XIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

"Умный светофор" на базе конструктора Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Черепанов Д.Е. 1Галеев И.Д. 1Юрков Н.А. 1Липихин Л.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейн

Филинова А.В. 1Попова Е.Е. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейн

Работа в формате PDF

1.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Пробки на дорогах — это большая проблема крупных городов. Количество автомобилей постоянно растет, и транспортная инфраструктура оказывается не готова к увеличению трафика в таких масштабах. Не в лучшую сторону меняется качество жизни людей: многочасовое стояние в пробках, дополнительные траты на бензин. Кроме того, увеличивается выброс вредных веществ в атмосферу.

Проблема автомобильных заторов нам стала интересна еще в 2019 году, тогда Лев придумал проект «Монорельс» для быстрого перемещения по городу. В ходе исследования мы узнали, про интеллектуальную систему управления дорожным движением «Умные светофоры», которую уже опробовали в Москве, Воронеже, Санкт-Петербурге и Владивостоке. Теперь такие светофоры появились в Тюмени.

Познакомившись с набором Lego Mindstorms, Иван предложил воплотить эту идею для наглядной демонстрации работы данной системы. Команда с радостью поддержала.

Так как проблема автомобильных заторов актуальна для многих городов, то и реализация решений данной проблемы высоко востребована.

Цель: создание модели на базе конструктора Lego Mindstorms для наглядной демонстрации процесса работы интеллектуальной системы «Умный светофор»

Задачи:

-Познакомиться с историей светофора

-Подробно изучить устройство и принцип работы системы «Умный светофор»

-Нарисовать схему проекта

-Создать наглядную модель на базе конструктора Lego Mimndstorms

-Прописать все возможные события в работе проекта

-Изучить программный блок «Переменная», для реализации программы

-Создать программу в ПО Lego Mindstorms

В качестве источников информации мы, в основном, использовали информационные сайты: Википедия [5], умныйсветофор.рф [6]. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [1]

Глава 1. История светофора

История светофора начинается в 1868 году в Лондоне. Джон Пик Найт изобрел первое устройство, которое управлялось вручную. Это светофор имел две семафорные стрелки. Если стрелки были подняты горизонтально, то это означало сигнал «стоп», а опущенные под углом в 45° — движение с осторожностью. В тёмное время суток горел вращающийся газовый фонарь, который подавал сигналы красного и зелёного цветов. В 1869 году газовый фонарь взорвался, и ранил полицейского. Светофоры на время были запрещены.  (Рисунок 1.1, Приложения)

После, в 1910 году, Эрнстом Сиррином изобрел автоматический светофор с надписями «Stop» и «Proceed». В 1912 году был создан первый электрический светофор с двумя круглыми электрическими сигналами красного и зеленого цвета. 

В 1914 году, в Кливленде, были установлено четыре светофора, которые, при переключении цветовых фонарей, издавали звуковой сигнал. Данную конструкцию изобрел Джейсон Хог. 

Первый трехцветный светофор был создан в 1920 году Уильямом Поттсом и Джоном Харисоном. Устройство появилось на улицах Детройта и Нью-Йорка. 

В Европе светофоры появились в 1922 году в Париже, в Гамбурге, и в Англии — в 1927 году.  

В СССР первый светофор установили в Москве 30 декабря 1930 года на углу улиц Петровка и Кузнецкий Мост. В Ленинграде (ныне Санкт-Петербурге) это случилось в начале 1930-х годов. Изначально цвета располагались

До 1959 года красный и зелёный цвета были на местах, противоположных нынешним

В 1960-х годах появились специальные светофоры для пешеходов. [5]

Дорожные светофоры на протяжении десятилетий менялись не только внешне. Изменения претерпела и сама система управления ими. Первоначально это делали сотрудники Отдела по регулированию уличного движения (позднее ГАИ).

1970-х появилась возможность регулировки светофора и самими пешеходами. Рядом с переходами появились пульты с кнопкой, нажав на которую пешеход мог включить себе зеленый свет, а перед водителем, соответственно, загорался красный. Тогда же появилась централизованная система автоматического регулирования светофорами. [4]

Сегодня используется сетевая интеллектуальная транспортная система (ИТС). Тысячи камер на перекрестках передают информацию о загруженности дорог. При возникновении затора светофоры на этом направлении переключаются в режим «зеленой улицы», до минимума сокращая время работы запрещающего сигнала.

Глава 2. Виды светофоров

Светофо́р (от свет + греч. φορέας «несущий»)  - это оптическое устройство, подающее световые сигналы для регулирования движения автомобильного, железнодорожного, водного и другого транспорта, а также пешеходов на пешеходных переходах.

Наиболее распространены светофоры с сигналами (обычно круглыми). В светофорах применяются световые сигналы зеленого, желтого, красного и бело-лунного цвета. В зависимости от назначения сигналы светофора могут быть круглые, в виде стрелки (стрелок), силуэта пешехода или велосипеда и Х-образные. (Рисунок 2.1, Приложения)

Светофоры с круглыми сигналами могут иметь одну или две дополнительные секции с сигналами в виде зеленой стрелки (стрелок).

Сигналы могут быть расположены как вертикально (при этом красный сигнал всегда располагается сверху, а зелёный - снизу), так и горизонтально (при этом красный сигнал всегда располагается слева, а зелёный - справа). При отсутствии других, специальных светофоров, они регулируют движение всех видов транспортных средств и пешеходов. Иногда сигналы светофора дополняют специальным табло обратного отсчёта времени, которое показывает, сколько времени ещё будет гореть сигнал.

Существуют светофоры из двух секций  - красной и зелёной. Такие светофоры обычно устанавливаются на пунктах, где пропуск автомобилей производится в индивидуальном порядке, например, на пограничных переходах, при въезде или выезде с автостоянки, охраняемой территории и т. п.

Могут также подаваться мигающие сигналы, значение которых зависит от местного законодательства (например, предстоящее переключение к жёлтому, разрешение левого поворота и проезда прямо, предупреждение, что на пересекаемой дороге не установлены светофоры, а лишь знаки «Стоп»).

В светофорах могут использоваться стрелки и стрелочные секции они регулируют движение в том или ином направлении.

Светофоры с дополнительными секциями могут иметь их в общей сложности до пяти. Такие дополнительные секции уточняют предписания в конкретном направлении. Они могут быть Г-образной или Т-образной формы.

Светофоры бывают двух типов: транспортные и пешеходные. Транспортные светофоры различаются видом и назначением.

Светофор, устанавливаемый на железнодорожных переездах обычно состоит из двух горизонтально расположенных между собой красных секций и одной дополнительной секции лунно-белого цвета. [2]

Железнодорожные светофоры предназначены для регулирования движения поездов, маневровых составов, а также регулирования скорости роспуска с сортировочной горки. Отдельный тип железнодорожных светофоров —маневровые.

Реверсивные светофоры - специальные светофоры контроля полосы. Обычно применяется при ремонте дороги или на других суженных участках. В соответствии с Венской конвенцией о дорожных знаках и сигналах такие светофоры могут иметь два или три сигнала:

- красный Х-образный сигнал запрещает движение по полосе;

- зелёная стрелка, направленная вниз, разрешает движение;

- диагональная жёлтая стрелка, направленная вправо или влево (информирует о смене режима работы полосы, указывает на какую полосу нужно будет перестроиться). (Рисунок 2.2, Приложения)

Светофоры для маршрутных транспортных средств используют для регулирования движения маршрутных транспортных средств (трамваев,  автобусов, троллейбусов) либо маршрутного движения всех автотранспортных средств. Вид таких светофоров отличается от страны к стране. Не существует международного стандарта светофоров для маршрутных транспортных средств. В России используется Т-образный светофор с четырьмя круглыми сигналами лунно-белого цвета — тремя верхними и одним нижним. Светофоры для маршрутных транспортных средств в Нидерландах (верхний ряд) и Бельгии (нижний ряд). (Рисунок 2.3, Приложения)

Речные светофоры предназначены для регулирования движения речных судов, в основном, для регулирования прохода судов через шлюзы, узкие или сложные места рек. Различают дальние и ближние речные светофоры. Дальние светофоры разрешают или запрещают подход судов к шлюзу. Ближние регулируют вход судов внутрь шлюзовой камеры и выход из неё.

Неработающий речной светофор (не горит ни один из сигналов) запрещает движение судов.

Светофоры используют в автоспорте, они могут устанавливаться на маршальских постах, на выезде с пит-лейн и на стартовой черте.

Светофор для пешеходов регулирует движение пешеходов через пешеходный переход. Как правило, он имеет два вида сигналов: разрешающий (зелёный свет) и запрещающий (красный свет). Сами сигналы имеют различную форму. Чаще всего используют сигналы в виде силуэта человека: красный  - стоящего, зелёный - идущего. Делается это для того, чтобы слабовидящие или люди, страдающие дальтонизмом, могли понять, можно им идти или нужно стоять. [5]

Для регулирования движения велосипедов иногда применяют специальные светофоры, их сигналы могут быть выполнены в форме силуэта велосипеда, или это может быть обычный трёхцветный светофор, снабжённый специальной табличкой. Такие светофоры имеют меньший размер, чем автомобильные, и устанавливаются на удобной для велосипедистов высоте. (Рисунок 2.4, Приложения)

Глава 3. Система «Умный светофор». Устройство и принцип работы

Видеокамера или датчики устанавливаются на определенной высоте и над конкретным участком трассы. Далее, сигнал от нее поступает в модуль обработки видеоинформации. Затем в данном модуле происходит выделение подвижных транспортных средств и определение различных интегральных оценок. После этого, на основе этих показаний, центральный сервер дает команду контроллерам светофоров включить красный или зеленый свет и на какое время. [6]

Система предназначена для регулирования движения на перекрестках во избежание заторов и пробок. Она состоит из контроллеров, датчиков движения, камер видеонаблюдения. Каждый из компонентов выполняет свою конкретную функцию. Все устройства передают данные на центральную платформу управления в режиме реального времени. Датчики расположены по всему периметру движения, улицам, образующим перекресток. Контроллеры оценивают степень загруженности перекрестков и сигнализируют об этом. [3]

Системы видеоконтроля, ориентированные на транспорт, предоставляют данные трех типов: 

Во-первых, это информация о трафике для статистической обработки: общее количество обнаруженных автомобилей, скорость, ускорение транспортного потока, плотность потока, загруженность полос движения, классификация автомобилей.

Во-вторых, информация о происшествиях на дороге: высокая скорость, плотность потока или занятость полос, наличие заторов или движения по встречной полосе, остановившиеся или медленно движущиеся автомобили, наличие на дороге подозрительных предметов.

В-третьих, информация о наличии или отсутствии автомобилей: наличие приближающихся автомобилей, наличие автомобилей, остановившихся на перекрестке, число автомобилей, проехавших через зоны обнаружения, измерение длины очереди.

Система интегрируется в модуль управления светофорами, что позволяет согласовать работу абсолютно всех светофоров перекрестка в каком-либо напряженном транспортном узле.

Например, на перекрестке, где установлен стандартный светофор, пешеходу предоставляется одно и то же время на переход дороги. Время не зависит от того, едет ли по ней в данный момент один автомобиль или несколько десятков. Благодаря системе «умный светофор», данное время контролируется и меняется в зависимости от загруженности. Или предположим, в одном из направлений есть высокая загруженность, то именно там и продлевается зеленый свет, что ведет к сокращению времени пребывания машин на перекрестках.

Другими словами, процессор «умного светофора» получает информацию о потоке машин с видеокамер. После этого, обрабатывает её. Затем в соответствии с этим по установленному алгоритму принимает решение, в каком направлении и насколько открывать движение. Таким образом, вероятность образования большой пробки, в каком-либо направлении существенно снижается.

Не остаются в стороне производители светофоров. Сейчас их производством активно занялись компании-лидеры в сфере программного обеспечения и высокотехнологичных продуктов. Компания IBM уже почти запатентовала функцию блокировки двигателей автомобилей, которые проезжают на красный свет.

Установка системы «умных светофоров» может привести к реальному улучшению положения, так как она обладает явными преимуществами над другими системами обеспечения безопасного движения на дорогах. Достоинства системы были сформулированы на основе сделанных подсчетов американского университета Карнеги-Меллона. Внедрение системы принесет:

- сокращение времени на путь на целых 25%;

- сокращение времени стояния в заторах на 40%;

- сокращение выброса токсичных элементов в воздух (выхлопных газов) до 21%.

У водителей появится больше времени, чтобы заняться другими делами вместо того, чтобы часами простаивать в пробках. При этом важно отметить, что система «умный светофор» не способна полностью устранить возникновение пробок. Она может только разгрузить загруженность перекрестка. В остальном нужно вновь полагаться на здравомыслие властей. [6]

Глава 4. Создание модели «Умный светофор» на базе конструктора Lego Mindstorms

При создании проекта мы использовали детали из разных наборов Lego. В модели используются программируемый блок EV3, мотор и датчики от Lego Mindstorms. (Рисунок 4.1, Приложения)

Для передвижения транспорта мы сконструировали конвейер, он же служит дорогой. Для него мы использовали гусеницы с набора Mindstorms и балки разной длины с набора WeDo для крепления. В движение он приводится с помощью большого мотора. (Рисунок 4.2, Приложения)

Нами было собрано два вида транспорта. Три автомобиля – они обозначаются красным цветом и один автобус –синим цветом. (Рисунок 4.3, Приложения)

Далее мы создали крепление для датчиков, после чего установили их. Датчик цвета подсчитывает автомобили и распознает их тип, он расположен у начала трассы. (Рисунок 4.4, Приложения) Ультразвуковой датчик распознает приближающийся к пешеходной зоне транспорт и останавливает движение, расположен он в конце трассы. (Рисунок 4.5, Приложения)

Роль светофора играет программируемый блок EV3 с помощью цветового индикатора будет отображать красный и зеленый цвета. Он же является связывающим модулем. Принимает сигналы с датчиков и передает на мотор. На него мы установили датчик касания, он служит кнопкой для пешеходов.(Рисунок 4.6, 4.7, Приложения)

После, используя детали Lego Duplo мы сделали стенки, чтобы спрятать все механические части. (Рисунок 4.8, Приложения) Поверх мы установили пластины, чтобы сравнять уровень дороги и пешеходной зоны.

Так же мы разнообразили наш проект, добавив инфраструктуру города парк и магазин. (Рисунок 4.9, Приложения)

Глава 5. Демонстрация проекта с помощью ПО Lego Mindstorms

Наш проект «Умный светофор» работает следующим образом. С помощью датчика цвета он считывает количество и тип транспорта, а датчик касания дает понять главному модулю, есть ли пешеход. Таким образом, в зависимости от таких факторов, как загруженность потока, наличие общественного транспорта и пешеходов - регулируется светофор.

Для начала нам необходимо было создать программу для подсчета транспорта. Для этого мы использовали датчик цвета, как только транспорт обнаружен, проходит 1,3 секунды и датчик дополнительно проверяет на отсутствие цвета, после чего записывает значение в переменную «Ishod», после с помощью блока математики программа подсчитывает, прибавляя к исходному значению единицу, записывает результат в «Itog». (Рисунок 5.1, Приложения)

Далее итог выводится на экран блока, а также используется в следующей программе для сравнения количества транспорта.

Перед тем, как разработать основную программу мы с командой написали блок-схему. (Рисунок 5.2, Приложения)

Перед нами стояло три условия:

Нажата ли кнопка? (Роль кнопки играет Датчик касания)

Есть ли пробка? (Если три и больше машин)

Есть ли общественный транспорт? (Автобус из синих кубиков)

Для реализации первого условия мы использовали блок «Ожидание» в режиме «Датчик касания-сравнение-состояние нажато». Если пешехода нет, то конвейер работает, таким образом поток машин не останавливается. Как только это условие выполняется, то срабатывает блок «Переключатель».

«Переключатель» работает в режиме «логическое значение», если машин больше трех, то это «истина», переходит в верхнее окно «Переключателя», если машин меньше, то «ложь» -нижнее окно. Таким образом выполняется второе условие.

Третье условие выполняется с помощью еще одного блока «Переключатель». Он работает в режиме «Сравнение-цвет-синий».

Исходя из выполненных условий, следует одно их двух действий:

Горит зеленый свет, машины едут

Горит красный свет, движение останавливается

Для выполнения первого действия, мы используем блок «Индикатор светового модуля» в режиме «Включить-зеленый», он подсвечивает светофор. Для движения мы используем блок «Большой мотор» в режиме «Включить».

Для второго действия, мы используем тот же блок «Индикатор светового модуля», но в другом режиме «Включить-красный». Мотор работает старого до пешехода, ограничителем служит ультразвуковой датчик. Блок «Ожидание» в режиме «Сравнение-расстояние-меньше 5 см». Как только блок «Ожидание» срабатывает, воспроизводится «Цикл 3», который отвечает за воспроизведение звукового сигнала и остановку движения на 5 секунд. (Рисунок 5.3, Приложения)

После мы проверили программу и провели несколько экспериментов.

Запустили один автомобиль, но не нажали кнопку на светофоре. Результат: автомобиль проехал.

Запустили два автомобиля, нажав предварительно кнопку на светофоре. Результат: загорелся красный, транспорт остановился.

Запустили три автомобиля, нажав кнопку. Результат: транспорт проехал.

Запустили автомобиль и автобус, нажав кнопку. Результат: транспорт проехал.

Результаты экспериментов полностью соответствуют написанной нами программой. Подробнее можно ознакомиться на видео. [7]

Выводы

Изучив подробно информацию о системе «Умный светофор», мы приступили к реализации проекта.

Система предназначена для регулирования движения на пешеходном переходе во избежание заторов и пробок. Она состоит из контролера и датчиков. Каждый из компонентов выполняет свою конкретную функцию. Все датчики передают данные на программируемый блок управления в режиме реального времени.

Датчик цвета расположен на определенном расстоянии от пешеходного перехода, он оценивает степень загруженности автомобильной дороги, распознает тип транспорта и сигнализируют об этом.

Датчик касания служит кнопкой вызова пешеходной фазы. При наличии пешехода, исходя из полученных значений датчика цвета, контролер решает, какой световой сигнал должен быть воспроизведён: красный или зеленый.

Система «Умный светофор» имеет ряд преимуществ:

- общественный транспорт быстрее проезжает

-пешеходы меньше ожидают зеленого света на светофоре

-светофор подстраивается под движение, автомобилисты не простаивают «вхолостую»

-эстетический вид (отсутствие видимых проводов)

Наша команда провела несколько экспериментов, меняя загруженность автомобильной дороги, тип транспорта и наличие пешехода. Результаты экспериментов полностью соответствовали, поставленным задачам. Проект «Умный светофор» является отличным демонстративным вариантом системы. Подробнее вы можете ознакомиться с проектом на видео. [7]

Наш проект можно использовать на уроках робототехники, а также для обучения детей младшего и среднего возрастов правилам дорожного движения.

Список литературы

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.

https://autodont.ru/jelektro/vidy-svetoforov

https://avtoinstruktor199.ru/news/umnyij-svetofor/

https://news.rambler.ru/other/43316200-evolyutsiya-svetofora-ot-semafornyh-strelok-do-svetodiodov/

https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A1%D0%B2%D0%B5%D1%82%D0%BE%D1%84%D0%BE%D1%80

https://xn--b1agklfjaqemeu8f.xn--p1ai/

https://drive.google.com/drive/folders/1-FyNUVhmIWEoT_xKPA5c1wDyIqTJjbGl

Приложения