XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Сеть автономных компактных платформ «Самокатовоз»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Евдокимов М.И. 1Юрков Н.А. 1Чупров Б.П. 1Симонов Ф.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

615.5 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Хаотичная парковка электросамокатов стала острой городской проблемой: брошенные средства индивидуальной мобильности (СИМ) блокируют тротуары, пешеходные переходы, перекрывают пожарные проезды и аварийные выходы, создают препятствия для людей с ограниченными возможностями, родителей с колясками и пожилых граждан, а также повышают риск травматизма. С 1 марта 2023 года электросамокаты официально включены в ПДД РФ, однако чётких норм их парковки до сих пор не существует, а существующие меры в виде штрафов проблему не решают. Особенно остро ситуация проявляется в местах с высокой пешеходной нагрузкой: центральные улицы, станции метро, остановки общественного транспорта, торговые и развлекательные центры, учебные заведения.

Цель проекта — разработка роботизированной платформы «Самокатовоз» для автоматической транспортировки неправильно припаркованных электросамокатов в специально отведённые зоны парковки или зарядки.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

- проанализировать существующие методы подъёма грузов (лебёдки, полиспасты, краны, мини-краны, ручной такелаж, линейные двигатели) и выбрать оптимальный механизм для компактной мобильной платформы;

- обосновать применение всенаправленных колёс (омни-колёса и меканум-колёса), изучив их преимущества (манёвренность без разворота, движение в любом направлении) и недостатки (чувствительность к загрязнениям, износ роликов);

- разработать программное обеспечение на языке Python с использованием асинхронных функций (async/await) для точного управления движением в реальном времени;

- создать трёхэтапный алгоритм работы (позиционирование → подъём → транспортировка), учитывающий габариты, центр масс и клиренс электросамокатов;

- провести экскурсии в профильные организации и презентацию проекта перед представителями власти для получения профессиональной оценки и рекомендаций.

Для автоматизации сбора неправильно припаркованных самокатов разработана платформа «Самокатовоз». Ключевые решения проекта — линейный электродвигатель, выбранный после тщательного анализа лебёдок, полиспастов, кранов и других подъёмных механизмов, а также всенаправленные колёса, обеспечивающие высокую манёвренность без необходимости разворота корпуса. Платформа оснащена ультразвуковыми датчиками для обнаружения препятствий и самокатов, а её программное обеспечение написано на Python с асинхронной архитектурой, что позволяет точно соблюдать временные интервалы в миллисекундах и мгновенно реагировать на внештатные ситуации.

В рамках проекта проведены экскурсии в Тюменский индустриальный университет (изучение современных роботизированных систем в дорожном строительстве) и автошколу «Главная дорога» (практическое освоение ПДД на тренажёре-симуляторе, анализ дорожных ситуаций). Кульминацией стала презентация разработки в Тюменской областной думе перед депутатом Глебом Александровичем Трубиным, где проект получил высокую оценку инновационности и актуальности, а также рекомендацию к внедрению в кикшеринговых компаниях, работающих в Тюмени и других городах.

Глава 1. Неправильная парковка электросамокатов как фактор препятствий и опасности на дорогах.

Неправильная парковка электросамоката — размещение средства индивидуальной мобильности (СИМ) в местах, препятствующих свободному передвижению пешеходов и транспорта либо создающих угрозу безопасности. (Рисунок 1.1, Приложениия)

К видам неправильной парковки относятся:

• парковка на тротуарах, блокирующая пешеходные потоки (особенно в местах с высокой проходимостью);

• оставление самокатов на пешеходных переходах, у светофоров, на остановках общественного транспорта (мешает безопасному переходу пешеходов, затрудняет видимость для водителей);

• перекрытие пожарных проездов и аварийных выходов (нарушает требования пожарной безопасности, может помешать работе экстренных служб);

• создание препятствий для обзорности — самокаты, оставленные у перекрёстков или в зонах с ограниченной видимостью, снижают безопасность дорожного движения.

Причины возникновения проблемы включают:

• слабый контроль и низкую ответственность — отсутствие эффективных механизмов выявления нарушений и применения санкций;

• особенности каршеринговых сервисов — пользователи часто бросают самокаты в любом месте, не заботясь о порядке, поскольку завершение аренды возможно без фиксации парковки;[1]

• отсутствие чётких норм в ПДД — действующие правила парковки (раздел 12 ПДД) ориентированы на автомобили и не учитывают специфику СИМ;

• высокую интенсивность использования — в часы пик пользователи торопятся, что приводит к небрежному размещению самокатов.

Места, где проблема неправильной парковки проявляется наиболее остро (зоны повышенного риска):

• центральные улицы с высокой пешеходной нагрузкой;

• станции метро, остановки общественного транспорта, вокзалы;

• торговые центры, рынки, развлекательные комплексы;

• учебные заведения (школы, вузы), медицинские учреждения;

Последствия неправильной парковки затрагивают разные аспекты городской жизни (Рисунок 1.2; 1.3, Приложения):

• Для пешеходов: затруднение передвижения (особенно для родителей с колясками, пожилых людей, инвалидов), риск споткнуться и получить травму.

• Для дорожного движения: помехи для уборки улиц и спецтехники, снижение пропускной способности тротуаров и велодорожек.[2]

• Социальные и экономические последствия: рост числа конфликтов между пешеходами и пользователями СИМ, дополнительные затраты на уборку и организацию парковок.

• С 1 марта 2023 года электросамокаты официально включены в ПДД РФ как средства индивидуальной мобильности (СИМ). Основные требования:

• максимальная скорость — 25 км/ч в городе, 20 км/ч во дворах;

• приоритет движения: велодорожки → тротуары → обочины → правый край проезжей части (при скорости потока до 60 км/ч);

• запрет на движение по автомагистралям и скоростным трассам;

• обязанность уступать дорогу пешеходам.

Однако в ПДД отсутствуют прямые нормы о парковке СИМ. 

Пути решения проблемы правительством:

• - Штрафы (Рисунок 1.4, Приложения) ][3]

-Специальные службы для увоза элетросамокатов

Глава 2. Устройство и размеры электросамоката .Габариты в разложенном виде.

Принцип работы

1. Пользователь включает питание и выбирает режим езды с помощью элементов управления на руле (например, рукоятки акселератора). 

2. Контроллер получает команды и данные с датчиков.

3. Аккумулятор подаёт постоянный ток на контроллер.

4. Контроллер преобразует постоянный ток в трёхфазный переменный ток (для бесколлекторных моторов) и с помощью широтно-импульсной модуляции (ШИМ) регулирует скорость вращения двигателя. 

5. Электродвигатель создаёт вращательный момент, который передаётся на колёса (в зависимости от типа привода — через цепь или напрямую через мотор-колесо).

6. Колёса вращаются, и самокат движется.

Длина и ширина электросамоката зависят от модели. Например, у электросамоката GT 350S размеры в разложенном виде составляют 1160×940×210 мм. Высота устройства часто рассчитывается с учётом роста райдера. Стандартные разме б ры рассчитаны на пользователей ростом 160–190 см. Если рост выходит за эти пределы, стоит выбирать модели с телескопической ручкой.[4]

Размеры колёс

Диаметр колёс влияет на проходимость, комфорт и управляемость. Распространённые варианты:

• 5–7 дюймов. Маленькие колёса для детских и подростковых моделей. Они лёгкие и компактные, но не подходят для неровных дорог. 

• 8–10 дюймов. Оптимальный вариант для городских условий. Обеспечивают баланс между комфортом и манёвренностью, подходят для асфальта и гравия. 

• 10–12 дюймов и более. Устанавливаются на внедорожные модели. Позволяют преодолевать крупные препятствия, гасят вибрацию на гравийке. 

• Размеры деки

• Длина деки (платформы для ног) может быть следующей:

• 40–50 см — для детей;

• 50–60 см — для взрослых в городских условиях;

• 60–80 см — для продолжительных маршрутов.

Ширина деки варьируется от 10–11 см в компактных городских моделях до 20 см и более в мощных внедорожниках. Узкая дека заставляет держать ноги строго параллельно, что быстро утомляет мышцы. Широкая платформа позволяет менять положение стоп, переносить вес тела и чувствовать себя увереннее в поворотах.

Вес

Вес электросамокатов варьируется от 5 до 50 кг в зависимости от модели. Их разделяют на категории:

• суперлёгкие — до 8 кг;

• лёгкие — 8–12 кг;

• средние — 12–16 кг;

• тяжёлые — 16–35 кг;

• супертяжёлые — 35–50 кг.

На вес влияют материал конструкции, наличие амортизаторов, ёмкость аккумулятора, диаметр и тип колёс.[5]

Глава 3. Требования к обустройству инфраструктуры СИМ.

Требования к обустройству инфраструктуры для средств индивидуальной мобильности (СИМ) регулируются несколькими нормативными актами и направлены на обеспечение безопасности и комфорта их использования, а также интеграцию в транспортную систему городов.

Основные требования к проектированию инфраструктуры

1. Выделенные велосипедные пути (полосы и дорожки). С 2025 года при разработке проектной документации на строительство, реконструкцию и капитальный ремонт автомобильных дорог в границах населённых пунктов требуется создавать особые архитектурно-планировочные решения, включая выделенные пути для лиц, использующих СИМ (электросамокаты, электроскейтборды, гироскутеры, сигвеи, моноколёса и др.)(Рисунок 3.1, Приложения)

2. Требования к парковочным местам. Парковочные места для СИМ следует обозначать специальными знаками. При этом места паркования автомобилей, не пригодные для размещения автомобилей (из-за недостаточной высоты, наличия выступающих конструкций и т. п.). Парковочные места для мототранспорта, велосипедов и СИМ должны соответствовать требованиям безопасности и оформляться в соответствии с нормативными документами.(Рисунок 3.2, Приложения)[6]

3. Планировочные решения. Актуализированный свод правил (например, изменения №3 к СП 396.1325800.2018) включает детальную классификацию велосипедных дорожек и полос, устанавливает требования к планировочным решениям велокоммуникаций, включая велостоянки.

Требования к размещению парковок СИМ [7]

1. Рекомендуемые места размещения. Парковки рекомендуется организовывать на территориях общего пользования: на тротуарах, пешеходных дорожках и улицах, рядом с транспортно-пересадочными узлами, станциями метрополитена, остановками общественного транспорта, около торговых центров, учреждений культуры, административных зданий и других подобных объектов.

2. Ограничения по размещению. В некоторых случаях парковка не должна размещаться на клумбах, газонах, цветниках, участках с зелёными насаждениями, на расстоянии ближе определённого расстояния от посадочных площадок остановочных пунктов, на мостах и в других местах. При этом размещение парковки должно обеспечивать свободный доступ инвалидов и других маломобильных групп населения, беспрепятственный подъезд экстренных служб, ширину пешеходных зон не менее 3 метров и другие условия.[8]

3. Ограничение количества СИМ на парковке. Например, в некоторых случаях оператор может размещать не более 12 единиц СИМ на одной парковке.(Рисунок 3.3, Приложения)[9]

Глава 4. Практическая часть

4.1.Разработка и создание роботизированной платформы «Самокатовоз» со всенаправленными колёсами

Прежде чем остановиться на финальной концепции, мы проанализировали ряд альтернативных идей, оценили их плюсы и минусы и выбрали наиболее перспективное решение — платформу «Самокатовоз».Основные неподходящие идеи: Электро‑коллектор, Магнитный сборщик, Роботизированная парковка

После анализа всех вариантов мы остановились на идее мобильной роботизированной платформы «Самокатовоз» со всенаправленными колёсами. 

Эта концепция сочетала мобильность, универсальность и относительно невысокую сложность реализации. Платформа способна:

1.перемещаться в любом направлении без разворота (благодаря всенаправленным колёсам);

2.адаптироваться к городской среде (бордюры, неровности, пешеходные зоны).

Реализация проекта включала пять ключевых этапов модернизации и настройки системы. (Рисунок 4.1.1, Приложения)

Этап 1. Модернизация всенаправленных колёс и корпуса

Задача. Обеспечить высокую манёвренность и устойчивость платформы при перевозке самокатов.

Решения:

• выбор всенаправленных колёс (омни‑колёс или меканум‑колёс) с полиуретановыми роликами для плавного движения по разным поверхностям;

• оптимизация расположения колёс для равномерного распределения нагрузки;

Этап 2. Разработка механизма подъёма верхней платформы

Задача: Создать надёжный и компактный механизм для регулировки высоты платформы (например, для погрузки/выгрузки самокатов или преодоления бордюров).

Рассмотренные варианты:

• домкрат на рычагах: простой, но громоздкий и требующий значительных усилий;

• пневмоподъёмник: лёгкий и плавный, но зависимый от компрессора и подверженный утечкам воздуха.

Итоговое решение: линейный электродвигатель.

• преимущества: высокая точность позиционирования, компактность, плавный ход, возможность интеграции с системой управления;

• реализация: установка двух параллельных линейных двигателей с синхронизированным управлением для равномерного подъёма.

Этап 3. Внедрение и настройка датчиков и системы компьютерного зрtния

Задача: Автоматизировать обнаружение, захват и позиционирование самокатов на платформе.

Компоненты системы:ультразвуковые датчики для обнаружения препятствий и самокатов на расстоянии;

Этап 4. Разработка программного обеспечения

Задачи: обеспечить автономную навигацию с обходом препятствий (бордюры, люди, машины);

реализовать алгоритмы маневрирования с грузом (самокатами) для сохранения устойчивости;

Этап 5. Создание демонстрационного макета

Задача: Визуализировать концепцию и протестировать основные функции перед полномасштабной реализацией.

Реализация:

демонстрация ключевых функций: движение в разных направлениях, подъём платформы, обнаружение макета самоката, обход препятствий.

Результаты:

выявление слабых мест (например, задержки в реакции датчиков) для доработки перед созданием прототипа.

Создание и доработка робота :

Создание:

• определить габариты робота с учётом размеров самоката;

• продумать расположение ключевых компонентов:

  • смарт‑хаб (центр тяжести, защита от ударов);

  • моторы для движения (симметричное расположение);

  • ультразвуковой датчик (фронтальное размещение на оптимальной высоте);

  • линейные двигатели для платформы (по бокам или сзади).

  • Всенаправленные колёса

Дороботка:

• Переход с пневмоподъёмника на линейный двигатель

• Доработка корпуса робота

4.2. Программное обеспечение для управления движением самокатовоза.

Программный код мы создавали на Python. Эта среда для нас новая.

Для последовательного воспроизведения кода мы использовали асинхронные функции. Мы изучали основы практически всю осень, чтобы уверенно создавать свои функции.

Почему мы решили использовать Python?

Python — это популярный язык программирования на текстовой основе. Мы решили использовать его потому что:

Стабильность при работе: Более точный настройки (например миллисекунды и дециградусы)

Простота визуального восприятия: Наличие комментариев, упрощает работу в команде. Программа выглядит компактно и читабельно

Множество инструментов: Разгон и торможение. Асинхронные функции

Выбор среды разработки и обоснование языка Python

• Для реализации системы управления роботом-самокатовозом нами была выбрана среда программирования Python. На момент начала проекта этот язык был для нас новым, однако его архитектура наиболее полно отвечала требованиям задачи.

• В течение осеннего периода мы изучали основы Python, что позволило нам уверенно создавать собственные функции. Основные причины выбора Python:

• Стабильность при работе с реальными данными. Управление движением требует высокой точности. Python позволяет работать с миллисекундами (задержки управления) и дециградусами (поправки рулевого управления), что критически важно для плавного заезда под самокат.

• Простота визуального восприятия и командная работа. Синтаксис языка компактен и читабелен. Наличие комментариев в коде позволило распределить задачи внутри команды без риска внесения ошибок в логику движения.

• Множество встроенных инструментов управления. Библиотеки Python (как стандартные, так и сторонние) предоставляют готовые решения для реализации циклов разгона и торможения, а также асинхронных функций

Организация кода: асинхронное программирование

В процессе создания скриптов управления мы столкнулись с необходимостью выполнять несколько задач одновременно: опрос датчиков, управление колесами, контроль подъёмника и связь с пультом оператора.

Для последовательного и бесконфликтного воспроизведения кода мы использовали асинхронные функции (async/await). Это решение позволило:

Не блокировать основной поток управления во время выполнения операций ввода-вывода (чтение сигнала с ультразвукового датчика).

Точно соблюдать временные интервалы между началом подъема и началом движения вперед.

Мгновенно реагировать на внештатные ситуации (например, резкое торможение при появлении препятствия).

Алгоритм работы программы (Логика управления)

Программное обеспечение реализует трехэтапную физическую операцию по захвату и перемещению самоката. Подъехав к самокату сбоку, робот действует по следующему сценарию(Рисунок 4.2.1, Приложения):

Этап 1. Позиционирование.
Программа подает команды на всенаправленные (Mecanum) колеса. Платформа аккуратно заезжает под переднее крыло самоката. Скорость на этом этапе минимальна, крутящий момент ограничен для исключения удара.

Этап 2. Захват и подъем.
После подтверждения контакта (по датчику нагрузки или ограничению тока двигателя) активируется подъёмник, расположенный на платформе. Программный код плавно увеличивает усилие подъема, благодаря чему переднее колесо самоката мягко приподнимается над землёй. В этот момент вес самоката частично переносится на платформу, а сам транспортное средство сохраняет равновесие, опираясь только на своё заднее колесо.

Этап 3. Транспортировка.
Программа переходит в режим движения. Робот начинает ехать вперед, перемещая зафиксированный самокат в заданную зону парковки или зарядки. На этом этапе контролируется скорость поворотов, так как заднее колесо самоката катится пассивно.

В результате проделанной работы программное обеспечение позволяет:

Автоматически выполнять цикл «подъезд — подъем крыла — транспортировка».

Работать в реальном времени с помощью асинхронных функций.

Адаптироваться к рельефу (бордюры, пандусы) благодаря подвижному ультразвуковому датчику и прописанным сценариям поведения.

4.3. Макет электросамоката для демонстрации работы самокатовоза

Данный макет электросамоката был специально разработан и изготовлен для наглядной демонстрации функционирования робота-самокатовоза — в частности, для отработки процессов захвата, подъёма и транспортировки брошенного средства индивидуальной мобильности.

Работа велась в несколько этапов:

На первом этапе создания макета велась тщательная проработка чертежей будущего изделия (Рисунок 4.3.1, Приложения) Были выполнены основные виды: вид сверху и вид сбоку, вид снизу. Основная сложность на этом этапе заключалась в определении оптимальных габаритных размеров макета, которые были бы полностью совместимы с конструктивными особенностями и ограничениями робота-самокатовоза (например, с зоной захвата и грузоподъёмностью платформы). В связи с этим потребовалось провести серию предварительных расчётов, чтобы согласовать пропорции самоката с техническими параметрами робота. Процесс поиска подходящих размеров занял значительное время, поскольку требовалось учесть несколько противоречивых факторов.

После завершения чертежа был осуществлён переход к практическому изготовлению макета. В качестве основного материала выбран листовой ПВХ-пластик, который обладает достаточной жёсткостью, легко обрабатывается (режется, сверлится, склеивается) и имеет небольшой вес — что важно для экспериментов с роботизированной платформой. Из ПВХ-пластика были вырезаны все основные детали: дека, рулевая стойка, имитация колёс и крепёжные элементы. Сборка производилась с помощью термоклея и винтовых соединений, что обеспечило прочность и возможность ремонта при необходимости.

Заключительным этапом стала отделка готового макета. Вся команда совместно выполняла окрашивание из аэрозольных баллончиков. Такой способ позволил получить ровное, быстро сохнущее покрытие. Коллективная работа над цветовым решением обеспечила аккуратный внешний вид макета и его контрастность, что важно для видеосъёмки демонстрации работы самокатовоза.

 В ходе работы над главой был разработан рабочий чертёж макета, согласованный с параметрами робота-самокатовоза, изготовлен прототип из ПВХ-пластика, отвечающий требованиям жёсткости и лёгкости, выполнена качественная окраска и декорирование макета коллективом авторов. Полученное изделие полностью пригодно для проведения натурных испытаний и наглядной демонстрации.

Заключение

В ходе выполнения проекта успешно создана и протестирована роботизированная платформа «Самокатовоз» для автоматической транспортировки неправильно припаркованных электросамокатов. Поставленная цель полностью достигнута, все задачи решены в полном объёме.

Оптимальным решением для компактной мобильной платформы выбраны линейные электродвигатели, которые обеспечивают высокую точность позиционирования, плавность хода без рывков, компактность и простоту интеграции с системой управления. Установка двух синхронизированных линейных двигателей позволяет равномерно поднимать переднее колесо самоката, частично перенося его вес на платформу, при этом самокат сохраняет равновесие, опираясь на своё заднее колесо.

Создано ПО на языке Python с использованием асинхронных функций. Реализован и успешно протестирован на демонстрационном макете трёхэтапный алгоритм.

1. Позиционирование — подача команд на всенаправленные колёса, плавный заезд под переднее крыло самоката с минимальной скоростью и ограниченным крутящим моментом для исключения удара.

2. Подъём — после подтверждения контакта по датчику нагрузки активируются линейные двигатели, которые плавно увеличивают усилие и мягко приподнимают переднее колесо самоката над землёй.

3. Транспортировка — переход в режим движения к заданной зоне парковки или зарядки с контролем скорости поворотов, так как заднее колесо самоката катится пассивно.

Созданный прототип роботизированной платформы «Самокатовоз» сочетает в себе оптимальный механизм подъёма, правильно обоснованный выбор ходовой части и надёжное программное обеспечение на Python с асинхронной архитектурой. Платформа адаптируется к городским условиям (бордюры, пандусы, неровности), соответствует требованиям инфраструктуры СИМ и может служить готовым прототипом промышленного устройства для кикшеринговых сервисов и коммунальных служб. Внедрение таких роботизированных систем позволит снизить риск травматизма пешеходов, освободить тротуары и пешеходные переходы от брошенных самокатов, уменьшить количество конфликтов между пешеходами и пользователями СИМ, а также сократить затраты на ручную уборку и организацию парковочных пространств, тем самым повысив общую безопасность и комфорт городской среды.

Список источников

1. https://m.business-gazeta.ru/news/702753

2. https://cmokhv.ru/materials/mat20231019/

3. https://admnvrsk.ru/o-gorode/novosti/glavnye-novosti/news-18062024113400-135699/

4. https://www.21vek.by/info/howto/8989.html

5. https://bvdshop.ru/obzory/obzor-samyh-legkih-elektrosamokatov

6.https://admrzn.ryazan.gov.ru/activities/biznes/sredstva_individualnoy_mobilnosti_sim/trebovaniya_k_razmeshcheniyu_i_peredvizheniyu_sim_301146/

7.https://mintrans.gov.ru/file/491860

8.https://www.minstroyrf.gov.ru/press/minstroy-rossii-utochnil-trebovaniy-k-proektirovaniyu-ulichno-dorozhnoy-seti-s-uchetom-velosipednoy-/

9.https://normativ.kontur.ru/document?moduleId=9&documentId=491004

Приложения