XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Устройство для регулировки перекрестка "Перекрестный Отец"

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Кривощеков М.П. 1Софин А.Е. 1Токарев М.И. 1Шилов Р.Е. 1

---

1Школы интеллектуального развития «Мистер Брейн»

Филинова А.В. 1

---

1Школы интеллектуального развития «Мистер Брейн»

Работа в формате PDF

848.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Цель: Разработать робота на базе конструктора Lego Mindstorms EV3, который будет выполнять функцию регулировщика при внезапном отключении светофоров, чтобы обеспечить безопасность водителей и пешеходов.

Актуальность:

1. Мгновенное реагирование в критической ситуации. При отключении светофора (авария, перегрузка сети) на перекрестке возникает хаос: водители не понимают, кто имеет приоритет, что ведет к блокировке движения и высокому риску ДТП.

2. Безопасность для регулировщика. На оживленном перекрестке, где светофор погас, человек, выходящий на проезжую часть, рискует быть сбитым. Робот может быть размещен на выдвижной мачте, стойке или даже быть мобильным (например, на колесной платформе), работая с безопасного расстояния, либо быть достаточно заметным и прочным.

3. Автономность и работа в любых условиях. Робот может иметь собственный резервный источник питания (аккумулятор), не зависящий от городской сети. Он продолжит работать, даже если отключение вызвано полным обесточиванием района.

Задачи:

1. Выбрать интересную и актуальную проблему.

2. Придумать робота, который может решить выбранную проблему.

3. Нарисовать эскизы робота и придумать наилучшую версию.

4. Сконструировать робота.

5. Запрограммировать робота.

6. Улучшить его с помощью дополнений.

7. Проверить как он работает

Глава 1. Правила дорожного движения на перекрёстках:

Общие правила:

• Если перекрёсток с равноправными дорогами, приоритет у машин, выезжающих справа. [1]

• Сигналы светофора важнее знаков приоритета/

• Ехать можно только на разрешающий свет светофора с соблюдением рядности (поворот направо возможен лишь с правого ряда и т. д.).

• Если светофор со стрелочками в дополнительных секциях, поворот возможен при горящей стрелке.[2]

• Правила проезда нерегулируемых перекрёстков:

• На перекрёстке неравнозначных дорог водитель транспортного средства, движущегося по второстепенной дороге, должен уступить дорогу транспортным средствам, приближающимся по главной, независимо от направления их дальнейшего движения.

• На перекрёстке равнозначных дорог водитель безрельсового транспортного средства обязан уступить дорогу транспортным средствам, приближающимся справа.

(Рисунок 1.1 приложения)

• Правила проезда регулируемых перекрёстков

При повороте налево или развороте водитель безрельсового транспортного средства обязан уступить дорогу транспортным средствам, движущимся по равнозначной дороге со встречного направления прямо или направо. [3]

Правила проезда перекрёстков с круговым движением:

• Преимущество у транспорта, который уже на круге, и въезжающие обязаны уступить.

• Заезжать на круг разрешается со всех полос. Однако если въехали с правой полосы, нужно попасть на правую, с левой — на левую.

• Покидать круг нужно с правого ряда, включив правый поворотник. [4]

Правила проезда Т-образного перекрёстка:

• При наличии светофора на Т-образном перекрестке нужно ехать по его сигналам.

Правила дорожного движения на перекрёстках зависят от типа пересечения дорог. Согласно пункту 13.3 ПДД, перекрёстки делятся на три основных типа : [5]

Регулируемый — перекрёсток, на котором движение регулируется светофором или регулировщиком. Если на перекрёстке присутствует регулировщик, его сигналы имеют приоритет над сигналами светофора.

Нерегулируемый — перекрёсток без светофора или регулировщика, а также перекрёсток с неработающим или мигающим жёлтым светофором.

С круговым движением — особый тип перекрёстка, где транспортные средства движутся по кругу. [6]

(Рисунок 1.2 приложения)

Также существуют общие правила, которые должен соблюдать каждый водитель: [7]

Перед въездом на перекрёсток необходимо убедиться в отсутствии пешеходов и велосипедистов, собирающихся пересечь дорогу.

Запрещается выезжать на перекрёсток, если за ним образовался затор, это может привести к блокировке движения в поперечном направлении.

При повороте необходимо следить за той стороной, куда осуществляется поворот, чтобы не создать помех другим участникам движения.

Перед пересечением перекрёстка рекомендуется снизить скорость, чтобы иметь возможность безопасно остановиться при необходимости.[8]

Иллюстрации различных видов перекрестков по правилам дорожного движения (ПДД): нерегулируемый, регулируемый, с круговым движением:

(Рисунок 1.3 приложения)

Глава 2. Классификация перекрестков и их зон риска.

По форме (крестообразный, X-, T-, Y-образный, круговой).

По регулированию (регулируемый и нерегулируемый).

Специфика опасностей каждого типа.

Перекрестки регулируемые и нерегулируемые

1. Опасности на регулируемых перекрестках (со светофором)

Здесь все уверены, что «зеленый — это безопасно», но это главное заблуждение.

Для водителей:

«Гонка на мигающий зеленый»: Водитель ускоряется, чтобы проскочить, а не тормозит. В этот момент он не контролирует ситуацию. Результат: вылет на красный или столкновение с тем, кто начал поворот.

Выезд на «забитый» перекресток: на зеленый вы въезжаете, но впереди пробка. Вы застреваете посреди перекрестка, блокируете движение перпендикулярной дороги (когда у них загорится зеленый). Это создает хаос и риск бокового удара.

Поворот налево/направо с «ловушкой»: Вы поворачиваете на зеленую стрелку, но одновременно с вами с встречки на красный поворачивает другой водитель. Или вы пропускаете встречных, а пешеходы, идущие на свой зеленый, оказываются у вас в слепой зоне.

Для пешеходов:

«Зеленый — значит можно не смотреть». Самая частая ошибка. Водитель может не успеть затормозить из-за гололеда или резко поворачивать (особенно «направо» на зеленый стрелку, не пропуская пешеходов, идущих параллельно).

Переход на мигающий зеленый. Начав переход, можно не успеть закончить его до красного, оказавшись в потоке машин, которые уже поехали.

Автобусы и большие машины на соседней полосе. Они закрывают обзор. Вы выходите на пешеходный переход, а по второй полосе на скорости несется легковушка, водитель которой вас не видит

2. Опасности на нерегулируемых перекрестках

Здесь главный враг — непонимание приоритета и ограниченный обзор. Светофора нет, только знаки (или их отсутствие).

Для водителей:

Главная дорога меняет направление. Это самый коварный момент. Вы едете по «главной», но она поворачивает. Если не включить поворотник, водитель со второстепенной решит, что вы едете прямо, и начнет выезжать. Удар в бок неизбежен.

Помеха справа (на равнозначном перекрестке). Многие помнят правило, но на практике переоценивают свои силы. Столкновение на равнозначном перекрестке — одно из самых жестких, так как машины разгоняются, думая, что успеют проехать первыми.

Выезд со второстепенной на главную в плотном потоке. Водитель концентрируется на машинах слева и забывает про пешеходов или машины справа. Или выезжает, «ныряя» за проехавшей фурой, и не видит, что по главной во втором ряду едет другая машина.

Знаки приоритета отсутствуют или их не видно. Зимой знак может быть залеплен снегом, летом — закрыт ветками. Водитель ошибочно считает перекресток равнозначным (или наоборот), что ведет к неожиданной аварии.

Реверсивное движение или трамвайные пути. На нерегулируемом перекрестке водители часто забывают, что трамвай имеет преимущество, даже если выезжает со второстепенной дороги.

Для пешеходов:

Вы не видите, а вас не видят. На нерегулируемом переходе водитель может быть ослеплен солнцем или не ожидать пешехода из-за припаркованной фуры. Водители со второстепенной смотрят только на машины, а не на зебру.

• «Вежливый» водитель — это опасно. Одна машина остановилась, чтобы вас пропустить, а водитель соседней полосы этого не ожидает и продолжает движение. Вы выходите из-за остановившейся машины и попадаете под удар.

Выезд грузовика со второстепенной. Водитель грузовика, выезжая на главную, смотрит налево. Его прицеп при маневре «срезает» угол и может зацепить вас, если вы стоите на тротуаре близко к проезжей части.

Глава 3. Практическая часть

3.1. Создание конструкции робота на безе Lego Mindstorms

• Сначала мы собрали каркас робота

• Установили большие моторы

• Потом поставили гусеничные колёса на моторы

• И наконец установили гусеницы для движения

Гусеничный ход.

Ходовая часть робота представляет собой гусеничный ход, имеющий с каждого борта шесть колес: четыре колеса опорные, расположены в нижней части хода, два колеса находятся в верхней и не имеют возможности касания поверхности земли. Движение и манёвренность обеспечиваются двумя мощными большими электромоторами, которые через понижающую передачу вращают ведущие звёздочки, приводя в действие гусеничные ленты. Такая схема равномерно распределяет нагрузку на грунт и придаёт конструкции высокую проходимость. (Рисунок 3.1., 3.2., 3.3., Приложения)

Мы использовали именно гусеничный ход из-за следующих преимуществ:

1. Проходимость и сцепление с поверхностью

Гусеницы распределяют вес робота на большую площадь контакта с поверхностью. Это дает:

• Минимальное давление на грунт: Робот не проваливается в ковролин, песок или неровные поверхности, в отличие от колес, которые могут буксовать.

• Преодоление препятствий: Гусеницы позволяют переезжать через кабели, пороги, стыки матов и другие неровности высотой до 2–3 см, которые остановили бы колесного робота.

• Сцепление на наклонных плоскостях: Благодаря большой площади контакта и часто используемым резиновым накладкам, гусеничный робот может уверенно подниматься по пандусам с углом до 30–40°, где колесные аналоги начинают проскальзывать.

2. Точность движения и управляемость

• Отсутствие аккумуляции люфта: В классической колесной базе с прямым приводом неизбежны небольшие погрешности из-за проскальзывания. Гусеницы обеспечивают более предсказуемое перемещение, что критически важно для программируемого движения по датчикам.

• Поворот на месте (нулевой радиус разворота): Гусеничный привод позволяет организовать танковый разворот — вращение вокруг центральной оси. Это незаменимо в ограниченном пространстве (поля соревнований, лабиринты), где колесной базе требуется дуга для разворота.

• Стабильность курса: Гусеницы обладают высокой путевой устойчивостью. При движении по прямой робот меньше "рыскает" по сравнению с колесной базой, особенно при использовании синхронизации моторов в программе.

Ножничный подъемник

Мы использовали этот механизм для подъема световой матрицы для гусеничным ходом, для лучшей видимости.

Механизм подъема представляет собой ножничный подъемник, имеющий в своей конструкции три ключевых узла: в нижней части установлен средний мотор, отвечающий за приведение механизма в движение, чуть выше него расположен прямолинейный двигатель, который преобразует вращение в поступательное движение, а над ними находится система длинных балок, соединенных крест-накрест в ножничную группу. Подъем и опускание платформы обеспечиваются средним электромотором, который через угловую зубчатую передачу вращает винт прямолинейного двигателя, заставляя ножницы раскладываться или складываться. Такая схема равномерно распределяет нагрузку на все секции подъемника, обеспечивает высокую грузоподъемность при компактной конструкции и придает механизму плавность хода и позиционирования. (Рисунок 3.4., 3.5., приложения)

Преимущества использования линейного двигателя:

Самоторможение: Это ключевое преимущество. В отличие от рычажных систем, где нагрузка давит на мотор, червячная или винтовая передача в линейном двигателе не передает усилие обратно на мотор. Это означает, что подъемник может оставаться на любой высоте без постоянного удержания мотором, экономя энергию батарей.

Плавность и точность хода: Вращательное движение мотора преобразуется в очень плавное поступательное движение штока. В сочетании с энкодером мотора это позволяет добиться высокой точности позиционирования платформы.

Высокое усилие подъема: Хотя средний мотор уступает большому по крутящему моменту, линейный механизм с небольшим шагом резьбы позволяет "усилить" его тяговое усилие. Это позволяет поднимать грузы, которые были бы непосильны для прямой рычажной передачи от среднего мотора.

3.2 Описание программного кода управления роботом.

Мы создали программу для управления роботом в ПО LEGO Mindstorms EV3. Она состоит из двух программ, каждая из которых отвечают за определённые действия. (Рисунок 3.2.1, Приложения)

Программа для управления роботом, состоящая из трёх основных действий:

1 действие: Блок EV3 робота подключается к Блоку EV3 гаража, а затем едет на перекрёсток.

2 действие: Приехав, робот поворачивается на месте (с ожиданием в 10 секунд) для того, чтобы светодиодная матрица отобразила текущий светофорный знак.

3 действие: Закончив отображение он едет назад до того момента, как не получит сообщение от другого блока EV3, что был нажат датчик касания (обозначает то, что робот доехал в гараж).

Программа для управления режимом ожидания:

1 действие: Робот ожидает сообщение о том, что был нажат датчик касания.

2 действие: Робот очищает весь экран, а затем отображает на нём процесс зарядки (с ожиданием 0,2 секунды).

Также, нами была создана программа для управления гаражом в ПО LEGO Mindstorms EV3. (Рисунок 3.2.2, Приложения)

Программа для управления гаражом:

1 действие: Блок EV3 гаража подключается к блоку робота, а затем запускает переключатель с ожиданием на нажатие датчика касания.

2 действие: Если датчик касания не нажат (в состоянии 0), то отправляется сообщение, содержащее в себе цифру 0. Получение данного сообщения не приведёт к остановке робота.

Если датчик касания нажат (в состоянии 1), то отправляется сообщение, содержащее в себе цифру 1. Получение данного сообщения приведёт к остановке робота.

3.3 Описание светодиодной матрицы.

Мы создали устройство для регулировки дорожного трафика на базе Arduino UNO. (Рисунок 3.3.1, Приложения) Для его создания использовались: макетная плата, провода, резистор, плата Arduino UNO и сама светодиодная матрица 16х16.

Внешний вид:

Внешний вид матрицы представляет из себя квадрат формата 16х16 со светодиодами, подключенный несколькими проводами к Arduino и печатной плате, которая подключается к блоку EV3 для питания.

Соединение платы и матрицы:

Для корректной работы светодиодной матрицы к плате было необходимо подключить питание матрицы к печатной плате, а её выход – к Arduino. Также, для взаимодействия плат соединили Arduino и печатную плату. (Рисунок 3.3.2, Приложения)

Принцип работы:

Устройство крепится к корпусу робота и питается от блока EV3. Может отображать знаки: красный круг (движение запрещено), зелёная стрелка (движение разрешено) и цифры (3, 2 и 1 для отсчёта). При подключении к источнику питания матрица загорается и отображает знаки в определённом порядке:

1. Движение запрещено;

2. Ожидание;

3. Движение разрешено.

Цикл будет повторяться каждый раз, разрешая движение для определённой полосы.

(Рисунок 3.3.1, Приложения)

(Рисунок 3.3.2, Приложения)

Заключение

В теоретической части работы были проанализированы «Правила дорожного движения» и классификация перекрёстков для обоснования разработки робота-регулировщика на базе Lego Mindstorms EV3.

При отключении светофора перекрёсток становится нерегулируемым, где действуют правила приоритета: на равнозначных дорогах преимущество у помехи справа, на неравнозначных — у транспорта на главной дороге, а при круговом движении — у уже движущихся по кругу.

Анализ зон риска показал, что самые аварийные типы перекрёстков — Т-образные (выезд со второстепенной на главную), X-образные и Y-образные (плохая видимость из-за острых углов), а также круговые (несоблюдение приоритета при въезде). На регулируемых перекрёстках основные опасности — гонка на мигающий зелёный, выезд на забитый перекрёсток и невнимательность к пешеходам. На нерегулируемых перекрёстках (ситуация отключения светофора) главные риски — смена направления главной дороги без поворотника, игнорирование помехи справа, выезд со второстепенной в плотном потоке и отсутствие видимых знаков приоритета.

Таким образом, теоретическое исследование обосновало необходимость автономного робота, который заменяет светофор и исключает неопределённость приоритетов, что и было реализовано в практической части.

В ходе практической работы:

Был создан робот на базе Lego Mindstorms EV3 и Arduino UNO. Он подъезжает к перекрёстку, а светодиодная матрица 16×16 регулирует дорожное движение.

Разработаны программы для робота, гаража и матрицы. Было обеспечено соединение между блоками, движение робота, смена сигналов и взаимодействие с датчиками.

Было произведено множество тестирований, в результате которых мы видели изменения проекта. Последние подтвердили работоспособность решения.

Cписок используемых источников:

1.https://avtocod.ru/pravila-proezda-perekrestkov-o-chem-nuzhno-pomnit-voditelyam

2.https://avtocod.ru/pravila-proezda-perekrestkov-o-chem-nuzhno-pomnit-voditelyam

3.https://admpoddore.gosuslugi.ru/dlya-zhiteley/novosti-i-reportazhi/novosti_658.html

4.https://avtocod.ru/pravila-proezda-perekrestkov-o-chem-nuzhno-pomnit-voditelyam

5. https://www.autonews.ru/news/6188ea1e9a794733bf253ef5

6.https://auto.ru/mag/article/pravila-proezda-perekryostkov-ibez-svetoforov/?ysclid=mmuojrno882556580&utm_referrer=https%3A%2F%2Fya.ru

7. https://base.garant.ru/1305770/

8.https://admpoddore.gosuslugi.ru/dlya-zhiteley/novosti-i-reportazhi/novosti_658.html?ysclid=mmuolqbwf141866255

Приложения