Автоматические системы транспортных средств

АВТОМАТИЧЕСКИЕ
СИСТЕМЫ
ТРАНСПОРТНЫХ
СРЕДСТВ
В.В. Беляков, Д.В. Зезюлин,
B.C. Макаров, А.В. Тумасов
Рекомендовано Учебно-методическим советом СПО 
в качестве учебника для студентов учебных заведений, 
реализующих программу среднего профессионального образования 
по специальностям 23.02.02 «Автомобиле- и тракторостроение», 
23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного 
транспорта», 23.02.05 «Эксплуатация транспортного 
электрооборудования и автоматики (по видам транспорта, 
за исключением водного)»
УЧЕБНИК
-¬¡ ©¡¡
«¬ª°¡--¤ª©œ§¸©ª¡
ª¬œ£ªžœ©¤¡
-ÁÌÄÛ
ÊÍÉʾ¼É¼
¾

¿ÊÀÏ
Москва                                        2025
ИНФРА-М

УДК 629.33(075.32)
ББК 39.33я723
 
Б43
Беляков В.В.
Б43 
 
Автоматические системы транспортных средств : учебник / В.В. Беляков, Д.В. Зезюлин, B.C. Макаров, А.В. Тумасов. — Москва : ФОРУМ : 
ИНФРА-М, 2025. — 352 с. — (Среднее профессиональное образование).
ISBN 978-5-00091-571-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014087-2 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-106930-1 (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.
Для студентов учреждений среднего профессионального образования, 
обучающихся по УГС 23.02.00 «Техника и технологии наземного транспорта», студентов вузов, а также конструкторов и исследователей автотракторной техники, специальных многоцелевых автономных автоматических транспортных средств и наземных транспортно-технологических 
комплексов.
УДК 629.33(075.32)
ББК 39.33я723
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 978-5-00091-571-4 (ФОРУМ)
ISBN 978-5-16-014087-2 (ИНФРА-М, print)
ISBN 978-5-16-106930-1 (ИНФРА-М, online)
© Беляков В.В., Зезюлин Д.В., 
Макаров B.C., Тумасов А.В., 
2014
© ФОРУМ, 2016

Введение
Первые автоматы, то есть машины, работающие без участия чело
века, были созданы очень давно. Еще греческим ученым Героном
Александрийским, жившим в I в., описано около ста автоматов, из
вестных в то время. Автоматы древности служили, как правило, раз
влекательным и религиозным целям.
Первые автоматические устройства промышленного назначения
были разработаны в связи с появлением паровых машин. Изобрете
ние 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 па
ровой машины. Предложенный И.И. Ползуновым принцип регули
рования по отклонению является одним из основных принципов по
строения различных автоматических систем.
Во второй половине XIX в. появились автоматические устройства,
основанные на использовании электрической энергии. Одним из пер
вых таких автоматов был электромагнитный регулятор скорости вра
щения паровой машины, разработанный русским ученым К.И. Кон
стантиновым.
Теоретические основы проектирования автоматических регулято
ров были разработаны русским ученым И.А. Вышнеградским и анг
лийским ученым Дж.К. Максвеллом. Для создания и развития мате
матического аппарата, используемого в исследовании автоматиче
ских 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 автомати
ческого управления в технике независимо от их физической природы.

В эти же годы возникла новая научная дисциплина — кибернети
ка. Слово «кибернетика» происходит от двух греческих слов: «кибер»
(«над») и «наутис» («моряк»), то есть «кибернаутис» — старший над
моряками. Греческий философ Платон использовал термин «киберне
тика» для названия искусства управления обществом. В 1948 г. амери
канский ученый Н. Винер снова ввел этот термин, определив кибер
нетику 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 кибер
нетики 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 изуче
нию систем автоматического управления в технике (техническая ки
бернетика).
В настоящее время автоматические системы нашли широкое при
менение во всех областях деятельности человека — в промышленно
сти, на транспорте, в связи, в научных (в частности, космических) ис
следованиях и др.
В нашей стране разработаны и используются самые разнообраз
ные системы автоматического управления. Первый в мире полностью
автоматический завод был создан в СССР, на нем изготавливались
поршни для автомобильных двигателей. Выдающимися являются ус
пехи Советского Союза, а теперь России в освоении космического
пространства с помощью автоматических межпланетных кораблей.
В развитии теории автоматического управления велика роль тру
дов А.А. Андронова, Н.Н. Боголюбова, Б.В. Булгакова, И.Н. Возне
сенского, 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 со
ветских ученых.
Развитие всех областей техники в России и за границей характе
ризуется широкой автоматизацией различных производственных
процессов.
Автоматическими называются устройства, которые управляют
различными процессами и контролируют их без непрерывного вме
шательства человека. При этом не только облегчается труд человека,
но и повышается скорость и точность выполнения операций, что зна
4
Введение

чительно повышает производительность труда. Подобные автомати
ческие системы используются в различных областях техники, обеспе
чивая адаптацию управляемых объектов к изменяющимся условиям,
оптимизацию режимов их работы, высокое быстродействие, надеж
ность и т. д.
В настоящее время широко применяются автоматические и авто
матизированные системы управления на автомобильном транспорте.
Встроенные бортовые автоматические системы управления автомо
билем улучшают его эксплуатационные характеристики, облегчают
труд водителя, повышают безопасность движения.
Как известно, возможности традиционных механических уст
ройств ограниченны. Поэтому внимание научных работников и ин
женеров привлекают вопросы применения различных электронных
устройств на автомобиле.
В автомобиле уже давно используются такие электронные прибо
ры, как диодные полупроводниковые выпрямители, обеспечивающие
преобразование переменного тока генератора в постоянный; устрой
ства электронного зажигания, повышающие экономичность двигате
ля и уменьшающие токсичность выхлопных газов. Опыт эксплуата
ции подобных устройств на автомобиле показал перспективность их
использования.
К автомобильной электронной аппаратуре предъявляются и осо
бые требования, среди которых такие: небольшие размеры и масса
электронных устройств, их надежная работа в условиях вибраций,
значительных ускорений, резких температурных перепадов, запылен
ности и влажности, при колебаниях питающего напряжения.
Широкое применение электронной техники и малогабаритных
быстродействующих микропроцессоров и микроЭВМ позволяет соз
давать различные бортовые автомобильные автоматические (полуав
томатические) системы, облегчающие труд или заменяющие (дубли
рующие) водителя. В связи с этим инженеры переходят от использова
ния 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, сило
вой передачей, системами курсовой устойчивости и безопасности,
обеспечения комфорта при движении. Другой областью применения
бортовых автоматических систем является решение задачи обеспече
Введение
5

ния комфортности и безопасности водителя и пассажиров. Для этой
цели используются автоматические системы как для обеспечения за
данных условий микроклимата, так и системы активной и пассивной
безопасности.
Другой важной областью использования автоматических и полуав
томатических систем является управление движением транспортных
средств (ТС). Находят применение и разрабатываются автоматизиро
ванные системы управления движением (АСУД), решающие в основ
ном 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 мар
шруте движения всех ТС. Эти данные поступают на светофоры или че
рез спутниковую связь передаются на борт ТС, отображаются на дис
плее и являются руководящими для водителей. Наряду с АСУД разра
ботаны и начинают применяться различные бортовые автоматические
(полуавтоматические) системы управления движением отдельных ТС.
В учебнике рассматриваются основные понятия теории управле
ния технических систем, классификация, конструкционные особен
ности и процессы функционирования систем автоматического регу
лирования и управления транспортных средств: автомобилей, трак
торов, многоцелевых колесных и гусеничных машин, наземных
транспортнотехнологических комплексов, мобильных роботов и
планетоходов. Формулируются задачи, решаемые автоматическими и
полуавтоматическими системами на ТС. В книге представлены раз
личные типы автоматических автотракторных систем управления, а
также автомобиль как объект управления в целом. Описаны элементы
этих систем управления — датчики, устройства обработки (микро
процессоры), 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 устойчи
вого и безопасного движения автомобиля.
Каждая из систем автомобиля, представляя определенную задачу,
является локальной по отношению к совокупности систем автомоби
ля в целом.
6
Введение

Автоматические и автоматизированные системы отвечают не
только за поддержание подвижности ТТМ, но и обеспечивают необ
ходимый уровень комфорта и безопасности движения. Системы авто
матического управления на всех уровнях повышают проходимость,
мобильность и надежность техники, возможность поддержания ее ра
ботоспособности при отказах систем самовосстановления и дублиро
вания, комфорт и эргономику, а также обеспечивают активную и пас
сивную безопасность транспортных средств.
Необходимость создания автономных автоматических транспорт
ных средств (ААТС), способных автономно функционировать в усло
виях, опасных для жизни человека, существует во многих областях
науки и техники, например при проведении космических и подвод
ных исследований, при работе в зоне радиоактивного или химическо
го загрязнения, при создании безэкипажных боевых машин и т. д.
Среди вопросов, которые необходимо решить при разработке по
добных систем, можно назвать выбор программных и аппаратных
средств распознавания образов, ориентирования, обеспечение авто
номности, 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 необхо
димыми 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.
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 происше
ствий.
Постоянно увеличивающиеся скорости и плотность дорожного
движения создают растущую потребность в автомобилях с хорошими
динамическими качествами и одновременно высоким уровнем безо
пасности во всех режимах движения. Это стимулирует рост производ
ства различных систем контроля движения автомобиля (системы по
мощи водителю), призванных помочь ему сохранять контроль над ав
томобилем в сложных ситуациях [1]. Еще одной предпосылкой
развития САУ является то, что человек, т. е. водитель, является наи
менее надежным «элементом» любого транспортного средства и, как
правило, именно по причине ошибочных действий человека происхо
дят 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. заре
гистрировано 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 дейст
вий 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 называе
мый 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 ак
туальной проблема снижения количества ДТП за счет оснащения
транспортных средств автоматическими системами активной безо
пасности (системами поддержки подвижности).
За счет контроля дорожных условий и условий движения ТС дан
ные системы управления способны среагировать на внезапно изме
няющуюся ситуацию намного раньше, чем это может сделать водитель.
Более того, интеллектуальные системы не позволяют водителю совер
шать 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 со
ответствии с заданной целью управления. Под управлением понима
ют целенаправленное изменение состояния объекта для наилучшего
выполнения им определенных задач [4]. Агрегат, машина, аппарат,
комплекс машин или аппаратов, в которых протекает процесс, подле
жащий управлению, называются объектом управления.
В общем случае процесс управления состоит из получения ин
формации 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 ис
точники информации о цели и результатах управления, устройство
для анализа информации и принятия решения, устройство, реали
зующее принятое решение (исполнительное устройство).
Чтобы лучше понять процесс управления, рассмотрим типовой
пример управления автомобилем. Видя перед собой препятствие, во
дитель принимает решение о том, как нужно изменить направление
движения автомобиля, в какую сторону и насколько повернуть руле
вое колесо.
Рассматривая этот пример, мы можем выделить в процессе управ
ления следующие элементы. Первый — получение информации о
маршруте движения, т. е. о цели (задаче) управления. Второй эле
мент — получение информации о положении автомобиля, т. е. о ре
зультатах управления. Требуемую информацию водитель получает
при помощи зрения. Третий элемент — анализ полученной информа
ции и принятие решения о требуемых управляющих действиях. Эту
задачу решает мозг водителя. Четвертый элемент — исполнение при
нятого решения (в данном случае это поворот рулевого колеса).
В рассмотренном примере объектом управления является авто
мобиль, точнее — процесс его движения. Здесь все элементы процес
са 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...