XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Устройство для регулировки перекрестка "Перекрестный Отец".Изучение светофора

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Иванов В.К. 1Полянский Н.С. 1Гонтов Д.М. 1

---

1Школы интеллектуального развития «Мистер Брейн»

Филинова А.В. 1

---

1Школы интеллектуального развития «Мистер Брейн»

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Светофор – это неотъемлемая часть жизни каждого человека. Одна из областей, которая может решить данную проблему – робототехника. Актуальность работы обусловлена тем, что даже светофоры могут отключаться из-за различных факторов, которые не всегда возможно предугадать. В таких случаях перекрёсток становится нерегулируемым, что приводит к заторам и росту аварийности. Существующие альтернативы — регулировщик или знаки приоритета — не всегда доступны или оперативны.

Целью данной исследовательской работы является создание демонстрационной модели устройства для регулировки дорожного трафика на перекрестке при непредвидимых отключениях светофора.

Задачи:

• Изучить ряд проблем, связанных с дорожным движением.

• Сгенерировать ряд идей для решения проблемы.

• Встретиться с экспертами и уточнить некоторые вопросы.

• Посетить необходимые экскурсии.

• Создать демонстрационную модель устройства.

• Написать программный код для устройства.

• Сделать доработки во всех частях проекта.

Глава 1. История светофора и автоматики.

Первый светофор был установлен в Лондоне 10 декабря 1868 года возле здания Британского парламента. Изобретатель — Джон Пик Найт, специалист по железнодорожным семафорам.

Это был механический прибор, который управлялся вручную. На шестиметровом столбе были закреплены две семафорные стрелки: если они поднимались горизонтально, это означало «стоп», а если опускались под углом в 45 градусов — «движение с осторожностью». В тёмное время суток работал вращающийся газовый фонарь, который выдавал красный и зелёный сигналы. (Рисунок 1.1, Приложения)

5 августа 1914 года в городе Кливленде (штат Огайо, США) был введён в эксплуатацию первый в мире электрический светофор конструкции Джеймса Хога.

Устройство имело два цвета — красный и зелёный, а переключение сопровождалось звуковым сигналом. Управлял светофором полицейский, сидящий в стеклянной будке на перекрёстке. (рисунок 1.2, Приложения) (Рисунок 1.3, Приложения)

Глава 2. Светофор. Технология и принцип работы.

Светофор. Технология и принцип работы.

Светофор – это устройство для управления движением транспорта и пешеходов на перекрёстках и пешеходных переходах. Его работа основана (во многих случаях) на трёх цветах: зелёном, жёлтом и красном.

Конструкция и материалы:

В основу его конструкции входят: основной корпус, состоящий из алюминия или полимера; монтажная панель, закрепляющая все основные компоненты; стекло для защиты излучающих элементов; уплотняющее кольцо, увеличивающее герметичность; фиксирующее кольцо для крепления линз, самих линз и источника света. (Рисунок 2.1, Приложения)[1]

Принцип работы: Работа светофора основана на трёх сигналах: зелёном (движение разрешено), жёлтом (изменение сигнала) и красном (движение запрещено). Также, для более подробного информирования могут наносить дополнительные стрелки, обозначающие направление движения. Могут делиться на трёхсекционные, двухсекционный и с дополнительными секциями. В качестве источника света могут использовать лампы накаливания или светодиодные матрицы, но каждые имеют свои свойства. (Рисунок 2.2, Приложения)[2]

Светодиодные матрицы излучают свет в результате протекания электрического тока, применяются в новых светофорах. Предусмотрено объединение светодиодов, питающихся либо вместе, либо по отдельности. их преимущество светодиодов в том, что они экономичны и долговечны; недостаток в том, что они могут излучать тусклый свет. (Рисунок 2.3, Приложения)[3]

Лампы накаливания излучают свет в результате теплового излучения, применяются в линзовых светофорах. Предусмотрен отдельный комплект для каждого сигнала. Их преимущество в том, что они могут растопить снег; недостаток в том, что они потребляют много электроэнергии. (Рисунок 2.4, Приложения)[4]

Разница в излучении света между лампами накаливания и светодиодами значительна: у ламп накаливания этот параметр составляет около 10 лм/Вт, а у светодиодов в среднем 70-100 лм\Вт. Например, для создания светового потока в 750 люменов лампе необходимо 75 Вт, а светодиодам – всего 10 Вт. (Рисунок 2.5, Приложения) [5]

Глава 3. Причины отключения светофора.

Причины внезапного отключения светофоров.

Технические неисправности.

Почему это происходит?

1) Короткое замыкание: Попадание влаги (дождь, талый снег) внутрь корпуса или шкафа управления.

2) Перегрев: В жаркую погоду контроллеры в металлических ящиках могут давать сбой.

3) Скачки напряжения: Нестабильная работа городской электросети «выбивает» предохранители или сжигает блоки питания.

4) Программные ошибки: Сбой в алгоритмах, особенно при попытке удаленной настройки фаз движения.

Как решают проблему?

1) Режим «Желтого мигания»: При обнаружении внутренней ошибки контроллер автоматически отключает основные сигналы и переводит светофор в мигающий режим, чтобы предупредить водителей, что перекресток стал нерегулируемым.

2) Удаленный мониторинг: Современные «умные» светофоры сами отправляют сигнал о поломке в диспетчерский центр. Мастер видит ошибку на мониторе еще до того, как о ней сообщат очевидцы.

3) Выезд аварийной бригады: Специалисты проверяют целостность кабелей, меняют сгоревшие платы управления или перегоревшие светодиодные модули.

4) Резервное питание: На ключевых перекрестках устанавливают блоки бесперебойного питания (ИБП), которые позволяют светофору работать еще несколько часов после отключения света в районе.

Плановые работы и обслуживание

Причина появления (Зачем это нужно?)

1) Профилактика износа: Чтобы светофор не «умер» в час пик, специалисты заранее проверяют контакты, чистят линзы и обновляют софт.

2) Изменение схемы движения: Если на участке изменился поток машин или открыли новую развязку, нужно перепрошить фазы работы (длительность зеленого света).

3) Интеграция в «Умный город»: Установка датчиков трафика и камер, которые позволяют светофору подстраиваться под пробки в реальном времени.

Как решают проблему (Минимизация неудобств)?

4) Выбор времени: Работы стараются проводить в часы минимальной загрузки (ночью или в межпиковый период днем).

5) Выставление знаков: Перед перекрестком заранее могут установить временные знаки приоритета.

6) Привлечение регулировщиков: На критически важных узлах на время работ выставляют инспектора ДПС, который управляет потоком вручную.

Резервные схемы: Если работы долгие, на объекте могут запустить временный (мобильный) светофор на аккумуляторах.

Внешние факторы

Причины появления

1) ДТП: Наезд автомобиля на светофорную опору или шкаф управления.

2) Стихийные бедствия: Сильный ветер (обрыв растяжек), обледенение, гроза (удар молнии в автоматику) или подтопление кабельных каналов.

3) Вандализм: Намеренная порча линз, граффити на датчиках или кража оборудования.

4) Спецпроезды: Необходимость временного отключения для проезда кортежей или крупногабаритных грузов.

Как решают проблему

5) Оперативное реагирование: Диспетчеры получают сигнал о неисправности через датчики удара или звонки очевидцев и направляют аварийную бригаду.

6) Ручное регулирование: Если повреждение серьезное (сбита опора), на место вызывают экипаж ДПС для управления движением до восстановления конструкции.

7) Антивандальные меры: Установка камер видеонаблюдения «Безопасный город» и использование более прочных материалов для корпусов.

8) Молниезащита: Оснащение электроники грозозащитными модулями, которые принимают на себя избыточный заряд.

9) Страховые выплаты: Если светофор сбит в ДТП, стоимость восстановления (от нескольких десятков до сотен тысяч рублей) взыскивается со страховой компании виновника или с него самого через суд.

Глава 4. Регулировка движения в экстренных случаях.

Регулировка движения в экстренных случаях.

В экстренных случаях отключения светофоров, людям приходиться полагаться на другие способы. Например-регулировщик или дорожные знаки.

Регулировщик:

(Рисунок 4.1, Приложения)

Регулировщик регулирует движение на перекрестке с помощью специальных жестов, указанных в ПДД. Есть три основных жеста:

1. Правая рука поднята вверх. Это сигнал «Стоп». Движение запрещено во всех направлениях, светофор и знаки приоритета не работают. Такой жест часто используют в начале регулирования, чтобы привести ситуацию на перекрестке в порядок.

2. Руки разведены в стороны или опущены. Движение на перекрестке разрешено, но не для всех. Если видно грудь или спину регулировщика, движение запрещено. Если сотрудник ГАИ стоит к водителю плечом, движение разрешено, но только прямо или направо — налево поворачивать нельзя.

3. Правая рука вытянута вперёд. Этот жест чётко разграничивает, кому двигаться, а кому стоять. Если водитель видит спину или правый бок с вытянутой рукой, он должен остановиться. Если видна грудь (с вытянутой в лоб правой рукой) — нужно повернуть направо, левый бок — можно ехать в любом направлении, но осторожно и по правилам. (Рисунок 4.2, Приложения)

Кроме основных жестов, регулировщик может подавать и другие сигналы:

1. Использовать свисток. Чаще всего это происходит, если водители игнорируют сигнал остановки.

2. Вращать жезлом или сигнальным диском. Если регулировщик делает это непосредственно перед грудью, то ускориться должны водители и справа, и слева от него.

3. Использовать громкоговоритель. Инспектор может уточнять жесты речью.

4. Указывать рукой на транспортное средство. Если жезлом или рукой указывают на транспортное средство, необходимо остановиться в нужной точке.

5. Резко опускать руку, а затем указывать налево. В этом случае водителю нужно завершить поворот направо.

Сигналы регулировщика имеют приоритет над сигналами светофора, разметкой и дорожными знаками. Участники дорожного движения должны выполнять требования сигналов и распоряжения регулировщика, даже если они противоречат им.

Дорожные знаки регулируют движение на перекрёстках, устанавливая очерёдность проезда. Это достигается с помощью знаков приоритета, разметки и, в некоторых случаях, сигналов светофора.

Знаки приоритета: 2.1 2.2 2.4 2.5.

Разметка: 1.12 1.13 1.26.

Дорожные знаки:

2.1: «Главная дорога». Жёлтый ромб с белой окантовкой показывает, что дорога, на которой он стоит, — основная по отношению к пересекающим или примыкающим к ней. У водителей на главной дороге приоритет проезда, а остальные обязаны их пропустить. Знак не делает водителя абсолютно главным во всех ситуациях — он даёт преимущество только над второстепенным направлением. (Рисунок 4.3, Приложения)

2.2: «Конец главной дороги». Указывает, что водитель больше не едет по главной дороге и теперь должен уступать дорогу другим транспортным средствам. Ветка дороги, которая была главной, теперь становится второстепенной. (Рисунок 4.4, Приложения)

2.4: «Уступите дорогу». Требует от водителя уступить дорогу транспорту, движущемуся по главной дороге. Запрещает начинать движение или продолжать его, если это вынудит другие автомобили изменить свою скорость или траекторию. \(Рисунок 4.5,Приложения)

2.5: «Движение без остановки запрещено». Требует от водителя не только уступить дорогу, но и совершить обязательную остановку. Водитель должен остановиться у стоп-линии, а если её нет, то у края проезжей части, которую он пересекает. (Рисунок 4.6, Приложения)

Разметка:

1.12: «Стоп-линия». Указывает место, где водитель должен остановиться (при наличии знака 2.5 «Движение без остановки запрещено» или при запрещающем сигнале светофора (регулировщика). (Рисунок 4.7, Приложения)

1.13: «Уступи дорогу». Указывает место, где водитель должен при необходимости остановиться и уступить дорогу транспортным средствам, движущимся по пересекаемой дороге. (Рисунок 4.8, Приложения)

1.26: «Вафельница». Обозначает участок перекрёстка, на который запрещается выезжать, если впереди образовался затор, который вынудит водителя остановиться, создав препятствие для движения авто в поперечном направлении. Исключение — поворот направо или налево в случаях, установленных действующими ПДД. (Рисунок 4.9, Приложения)

Глава 5. Практическая часть.

5.1 Создание конструкции робота на базе 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 5.1., 5.2., 5.3., 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 5.4., 5.5., 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.

5.2Описание 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 5.2.1, 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 5.2.2, 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.

5.3 Описание светодиодной матрицы.

Мы создали устройство для регулировки дорожного трафика на базе Arduino UNO. (Рисунок 5.3.1, 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 5.3.2, 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 5.3.1, Приложения)(Рисунок 5.3.2, Приложения)

Заключение

В ходе выполнения исследовательской работы были решены все поставленные задачи. В результате этого была создана демонстрационная модель устройства для регулировки дорожного трафика на перекрёстке при непредвидимых отключениях светофора, а также разработаны программы для робота и светодиодной матрицы и проведено тестирование модели в имитированных условиях.

Для выполнения поставленных задач нами были:

Изучены история развития светофоров, их устройство, принципы работы, а также основные причины отключения и их актуальность. Рассмотрены способы регулировки - регулировщик и дорожные знаки.

Робот был создан 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.

Список используемых источников

1. Назначение и устройство светофора. Справка - РИА Новости, 05.08.2009

2. Дорожные светофоры: устройство, виды и особенности

3. Светофоры светодиодные: Преимущества, технологии и будущее

4. Лампа накаливания — Полное руководство: устройство, принцип работы и использование Мебелион.ру

5. Сигнальные лампы, виды, применение

Приложения