XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Город будущего: интеллектуальный мониторинг трафика на базе конструкторского набора LEGO Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Тортышев Т.Д. 1Рифель Д.В. 2Шумаков С.Д. 2Владимиров В.И. 2

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

2Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Фрибус К.Р. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

491 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Ежедневно на дорогах России и мира происходят тысячи дорожно-транспортных происшествий. Одной из главных причин трагедий, уносящих тысячи жизней каждый год, остается превышение скоростного режима. Несмотря на развитие систем фото- и видеофиксации, установку «лежачих полицейских» и совершенствование нормативной базы, многие водители сознательно или по невнимательности нарушают допустимый лимит скорости. Особую тревогу вызывает ситуация в жилых зонах, вблизи школ, детских садов и игровых площадок, где цена ошибки может быть особенно высока.

Существующие методы контроля скорости (стационарные камеры, радары) фиксируют нарушение постфактум, но не предотвращают его в режиме реального времени. Более того, психологические особенности водителей — стремление к быстрой езде, привыкание к стрессовым ситуациям, желание продемонстрировать «мастерство» — приводят к тому, что даже законопослушные граждане иногда превышают скорость. Возникает противоречие: с одной стороны, есть техническая возможность ограничивать скорость, с другой — отсутствует доступная, наглядная и не штрафная система принуждения к соблюдению лимита в локальных зонах (например, во дворах или у школ).

Мы предположили, что создание автономного роботизированного устройства, визуально и физически контролирующего скорость движения транспортных средств на ограниченном участке (модель «Умный город»), позволит не только фиксировать нарушения, но и наглядно продемонстрировать принципы безопасного движения. Такой подход может быть эффективнее традиционных штрафов, так как воздействует на водителя в момент выбора скорости.

Цель работы- разработать и сконструировать действующую модель «Умный город» на базе конструктора LEGO EV3 с интегрированной системой контроля превышения скорости.

Задачи исследования:

1. Проанализировать статистику и причины превышения скоростного режима в России.

2. Изучить современные методы предотвращения нарушений скорости (ADAS, ISA, ACC, HUD, инфраструктурные решения).

3. Спроектировать макет городской среды с дорожной инфраструктурой (школа, жилые дома, дорога, кольцевое движение).

4. Разработать и изготовить на 3D-принтере робота-контроллера на базе LEGO EV3, использующего лебедочный механизм для ограничения или сигнализации о превышении скорости.

5. Провести испытания модели и оценить эффективность предложенного решения.

Объект исследования: процесс контроля скоростного режима в локальных зонах (жилые кварталы, пришкольные территории).

Предмет исследования: модель роботизированной системы контроля скорости на базе LEGO EV3 в составе макета «Умный город».

Практическая значимость. Разработанная модель может использоваться в образовательных целях — на уроках ОБЖ, технологии, робототехники, а также в проектах по безопасности дорожного движения для наглядной демонстрации принципов «Умного города». Кроме того, отдельные технические решения (например, реакция на превышение лимита) потенциально масштабируемы на реальные инфраструктурные объекты.

Глава 1. Обзор проблемы и обоснование решения

1. 1. Анализ проблемы превышения скоростного режима

Превышение скорости — одно из самых частых нарушений Правил дорожного движения (ПДД) в России. По статистике Госавтоинспекции, именно несоблюдение скоростного режима становится причиной значительной доли ДТП. Государство уделяет особое внимание контролю за скоростью, совершенствуя системы фото- и видеофиксации.

Высокая скорость при столкновении транспортных средств усугубляет последствия для водителей и пассажиров. Превышение скорости при маневрировании и выезде на полосу встречного движения в подавляющем большинстве случаев приводит к созданию аварийных ситуаций и ДТП. Нарушение скоростного режима даже на несколько км\ч может иметь необратимые последствия (3)

К сожалению, многие водители часто оценивают не слишком объективно ту скорость, с которой они ведут автомобиль. При этом многие потенциально опасные ситуации на дороге оцениваются самими водителями как безопасные или условно безопасные. Существует целый ряд психологических причин, по которым водители так необъективно подходят к оценке дорожной ситуации и так легко нарушают правила дорожного движения. Большинство водителей стараются соблюдать разрешенную скорость на своем участке дороги, и не создавать аварийную ситуацию. Но иногда бывает так, что автовладелец вынужденно превышает скорость авто, и получает штрафы.

Существует ряд психологических причин, которым водители так необъективно подходят к оценке дорожной ситуации и так легко нарушают правила дорожного движения.

В первую очередь водителей подводит любовь к быстрой езде которая, как известно, по душе многим автолюбителям. Современные автомобили позволяют развивать приличную скорость, не доставляя дискомфорта водителю. Во время поездки на высокой скорости водитель получает удовольствие от самого процесса вождения, и поэтому недооценивает опасность, которая может ему угрожать.

Кроме того, современные водители, привыкшие к постоянному стрессу на дороге и большому количеству различных происшествий, часто снисходительно относятся к превышению скорости, считая это обыденным явлением.(3) Иногда причиной превышения скорости на дороге становится банальное желание водителя похвастаться своими навыками вождения. Например, нередко возникает ситуация, когда молодой человек, сидя за рулем, стремится продемонстрировать сидящей рядом девушке свое умение водить машину, а в результате превышает скорость, и тем самым создает опасную ситуацию.

Если посмотреть с другого угла, существует два вида нарушений, напрямую связанных с превышением скорости: 

- Водитель автотранспортного средства, нарушая предписания правил дорожного движения и установленных на дороге знаков, превышает максимально дозволенную на данном участке дороги скорость.

- Водитель выбирает из допустимого диапазона скоростей большую скорость, чем следовало бы, исходя из ситуации на дороге.

Чересчур быстрая езда весьма опасна, причем по многим причинам. Даже незначительная неисправность или отказ одной из деталей автомобиля а высокой скорости может привести к крайне печальным последствиям, в то время как для автомобиля, идущего на низкой скорости, аналогичная
поломка не окажется фатальной. Да и времени среагировать на внезапные помехи на дороге у водителя всегда меньше, когда автомобиль едет на очень высокой скорости, что может вызвать серьезные последствия.

Последствия при ДТП:

1.факт нарушения ПДД будет отягчающим обстоятельством при определении виновности;

2.возрастает вероятность признания водителя виновным в причинении вреда здоровью или смерти;

3.может быть возбуждено уголовное дело (например, по ст. 264 УК РФ — нарушение ПДД, повлекшее тяжкий вред здоровью или смерть);

4.страховая компания может предъявить регрессный иск к виновнику, если выплатила возмещение потерпевшим. (2)

Давайте рассмотрим пример инцидентов возникнувших от нарушения ПДД и их последствия:

В нескольких российских регионах за выходные произошли серьезные дорожные происшествия с погибшими и пострадавшими. Одно из смертельных ДТП случилось в поселке Преображение Приморского края. По информации краевого управления МВД, 48-летний водитель Nissan потерял управление автомобилем, после чего машина съехала в кювет и перевернулась, Мужчина ехал без ремня безопасности и получил смертельные травмы, скончавшись еще до приезда медиков. Находившийся в салоне 28-летний пассажир был госпитализирован с травмой головы. Как уточнили в полиции, он также не был пристегнут. Известно, что водитель имел 30-летний стаж и ранее неоднократно привлекался за превышение скорости.

Еще одна трагедия произошла в Свердловской области. Там 23-летний водитель выбрал небезопасную скорость, потерял контроль над машиной и допустил опрокидывание автомобиля, в результате аварии водитель и его 24-летний пассажир вылетели из салона и погибли на месте.(1)

1.2 Современные методы предотвращения нарушения скоростного режима

В современной транспортной инфраструктуре Российской Федерации и зарубежных стран реализуется многоуровневая система мер, направленных на предотвращение нарушений скоростного режима и минимизацию связанных с ними рисков. Данные меры классифицируются по технологическому принципу и способу воздействия на участников дорожного движения и включают технические системы активной безопасности, цифровые мониторинговые платформы и инфраструктурные решения принудительного регулирования.

Ключевую роль в превентивном контроле скоростного режима играют системы класса ADAS (Advanced Driver Assistance Systems) — интегрированные комплексы сенсоров и исполнительных механизмов, обеспечивающие как информационное сопровождение водителя, так и частичное автоматическое управление динамикой автомобиля.

К наиболее релевантным для задачи контроля скорости компонентам ADAS относятся:

-ISA (Intelligent Speed Assistance). Система интеллектуальной помощи в соблюдении скоростного режима, реализующая функцию непрерывного сопоставления текущей скорости транспортного средства с допустимым пределом. Функционирование ISA базируется на комплексном анализе данных: координатной информации от спутниковых навигационных систем (GPS/ГЛОНАСС), семантических атрибутов цифровых карт (включая зоны с особыми условиями движения) и результатов видеоаналитической обработки изображений дорожных знаков в реальном времени. При выявлении несоответствия между фактической и разрешённой скоростью система инициирует аудиовизуальные предупредительные сигналы, а в расширенных конфигурациях — реализует принудительное ограничение тяги двигателя.

-ACC (Adaptive Cruise Control). Адаптивный круиз-контроль, обеспечивающий поддержание заданной скорости и безопасной дистанции до впереди идущего транспортного средства. В основе работы системы лежит радарный (либо лидарный) мониторинг дорожной обстановки в продольном направлении. Алгоритмы управления ACC в режиме реального времени корректируют продольную динамику автомобиля (через воздействие на дроссельную заслонку и тормозную систему), предотвращая неконтролируемое превышение скорости в условиях плотного транспортного потока.

-HUD (Head-Up Display). Проекционный дисплей, транслирующий критически значимую информацию (в том числе актуальные ограничения скорости, полученные из картографических баз данных или от системы ISA) в верхнюю зону лобового стекла. Данное решение оптимизирует эргономику восприятия данных водителем, сокращая время отвлечённого внимания от дорожной ситуации и, как следствие, снижая вероятность непреднамеренного нарушения скоростного режима.

Цифровые платформы и интеллектуальные системы фотовидеофиксации. Параллельно с бортовыми системами развиваются облачные сервисы и автоматизированные комплексы фиксации нарушений, обеспечивающие внешний контроль за соблюдением скоростного режима: Навигационные сервисы (например, «Яндекс Карты»). Предоставляют пользователям возможность настройки индивидуальных порогов превышения скорости. При пересечении установленного пользователем или нормативно заданного лимита приложение генерирует предупреждающий сигнал. Интеграция с картографическими базами данных позволяет учитывать локальные изменения скоростного режима (например, временные ограничения в зонах дорожных работ).

Интеллектуальные комплексы фотовидеофиксации. Современные системы данного класса обладают расширенным функционалом по сравнению с традиционными радарными детекторами. К ключевым возможностям относятся: расчёт средней скорости на протяжённых участках дороги (на основе синхронизации временных меток и координат двух и более камер), фиксация нарушений в направлении «сзади» (включая контроль обгонов в запрещённых зонах), а также анализ динамики транспортного потока с выявлением автомобилей, движущихся со скоростью, существенно превышающей среднюю по потоку.

Наряду с технологическими решениями применяются инженерно-планировочные методы, направленные на физическое ограничение скорости движения:

• Искусственные неровности («лежачие полицейские»). Конструктивные элементы дорожного покрытия, вызывающие дискомфорт при проезде на высокой скорости. Устанавливаются в зонах повышенной опасности (пешеходные переходы, дворовые территории, подъезды к образовательным учреждениям).

• Геометрическая оптимизация проезжей части. Включает сужение полос движения, создание криволинейных участков траектории и устройство однополосных проездов. Данные меры вынуждают водителей снижать скорость за счёт изменения условий движения.

• Круговые перекрёстки. Альтернатива традиционным регулируемым и нерегулируемым пересечениям. Кольцевые развязки исключают возможность сквозного проезда на высокой скорости и снижают риск лобовых столкновений.

• Динамические дорожные знаки. Электронные табло с изменяемым скоростным режимом, адаптирующиеся к текущим условиям (метеорологическая обстановка, плотность трафика). Такие системы позволяют оперативно корректировать скоростной режим на магистралях, предотвращая каскадные ДТП и «эффект волны торможения».

Помимо перечисленных решений, в мировой и отечественной практике внедряются и иные механизмы, направленные на минимизацию превышения скорости. К ним относятся:

• Динамическое регулирование скоростного режима посредством адаптивных дорожных знаков. Электронные табло с изменяемым скоростным лимитом позволяют оперативно корректировать разрешённую скорость в зависимости от текущих метеорологических условий (гололёд, туман, ливень) и плотности транспортного потока. Данная мера доказала свою эффективность в предотвращении каскадных ДТП и нивелировании «эффекта гармошки» на магистралях с высокой интенсивностью движения.

• Регуляторная политика в отношении нештрафуемого порога. В Российской Федерации на уровне профильных ведомств и экспертного сообщества ведутся дискуссии о целесообразности снижения действующего нештрафуемого порога превышения скорости с 20 до 10 км/ч. Предполагается, что ужесточение данного норматива будет способствовать повышению дисциплины водителей и снижению числа скоростных нарушений.

• Телематические системы для корпоративного транспорта. В коммерческих автопарках (логистические компании, службы такси, муниципальный транспорт) активно применяются специализированные аппаратно-программные комплексы, позволяющие в режиме реального времени отслеживать параметры движения транспортных средств, включая скорость.

• Аппаратные ограничители скорости. На ряде категорий транспортных средств (грузовые автомобили, автобусы, маршрутные такси) устанавливаются механические или электронные блокираторы, препятствующие разгону выше заданного скоростного лимита. Данное решение исключает возможность сознательного нарушения скоростного режима водителем.

• Системы GPS-трекинга и поведенческого мониторинга. Программное обеспечение на базе спутниковой навигации не только фиксирует факты превышения скорости, но и формирует аналитические отчёты, включая рейтинги водителей по критерию соблюдения ПДД. Это позволяет внедрять дифференцированные системы мотивации и контроля в транспортных компаниях.

• Технологии межмашинного взаимодействия и геозонирования (V2X и Geofencing). Перспективное направление интеграции транспортных средств в цифровую инфраструктуру «умного города». Элементы дорожной инфраструктуры (светофоры, динамические знаки) передают актуальные ограничения скорости в бортовые системы автомобилей. В зависимости от настроек, транспортное средство может автоматически активировать торможение или ограничивать тягу двигателя при въезде в зоны с особыми условиями движения (школы, жилые кварталы, строительные площадки).

• Методы поведенческой экономики и геймификации. Инновационные подходы к формированию культуры безопасного вождения включают, например, концепцию «лотереи камер скорости» (Speed Camera Lottery). В рамках пилотных проектов камера фиксирует всех участников дорожного движения: нарушители получают штраф, а водители, соблюдающие скоростной режим, автоматически становятся участниками розыгрыша призового фонда, сформированного из штрафов. Данный метод продемонстрировал значительное снижение средней скорости на тестовых участках.

• Интерактивные табло обратной связи. Информационные щиты, оснащённые радарами и дисплеями, в режиме реального времени отображают скорость приближающегося автомобиля. Визуализация данных с использованием эмодзи (зелёный улыбающийся смайлик при соблюдении лимита и красный грустный/сердитый при его превышении) оказывает выраженный психологический эффект, побуждая водителей к добровольному снижению скорости. Данный подход демонстрирует более высокую эффективность по сравнению с традиционными статическими знаками ограничения скорости.

Современные методы предотвращения нарушений скоростного режима представляют собой синергетическую комбинацию технологических инноваций (ADAS, облачные сервисы, интеллектуальные камеры) и инфраструктурных преобразований. Их комплексное применение позволяет не только оперативно выявлять и пресекать нарушения, но и формировать устойчивые модели безопасного поведения водителей за счёт превентивного информирования и физического ограничения скорости.

Глава 2. Модель «Умный город»: от задумки до готового проекта

2.1. Проектирование и конструирование модели «Умный город» на

базе LEGO EV3

Проектирование и конструирование модели «Умный город» осуществлялось коллективом авторов в составе творческой группы «Импульс» под руководством педагога дополнительного образования. Работа над проектом велась в несколько этапов: от формирования идеи до создания действующего прототипа. Основной целью разработки являлось создание наглядного, функционального макета, демонстрирующего возможность автоматизированного контроля скоростного режима транспортных средств в локальных зонах повышенной опасности — жилых кварталах, пришкольных территориях, вблизи детских площадок.

В процессе проектирования перед командой были поставлены следующие задачи:

– разработать эстетически привлекательный и масштабируемый макет городской среды;
– обеспечить интеграцию роботизированной системы контроля скорости в городской ландшафт;
– использовать доступные и экологичные материалы для изготовления декораций;
– создать автономное устройство на базе LEGO EV3, способное визуально и физически реагировать на превышение скоростного лимита.

На начальном этапе строительства макета был произведён тщательный выбор материалов для изготовления элементов городской инфраструктуры — жилых домов, школы, объектов благоустройства. Критериями выслужи: доступность, простота обработки, лёгкость, безопасность и способность сохранять форму. В таблице 1 приложения представлен анализ рассматриваемых материалов.

В итоге в качестве основного материала для построек был выбран картон, обладающий достаточной жёсткостью, лёгкостью и удобством в обработке. Картон позволяет легко вырезать стены, крыши, окна и двери, а также скреплять детали с помощью клея ПВА или термоклея. Для придания конструкциям прочности использовались дополнительные рёбра жёсткости из того же материала.

Основанием макета послужила деревянная пластина размером 80×60 см, обеспечивающая устойчивость всей конструкции и возможность переноски. Дерево было выбрано благодаря своей твёрдости, ровной поверхности и способности выдерживать вес всех декоративных элементов.

Для имитации зелёных насаждений (газонов, лужаек) использовалась искусственная трава на самоклеящейся основе, что позволило быстро и равномерно покрыть всю деревянную пластину, за исключением участков, отведённых под дорожное полотно.

Декоративные элементы малого масштаба (фонари, скамейки, ограждения) изготавливались из деревянных палочек (шпажек), бечевки (для имитации верёвочных конструкций) и цветного пластика (для мелких деталей, таких как песочница и качели).

Процесс изготовления макета включал несколько последовательных этапов.

Этап 1. Создание зданий. Жилые дома и школа изготавливались из картонных коробок и листового картона. Каждое здание имело размеры 15×10×12 см (длина × ширина × высота). На стенах были прорезаны окна и двери, затем здания окрашены акриловыми красками в соответствующие цвета: школа — в светло-жёлтый с коричневой крышей, жилые дома — в различные оттенки (бежевый, терракотовый, светло-зелёный) для придания реалистичности. Крыши домов выполнены в виде двускатных конструкций из картона, покрытых гофрированной бумагой, имитирующей черепицу.

Этап 2. Подготовка основания. Деревянная пластина была очищена от загрязнений, затем на неё с помощью двухстороннего скотча и клея закреплена искусственная трава. На участках, предназначенных для дороги, трава была удалена.

Этап 3. Размещение зданий и озеленение. После высыхания клея на основание были установлены и зафиксированы клеем жилые дома и школа. Вокруг зданий были размещены элементы озеленения: кустарники (из кусочков губки, окрашенной в зелёный цвет), деревья (из веточек и пластилина). По периметру города установлены 10 фонарей, изготовленных из деревянных шпажек и светодиодов (имитация освещения). Была добавлена перегородка между двумя дорогами из картона, окрашенная в серый цвет, выполняющая функцию разделительной полосы.

Этап 4. Нанесение дорожной разметки. С помощью белой акриловой краски и кистей различной толщины на дорожное полотно была нанесена разметка: осевая линия (прерывистая), краевая линия (сплошная), пешеходный переход «зебра» у школы (шесть белых полос шириной 1 см каждая с интервалом 1 см), стоп-линия перед перекрёстком. Дорожные знаки (ограничение скорости 20 км/ч, «Дети», «Пешеходный переход») были распечатаны на принтере, заламинированы и установлены на подставки из деревянных шпажек.

Этап 5. Создание детской площадки. Для оживления макета и демонстрации зоны повышенной опасности была создана миниатюрная детская площадка, включающая следующие элементы:
– песочница (из картонного короба размерами 6×6 см, наполненного настоящим песком);
– качели (из деревянных палочек и бечевки, с сиденьем из пластика);
– лавочка (из палочек от мороженого, склеенных между собой, размером 8×2 см).

Таблица 2 нашего приложения представлено распределение обязанностей при изготовлении элементов макета

Первоначально эскиз робота планировалось выполнить из лёгкого пластилина для предварительной оценки формы, габаритов и компоновки компонентов. Пластилиновое прототипирование позволило быстро проверить несколько вариантов конструкции, выявить недостатки и скорректировать геометрию. Однако после обсуждения команда приняла решение разработать детальные чертежи в масштабе 1:1 и изготовить корпус робота на 3D-принтере. Это решение было обусловлено следующими преимуществами аддитивных технологий:

– высокая точность воспроизведения геометрии (погрешность не более 0,1 мм);
– прочность и долговечность готового изделия (материал — PLA-пластик);
– возможность создания сложных форм (крепления для моторов, отверстия для проводов, ниши для датчиков);
– эстетичный внешний вид без следов клея и неровностей.

Технические характеристики робота-контроллера. Инновационное решение проекта воплощено в роботе-контроллере, который использует следующие компоненты (таблица 3, в приложении).

Микрокомпьютер EV3 является «мозгом» робота. Он принимает сигнал от датчика скорости, обрабатывает его в соответствии с заложенным алгоритмом и подаёт команды на моторы. Процессор EV3 работает на частоте 300 МГц, объём оперативной памяти составляет 64 МБ, что достаточно для выполнения программы средней сложности.

Для обеспечения эстетичного внешнего вида все компоненты (микрокомпьютер, моторы, провода) размещены под основным уровнем макета — в специальном отсеке, скрытом от наблюдателя. На поверхности находится только датчик скорости и сам выдвижной элемент робота. Такое конструктивное решение позволило сохранить визуальную привлекательность модели и сосредоточить внимание зрителя на функциональной части — реакции робота на нарушение скоростного режима.

Лебёдочный механизм. Движение робота-контроллера реализовано посредством лебёдочного механизма, приводимого в действие двумя средними моторами. Принцип работы механизма заключается в следующем (рисунок 1)

В исходном состоянии робот находится на обочине за разделительным барьером. Нить лебёдки натянута, робот прижат к упору.

При получении сигнала от микрокомпьютера о превышении скорости моторы начинают вращаться в одном направлении, наматывая нить на вал. Это приводит к перемещению робота вперёд — на проезжую часть.

обот выезжает на расстояние 5-7 см, перекрывая путь автомобилю-нарушителю (в масштабе модели), и включается звуковая сигнализация.

После того как датчик зафиксирует снижение скорости до допустимого предела, микрокомпьютер подаёт команду на реверс моторов. Моторы вращаются в противоположную сторону, разматывая нить. Возвратная пружина (или сила тяжести) возвращает робота в исходное положение на обочине.

Финальным этапом конструирования стала интеграция роботизированной системы в макет городской среды. Для этого в деревянном основании было предусмотрено углубление (вырезано электролобзиком) размерами 20×15×5 см, в котором разместились микрокомпьютер EV3, моторы и блок питания. Сверху углубление закрыто декоративной панелью из картона, имитирующей тротуарную плитку. На поверхности остались только датчик скорости (замаскирован под дорожную камеру) и выдвижной элемент робота (окрашен в сигнальный жёлто-чёрный цвет).

В результате проектирования и конструирования была создана действующая модель «Умный город», интегрирующая:
– реалистичный макет городской среды с двумя улицами, жилыми домами, школой, кольцевым движением, дорожной разметкой и знаками;
– детскую площадку и зелёные насаждения для демонстрации зон повышенной опасности;
– роботизированную систему контроля скорости на базе LEGO EV3 с 3D-печатным корпусом, двумя средними моторами и лебёдочным механизмом;
– скрытую компоновку технических компонентов, обеспечивающую эстетичный внешний вид.

Модель полностью автономна, работает от встроенного аккумулятора.

2.2. Разработка алгоритма управления и программного

Обеспечения

Программирование робота-контроллера скорости осуществлялось в графической среде LEGO Mindstorms EV3 Home Edition (версия 1.4.2). Данная среда была выбрана по нескольким причинам: во-первых, она полностью совместима с используемым микрокомпьютером EV3; во-вторых, графический язык программирования на основе блоков позволяет наглядно представить алгоритм и упрощает отладку; в-третьих, среда содержит все необходимые блоки для работы с моторами, датчиками, переменными и звуком.

Все программные блоки в среде имеют цветовую кодировку в зависимости от категории:

Зелёные блоки — действие (Action): управление моторами, звуком, дисплеем, подсветкой;

Оранжевые блоки — поток управления (Flow): старт, ожидание (Wait), цикл (Loop), переключатель (Switch);

Жёлтые блоки — датчики (Sensors): ультразвуковой датчик (Ultrasonic Sensor), таймер (Timer);

Синие блоки — данные (Data): переменные (Variable), математические операции (Math), сравнение (Compare), логика.

Разработка программного кода велась в несколько последовательных этапов, представленных в таблице 4, представлена в приложении.

Первая версия программы представляла собой простейшую линейную последовательность блоков, заставляющую робота двигаться двумя моторами вперёд и назад. Визуально программа выглядела следующим образом:

[Start] → [Medium Motor A: мощность 50%, 2 сек, вперёд] → [Medium Motor B: мощность 50%, 2 сек, вперёд] → [Wait: 1 сек] → [Medium Motor A: мощность 50%, 2 сек, назад] → [Medium Motor B: мощность 50%, 2 сек, назад] → [Wait: 1 сек] → [Loop] (бесконечное повторение блоков 2–7)

При тестировании этой программы были выявлены следующие недостатки.

Недостаток 1: несинхронная работа моторов. Два средних мотора, работая независимо, часто начинали вращаться с небольшой разницей во времени (доли секунды), что приводило к перекосу лебёдочного механизма и его заклиниванию. Конструкция робота требовала строго синхронного движения обоих моторов.

Недостаток 2: отсутствие связи с датчиками. Программа не содержала ни одного блока, связанного с ультразвуковым датчиком. Робот двигался по таймеру вне зависимости от того, приближается ли автомобиль, превышает ли он скорость или вообще отсутствует на дороге.

Недостаток 3: отсутствие условного ветвления. В программе не было блока Switch (условный оператор), поэтому робот не мог принимать решение о необходимости выдвижения. Он просто повторял одни и те же движения циклически.

Недостаток 4: отсутствие обратной связи. Программа не предусматривала ни визуальной индикации (подсветка кнопок EV3), ни звукового оповещения. Нарушитель не получал никакого сигнала, кроме механического перемещения робота.

По результатам анализа команда приняла решение полностью переработать программу, отказавшись от двух независимых моторов. В финальной версии используется один средний мотор, управляющий лебёдочным механизмом (второй мотор оставлен в качестве резервного). Программа построена вокруг измерения скорости автомобиля с помощью ультразвукового датчика и принятия решения на основе сравнения с пороговым значением.

Финальная версия программы имеет следующую структуру:

1. Финальная версия программы имеет следующую общую структуру:

2. Инициализация — создание переменных и установка начальных значений.

3. Бесконечный цикл — непрерывная работа программы

4. Ожидание автомобиля — блок Wait с ультразвуковым датчиком.

5. Измерение скорости — трёхкратное измерение с вычислением среднего.

6. Вывод на дисплей — отображение текущей скорости.

7. Условный оператор (Switch) — сравнение скорости с лимитом.

   1. Ветвь «НЕТ» (скорость в норме) — зелёная подсветка.

7.2. Ветвь «ДА» (превышение) — красная подсветка, выдвижение лебёдки, звуковой сигнал, цикл контроля снижения скорости, возврат.

8.Возврат к началу цикла.

В результате проведённой работы был создан полностью рабочий программный код для робота-контроллера скорости. Программа обладает следующими характеристиками:

Автономность — после загрузки в микрокомпьютер EV3 программа работает без участия оператора;

Точность измерений — трёхкратное измерение скорости с вычислением среднего значения минимизирует погрешность;

Адаптивность — цикл контроля обеспечивает непрерывное отслеживание скорости до её снижения;

Информативность — визуальная (цветовая подсветка) и звуковая (голосовое сообщение, сирена) обратная связь;

Надёжность — добавление гистерезиса исключает ложные срабатывания.

Заключение

В ходе этого исследования мы подробно изучили актуальную проблему превышения скоростного режима на дорогах и рассмотрели, как современные технологии могут помочь в ее решении. Мы проанализировали существующие методы контроля скорости, выявили их недостатки и показали, что они не всегда обеспечивают должную эффективность и оперативность.

В ответ на эти вызовы мы представили концепцию и детально проработали модель «Умного города» на базе платформы LEGO EV3. Этот проект демонстрирует практическую возможность создания автоматизированной системы контроля скоростного режима. Мы не только спроектировали и сконструировали физическую модель, но и разработали алгоритм управления и программное обеспечение, лежащее в основе ее функционирования.

Результаты нашей работы показывают, что интеграция подобных роботизированных решений в городскую инфраструктуру может стать значительным шагом вперед в обеспечении безопасности дорожного движения. Модель «Умного города» демонстрирует потенциал для более точного, оперативного и эффективного контроля за соблюдением скоростного режима, что может привести к снижению количества дорожно-транспортных происшествий и повышению общей культуры вождения.

В процессе работы над проектом были выполнены все поставленные задачи: проведен анализ проблемы, изучены современные методы предотвращения нарушений, спроектирован макет городской среды, разработан и изготовлен на 3D-принтере робот-контроллер на базе LEGO EV3 с лебедкой, проведены испытания модели, подтвердившие ее работоспособность.

Дальнейшие исследования могут быть направлены на масштабирование этой модели, интеграцию с существующими городскими системами и тестирование в реальных условиях, что позволит полностью раскрыть потенциал роботизированных решений в борьбе с одной из самых острых проблем современного дорожного движения.

Список использованных источников

1. Дзен. Смертельные ДТП в России: хроника происшествий [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://dzen.ru/a/ahRr41U4_3gzUHTY (дата обращения: 20.02.2025).

2. Zoon.ru. Штрафы за превышение скорости [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://zoon.ru/article/avto/shtrafy_za_prevyshenie_skorosti/ (дата обращения: 18.02.2025).

3. Официальный сайт Администрации Вёшенского района. Профилактика ДТП [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ves-adm.donland.ru/presscenter/news/159979/ (дата обращения: 18.02.2025).

4. 5Koleso. Интеллектуальный ограничитель скорости ISA: как это работает [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://5koleso.ru/articles/obzory/intellektualnyj-ogranichitel-skorosti-isa-kak-eto-rabotaet-i-zachem-on-nuzhen/ (дата обращения: 19.02.2025).

5. Autopragmat. Адаптивный круиз-контроль: как он работает [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://autopragmat.ru/blog/adaptivnyy-kruiz-kontrol-kak-on-rabotaet-v-avto (дата обращения: 19.02.2025).

6. Wikipedia. Head-up display [Электронный ресурс]. – Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/Head-up_display (дата обращения: 19.02.2025).

Приложение

Таблица 1 — Сравнительный анализ материалов для изготовления декораций

Таблица 2 — Распределение обязанностей при изготовлении элементов макета

Таблица 3 — Состав и назначение компонентов робота

Рисунок 1 Рисунок 2 Рисунок 3

Рисунок 4

Таблица 4 — Этапы разработки программного обеспечения