XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Динамические умные полосы на базе конструктора Lego Wedo 2.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Щетнев М.А. 1Вдовин П.А. 1Габитов Т.В. 1Ермолаев С.М. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Охоткина К.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Работа в формате PDF

1.9 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Каждый день мы видим на улицах пробки. Машины стоят, люди опаздывают, воздух загрязняется. Нам стало интересно: почему это происходит и можно ли бороться с пробками простым способом?

Проблема. Утром почти все машины едут в одну сторону (в центр, на работу), а вечером – обратно. При этом полосы на дороге поделены поровну: две туда, две обратно. Одни полосы переполнены, другие пустуют. Это называется маятниковые пробки.

Актуальность. В нашем городе Тюмень пробки в час пик – обычное дело. Многие родители тратят на дорогу до работы в два раза больше времени, чем обычно. Такая же ситуация во многих крупных городах России: Москве, Казани, Новосибирске. За последние годы машин стало намного больше, а дороги почти не расширяются. Нужно искать недорогие и умные решения.

Цель исследования: создание модели дороги с подвижным ограждением, которое меняет количество полос в зависимости от времени суток.

Задачи исследования:

1. Найти информацию о том, как устроена дорога;

2. Узнать, почему возникают маятниковые пробки;

3. Изучить существующие способы по борьбе с пробками;

4. Создать модель дороги с подвижным ограждением;

5. Запрограммировать автоматическое переключение полос.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты. При конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3]. Так же мы использовали Правила дорожного движения (чтобы понять устройство дорог) [4], статьи о реверсивном движении [5] и наблюдения за пробками в нашем городе.

Глава 1. Общие сведения

1. 1. Устройство дороги

Когда мы говорим «дорога», многие представляют просто серую ленту асфальта. На самом деле дорога — это сложная система, которую придумали инженеры. Она должна быть безопасной и удобной для всех: машин, автобусов, пешеходов и даже велосипедистов [5,6].

Главные части дороги:

-проезжая часть, по которой движутся машины. Она разделена на полосы движения. Каждая полоса имеет ширину примерно 3–3,5 метра, чтобы по ней мог проехать даже грузовик. Количество полос может быть разным: от двух (по одной в каждую сторону) до восьми и больше на больших магистралях [5];

-между потоками машин, которые едут в противоположных направлениях, находится разделительная полоса. Она нужна, чтобы автомобили случайно не столкнулись лоб в лоб. Разделительная полоса может быть газоном, бетонным блоком или просто двойной сплошной линией разметки [5];

-обочина — край, где можно остановиться в случае поломки, и тротуар для пешеходов [5];

-тротуар обычно выше проезжей части или отделён от неё бордюром (Рисунок 1.1.1, Приложение) [6];

-там, где люди переходят дорогу, делают пешеходный переход («зебру») — наземный, надземный или подземный (Рисунок 1.1.2, Приложение).

Все эти части вместе работают как единый организм. Но почему же в разных местах дороги выглядят по-разному? В старых городах улицы часто узкие, потому что раньше машин было мало и дороги строили для лошадей и пешеходов. А на современных трассах или новых проспектах делают много полос, чтобы пропускать большой поток машин. Так что ширина дороги зависит от того, сколько машин по ней должно проезжать и когда эту дорогу построили.

Казалось бы, если сделать дорогу очень широкой — например, четыре или шесть полос, — то пробок не будет. Но на практике даже самые широкие дороги не спасают от заторов. Машины всё равно скапливаются в часы пик, и движение встаёт. Почему так происходит? Чтобы ответить на этот вопрос, нужно разобраться, как движутся машины в разное время суток.

1. 2. Маятниковые пробки

Мы решили немного понаблюдать за движением на улицах нашего города. Оказалось, что утром, примерно с 7 до 9 часов, большинство машин едут из спальных районов в центр — на работу, учёбу, в больницы. А вечером, с 17 до 19 часов, они возвращаются обратно. Такое движение напоминает маятник часов: туда-сюда, туда-сюда. Поэтому инженеры называют эти заторы маятниковыми (или пульсирующими) пробками [7].

Представьте себе четырёхполосную дорогу. Утром в сторону центра движется 50 машин, а в обратную сторону — только 10. Но полосы поделены поровну: две туда, две обратно. На двух «пустых» полосах почти нет машин, а две другие забиты. Возникает пробка, люди опаздывают, водители нервничают. Это и есть классический пример маятниковой пробки (Рисунок 1.2.1, Приложение).

Однако маятниковые заторы — не единственная причина проблем на дорогах. Специалисты выделяют и другие виды пробок:

-ремонтные заторы — возникают, когда одну или несколько полос перекрывают из-за ремонта асфальта, замены труб или строительства. Оставшиеся полосы не справляются с потоком;

-аварийные заторы — после столкновения машин дорога частично или полностью блокируется, пока сотрудники ГИБДД оформляют происшествие и эвакуируют автомобили;

-погодные заторы — вызваны снегопадом, гололёдом, ливнем или туманом. Водители снижают скорость, и пропускная способность дороги падает;

-заторы у социальных объектов — около школ, детских садов, торговых центров, где родители или посетители подолгу паркуются, перекрывая полосы движения;

-сезонные заторы — летом на выездах из города к пляжам и дачам, зимой — из-за снежных наносов или плохой уборки [9].

Несмотря на всё разнообразие причин, в нашем городе Тюмень все-таки главным виновником утренних и вечерних заторов остаются именно маятниковые потоки. Большинство людей живут в одном месте, а работают или учатся в другом, причём расстояния большие, а широких магистралей не хватает. Поэтому каждый будний день мы видим одну и ту же картину: утром все едут в центр, вечером — из центра [7].

Возникает вопрос: какие же способы борьбы с пробками уже придуманы людьми? Что делают инженеры в разных городах, чтобы уменьшить маятниковые заторы?

1. 3. Существующие решения и наша идея

Мы изучили, что делают в разных городах мира, чтобы уменьшить маятниковые пробки. Вот главные способы:

-расширение дорог. В некоторых местах сносят дома, вырубают деревья и добавляют новые полосы. Но это очень дорого (миллиарды рублей), долго (годами) и вредно для экологии. К тому же, чем шире дорога, тем больше машин на неё выезжает — пробка возвращается. Это называется «парадокс Брэеса» (учёный доказал, что новая дорога не всегда помогает) (Рисунок 1.3.1, Приложение) [10].

-реверсивное движение. «Реверс» значит «обратное». На некоторых трассах есть специальная реверсивная полоса. Утром она работает в одну сторону, вечером — в другую. Но обычно такие полосы переключают вручную (инспектор нажимает кнопку) или по таймеру. А если случилась авария? А если поток изменился из-за праздника? И главное — ограждения между полосами остаются прежними. Водители путаются, иногда выезжают на встречку. Это опасно (Рисунок 1.3.2, Приложение) [5].

-«Умные» светофоры и камеры. Сейчас ставят камеры, которые считают машины и переключают светофоры. Это помогает на перекрёстках, но не решает проблему узкой дороги: если полос мало, то зелёный свет не поможет — всё равно пробка (Рисунок 1.3.3, Приложение) [10].

-подвижные барьеры (наш прототип).В некоторых странах (например, в США на мосту «Золотые Ворота») используют специальные машины-барьероукладчики. Они едут по дороге и переставляют бетонные блоки с одной полосы на другую. Это очень похоже на нашу идею! Но у этих машин есть минусы:

-они медленные (переставляют блоки со скоростью 5–16 км/ч, создавая пробку);

-требуют водителя и топлива;

-не реагируют на аварии автоматически (Рисунок 1.3.4, Приложение) [11].

Мы подумали: а что, если встроить подвижное ограждение прямо в дорогу и управлять им с помощью моторов Lego.

Так родилась идея «Динамических умных полос на базе Lego WeDo 2.0». Мы решили не просто придумать, а построить действующую модель и доказать, что это работает.

Глава 2. Экскурсии в Тюменский Индустриальный университет

Перед созданием проекта мы посетили экскурсию в Тюменском Индустриальном университете. Мы побывали на кафедре автомобильных дорог и аэродромов. Нас встретил заведующий кафедрой Сергей Павлович С. — настоящий эксперт в дорожном деле.

В беседе с ним мы узнали много нового. Во-первых, чем отличается дорога от улицы. Улица включает в себя не только проезжую часть, но и тротуары, дома, фонари. А дорога может быть за городом и состоит в основном из проезжей части и обочины.

Сергей Павлович рассказал о сложных процессах создания безопасных дорог: инженеры изучают грунт, рассчитывают нагрузки, подбирают материалы, чтобы дорога выдерживала жару, мороз и тяжёлые грузовики.

Мы также узнали о технологиях информационного моделирования (BIM). Сначала дорогу проектируют в компьютере в виде точной 3D-модели, где есть каждый слой асфальта и опора освещения. По этой модели можно заранее проверить все опасные места.

Но самое главное — роботизированные системы. Сегодня существуют:

-роботизированные бульдозеры и катки, которые работают по цифровой модели без человека (оператор управляет ими из офиса);

-роботы для обслуживания дорог — например, робот-дворник на гусеницах для уборки снега в узких местах, а также роботы, которые сами находят и заделывают ямы;

-интеллектуальная транспортная система (ИТС) в Тюменской области — камеры и датчики следят за дорогами, определяют пробки и аварии и сами меняют режим светофоров.

Мы поделились с Сергеем Павловичем своей идеей об умных полосах. Рассказали, что нас волнуют пробки в Тюмени. Заведующий кафедрой полностью поддержал нашу идею, дал несколько полезных советов, ведь его тоже волнует эта проблема.

На экскурсии мы узнали очень много нового и интересного и приступили к созданию проекта (Рисунок 2.1, Приложение).

Глава 3. Создание проекта динамические умные полосы на базе конструктора Lego Wedo 2.0

3.1 Внешний вид проекта

Изучив теорию дорожного движения, побывав на экскурсии в Тюменском Индустриальном университете и получив поддержку эксперта, мы наконец приступили к реализации собственного проекта. Наша модель получила название «Динамические умные полосы».

Модель создана с помощью конструкторов Lego City (для построения городских объектов) и Lego WeDo 2.0 (для автоматизации). Для управления движением и перераспределения полос мы использовали различные механические передачи, моторы и датчики из набора Lego WeDo 2.0.

Внешне наш проект представляет собой макет городской улицы. На ней расположены:

-дорога для автомобилей, состоящая из четырёх полос движения (по две в каждую сторону);

-надземный пешеходный переход, чтобы люди могли безопасно переходить через дорогу;

-тротуар для пешеходов;

-велодорожка для средств индивидуальной мобильности (СИМ) – самокатов, велосипедов и гироскулепов;

-украшения: деревья, кусты, цветы, лавочки, мусорные баки, lego-человечки, машины.

Между полосами установлены специальные подвижные ограждения, которые в обычном состоянии разделяют полосы поровну: две туда, две обратно. Над проезжей частью расположен светофор, который регулирует движение. Также в модели присутствуют датчики расстояния и датчик наклона, которые следят за загруженностью дороги и положением ограждений. Все эти элементы смонтированы так, чтобы было удобно наблюдать за работой «умных полос» (Рисунок 3.1.1, Приложение).

Наш проект имеет всё необходимое для имитации реальной городской улицы и демонстрации идеи умных полос.

3.2 Механические передачи в проекте

Для того чтобы наш проект был автоматизированным, мы добавили механические передачи, 4 смартхаба, 5 моторов и 2 датчика (один датчик наклона и два датчика движения).

У каждой модели есть свой функционал и механические передачи. Разберем каждую модель по отдельности.

Таблица 1 – Предназначение и механические передачи проекта

3.3 Программа для запуска проекта

После того, как мы завершили строительство нашего проекта, мы приступили к созданию программы. Обсуждая работу наших моделей в проекте, мы поняли, что они должны иметь возможность работать одновременно. Именно поэтому в программе мы использовали одновременный запуск с помощью одной клавиши «1» и функцию «передача сообщений», сразу для всех программ. Так же для нашего проекта мы использовали два устройства для запуска программ (Рисунок 3.3.1, Приложение).

Таблица 2 – Программы для управления моделями проекта

Заключение

В результате нашей работы над проектом мы успешно выполнили следующие задачи:

1. Нашли информацию о том, как устроена дорога;

2. Узнали, почему возникают маятниковые пробки;

3. Изучили существующие способы по борьбе с пробками;

4. Создали модель дороги с подвижным ограждением;

5. Создали программу, которая позволила наглядно продемонстрировать работу нашего проекта.

Для нашего проекта мы использовали конструктор из наборов Lego WeDo 2.0 и Lego City. В нашей работе были простые механизмы: ось, малое, среднее, большое зубчатые колеса, конические зубчатые колеса, шкивы, рычаг, рейки, червячные зубчатые колеса, редуктор. А также сложные механические передачи: червячная передача, понижающая и повышающая зубчатые передачи, осевая передача, реечная передача, лебедка, угловая зубчатая передача. Для запуска проекты мы создали программу в среде LegoWeDo 2.0, одновременно подключая к двум устройствам 4 смартхаба, 5 моторов, 1 датчик наклона и 2 датчика движения.

Мы считаем, что наш проект «Динамические умные полосы на базе конструктора Lego Wedo 2.0» оказывает существенное воздействие на улучшение окружающего мира:

-Польза для людей (нас с вами!): мы экономим самое ценное — время! Мамы и папы будут быстрее добираться на работу и домой, больше времени останется на семью, на игры с нами.

-Польза для города и природы: когда машины не стоят в пробках и не «топчутся» на месте, они сжигают меньше бензина. А значит, в воздух попадает намного меньше вредных выхлопных газов! Наш город станет чище, воздух — свежее. Это поможет бороться с плохой экологией.

-Кроме того, не нужно постоянно строить новые дороги и расширять старые, потому что мы будем умнее использовать те, что уже есть.

Мы верим, что наши динамические полосы — это шаг к умным, удобным и экологичным дорогам Тюмени! Наш проект делает мир лучше, умнее и добрее!

Список используемой литературы

1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

2. Богданова С.М, Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400

3. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;

Интернет источники

4. https://www.drom.ru/pdd/pdd/

5. https://auto.mail.ru/article/102209-reversivnoe-dvizhenie/#anchor174013358667982752

6. https://talagy-school.ru/school/school_safety/uchebno-metodicheskie-materialy/Doroga_i_ee_chasti.pdf

7. https://nashgorod.ru/news/2025-07-04/probki-kotorye-my-zasluzhili-kto-vinovat-v-transportnom-haose-tyumeni-5428552?ysclid=mpmbe6o2yp496502317&utm_source=yandex.ru&utm_medium=organic&utm_campaign=yandex.ru&utm_referrer=yandex.ru

8. https://kartaslov.ru/карта-знаний/Дорожный+затор?ysclid=mpmbgqns3i684487835

9. https://ru.wikipedia.org/wiki/Дорожный_затор

10. https://www.techinsider.ru/vehicles/714683-vozmozhno-li-izbavitsya-ot-probok-i-prichem-tut-didzhitalizaciya/

11. https://autoreview.ru/articles/gruzoviki-i-avtobusy/dorozhnaya-molniya-v-ssha-pridumali-sistemu-bystrogo-peremescheniya-bar-erov-na-trassah

Приложение