии, машиностроения и вычислительной техники. 
Робототехника как научно производственная отрасль воспроизводит технические конструкции систем, которые могут заменять людей и воспроизводить человеческие действия. Роботов можно использовать во многих ситуациях 
и для многих целей, но сегодня многие из них используются в опасных средах 
(включая контроль радиоактивных материалов, обнаружение бомбы и деактивацию), производственных процессах или там, где люди не могут выжить (например, в космосе, под водой, в условиях высокой температуры, а также для очистки и локализации опасных материалов и радиации). 
Концепция создания роботов и подвижных аппаратов, ориентированных 
на исполнение большого перечня разных задач, открывает новые перспекти- 
вы в эскизном проектировании сложных систем. На протяжении всей истории 
современного социума различные категории ученых, изобретателей, инженеров 
и технических специалистов часто предполагали, что однажды роботы смогут 
имитировать человеческое поведение. Сегодня робототехника – это обширная 
быстро развивающаяся область, реализующая свои идеи во множестве важных 
на практике проектах по формированию эскизных проектов транспортных средств. 
В этом направлении проводятся многочисленные исследования, ориентированные на создание новых робототехнических систем, способных самостоятельно 
передвигаться в наземных условиях с разным климатом.  
 
 
 
 
 
 
 
5 
 

ǷǧǮǫǬDz 
 
ǨǬǸǶǯDzǵǹǴȂǬǹǷǧǴǸǶǵǷǹǴȂǬǸǷǬǫǸǹǩǧ 
 
1.1. ǯȘșȕȗȏȞȌȘȑȏȐȇȘȖȌȑșǨǹǸ 
 
Современное представление о БТС создается на основе двух тематических 
разработок: механики, теории расчета механических узлов и блоков, а также 
электроники – электронных блоков, осуществляющих и контролирующих все 
рабочие процессы транспортного средства [12].  
Идею о самоходном аппарате впервые развил Джеймс Уатт2 создав паровой двигатель. Впоследствии эта идея воплотилась в конструкции паровоза 
(1781 г.). Этот аппарат своим появление произвел значительные изменения в теоретических основах традиционной механики. В этот период формируется новый взгляд на создание механизмов, ориентированных на исполнение реальных 
практических задач, где демонстрируется возможность преобразования энергии 
пара в механическую энергию движения. 
Естественнонаучные размышления о возможности создания самодвижущихся аппаратов стали приобретать реальность на поле понятий математики. 
Проектирование механизмов, на основе математического расчета сочетаний типичных элементов создает новые представления о полезности, возможности демонстрации исполнения механической работы и простого подражания походке 
человека. Типичным примером такой подвижной конструкции является стопоход П. Чебышева3 [1]. Первая в мире шагающая машина, экспонируется на Всемирной выставке в Париже в 1878 году. 
В историческом отношении понятия о электрических явлениях формиро- 
вались на примерах электростатики. Можно отметить, что первые представле- 
ния об электрических явлениях, воспроизводимых человеком, заложены в Древней Греции трудах Фалеса Милетского. В то время многократно демонстрировался эффект с янтарем и металлическими частицами. Производя несложные 
процедуры с янтарем, можно было наблюдать притяжение металлических частиц. Электростатическое электричество, возникающее в таком опыте в последующем, послужило отправной точкой развития представлений о возможности 
создания важных для практики аппаратов и приборов. Последующие упоминания об электричестве и оборудовании для его выработки относятся к нача- 
лу XVII века, когда была создана электрическая машина-магнит. Уже в 1729 году было совершена первая передача электричества на расстояние. 
Первые эвристические результаты по практическому использованию электрического тока получены К. Эрстедом4 (1820 г.), а затем М. Фарадей5 (1831 г.), 
 
2 Джеймс Уатт (1736–1819) – шотландский инженер, изобретатель-механик. Ввел первую единицу мощности – 
лошадиную силу. 
3 Пафнутий Львович Чебышев (1821–1894) – русский математик и механик. 
4 Ханс Кристиан Эрстед (1777–1851) – датский физик, исследователь явлений электромагнетизма. 
5 Майкл Фарадей (1791–1867) – английский физик-экспериментатор и химик. 
6 
 

который воспроизвел серию демонстрационных опытов, обладающих прагма- 
тикой. Работы по физике исследования электрического тока отчетливо демонстрировали сопряжение понятий электрического тока и магнитного поля. Полевой эффект взаимодействия между электрическими и магнитными силами в физике получило название электромагнитной индукции. Физическое свойство электромагнитной индукции применено П. Яблочковым6 в устройстве по преобразованию переменного тока с одним значением напряжения в переменный ток с другим значением (1876 г.). Столь разные по масштабам физические открытия развили в социуме интерес к физике. Все это способствовало созданию новых аппаратов, столь необходимых и полезных социуму. Так, например, по результатам научных исследования П. Яблочкова создается прототип электрической 
лампы – «свеча Яблочкова», промышленные образцы которой устанавливают 
во многих европейских городах. 
Современные научные основы разработки механизмов для транспортных 
средств представлены в теоретической механике и электромеханике [11]. Разносторонние требования к механическим узлам в робототехнической конструкции 
формируются для подвижных блоков, участвующих в передвижении, смене положений датчиков ориентации в пространстве. Технические аппараты и устройства с удаленным управлением создаются на основе радиоканальных систем 
связи. Первые разработки в этой области создавались для макетного моделирования некоторой практической задачи, что в прочем для будущих разработок 
служило хорошей основой для задач телеуправления.  
 
1.2. ǨȌȘȖȏȒȕșȔȕȌșȗȇȔȘȖȕȗșȔȕȌȘȗȌȋȘșȉȕ 
 
Беспилотное транспортное средство (БТС), позиционируемое в виде технического аппарата способного либо посредством программного модуля исполнять заданный маршрут, либо осуществлять передвижение при удаленном участии человека. В качестве среды, в которой исполняется маршрут движения, 
рассматривается твердая поверхность, водная среда или планетарная атмосфера. 
Такое представление о беспилотном транспортном средстве формируется на основе типовых понятий робототехнических систем, в основе которых кроме механических узлов и блоков, таких как платформа – остов, присутствуют вычислительные модули, сенсоры и датчики.  
Основное предназначение датчиков – навигация и определение типа окружающей среды [14]. Могут использоваться компасы, одометры, инклинометры, 
гироскопы, камеры для триангуляции, лазерные и ультразвуковые дальномеры, 
инфракрасные датчики. 
Системы управления реализуются на основе механических блоков – приводов и электронных блоков программного управления. Транспортное средство 
может управляться удаленно оператором или обладать настраиваемым блоком – 
маршрутизатором, также в ряде конструкций предусматривается наличие ком 
6 Павел Николаевич Яблочков (1847–1894) – русский электротехник. 
7 
 

бинированного режима управления, сочетающего возможности запуска автономного автоматического режима эксплуатации и режима запуска и поддержки 
рабочих процедур передвижения при участии человека.  
В конструктивном отношении платформа является основой конструкции, 
которая исполняется в разных видах и формах с учетом среды эксплуатации и 
требований к компактному размещению электронной аппаратуры. Наличие такого конструктивного набора блоков позволяет создавать как управляемые – 
программируемые аппараты, так и сложные кибернетические системы способные удаленно самостоятельно формировать маршруты движения.  
Различают два вида аппаратов: 
x Наземные беспилотные транспортные средства (НБТС); 
x Воздушные беспилотные транспортные средства (ВБТС). 
Дистанционно управляемое БТС – это транспортное средство, управляемое оператором через интерфейс. Все действия задаются оператором на основе прямого визуального наблюдения или удаленно с помощью датчиков, таких 
как цифровые видеокамеры, блоки GPS навигации, лидары.  
Автономный БТС позиционируется как автономный робот, работающий 
без вмешательства человека, на основе технологий искусственного интеллекта. 
На основе сигналов от датчиков автономная вычислительная система формирует набор суждений, которые составляют основы для формирования алгоритмов 
маршрута передвижения. 
Существуют проекты и программы по практическому применению БТС 
[12]. В среде гражданского использования аппаратов и систем робототехники 
рассматриваются типичные производства с автоматическим линиями, автономные системы экскурсионного сопровождения, охранные систем, робототехни- 
ческие комплексы по обслуживанию территорий, складов, причалов, автотранспортных и туристических маршрутов.  
В области горнодобывающей промышленности робототехнические системы обеспечивают работы по картированию туннелей, шахт, вентиляционных 
коллекторов. 
Отдельную категорию составляют робототехнические комплексы для аэрокосмических исследований, которые в наземной обстановке находят применение 
в сельскохозяйственном и лесном секторе, где широко используются летательные БТС для мониторинга территорий. Аппараты наземного типа с высокой проходимостью по пересеченной местности используются в спасательных и поисковых работах в разных климатических зонах. Специальные конструкции аппаратов и систем, снабженные различными механическими приспособлениями 
для работы в экстремальных условиях низких температур и высокого уровня 
радиации, обеспечивают исполнение большого объема работ без привлечения 
человека. Подобные конструкции находят применение в военной сфере, обеспечивая охранные мероприятия, транспортировку грузов и множество операций 
по разминированию территорий. 
Для транспортных средств большое внимание уделяется остову – конструктивной платформе БТС, на которой размещаются основные узлы и агре8 
 

гаты, например, электродвигатели. Конструкция платформы позволяет воспроизводить несколько медалей БТС, обладающих разными техническими показателями. Так, например, возможность использования разных моделей электродвигателей создает необходимые условия для проектирования БТС с учетом 
большой и разнообразной специфичности практических задач. Электродвигатель, как основной агрегат реализующий возможность перемещать транспортное 
средство обладает своей историей развития.  
В основе действия электрических машин лежит явление электромагнитной индукции и свойства магнитного поля создавать механическое взаимодействие с электрическим током. Эти силы называют электромагнитными. Явле- 
ние электромагнитной индукции послужило основой для многочисленных инженерных разработок по созданию электрических двигателей, генераторов, трансформаторов, электромеханических преобразователей. Электромеханическое преобразование энергии не может осуществляться с КПД, равным 100 . Тем не 
менее, созданы электрические машины с КПД, равным 99 , а в трансформаторах достигнут КПД, равный 99,8 %. 
Электрический двигатель явился на смену паровой машины. Впервые 
электродвигатель был применен в 1834–1838 годах Э. Х. Ленцем и Б. С. Якоби 
для привода прогулочного катера на Неве. Позднее, в 1890–1894 годах, электроприводы постоянного тока применялись на различных механизмах военных 
кораблей. В 1903–1907 годах в России появились трамваи. Далее внедрение 
электропривода пошло более бурно и широко – в транспорт и промышленность. 
Особенную роль в этом сыграло изобретение в 1889 году асинхронного двигателя и трансформатора М. О. Даливо-Добровольским. 
За прошедшие с тех пор десятилетия электродвигатель стал основным 
видом приводных машин [10]. Сейчас на долю электрических двигателей приходится более 90 мощностей всех силовых установок. Новый виток развития 
электроники и электронной промышленности в области создания электродви- 
гателей позволяет проектировать малогабаритные устройства и аппараты. Сейчас в разных устройствах и установках работают миллиарды двигателей мощностью от долей ватта, когда размеры двигателя определяются в миллиметрах, 
до десятков тысяч киловатт, когда размеры двигателя превышают 2–3 метра. 
Одновременно с развитием электромашиностроения развивались и другие 
отрасли электротехнической промышленности, что привело к широкому применению новейших средств автоматизации. Основными задачами являлось создание регулируемых приводов на базе асинхронного двигателя с применением тиристоров и других средств бесконтактного управления, а также разработка надежных, экономичных и дешевых статических преобразователей энергии. В последние годы расширилось применение цифровых вычислительных и управляющих устройств для управления электроприводами. 
 
 
 
9 
 

1.3. DZȕȔșȗȕȒȣȖȌȗȌȋȉȏȍȌȔȏȦǨǹǸ 
 
Современные БТС обладают большими возможностями к передвижению, 
при самых разных условиях внешней среды. Формирование маршрута движения 
БТС может создаваться оператором на момент запуска рабочих процедур БТС, 
а в ряде случаев требует постоянного контроля исполнения маршрута. В такой 
ситуации возможно реализация двух режимов: непосредственное участие человека в исполнении транспортного маршрута посредством наблюдения за передвижением БТС и коррекцией отдельных треков или использование программного модуля прокладки маршрута, который исполняется автоматически от стар- 
та до финиша.  
Использование программного модуля оказывается более перспективным 
решением для организации маршрута БТС. Однако в этом случае необходимо 
предусмотреть установку на платформе БТС набора датчиков, способных фиксировать внешние факторы. Рассмотрение общих вопросов такого конструкторского решения акцентирует внимание на выборе датчиков и организации информационных пакетов для анализа, по результатам которого представляется возможным серию управляющих сигналов к исполнительным узлам и механизмам 
БТС. Формально такой процесс наблюдается в живых организмах, обладающих 
набором сенсоров и информационной сетью датчиков, связанных с аналитическим блоком. 
Действительно, введенные понятия сформировались по аналогии с живыми объектами, где внешние раздражители, для определенных видов живых 
организмов, в процессе эволюции сформировали клеточный кластер, способный 
синтезировать информационный сигнал. Фиксация информационного сигнала 
требует проведения анализа – установления категории важности, значимости 
для организма. Эта следующая процедура исполняется датчиком в техническом 
устройстве, а в живом организме специализированным нейронным центром. 
Сенсор в техническом исполнении сопоставляется с некоторым блоком, 
способным избирательно формировать информационный сигнал. Следуя этим 
представлениям, датчик представляется как конструктивно обособленное устройство, обеспечивающее интерпретацию сигнала в символьный формат кода, который характеризует обнаруженный сенсором фактор. Существует набор простых требований, предъявляемых к современным датчикам: 
x однозначная зависимость выходной величины от входной; 
x стабильные показания независимо от времени использования; 
x высокий показатель чувствительности; 
x небольшие размеры и малая масса; 
x отсутствие воздействия датчика на контролируемый процесс; 
x возможность работы в различных условиях; 
x совместимость с другими устройствами. 
 
10