XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка прототипа облегченной автоматизированной системы противовоздушной обороны (ПВО) ближнего радиуса действия для городского базирования на платформе LEGO Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Асламин В.Н. 1Цаур Р.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Бек М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

0.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Проблема защиты гражданской инфраструктуры от атак малых беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) в последние годы приобрела особую остроту для крупных городов Российской Федерации, включая такие промышленные центры, как Тюмень, Екатеринбург, Новосибирск и другие. С началом специальной военной операции (2022 г.) стало очевидно, что коммерческие дроны, доступные для приобретения любым физическим лицом, могут быть переоборудованы для несения взрывчатых веществ, ведения разведки и корректировки огня. При этом существующие системы противовоздушной обороны (С-400, «Панцирь-С1», «Тор-М2») ориентированы на перехват крупных высокоскоростных целей на больших высотах и не могут эффективно бороться с роем пластиковых дронов, летящих на высоте 30–80 метров между жилыми домами.

Одним из самых уязвимых элементов городской инфраструктуры являются высотные административные и жилые здания, а также промышленные объекты (нефтеперерабатывающие заводы, ТЭЦ, мосты). Обычные средства ПВО не могут быть размещены на крышах из-за их массы, габаритов и опасности для гражданских при применении осколочных боеприпасов. Кроме того, радиолокационные станции этих комплексов имеют «мёртвые зоны» вблизи земли и за зданиями, что делает дрон практически невидимым до момента атаки.

Макетирование является важнейшим этапом проектной деятельности в области робототехнических систем военного и двойного назначения. Оно позволяет проверить алгоритмы автономного обнаружения и сопровождения цели, выявить скрытые проблемы в кинематике опорно-поворотного устройства, получить обратную связь от экспертов и наглядно представить решение тем, кто не знаком с техническими деталями (представители администрации, сотрудники МЧС, инженеры). В нашем случае создание макета имеет особое значение, так как реальные испытания автоматической турели с поражающими элементами (даже нелетальными) невозможны в рамках школьного проекта по соображениям безопасности, этики и отсутствия доступа к полигонам.

Для реализации макета мы выбрали образовательную платформу Lego Mindstorms EV3 и язык программирования Python (с использованием прошивки ev3dev). Lego EV3 предоставляет готовые программируемые блоки, сервомоторы с энкодерами и датчики (ультразвуковой, гироскопический, касания), что позволяет быстро собрать работающий прототип без сложной пайки, проектирования печатных плат и заказа дорогостоящих компонентов. Python, в свою очередь, даёт возможность реализовать сложную логику конечного автомата, пропорциональное регулирование (P-регулятор) для удержания цели, а также интеграцию с внешними системами отображения данных.

Целью данной работы является теоретическое обоснование концепции облегчённой автоматизированной системы ПВО крышного базирования и создание действующего роботизированного прототипа такой установки на базе Lego Mindstorms EV3, способного в автономном режиме обнаруживать, сопровождать и условно поражать цель.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Провести анализ актуальных воздушных угроз для городской инфраструктуры Тюменского региона (нефтехимические комбинаты, мосты через Туру, высотные жилые комплексы) и выявить недостатки существующих систем ПВО при их применении в плотной застройке.

2. Сформулировать концепцию и технические требования к «облегчённой системе ПВО крышного базирования», включая выбор типа поражающего элемента (сеткомет или направленный электромагнитный импульс) и сенсорной подсистемы.

3. Разработать кинематическую схему двухосевой турели (опорно-поворотного устройства) с использованием деталей Lego Technic, обеспечивающую углы поворота азимута не менее 180° и углы возвышения от –15° до +45°.

4. Собрать механическую конструкцию прототипа, интегрировав ультразвуковой датчик (имитация радара сопровождения), два больших мотора (приводы азимута и угла места) и один средний мотор (имитация механизма стрельбы).

5. Написать программу на языке Python (ev3dev) для микроконтроллера EV3, реализующую конечный автомат с четырьмя состояниями: «Инициализация», «Патрулирование», «Сопровождение», «Поражение». Обеспечить фильтрацию ложных срабатываний (три последовательных измерения расстояния менее 60 см) и звуковую/световую индикацию этапов работы.

6. Провести экспериментальные испытания прототипа в лабораторных условиях, имитируя пролёт цели на разных скоростях и траекториях. Зафиксировать время реакции системы (от момента обнаружения до «выстрела»), зону обнаружения (мёртвые зоны), частоту ложных срабатываний.

7. Выявить конструктивные и алгоритмические недостатки прототипа (люфт шестерён, «слепые зоны» ультразвукового датчика, перекручивание проводов) и предложить пути их устранения в следующей версии макета (переход на Raspberry Pi и камеру с компьютерным зрением).

Реализация данных задач позволяет не только продемонстрировать работу автоматической системы перехвата малых БПЛА на наглядном макете, но и сформировать основу для дальнейшего совершенствования проекта с учётом реальных потребностей городской инфраструктуры и рекомендаций специалистов в области ПВО и робототехники.

Глава 1. Теоретическое обоснование концепции облегченной системы ПВО крышного базирования

1.1 Анализ современных воздушных угроз для инфраструктуры крупных городов

Крупные города являются центрами сосредоточения промышленных, энергетических, транспортных и административных объектов. Нефтеперерабатывающие заводы, теплоэлектроцентрали, мостовые переходы через реки, железнодорожные вокзалы, аэропорты и высотные административные здания — все эти объекты в случае атаки могут стать источниками техногенных катастроф с многочисленными жертвами и масштабными разрушениями. Опыт последних лет (2022–2024 гг.) наглядно демонстрирует, что одним из основных средств нападения на такие объекты становятся малые беспилотные летательные аппараты (БПЛА).

Коммерческие дроны типа DJI Mavic, стоимостью от 80 до 300 тысяч рублей, могут быть переоборудованы для несения взрывных устройств массой до 2–3 килограммов. FPV-дроны (First Person View), собираемые энтузиастами из доступных компонентов — рама из углепластика, электромоторы, контроллер полёта, видеопередатчик — способны развивать скорость до 150 км/ч и поражать цели с высокой точностью, управляясь оператором через очки виртуальной реальности. Самодельные дроны-камикадзе могут изготавливаться кустарно из деталей, заказанных через интернет, что делает их практически неотслеживаемыми на этапе подготовки.

Особую опасность представляет тот факт, что большинство этих аппаратов изготавливаются из пластика, углепластика и композитных материалов, которые плохо отражают радиолокационные волны. Эффективная площадь рассеяния (ЭПР) типичного дрона сравнима с ЭПР крупной птицы — чайки или вороны. К примеру, ЭПР дрона DJI Mavic 3 составляет около 0,005–0,01 квадратного метра, тогда как ЭПР истребителя Су-27 превышает 10 квадратных метров. Это делает дроны практически невидимыми для традиционных радаров, особенно на фоне городской застройки, создающей множественные переотражения сигнала.

Кроме того, дроны способны летать на предельно малых высотах — от 10 до 80 метров. Они могут использовать рельеф местности (русла рек, овраги, лесополосы) и городскую застройку (полёты между многоэтажными зданиями, ниже линии крыш) для ухода от обнаружения (Рисунок 1.1.1, Приложения).

Промышленные объекты имеют дополнительные факторы уязвимости. Нефтеперерабатывающие заводы и нефтехранилища содержат большие объёмы легковоспламеняющихся жидкостей и газов. Попадание даже небольшого дрона с взрывным устройством в резервуар или технологическую установку может привести к техногенной катастрофе с многочисленными жертвами и масштабным загрязнением окружающей среды. Мостовые переходы, особенно в часы пик, заполнены тысячами автомобилей и сотнями пешеходов. Атака на мост способна не только разрушить важный транспортный узел, но и привести к многочисленным человеческим жертвам. Высотные административные и жилые здания вмещают тысячи людей, и их крыши, как будет показано далее, являются идеальными площадками для размещения систем ПВО, но сами они становятся целями (Рисунок 1.1.2, Приложения).

Таким образом, угроза атак с использованием малых БПЛА для крупных городов является не гипотетической, а вполне реальной и требующей немедленного реагирования.

1.2 Ограничения классических зенитно-ракетных комплексов в условиях плотной застройки

Для защиты стратегических объектов в настоящее время могут быть задействованы зенитно-ракетные комплексы (ЗРК) типа С-400 «Триумф», «Панцирь-С1» или «Тор-М2». Однако их применение в черте крупного города сталкивается с рядом фундаментальных ограничений, которые делают такое применение либо неэффективным, либо опасным для гражданского населения (Рисунок 1.2.1, Приложения).

Первое ограничение — экономическая нецелесообразность. Стоимость одной зенитной ракеты для комплекса «Панцирь-С1» (ракета 57Э6) составляет около 25–30 миллионов рублей. Ракета для С-400 (типа 48Н6) стоит от 50 до 100 миллионов рублей. При этом атакующий дрон может стоить всего 50–300 тысяч рублей, а самодельный FPV-дрон — и вовсе 30–50 тысяч рублей. Соотношение стоимости перехвата к стоимости цели достигает 100:1 и более. Это означает, что даже успешное отражение нескольких десятков атак приведёт к полному истощению бюджета на оборону, тогда как противник понесёт минимальные затраты (Рисунок 1.2.2, Приложения). Кроме того, боекомплект ЗРК ограничен (как правило, 12–48 ракет на одну батарею), и после его исчерпания комплекс становится бесполезным до перезарядки, что занимает несколько часов.

Второе ограничение — наличие радиолокационных «мёртвых зон». Радиолокационные станции ЗРК имеют нижнюю границу зоны обнаружения. Для большинства комплексов теоретическая нижняя граница составляет 5–30 метров, однако на практике, из-за многократных отражений сигнала от зданий, асфальта и других объектов городской инфраструктуры, реальная нижняя граница поднимается до 50–100 метров (Рисунок 1.2.3, Приложения). Дрон, летящий на высоте 10–20 метров между многоэтажными зданиями или вдоль русла городской реки, просто не будет обнаружен радаром. Сигнал, отражённый от такого дрона, теряется в «шумах» — отражениях от стен, крыш, деревьев и движущихся автомобилей. Это явление, известное как «радиолокационная тень» застройки, делает классические ЗРК практически слепыми на сверхмалых высотах (Рисунок 1.2.4, Приложения).

Третье ограничение — недопустимость применения осколочных боеприпасов в городе. Зенитные ракеты оснащены осколочными боевыми частями. При подрыве такой ракеты в воздухе образуется поле из тысяч металлических осколков, разлетающихся со скоростью до 1500–2000 метров в секунду. В условиях плотной жилой застройки эти осколки неизбежно попадут в жилые дома, припаркованные автомобили, линии электропередач, а главное — в людей, находящихся на улицах или балконах. Даже успешный перехват дрона ценой разрушения фасада соседнего дома и ранения гражданских не может считаться приемлемым. Применение осколочных боеприпасов в черте города квалифицируется как нарушение международного гуманитарного права и ведёт к неизбежным жертвам среди мирного населения.

Четвёртое ограничение — массо-габаритные характеристики. Типичный ЗРК «Панцирь-С1» имеет массу около 20 тонн в боевом положении на колёсном шасси. Он не может быть размещён на крыше жилого или административного здания, так как несущие конструкции большинства строений рассчитаны на нагрузки не более 300–500 килограммов на квадратный метр (с учётом снеговой нагрузки). Кроме того, габариты комплекса — высота в походном положении около 3 метров, длина более 7 метров — делают его прекрасной видимой целью для вражеской разведки с другого дрона. Размещение таких комплексов на земле в черте города также проблематично, так как они требуют большой открытой площадки, а их работа (вращение радара, пуск ракет) привлекает внимание гражданских и легко обнаруживается.

Пятое ограничение — время реакции. ЗРК требует времени на развёртывание, включение питания радара, захват и сопровождение цели. Даже в дежурном режиме это время составляет десятки секунд. Дрон же, летящий на скорости 150 км/ч, преодолевает расстояние в 1 километр всего за 24 секунды. К моменту, когда комплекс «увидит» дрон, тот уже может находиться непосредственно над защищаемым объектом. Кроме того, алгоритмы обработки сигналов классических радаров не оптимизированы для обнаружения столь малых и медленных (по сравнению с самолётами и ракетами) целей, поэтому многие дроны просто отфильтровываются как «помеха» или «птицы».

Таким образом, классические средства противовоздушной обороны не могут быть эффективно и безопасно применены для защиты объектов, расположенных в пределах плотной городской застройки. Это создаёт объективную потребность в разработке совершенно нового класса систем, ориентированных специфически на борьбу с малыми БПЛА в городских условиях.

1.3. Концепция распределённой сети облегчённых ПВО крышного базирования

На основе проведённого анализа нами была сформулирована концепция распределённой сети облегчённых автоматизированных систем ПВО крышного базирования (ОАС ПВО), опирающаяся на четыре основных принципа.

Первый принцип — децентрализация. Вместо одной мощной батареи ЗРК предлагается разместить на крышах высотных зданий множество компактных автономных модулей, каждый из которых защищает свой сектор радиусом 200–300 метров. При выходе из строя одного модуля остальные продолжают работу. Стоимость одного модуля в серийном производстве может составлять 1–5 миллионов рублей, что позволяет создавать сети из сотен модулей для защиты всего города.

Второй принцип — сетецентричность. Модули объединены в единую информационную сеть. Если один модуль теряет цель из-за того, что она скрылась за зданием, данные о её координатах мгновенно передаются соседним модулям, и цель «перехватывается». Это создаёт непрерывное поле обнаружения без мёртвых зон даже в плотной застройке.

Третий принцип — нелетальное поражение. Установки не используют осколочные боеприпасы. В качестве поражающих элементов применяются направленное радиоэлектронное подавление (РЭБ), маломощный лазер или кинетический перехват сетью (сеткомёт). Эти методы не создают опасных осколков и безопасны для гражданских.

Четвёртый принцип — полная автономность. Система самостоятельно патрулирует сектор, идентифицирует цели с помощью нейросетей, принимает решение об атаке и отчитывается в центр управления. Оператор может вмешаться в любой момент, но в дежурном режиме система исключает «человеческий фактор».

Размещение на крышах высотой 50–100 метров обеспечивает чистый горизонт, отсутствие препятствий и упрощает подключение к электросетям здания. Обслуживание могут проводить гражданские специалисты без привлечения военных. При размещении модулей на каждом третьем здании их зоны обнаружения перекрываются, создавая непрерывный «щит» над городом (Рисунок 1.2.5, Приложения).

Для создания лабораторного прототипа оптимально подходит платформа LEGO Mindstorms EV3, предоставляющая готовые моторы, датчики и среду программирования. На её базе можно собрать двухосевую турель, реализовать алгоритмы патрулирования, обнаружения и сопровождения цели, а также имитировать поражающее действие. Все конструктивные решения при замене EV3 на промышленные компоненты могут быть масштабированы до полноценной боевой системы.

Таким образом, целью следующего этапа работы является практическая реализация описанной концепции в виде действующего лабораторного прототипа на базе LEGO Mindstorms EV3.

Глава 2. Проектирование и разработка прототипа на базе Lego Mindstorms EV3

2.1. Разработка механической конструкции прототипа

Для практической реализации концепции облегчённой автоматической системы ПВО крышного базирования была выбрана образовательная платформа LEGO Mindstorms EV3. Выбор обусловлен доступностью компонентов, наличием программируемых сервомоторов с встроенными энкодерами, ультразвукового датчика (имитация радара сопровождения), а также возможностью быстрого прототипирования и итеративной доработки механической части без использования сложного инструментария и пайки.

2.1.1. Требования к прототипу

Перед началом сборки были сформулированы следующие технические требования к прототипу, вытекающие из теоретической концепции:

1. Стационарное базирование (имитация крепления к крыше здания);

2. Возможность вращения в горизонтальной плоскости (азимут) в пределах не менее 180 градусов;

3. Возможность наклона в вертикальной плоскости (угол возвышения) в диапазоне от –15 до +45 градусов;

4. Установка датчика обнаружения цели на подвижной части, соосно со стволом;

5. Наличие механизма имитации стрельбы;

6. Устойчивость конструкции при динамических нагрузках (пуски, остановки, вращение);

7. Полная автономность питания и управления (от одного блока EV3).

2.1.2. Кинематическая схема опорно-поворотного устройства

Прототип построен по классической схеме двухосевой турели. Опорно-поворотное устройство состоит из двух независимых кинематических цепей: привода азимута (вращение вокруг вертикальной оси) и привода угла возвышения (наклон вокруг горизонтальной оси).

Привод азимута. Неподвижным основанием служат две параллельные лыжи из перфорированных балок LEGO Technic, обеспечивающие низкий центр тяжести и предотвращающие опрокидывание. На основании закреплена большая шестерня (40 зубьев) — неподвижный зубчатый венец (Рисунок 2.1.1, Приложения). Поворотная платформа установлена на оси в центре этой шестерни. На платформе закреплён большой мотор (Motor A) с малой шестерней (8 зубьев). При вращении мотора малая шестерня обкатывается вокруг неподвижного венца, вращая платформу. Передаточное отношение 5:1 обеспечивает высокий крутящий момент и точность позиционирования.

Привод угла возвышения. На поворотной платформе установлен второй большой мотор (Motor B). Его вал через понижающую передачу (1:3) соединён с коромыслом, на котором закреплён «ствол» — балка с ультразвуковым датчиком (Рисунок 2.1.2, Приложения). Понижение передаточного числа необходимо для точного удержания ствола без дрожания и компенсации момента силы тяжести. Расчётное плечо до центра масс составляет 8 см, масса — 0,15 кг, требуемый момент — 0,12 Н·м. Мотор EV3 выдаёт до 0,2 Н·м, а с учётом редуктора запас прочности — 5-кратный.

Механизм имитации стрельбы. На задней части ствола установлен средний мотор (Motor C) с эксцентриком на оси (Рисунок 2.1.3, Приложения). При вращении возникает вибрация и звук, имитирующие работу автоматики. В перспективе на эту ось может быть установлен реальный механизм выталкивания контейнера с сетью.

Сенсорная подсистема. Ультразвуковой датчик закреплён на переднем конце ствола соосно с ним. Датчик измеряет расстояние до препятствия в диапазоне 3–250 см. Угол диаграммы направленности — около 30 градусов, что приемлемо для лабораторных испытаний (Рисунок 2.1.4, Приложения).

Интеграция микроконтроллера. Блок EV3 размещён на основании между полозьями и служит дополнительным балластом. Соединительные кабели проложены с запасом по длине (технологические петли) для предотвращения перекручивания при вращении. Разъёмы зафиксированы пластиковыми стяжками (Рисунок 2.1.5, Приложения).

Итеративные доработки. В процессе сборки создано три версии. Первая версия с точечной опорой давала сильную раскачку при резких остановках (Рисунок 2.1.6, Приложения). Во второй версии добавлены широкие полозья, что увеличило площадь опоры в три раза и устранило проблему опрокидывания.

2.2. Разработка программного обеспечения

Программное обеспечение является ключевым компонентом прототипа, так как именно алгоритм определяет автономное поведение системы: поиск цели, её захват, сопровождение и принятие решения о «выстреле». Для реализации была выбрана среда программирования на языке Python с использованием прошивки ev3dev (Debian Linux на микроконтроллере EV3). Выбор обусловлен гибкостью Python, возможностью использования многопоточности, а также удобством отладки.

2.2.1. Логическая структура алгоритма (конечный автомат)

Алгоритм построен как конечный автомат (Finite-State Machine, FSM) с четырьмя состояниями. Переход между состояниями осуществляется по условиям, зависящим от показаний датчика расстояния и таймеров. Такой подход является стандартным для систем реального времени, так как он исключает конфликты команд и обеспечивает предсказуемое поведение (Рисунок 2.2.1, Приложения).

Состояние 0: INIT (Инициализация). Выполняется при запуске программы. Происходит сброс энкодеров моторов в ноль (команда reset()), турель устанавливается в исходное центральное положение (азимут 0°, возвышение 0°). Производится тест ультразвукового датчика (измерение расстояния, проверка, что значение не равно «None»). Включается звуковое оповещение «System activated»(Рисунок 2.2.2, Приложения).

Состояние 1: SEARCH (Патрулирование). Основной дежурный режим. Турель вращается в горизонтальной плоскости в пределах от –90° до +90° (или от –60° до +60° — настраиваемый параметр). Скорость вращения составляет 30% от максимальной, что обеспечивает плавное сканирование сектора. Циклически (с частотой 20 Гц, период 50 мс) считывается расстояние с ультразвукового датчика. Условие перехода в состояние TRACK: значение расстояния становится меньше порогового (60 см) и остаётся меньше порога в течение трёх последовательных измерений (Рисунок 2.2.3, Приложения). Тройная проверка реализует простейшую фильтрацию ложных срабатываний, например от случайного отражения сигнала от стен или быстрого движения руки экспериментатора.

Состояние 2: TRACK (Сопровождение цели). По достижении этого состояния вращение азимута останавливается. Система начинает отсчёт времени удержания цели. Если цель находится в зоне обнаружения (расстояние < 60 см) непрерывно в течение заданного времени (например, 1,5 секунды), это расценивается как устойчивый захват, и система переходит в состояние ENGAGE. Если же расстояние в любой момент превышает порог (цель ушла или измерение было ложным), система немедленно возвращается в состояние SEARCH. Дополнительно в этом состоянии может быть реализована микро-коррекция угла возвышения (ствол слегка приподнимается для компенсации времени подлёта цели — баллистическая поправка).

Состояние 3: ENGAGE (Поражение). При переходе в это состояние система принимает решение об «огневом контакте». Последовательно выполняются следующие действия: звуковой сигнал (сирена или короткий тон 1000 Гц), вывод на экран EV3 сообщения «TARGET LOCKED», запуск среднего мотора (Motor C) на 2–5 оборотов (имитация стрельбы), короткая пауза (0,5–1 секунда). После завершения «стрельбы» система возвращается в состояние SEARCH, предварительно сбросив флаги захвата. При необходимости в этом же состоянии может быть реализована повторная попытка захвата, если после «выстрела» цель всё ещё присутствует в зоне обнаружения (протокол двойного поражения), однако в текущей версии используется однократное поражение.

2.2.2. Фильтрация данных датчика и защита от ложных срабатываний

Ультразвуковой датчик LEGO EV3, как и любой другой, подвержен случайным выбросам (например, отражение сигнала от неровной поверхности или интерференция с другим ультразвуковым источником). Для повышения надёжности в программе реализован алгоритм медианной фильтрации по времени: значение расстояния принимается в расчёт только в том случае, если три последовательных измерения подряд фиксируют расстояние ниже порога. Этот подход исключает единичные «скачки» и предотвращает ложный переход в состояние TRACK.

Также предусмотрена защита от перекручивания кабелей: в состоянии SEARCH программа отслеживает текущий угол поворота по энкодеру мотора азимута и при достижении заданного предела (например, ±150°) меняет направление вращения на противоположное. Это предотвращает механическое повреждение проводов, соединяющих неподвижный блок EV3 с моторами на поворотной платформе.

2.2.3. Листинг программы с комментариями

В приложениях представлен полный листинг программы на языке Python. Код содержит подробные комментарии на русском языке, поясняющие назначение каждой функции и блока. Для работы программы необходима установленная прошивка ev3dev и библиотека python3-ev3dev2.

В строках 1–12 приведён заголовок файла с указанием назначения и авторства. Импорт библиотек (строки 14–21) включает модули для работы с моторами, ультразвуковым датчиком, звуком, дисплеем и временем. Для мотора стрельбы используется класс MediumMotor, так как он имеет меньшую инерционность и достаточный крутящий момент для вращения эксцентрика.

Функция reset_turret() (строки 49–70) выполняет калибровку: сбрасывает энкодеры, затем, если текущее положение отличается от нулевого, медленно возвращает моторы в нуль. Использование block=True гарантирует завершение движения перед выполнением следующей команды. Функция fire_sequence() (строки 73–91) отвечает за имитацию стрельбы: последовательно подаёт звуковой тон, выводит сообщение на экран, запускает вращение среднего мотора на 2 оборота, затем подаёт короткий завершающий тон.

Основная логика реализована в функции main() (строки 105–210). Переменная state хранит текущее состояние конечного автомата: "SEARCH", "TRACK", "ENGAGE". Переменная track_start_time фиксирует момент времени (в секундах от запуска программы), когда цель впервые попала в зону обнаружения в режиме TRACK.

В состоянии SEARCH (строки 125–152) мотор азимута непрерывно вращается с заданной скоростью. На экран выводится текущее расстояние. Если три измерения подряд показывают расстояние менее 60 см, система переходит в состояние TRACK.

В состоянии TRACK (строки 155–180) система проверяет, остаётся ли цель в зоне поражения. Если расстояние снова превышает порог — немедленный возврат в SEARCH. Если цель удерживается непрерывно в течение TRACKING_TIME секунд — переход в ENGAGE. Перед переходом ствол приподнимается на угол PITCH_ANGLE (отрицательное значение означает подъём вверх, так как система координат мотора может быть инвертирована в зависимости от сборки).

В состоянии ENGAGE (строки 183–198) вызывается функция fire_sequence(), затем ствол возвращается в горизонтальное положение, и после двухсекундной паузы система возвращается в SEARCH.

Заключение

В ходе выполнения данной научно-исследовательской работы была достигнута поставленная цель: теоретически обоснована концепция облегчённой автоматизированной системы противовоздушной обороны крышного базирования и создан действующий роботизированный прототип на базе LEGO Mindstorms EV3, демонстрирующий возможность автономного обнаружения, сопровождения и условного поражения цели.

Актуальность исследования подтверждается анализом современных угроз. Малые беспилотные летательные аппараты стали доступным и массовым средством нанесения ударов по объектам критической инфраструктуры. Они обладают малым радиолокационным отражением, способны летать на сверхмалых высотах и использовать городскую застройку для ухода от обнаружения. Классические зенитно-ракетные комплексы при этом оказываются практически бесполезны в условиях плотной жилой застройки из-за высокой стоимости ракет, наличия «мёртвых зон», недопустимости применения осколочных боеприпасов и массогабаритных ограничений. Возникает объективная потребность в разработке нового класса систем, ориентированных на борьбу с малыми БПЛА в городе.

В работе сформулирована концепция распределённой сети облегчённых автоматических систем ПВО крышного базирования. Предлагается размещать на крышах высотных зданий множество компактных автономных модулей, которые за счёт обмена данными обеспечивают непрерывное сопровождение цели. В качестве поражающих элементов выбран комбинированный подход: радиоэлектронное подавление на средней дальности и сеткомёт на малой дальности, что исключает использование осколочных боеприпасов.

Для практической проверки концепции разработан лабораторный прототип на базе LEGO Mindstorms EV3 — двухосевая турель с ультразвуковым датчиком, имитирующим радар сопровождения. Программная реализация выполнена на Python (прошивка ev3dev) в виде конечного автомата с состояниями инициализации, патрулирования, сопровождения и поражения. Экспериментальные испытания подтвердили работоспособность прототипа: система стабильно обнаруживает объект, переходит в режим сопровождения и после устойчивого захвата производит имитацию стрельбы.

Значимость работы заключается в том, что на доступной элементной базе продемонстрирована возможность построения полностью автономной системы обнаружения и сопровождения движущейся цели. Разработанные алгоритмы и конструктивные решения могут быть масштабированы при замене платформы EV3 на промышленные компоненты. Материалы работы могут использоваться в образовательном процессе для демонстрации принципов работы систем ПВО и автономной робототехники.

Перспективы дальнейшего развития проекта связаны с заменой ультразвукового датчика на камеру с компьютерным зрением и нейросетевым распознаванием объектов, установкой лидара, разработкой механизма автоматической перезарядки сеткомёта и интеграцией радиомодулей для организации взаимодействия между несколькими турелями.

Таким образом, созданный прототип подтверждает, что принципы автоматизированной защиты инфраструктуры от малых БПЛА могут быть реализованы на уровне компактных и интеллектуально развитых устройств, размещаемых на крышах высотных зданий. Предложенная концепция является экономически и технически обоснованной альтернативой применению классических зенитно-ракетных комплексов в условиях плотной городской застройки.

Список использованных источников:

1. Добридень, В. И. Малоразмерные беспилотные летательные аппараты и средства борьбы с ними ведущих зарубежных производителей : монография / В. И. Добридень, А. С. Уланов ; под ред. П. А. Созинова. — Москва : Наш мир, 2024. — 263 с. — ISBN 978-5-907795-57-0.

2. Максименков, Е. Применение средств борьбы с малоразмерными БПЛА в вооруженных силах ведущих зарубежных стран / Е. Максименков // Зарубежное военное обозрение. — 2024. — № 3. — С. 42–50.

3. Cornils, J. Compact Counter-UAS System for Defeating Small UAV in Complex Environments / J. Cornils, G. Scholl, R. Heynicke, M. Valentin, A. Wentzel // STO-MP-SET-315. — STO, 2024. — ISBN 978-92-837-2508-4. — DOI: 10.14339/MP-SET-315-23-PDF.

4. Вооружение, военная техника и боеприпасы : сборник научных статей. Ч. 2 / МГТУ им. Н. Э. Баумана. — Москва : МГТУ им. Баумана, 2015. — 209 с. — ISBN 978-5-91916-026-7.

5. Леонков, А. Борьба с дронами: комплексный подход / А. Леонков // Военно-промышленный курьер. — 2019.

6. Мураховский, В. Борьба за "малый воздух" / В. Мураховский // Военно-промышленный курьер. — 2025.

7. Medina Aguirre, F. A. Programación en Python para robótica: de la Teoría a la Práctica con LEGO MINDSTORMS EV3 / F. A. Medina Aguirre, J. A. Cortés Osorio, H. A. Quintero Vallejo. — Pereira : Universidad Tecnológica de Pereira, 2025. — 193 с. — ISBN 978-628-501-054-5. — DOI: 10.22517/9786285010545.

8. ev3dev Python Library Documentation / R. Hempel et al. — Электронныйресурс. — Режимдоступа: https://ev3dev-lang-python.readthedocs.io/ (датаобращения: 10.06.2026).

ПРИЛОЖЕНИЯ