XIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Беспилотный шаттл «Zappo»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Можно подумать, что беспилотники – воображение будущего. Однако многие не знают, что это не так. Беспилотный автотранспорт уходит глубоко корнями в прошлое. В фантастических фильмах беспилотный транспорт существовал или о нём упоминалось ни раз.
Внедрение беспилотных транспортных средств является важной составляющей развития современных транспортных систем передовых и динамично развивающихся территорий.
Мурманская область – стратегически важный регион России, расположенный за Полярным кругом. Сообщение между северной областью и центральными частями нашей страны осуществляется с помощью авиасообщения, по автомобильной трассе, а также благодаря одной из самых северных железнодорожных магистралей.
Мурманская область – это также северное окно в Европу. Новой точкой роста для развития международного сообщения может стать создание современной интеллектуальной транспортной системы в направлении города Киркенес (Норвегия), в частности, с применением беспилотных транспортных средств, которые обеспечат регулярное и бесперебойное сообщение в сложных климатических условиях.
Гипотеза проекта: созданная модель «Zappo», может быть жизнеспособной для увеличения пассажиро- и грузопотока, улучшения экологической ситуации, сокращения количества автомобильных аварий.
Цель исследования – создание 3D-модели беспилотного транспортного средства (далее – БТС) для автомобильных дорог общего пользования.
Задачи проекта:
рассмотреть основы работы беспилотного транспортного средства;
провести анализ практического использования БТС;
создать модель беспилотного транспортного средства для автомобильных дорог общего пользования в программной системе Thinkercad 2021;
рассмотреть возможность применения БТС для организации международных перевозок по разработанному маршруту.
Объект исследования: беспилотные транспортные средства для автомобильных дорог общего пользования.
Предмет исследования: 3D-модель «Zappo», созданная в программной системе Tinkerсad 2021.
Технологии не стоят на месте, с каждым днем появляется все больше новшеств в транспортной сфере. Касаются они как повышения качества сервиса, так и усовершенствования существующих транспортных средств. Актуальным в сегодняшних реалиях является разработка беспилотных транспортных средств, что значительно повысит качество жизни населения и даст возможность развиваться транспортной отрасли в дальнейшем.
Все это становится возможным с появлением беспилотных транспортных средств (автомобилей) – самоуправляемых машин, где роль водителя принадлежит искусственному интеллекту. Беспилотные автомобили должны снизить, во-первых, уровень инцидентов на дорогах, так как вероятность человеческого фактора аварий равен нулю, а во-вторых, избавить от необходимости долго сидеть за рулем всех водителей.
Основы работы беспилотного транспортного средства (БТС)
1.1. БТС: прошлое, настоящее, будущее
Беспилотное прошлое началось с работы инженеров General Motors, когда у них появилась мысль о таком виде транспорта примерно в 30-е годы ХХ века.
Первой мыслью было создать машину на радиоуправлении, чтобы ее можно было контролировать и искоренять аварии на проезжих частях.
Вторая идея заинтересовывала больше – для такого вида транспорта нужны собственные дороги в виде трасс для скейтбордов. Беспилотное средство будет ехать ровно посередине, а если он начнёт тянуться к краю, его силой притяжения вернёт на место.
Обе идеи не были встречены с оптимизмом, но они положили мощное начало развитию беспилотного транспорта.
В 20-ом веке учащийся Стэнфорда Джеймс Адамс изобрёл и протестировал первую «беспилотную» тележку. Она управлялась обычным сигналом, с помощью кабеля, но второй прототип был радиоуправляемым. В 20-ом веке было много изобретений таких как «Умная машина Дикманса», усовершенствование тележки Дж. Маккарти. [1]
В наши днив 2004 году состоялось первое в истории состязание с участием беспилотных авто DARPA, где беспилотные транспортные средства (сокращенно – БТС) громко заявили о себе.
В 2010 году появилась машинка Google, разработанная в сотрудничестве с Toyota. Имеющий радары, видеокамеры и систему LIDAR, этот Гуглмобиль мог ориентироваться на местности, понимать дорожные знаки и взаимодействовать с другими машинами.
В 2012 году испытания своего беспилотника провела компания AUDI. Машина на автопилоте развивала скорость до 193 км/ч, отлично лавировала и повышала скорость на трассе.
В 2013 Nissan и Honda показали восхитительность своих систем беспилотников, а массовое производство роботизированных автомобилей начали в 2020 году.
В 2014 шведская компания Volvo протестировала первое беспилотное транспортное средство с уникальной системой Drive Me. Успехи испытания позволили выпускать партию БТС этой марки уже в конце 2018 года.
В 2015 появились первые серийные БТС – Tesla Model S, которые передвигаются на дорогах на 100% самостоятельно. Они наравне с Гуглмобилями считаются лучшими в беспилотных технологиях.
2016-2017 годы – это период, когда все крупные автокомпании заявили о разработках собственных прототипов БТС и планах на их серийный выпуск. [1]
Перед миром открывается беспилотное будущее. Вероятно, уставший человек после работы будет садиться в такси, и пока БТС везёт его по улицам города, он сможет отдыхать, спать, читать, есть или заниматься подручными делами.
На мировой рынок смогут выходить в прокат беспилотные транспортные средства от всех марок машин. А если еще акцент будет сделан на экологичность, то «зеленое» беспилотное будущее станет важной составляющей развития современных интеллектуальных транспортных систем.
1.2. Принципы работы и система управления БТС
Беспилотное транспортное средство систематизируется множеством защитных датчиков, основной системой которого является:
лазерный дальномер;
генерируемая карта местности;
радары (используют радиоволны);
датчик положения;
камера – распознаёт цвета светофоров и объекты, которые слишком близко приближаются;
управляющий компьютер.
К особенностям управления БТС можно отнести следующее:
регулировка скорости, притормаживание на поворотах, плавное ускорение и парковка без помощи других;
способность «видеть» через туман, дождь, снег дорожные знаки и сигналы светофора;
соблюдение всех правил дорожного движения, действия четко в пределах выставленной программы и заданных команд.
Использование БТС способствует снижению случаев дорожно-транспортных происшествий на дорогах [2]. При этом время доставки грузов сокращается в 2 раза.
Для того, чтобы БТС мог без чужой помощи ездить по дороге, ему необходимо «видеть», «думать» и «чувствовать». БТС с автопилотом имеют системы навигации, датчики, которые помогают ориентироваться и выстраивать точный маршрут. Лазерные датчики помогают БТС распознавать другой транспорт и быть маневренным.
Данные от беспилотников могут храниться в нём самом, если необходима их обработка, так и в системе, которая больше пригодна для более глубокого анализа. Маршрутная функция данных зависит от их задач: есть данные, которые нужны водителю немедленно, например, информация от датчиков движения или данные о местонахожении от GPS-системы, кроме того, на их основании производитель может сделать важные выводы и, опираясь на них, продолжить работу по усовершенствованию системы помощи водителю.
Отправление данных на хранение можно производить как через беспроводные технологии (например, Wi-Fi), так через стандартное соединение по Интернету.
Альтернативные источники энергии могут сделать этот вид транспорта совершенно экологичным, а значит, безопасным для человека и окружающей среды.
Классификация БТС
Существуют разные классификации БТС:
наземные – автомобили, поезда, такси;
воздухоплавательные – дроны, миномёты;
водоплавающие – ледоколы, крейсеры.
Наземные БТС работают от электродвигателя, могут иметь в себе оператора, вмещать около 10 пассажиров. Внутренняя обстановка содержит либо диваны, либо кресла. Дизайн создается чаще всего в спокойных тонах, например, белый, небесно-голубой. Большие окна могут служить для просмотра местности.
Вторые и третьи могут иметь схожее описание, за исключением размера и дизайна, а в последнем – топлива.
В настоящем исследовании рассматриваются наземные БТС, а именно автобусы (шаттлы), использующие автомобильные дороги общего пользования для перемещений.
2. Анализ практического использования беспилотного транспорта
2.1. Зарубежный и отечественный опыт. Проблемные вопросы
Беспилотные транспортные средства применяются как за рубежом, так и у нас в стране.
В первой главе упоминалось, что беспилотное транспортное средство понижает количество дорожно-транспортных происшествий на дорогах, а значит, оно выгоднее для людей.
По закону большего количества стран при поездках на БТС по общим дорогам за рулем должен находиться человек, который может «помочь» машине в трудный момент (оператор). Его задача – находить ошибки в БТС, чтобы постоянно улучшать систему умного автотранспорта.
Безусловно, у любого транспортного средства есть плюсы и минусы, беспилотники не исключение. К основным недостаткам можно отнести:
отсутствие заправок с электрическим топливом, а значит, ограниченность маршрута следования;
невозможность увидеть разметку на дороге под снегом;
потеря работы современными водителями (вопрос их занятости).
Но есть и неоспоримые преимущества:
БТС – незаменимые помощники в мегаполисах (в многочасовой пробке можно продолжать работать на компьютере или читать);
корпус машины сделан из прочного, но вместе с тем легко продавливающегося материала, что смягчит удар при встрече с пешеходом;
программой предусмотрено соблюдение правил дорожного движения.
Некоторые государства не рассматривают возможность использования беспилотного транспорта в виду некоторых особенностей.
В России с 1 декабря 2018 года проводится эксперимент по эксплуатации беспилотных автомобилей на дорогах общего пользования Москвы и Татарстана. С 1 марта 2020 года география эксперимента расширилась еще на 11 регионов. Сроки начала использования беспилотного транспорта на автодорогах общего пользования будут определены по итогам экспериментального запуска, то есть после марта 2022 года.[3]
Важно отметить, что 25 марта 2020 года Председатель Правительства Российской Федерации Михаил Мишустин утвердил Концепцию обеспечения безопасности дорожного движения с участием беспилотных транспортных средств на автомобильных дорогах общего пользования.
В целях концепции, в частности, значится улучшение экологической ситуации, создание комфортных условий для лиц с ограниченными возможностями, снижение нагрузки на улично-дорожную сеть и повышение безопасности дорожного движения путем снижения роли человеческого фактора и влияния ошибок, совершаемых водителями. [4]
Что касается применения БТС на Крайнем Севере, российская компания «Газпром нефть» рассказала об успешном испытании беспилотных КАМАЗов.
Экспериментальные КАМАЗы подтвердили весь потенциал своей системы автопилота, в том числе:
умение передвигаться по заданным маршрутам с высокой точностью;
функционал обмена информацией через дублируемые системы связи;
способности распознавать препятствия за доли секунды и прогнозировать траекторию движения с учетом актуальной дорожной обстановки;
неограниченная работоспособность – машины не устают и не ошибаются даже на сложных маршрутах, в условиях низких температур, метелей и плохой видимости. [5]
Это означает, что апробация на предмет использования беспилотных транспортных средств может также проходить и на территории Мурманской области, в Печенгском районе в частности.
2.2. Оценка привлекательности приграничной территории (Печенгский район – Финнмарк)
Печенгский район расположен в западной части Мурманской области. Это самый северный и самый западный участок Мурманской области. С севера омывается Баренцевым морем, на западе территория района примыкает к Норвежской границе, установленной еще в 1826 году.
Жителей приграничных территорий часто посещают друг друга.
В соседней с Россией коммуне Сёр-Варангер проживает 10 тысяч жителей, но присутствие русских приводит к тому, что город Киркенес по торговым меркам можно сравнивать с норвежским городом с населением в 35 тысяч жителей – то есть с городом почти в 4 раза больше его самого.
Туризм для северных территорий становится все более важной отраслью. В Никель и Заполярный легко приехать из Киркенеса, куда ежедневно приплывает пароход Hurtigruten с туристами со всего мира.
Кроме того, ежедневно как для россиян, так и для норвежцев стало привычным часто пересекать границы, чтобы провести совместные мероприятия, встретиться с коллегами или друзьями, порой просто посетить кафе, магазины или парикмахерскую. В Никеле появились таблички с названиями улиц на норвежском языке. Каждое пересечение границы – это возможность для бизнеса и создания новых направлений работы.
В основе развития северных арктических территорий должен лежать бережливый подход – сохранение хрупкой природы Арктики. Климат меняется, и необходимо приспосабливаться к новым условиям. Поэтому экологичные решения, такие как применение БТС, могут стать новыми точками роста экономики. В том числе, в плане улучшения транспортной системы на севере, с тем, чтобы можно было обеспечивать возможность бесперебойных грузоперевозок, обычного транспортного потока и туристических поездок.
3. Создание опытной 3D модели беспилотного шаттла «Zappo» и международного маршрута его следования
3.1. Разработка параметров международного маршрута
Разработка маршрутов перевозки грузов является одной из важнейших задач, так как правильное составление маршрута способствует быстрой доставке с минимальным риском повреждения груза.
В этой задаче ключевую роль выполняет транспорт, связывая между собой отдельные экономические районы, компании, предприятия и фирмы.
Разработка маршрута перевозки груза – это сложный процесс, в ходе которого необходимо принимать во внимание следующие параметры:
пути движения транспорта должны проходить по направлениям общих грузовых потоков;
каждая следующая перевозка в идеале происходит без предварительной подготовки транспорта;
маршрут прокладывается исходя из наименьшего расстояния, выбирают наименее загруженные дороги, имеющие твердое покрытие;
подвижный состав должен двигаться со скоростью, которая не подвергает безопасность движения угрозе, но при этом находится на максимальном уровне;
стоимость грузоперевозок должна быть наименьшей, а производительность – наибольшей.
В ходе настоящего исследования предлагается внедрение международного маршрута на приграничных территориях Мурманской области и коммуны Сёр-Варангер (Норвегия). В исследовании определены следующие параметры маршрута международного беспилотного автобуса:
Вид маршрута: международный.
Конечные точки маршрута: г.Заполярный (Россия) – г.Киркенес (Норвегия).
Промежуточные остановки: п. Никель, КПП Борисоглебск и КПП Стурскуг.
Длительность маршрута: 64 км.
Сезон работы транспорта на маршруте: на первом этапе – летний, на втором – с весеннего по осенний сезон, на третьем – круглогодично.
Согласно заданным параметрам маршрута, беспилотный шаттл изначально должен передвигаться не в экстремальных климатических условиях при отсутствии дорожной разметки, при высокой видимости дорожного полотна и при неинтенсивном дорожном трафике. В перспективе – круглогодично. Маршрут разработан при минимальном движении пешеходов и других автомобилей.
3.2. Разработка дизайна, характеристик и функций опытной модели беспилотного шаттла «Zappo»
В ходе исследования были разработаны эскизы, логотип и 3D-модель беспилотного шаттла «Zappo» на базе программного комплекса Tinkerpad 2021.
Выбранное наименование «Zappo» созвучно с наименованием начального пункта маршрута – города Заполярный Мурманской области. Разработанный логотип «Zappo» символизирует грациозное животное – северного оленя, олицетворяющего близость к экологии, природе. Стремительное движение животного символизирует динамичность. Изображение логотипа, который я предлагаю, представлено на рисунке 1.
Беспилотный шаттл будет оборудован силовой установкой, включающую электромотор и литий-ионные батареи. На одной зарядке электромобиль сможет проехать около двухсот километров. Скорость передвижения шаттла – до 70 километров в час.
В основу разработки внешнего вида шаттла легли заданные параметры.
Современный, динамичный, яркий дизайн станет отличительной особенностью этого транспортного средства и предполагает наличие стеклянной панорамной крыши и видовых окон по периметру с функцией затемнения при интенсивном попадании солнечных лучей.
Рис.1.Логотип «Zappo»
Электромобиль будет оборудован восьмью креслами, низким полом для удобства маломобильных граждан, а также раздвижными дверьми, специальными шторками и Wi-Fi.
У беспилотного шаттла будет просторный интерьер с креслами, которые направлены друг на друга. В каждое кресло встроен USB-порт, также в салоне предусматриваются цифровые дисплеи для вывода информации о поездке. Двери будут удобно и плавно открываться таким образом, чтобы случайно не задеть велосипедиста или байкера.
Шаттл будет оборудован следующими дополнительными системами:
экологического мониторинга окружающей среды (фонового радиационного излучения, уровня химического загрязнения);
видео-фиксации путешествия;
системой оповещения о магнитных бурях (с целью наблюдения за полярным сиянием).
Изображение эскиза экстерьера модели БТС представлено на рисунке 2.
На основе разработанных эскизов и характеристик БТС было проведено моделирование на основе программного комплекса Tinkerpad 2021. Результаты моделирования представлены на рисунке 3.
Рис 2. Изображение эскиза внешнего вида БТС модели «Zappo»
Рис.3. 3D-модель «Zappo»
К основным функциям беспилотного шаттла можно отнести:
перевозка пассажиров и грузов;
создание уникального туристического продукта за Полярным кругом на приграничной территории;
применение экологичных технологий, в том числе для осмотра природных достопримечательностей по обе стороны границы;
организация дополнительных стоянок по пути следования беспилотного шаттла;
разработка разных маршрутов на теплые времена года и зимний период.
Заключение
Беспилотный транспорт становится новой реальностью в современном мире. В ходе исследования выяснилось, что БТС применяются как за рубежом, так и в нашей стране, при этом экспериментальное использование БТС уже проводится как в центральных городах России, так и в условиях Крайнего Севера.
Идея внедрения международного маршрута беспилотного шаттла «Zappo» из города Заполярный (Россия) в город Киркенес (Норвегия) может стать альтернативой пассажироперевозкам на приграничной территории. В зимний период в силу погодных особенностей движение традиционных транспортных средств может быть приостановлено, БТС же движется в любых погодных условиях.
В периоды введения ограничений по передвижению, как в условиях пандемии, БТС может перевозить как людей, которым на законном уровне разрешено пересечение границ в условиях карантина, так и небольшие грузы.
Кроме того, внедрение «дружественных к природе» БТР может способствовать развитию сети заправок электромобилей. Соответственно, появятся электромобили в частном пользовании, что благоприятно скажется на экологии.
Со временем поездка на беспилотном автобусе могла бы стать туристическим продуктом. При этом использование беспилотных шаттлов с панорамной крышей можно было бы внедрить и на территории других районов Мурманской области, в частности, для охоты за северным сиянием.
В процессе подготовки исследования было отправлено обращение в адрес Губернатора Мурманской области А.В. Чибиса по вопросу запуска беспилотного экологичного автобуса или поезда в Норвегию. В полученном ответе было отмечено, что внедрение беспилотных транспортных средств является важной составляющей развития современных интеллектуальных транспортных систем. На территории Мурманской области дорожно-транспортная инфраструктура для эксплуатации беспилотного автомобильного транспорта находится на стадии апробации на предмет возможности использования в сложных климатических условиях. Кроме того, совместно с норвежскими коллегами господин Чибис обсуждал идею после открытия границ запустить по маршруту Киркенес-Заполярный пассажирский электро-шаттл. В этой связи есть надежды, что предложенная идея по созданию международного маршрута не просто электро-шаттла, а беспилотного шаттла «Zappo», может найти свое воплощение в будущем.
Таким образом, цель исследовательской работы достигнута, задачи решены.
Список источников и литературы
История беспилотных автомобилей [электронный ресурс]: https://bespilot.com/info/istoriya;
Глава ГИБДД считает, что беспилотный транспорт снизит число ДТП [электронный ресурс]: https://inforeactor.ru/240898-glava-gibdd-schitaet-chto-bespilotnyi-transport-snizit-chislo-dtp?utm_source=yxnews&utm_medium=desktop;
Мишустин утвердил концепцию обеспечения безопасности движения беспилотных машин на дорогах [электронный ресурс]: https://tass.ru/ekonomika/8097667;
Распоряжение Правительства РФ от 25 марта 2020 г. №724-р О Концепции обеспечения безопасности дорожного движения с участием беспилотных транспортных средств на автомобильных дорогах общего пользования [электронный ресурс]: (https://www.garant.ru/products/ipo/prime/doc/73707148/;
«Газпром» испытал на Крайнем Севере беспилотные КАМАЗы [электронный ресурс]: https://news.drom.ru/78198.html.