XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Умный светофор — помощник на пешеходном переходе

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Рожков Д.А. 1

---

1МБОУ "СОШ №91 имени Надежды Курченко"

Бирюк Е.В. 1

---

1МБОУ "СОШ №91 имени Надежды Курченко"

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Я часто езжу с родителями на машине и заметил, что на некоторых пешеходных переходах стоят светофоры с жёлтым мигающим светом. Они работают на солнечных батареях и предупреждают водителей: «Осторожно, впереди пешеходный переход!»

Но я подумал: а что, если пешеход уже идёт через дорогу? Водитель может не заметить его за машинами, что создаёт риск аварии. Я задумался: как сделать так, чтобы водители точно знали, что кто-то переходит дорогу?

Гипотеза: если добавить к светофору кнопку и умную схему, которая изменяет скорость мигания, это сделает сигнал для водителей более заметным и повысит безопасность пешеходов на нерегулируемых переходах.

Цель моего проекта — создать модель «умного светофора», который:

• в обычном режиме медленно мигает, предупреждая о наличии перехода;

• при нажатии кнопки пешеходом начинает мигать быстрее, сигнализируя, что пешеход вступил на дорогу;

• через 30 секунд автоматически возвращается в обычный режим.

Задачи:

1. Изучить устройство и принцип работы современных предупреждающих светофоров.

2. Разработать концепцию модернизации системы.

3. Собрать действующую модель из конструктора LEGO.

4. Протестировать модель и зафиксировать результаты.

5. Сделать выводы о практической пользе предложенного решения.

В работе я буду использовать следующие методы исследования:

• наблюдение за дорожным движением;

• анализ открытых источников о работе светофоров;

• моделирование (сборка и тестирование прототипа);

• описание и систематизация полученных результатов.

Объект исследования: предупреждающие светофоры на пешеходных переходах.

Предмет исследования: возможности модернизации светофоров для повышения безопасности пешеходов на нерегулируемых переходах.

Практическая значимость проекта:

1. Освоение основ проектирования и моделирования, что развивает инженерное мышление.

2. Лучшее понимание работы светофоров и способов их улучшения для повышения безопасности.

3. Применение теоретических знаний на практике при создании и тестировании модели светофора.

4. Осознание важности соблюдения правил дорожного движения.

5. Проявление фантазии и технических навыков при создании модели светофора.

6. Возможность представить готовые модели на школьных и городских мероприятиях для получения признания.

После ознакомления с данным проектом моя идея может помочь людям, а предложенная модернизация будет внедрена на реальных пешеходных переходах, сделав дороги безопаснее для всех участников движения.

1. Основная часть

1.1. Как работают современные предупреждающие светофоры

П ообщавшись с инспектором ГИБДД (Приложение 1), я узнал, что светофор с жёлтым светом называется Т.7 (рисунок 1). Его используют для обозначения нерегулируемых перекрёстков и пешеходных переходов. Он работает в режиме жёлтого мигания и призван обратить внимание водителей на места, где на их пути могут оказаться пешеходы или другой транспорт.Светофорыс желтым светом, подсвечивающиенерегулируемый переход, Рис.1
начали активноустанавливать в России примерно с 2014 года в рамках экспериментов и внедрения новых ГОСТов, направленных на повышение безопасности пешеходов, особенно детей. Эти светофоры, а также яркая желто-белая разметка, появились как дополнение к существующим знакам и стали обязательными для установки у школ, детских садов и других детских образовательных учреждений, чтобы водители лучше видели пешеходов в темное время суток. В Ижевске такие светофоры начали устанавливать с 2015 года на нерегулируемых пешеходных переходах около школ [6]. На сегодняшний день светофоры типа Т.7 в нашем городе установлены уже на многих нерегулируемых пешеходных переходах (не только около детских садов и школ).

Особенности светофора Т.7:

• Автономная работа. Часто такие светофоры устанавливают вместе с солнечной батареей, что позволяет использовать их в местах, где поблизости нет электрических проводов;

• Импульсная индикация - мигание с определенной частотой. Особенно эффективна в сумеречное и ночное время, позволяет с большого расстояния определить пешеходный переход или перекрёсток;

• Работа по ГОСТ. Работу предупреждающих светофоров Т.7 регулирует ГОСТ Р 52289-2019. Согласно стандарту, светофоры Т.7 должны работать в проблесковом режиме (мигание) всегда. Такой режим привлекает внимание водителя, особенно в тёмное время суток, и заранее информирует о необходимости снизить скорость движения [2].

1.2. Анализ статистики

Мне стало интересно, как повлияла установка предупреждающих желтых светофоров на количество несчастных случаев на пешеходных переходах. Изучив статистические данные ГИБДД по количеству ДТП с участием пешеходов на нерегулируемых пешеходных переходах в г. Ижевске [5] c 2015 по 2025 гг., я заметил, что в 2025 году количество ДТП значительно сократилось (рисунок 2). А значит светофор Т.7 действительно выполняет свою функцию.

Рис.2

Несмотря на тенденции к снижению аварийности, нерегулируемые переходы остаются зоной повышенного риска, и статистика по ним отражает как улучшение ситуации, так и сохраняющиеся серьезные проблемы в безопасности дорожного движения. Основные причины аварий — плохая видимость, ошибки водителей в оценке ситуации (особенно на многополосных дорогах) и нарушение ПДД пешеходами (переход в неположенном месте, отвлечение на гаджеты). Несмотря на меры по установке светофоров Т.7, число пострадавших остается высоким, а на нерегулируемых переходах часто гибнут люди, так как водители не успевают увидеть пешеходов из-за стоящих рядом машин (Приложение 2).

Я считаю, что у светофоров Т.7 есть большой недостаток: они всегда мигают одинаково, даже когда пешеход уже на дороге. Из-за чего водителю невозможно понять, находится ли пешеход в данный момент на проезжей части.

Моя модернизация направлена на устранение этого недостатка за счёт:

• увеличения частоты мигания (лучше привлекает внимание);

• привязки сигнала к реальному действию пешехода.

1.3. Предлагаемое решение

Я предлагаю дооснастить светофор тремя компонентами:

• кнопкой, которую пешеход нажимает перед началом перехода;

• схемой управления, которая регулирует частоту мигания светодиода;

• таймером, который через 30 секунд возвращает светофор в режим медленного мигания.

Алгоритм работы:

• Основной режим: мигание 1 раз в 1 секунду.

• После нажатия кнопки: мигание 3 раза в секунду.

• Через 30 секунд: автоматический возврат к основному режиму.

Преимущества:

• Улучшенная видимость сигнала даже при плотном потоке машин, в тёмное время суток и на загородных трассах.

• Водители получают информацию о пешеходе на дороге, даже если его не видно за другими машинами.

• Не требуется дополнительное питание и дорогостоящее оборудование.

2. Практическая часть

   1. Материалы и оборудование:

• Конструктор LEGO

• Программа для 3D моделирования BrickLink Studio.

• 3D принтер.

• Жёлтый светодиод (3В).

• Тактильная кнопка.

• Соединительные провода и паяльник.

• Микроконтроллер Arduino.

• ПК с программным обеспечением Arduino IDE.

• Элементы питания (пауэрбанк) (5В).

1. 2. Этапы сборки модели:

Корпус светофора.Изначально я планировал собрать корпус светофора Т.7 из готовых деталей LEGO, но в процессе работы понял, что хочу создать более индивидуальную модель. Для этого я решил использовать 3D-печать.

Процесс создания проходил в несколько этапов:

1. 3D-моделирование: Я освоил программу BrickLink Studio. Она уникальна тем, что позволяет сначала собрать модель из «виртуальных кирпичиков», а затем интегрировать в неё свои элементы. Это позволило мне спроектировать корпус, который по креплениям идеально совместим с конструктором LEGO (Приложение 3).

2. Работа над дизайном: В программе я детально проработал внешний вид корпуса, чтобы он соответствовал светофору Т.7.

3. Печать на 3D-принтере: Вместе с моим преподавателем по робототехнике мы подготовили созданную модель к печати. Я своими глазами увидел, как мой цифровой чертеж превращается в реальный пластиковый объект.

Использование 3D-печати позволило мне не ограничиваться стандартными деталями, а создать именно такой корпус, который лучше всего подходит для моей «умной» системы (Приложение 4).

Сигнальный элемент.К светодиоду желтого цвета я припаял провода и закрепил его внутри корпуса светофора. Затем плюсовой провод светодиода я припаял к резистору, который подсоединил к плате микроконтроллера Arduino и зафиксировал термоклеем. Я использовал резистор для понижения напряжения от пауэрбанка, т.к. его рабочее напряжение 5В, а для светодиода необходимо напряжение 3В.

Кнопка.Для прототипа я установил пока одну не фиксируемую кнопку, переключающую режим светофора. К кнопке я так же припаял провода и подсоединил их к плате микроконтроллера напрямую, зафиксировав термоклеем (Приложение 5).

Электроника.Плюсовой контакт светодиода через резистор подключён к управляющему порту 13 платы Arduino, минусовой контакт – к разъему GND (земля). Для управления светофором мы использовали кнопку с тремя контактами. Два из них отвечают за питание (плюс и минус), а третий — сигнальный. Именно через него кнопка передает команды "мозгу" нашего проекта — плате Arduino через управляющий порт 2.

Программирование. Разработана программа в среде Arduino IDE (Приложение 6).

1. 3. Программирование блока Arduino

Для управления моделью была разработана программа, которая заставляет светофор работать в двух режимах: дежурном и предупреждающем.

Логика работы (Алгоритм):

Программа постоянно проверяет состояние кнопки, подключенной к Порту 2. В зависимости от этого микроконтроллер Arduino выбирает один из двух сценариев:

1. Режим ожидания (условие «Иначе»): Когда кнопка не нажата, светодиод на Порт 13 медленно мигает. Он включается на 1 секунду и выключается на 1 секунду. Это стандартный режим работы, сигнализирующий о том, что система активна.

2. Режим оповещения (условие «Если»): Как только человек нажимает на кнопку, срабатывает главный сценарий. Программа запускает цикл, который повторяется 20 раз. В этом цикле светодиод начинает мигать очень быстро (с задержкой всего в 0.2 секунды).

Основные блоки программы (рисунок 3):

• Цикл «Если... иначе»: позволяет плате «принимать решения» на основе внешних сигналов.

• Цикл «Повторять 20 раз»: автоматизирует действие, чтобы не прописывать каждую вспышку светодиода вручную.

• Задержка (секунды): задает ритм работы светофора.

Рис. 3

2.4. Тестирование модели

Для проверки работы «умного светофора» я провел серию тестов на собранном макете из LEGO. Мне важно было убедиться, что программа точно выполняет заложенный алгоритм, а сигнал понятен окружающим.

Условия проведения эксперимента:

• Макет дороги с пешеходами, пешеходным переходом и игрушечными автомобилями.

• Светофоры типа Т.7, управляемый кнопкой.

• Микроконтроллер Arduino, подключенный к пауэрбанку.

Ход тестирования:

1. Проверка режима ожидания: После включения питания светофор начал медленно мигать (1 раз в секунду). Это подтвердило работу блока «Иначе» в программе.

2. Проверка режима оповещения: При нажатии на кнопку светофор переключился на быстрое мигание (с задержкой 0.2 секунды).

3. Проверка автоматизации: С помощью секундомера я измерил время работы быстрого режима. Светофор выполнил ровно 20 циклов мигания, как задано в программе. В прототипе это заняло около 8 секунд, что достаточно для демонстрации. Для реальных дорог время можно увеличить до 30 секунд, изменив настройки в коде.

Выводы по тестированию: Тестирование на модели доказало, что моя идея технически реализуема. Программа «Если... иначе» безошибочно распознает действия пешехода. Быстрое мигание делает сигнал гораздо более тревожным и заметным для водителей, что особенно важно, когда пешеход скрыт за стоящим транспортом.

Заключение

В ходе исследования я выполнил все поставленные задачи и пришел к важным результатам:

• Технические навыки: Я не просто собрал модель из конструктора, а освоил основы 3D-моделирования в программе BrickLink Studio. Я самостоятельно спроектировал уникальный корпус светофора и увидел, как с помощью 3D-печати цифровой чертеж превращается в реальный объект.

• Программирование: Я изучил логику работы микроконтроллера Arduino и разработал программу, которая управляет режимами работы светофора в зависимости от действий человека.

• Подтверждение гипотезы: Тесты на макете доказали, что кнопка и схема управления делают сигнал заметнее для водителей. Это особенно важно, когда пешеход скрыт за стоящим транспортом.

Я понимаю, что несмотря на кажущуюся простоту устройства, внедрение такого светофора в жизнь потребует огромной работы: внесения изменений в ГОСТ, утверждения бюджета и масштабного монтажа.

При этом «умный светофор» полезен и для пешеходов: он заставляет их более осознанно подходить к переходу дороги, ведь чтобы зажечь сигнал, нужно нажать кнопку и хотя бы на время отвлечься от гаджетов.

Перспективы развития проекта

Моя работа над «умным» светофором показала, что систему можно развивать дальше. Я выделил такие направления для будущих доработок:

1. Звуковое дублирование. В систему можно встроить звуковой модуль. Это сделает переход безопасным для слабовидящих людей: когда светофор начнет мигать быстро, специальный сигнал подскажет им на слух, что машинам отправлено предупреждение.

2. Бесконтактное управление. Чтобы пешеходу не нужно было нажимать кнопку (например, если заняты руки), можно интегрировать датчик движения. Тогда автоматика сама «увидит» человека у края дороги и переключит режим светофора.

Я надеюсь, что моя идея поможет сделать дороги безопаснее! Может быть, такие светофоры скоро появятся в нашем городе и по всей стране!

Список использованных источников

1. Правила дорожного движения с комментариями и иллюстрациями на 1 июля 2025 года. — Москва : АСТ, 2025. — 160 с.

2. ГОСТ Р 52289-2019. Технические средства организации дорожного движения. Правила применения дорожных знаков, разметки, светофоров, дорожных ограждений и направляющих устройств. — Москва : Стандартинформ, 2020. — 122 с.

3. Первые шаги в программе Studio 2.0 // Это дело техники: [сайт]. — URL: https://этоделотехники.рф/первые-шаги-в-программе-studio-2-0/.

4. Гайд для новичков Arduino // AlexGyver Technologies: [сайт]. — URL: https://alexgyver.ru/arduino-first/.

5. Показатели состояния безопасности дорожного движения // Госавтоинспекция : [информационный портал]. — URL: http://stat.gibdd.ru/.

6. Официальный сайт города Ижевска: [сайт]. — URL: https://www.izh.ru/i/promo/29095.html.

П риложение 1

П риложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Приложение 5

Приложение 6