XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Защитные ограждения, блокирующие проезд машин на красный сигнал светофора на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ефимов Л.М. 1Пешков А.С. 1Нагорный С.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Нагорная П.Н. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Дорожное движение – это основа современного общества, обеспечивающая мобильность, экономику и доступ к услугам. Однако бурный рост числа автомобилей, урбанизация и высокая плотность населения создали в этой сфере множество острых проблем.

Правила дорожного движения, безусловно, составляют фундамент безопасности, определяя порядок и нормы поведения всех участников движения. Однако, несмотря на их значимость и постоянное совершенствование, статистика дорожно-транспортных происшествий остается тревожной.

Это говорит о том, что существующие механизмы и подходы не всегда способны полностью предотвратить возникновение аварийных ситуаций. В связи с этим, перед нами стоит задача не просто соблюдать установленные правила, но и активно искать новые, более эффективные пути повышения безопасности.

Целью нашего исследования является создание ограждений, блокирующих проезд машин на красный сигнал светофора.

Основные задачи нашего исследования включают:

1. Изучение информации о дорожном движении;

2. Изучение информации о видах светофорах и перекрёстков;

3. Анализ автомобильных аварий в Тюменской области;

4. Создание комплекса, блокирующего проезд машин на красный сигнал светофора;

5. Программирование комплекса.

Гипотеза: Прекращение нарушений правил проезда пешеходных переходов на красный сигнал светофора машинами приведет к сокращению количества ДТП.

Глава 1. Основная информация о дорожном движении

1.1 История появления светофора

История светофора началась в конце XIX века и прошла несколько этапов развития — от механических конструкций до современных автоматизированных систем [1].

Первый в истории светофор установили 10 декабря 1868 года в Лондоне около здания Парламента. Его создателем стал специалист по железнодорожным семафорам Джон Пик Найт. Устройство представляло собой механическую конструкцию с двумя семафорными стрелками, которыми вручную управлял полицейский (Рисунок 1.1.1, Приложения).

Горизонтальное положение стрелок означало запрет движения, а наклоненные под углом 45 градусов разрешали движение с осторожностью. Для работы в темное время суток конструкцию оборудовали вращающимся газовым фонарем с красным и зеленым светофильтрами.

К сожалению, первый опыт использования светофора оказался недолгим. Уже 2 января 1869 года произошла авария - газовый фонарь взорвался, серьезно ранив управлявшего устройством полицейского. После этого происшествия светофор не стали восстанавливать, а в Европе временно отказались от подобных устройств.

Возрождение светофорных технологий произошло с распространением электричества. В 1912 году полицейский из американского города Солт-Лейк-Сити Лестер Вайр разработал первый электрический светофор с двумя сигналами: красным и зеленым (Рисунок 1.1.2, Приложения).

Важнейшим этапом в эволюции светофоров стало появление трехпозиционной системы. В 1923 году афроамериканский изобретатель Гаррет Морган запатентовал в США трехпозиционный светофор с сигналами "стой", "иди" и промежуточным положением для освобождения перекрестка (Рисунок 1.1.3, Приложения).

Светофор Моргана имел Т-образную форму с тремя режимами работы. Первые два положения регулировали движение в определенных направлениях (например, север-юг или восток-запад), а третье, с поднятыми вверх сигналами, останавливало движение во всех направлениях, обеспечивая безопасный переход пешеходов.

Еще до изобретения Моргана, в 1920 году, полицейский из Детройта Уильям Поттс создал первый четырехсторонний трехцветный светофор. Он ввел желтый свет как промежуточный сигнал между красным и зеленым. Такой светофор установили на пересечении улиц Вудворд-авеню и Форт-стрит в Детройте.

Трехцветная система доказала свою эффективность и постепенно превратилась в мировой стандарт. К середине 1930-х годов большинство крупных городов США и Европы перешли на трехцветные светофоры [1].

Светофоры в СССР и России

В Советском Союзе первый светофор появился в январе 1930 года в Ленинграде (нынешнем Санкт-Петербурге). В Москве светофор установили в конце декабря того же года на перекрестке улиц Петровки и Кузнецкого Моста (Рисунок 1.1.4, Приложения).

Ранние советские светофоры имели интересное отличие от современных: зеленый свет располагался сверху, а красный - снизу. Такое расположение возникло из-за отсутствия единого стандарта при внедрении регулирующих устройств. Помимо этого, в СССР использовались также стрелочные светофоры в виде больших фонарей с дисками, на которых размещались цветные полоски: зеленая, белая и красная.

В 1959 году Советский Союз присоединился к Международной конвенции о дорожном движении и Протоколу о дорожных знаках и сигналах. После этого цвета на светофорах заняли привычные сегодня позиции: красный сверху, желтый посередине, зеленый снизу.

До 1930-х годов в крупных советских городах движением управляли регулировщики, но с ростом количества автомобилей возникла потребность в автоматизации процесса. Постепенно на улицах городов СССР начали устанавливать электрические светофоры, заменяющие стрелочные конструкции и живых регулировщиков [1].

1. 2. Виды светофоров

Светофоры — устройства, регулирующие движение транспорта и пешеходов с помощью световых сигналов. Их основная задача – обеспечить безопасное и упорядоченное движение транспорта. Они различаются по конструкции, назначению и сфере применения.

Самый распространённый светофор — обычный трёх секционный, он встречается в любом месте, где нужно регулировать интервалы движения или очерёдность проезда автотранспорта (Рисунок 1.2.1, Приложения). Сигналы могут располагаться как вертикально, так и горизонтально [2].

Односекционный круглый светофор с мигающим жёлтым светом ставят преимущественно перед пешеходными переходами, но встретить его можно и на перекрёстках — для привлечения внимания водителей (Рисунок 1.2.2, Приложения). Такое пересечение дорог считается нерегулируемым, при его проезде нужно руководствоваться знаками приоритета.

Двухсекционный круглый светофор чаще всего встречается на парковках, стоянках, мойках, заправках, разводных мостах, пунктах взимания платы (ПВЗ) на платных дорогах, перед паромными переправами и в зоне весового контроля (Рисунок 1.2.3, Приложения). Для этой же цели могут использовать односекционный, который работает в двух режимах: красный или зелёный.

Светофор с дополнительными секциями в виде стрелок ставят на перекрёстках дорог более чем с одной полосой — когда движение прямо и в направлении поворота должно происходить в разные периоды времени (Рисунок 1.2.4, Приложения).

Черно-белые дополнительные секции под светофором устанавливают, чтобы предупредить водителя — за поворотом будет пешеходный переход, на котором люди как всегда имеют преимущество (Рисунок 1.2.5, Приложения). Продолжить движение можно на зелёный сигнал, а при повороте — только убедившись, что вы никому не создадите помех [2].

Трамвайный светофор регулирует движение трамваев, а также общественного транспорта на выделенных полосах (Рисунок 1.2.6, Приложения). Автобусы, троллейбусы и трамваи могут двигаться только по «подсвеченной» светофором траектории. Например, когда одновременно горит нижняя, центральная и правая секции, двигаться можно направо и прямо, а когда нижняя и правая — только направо. Если нижняя секция выключена, движение запрещено.

На светофоре на железнодорожном переезде два нижних фонаря красные, верхний — бело-лунный, дополнительно на светофоре обычно монтируют динамик для подачи звукового сигнала (Рисунок 1.2.7, Приложения).

Сигналы светофора (Рисунок 1.2.8, Приложения).

Значение сигналов светофора описано в разделе 6 ПДД РФ.

Красный сигнал. На любом светофоре красный свет означает, что двигаться куда-либо запрещено. В зависимости от типа светофора он может гореть или мигать для привлечения внимания.

Есть нюанс относительно светофоров для одной полосы. Горящий красный крест или красная стрелка над полосой означают, что запрещён проезд конкретно по этой полосе. Если другие знаки не запрещают, можно перестроиться в соседнюю полосу и продолжить движение.

Жёлтый круглый сигнал. Двигаться запрещено, за исключением следующих ситуаций:

• если водитель не успевает остановиться безопасно и при включении жёлтого сигнала ему придётся использовать экстренное торможение, разрешается продолжить движение;

• если водитель уже выехал на перекрёсток, то должен продолжить движение, чтобы его освободить. Аналогично должны поступить пешеходы и водители СИМ.

Жёлтый мигающий сигнал не требует каких-либо действий, просто информирует о возможной опасности.

Жёлтая стрелка в сторону под углом означает, что проезд по полосе скоро будет запрещён и указывает направление, куда можно перестроиться.

Красный вместе с жёлтым встречаются нечасто. Они загораются перед включением зелёного сигнала — пока двигаться запрещено, но водитель должен быть готов начать движение.

Зелёный сигнал:

• круглый разрешает движение в любом направлении;

• если на круглом зелёном сигнале есть стрелка, разрешено двигаться только в указанном направлении (направлениях), для остальных (при наличии) у светофора есть дополнительная секция;

• горящая зелёная стрелка разрешает проезд только в указанном направлении. Если при этом на основном светофоре горит жёлтый или красный, предварительно нужно пропустить машины, приближающиеся с других направлений;

• зелёная стрелка налево кроме поворота разрешает разворот, если не стоит соответствующий запрещающий знак.

• Зелёный мигающий сигнал говорит о том, что скоро светофор переключится на запрещающий. Поэтому машины возле перекрёстка продолжают движение, а тем, кто находится дальше, надо готовиться к остановке.

Бело-лунные сигналы на светофоре для трамваев определяем следующим образом:

• светятся только верхние сигналы — проезд запрещён;

• светится нижний в комбинации с одним или несколькими верхними — проезд разрешён в направлении светящихся верхних сигналов.

1. 2. Анализ автомобильных аварий

В 2025 году в Тюменской области продолжилась тенденция к снижению количества дорожно-транспортных происшествий (ДТП), однако определённые проблемы в сфере безопасности дорожного движения остаются актуальными. Проведённый анализ аварийности позволяет выделить ключевые факторы, влияющие на ситуацию на дорогах региона, а также определить направления для дальнейшего улучшения.

По данным регионального управления ГИБДД, в 2025 году в Тюменской области зарегистрировано около 1 200 ДТП, что на 5% меньше по сравнению с предыдущим годом. Несмотря на снижение общего числа аварий, количество происшествий с пострадавшими осталось на прежнем уровне — около 350 случаев. Это свидетельствует о том, что тяжесть аварий не снижается пропорционально их количеству [3].

Анализ данных по Тюменской области за 2025-2026 годы показывает, что проезд на красный свет является одной из ключевых причин ДТП с тяжелыми последствиями (Рисунок 1.3.1, Приложения). Хотя общая аварийность снижается, данное нарушение остается стабильным фактором риска, особенно в Тюмени.

Таблица 1.3.1 Анализ автомобильных аварий в Тюменской области на 2025-2026 год.

Данные свидетельствуют о том, что, несмотря на общее улучшение ситуации с безопасностью дорожного движения в Тюменской области, проезд на красный сигнал светофора в 2025–2026 годах остается высоко летальным нарушением.

Как правило, такие аварии носят не случайный, а умышленный характер, часто усугубляясь сопутствующими факторами: превышением скорости в 1.5–2 раза от разрешенной, состоянием алкогольного опьянения и отсутствием водительских прав. Система видеоконтроля демонстрирует эффективность в профилактике, однако единичные случаи "гонок" на городских улицах продолжают приводить к трагедиям с человеческими жертвами.

Глава 2. Создание ограждений, блокирующих проезд машин на красный сигнал светофора

2.1 Конструкция робота и его функционал

Для предотвращения проезда на запрещающий сигнал светофора и снижения количества дорожно-транспортных происшествий нами были разработаны ограждения, блокирующие проезд машин на красный сигнал светофора на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 (Рисунок 2.1.1, Приложения).

Главная задача ограждений, блокирующих проезд машин на красный сигнал светофора, — это обезопасить пешеходов и сократить количество ДТП. Они позволят создать более безопасную среду для пешеходов, уменьшить риск наездов и сделать движение на перекрестках более предсказуемым. Эти физические барьеры служат не просто препятствием, а наглядным напоминанием о необходимости соблюдения правил дорожного движения, особенно в зонах повышенной опасности, таких как пешеходные переходы.

Установка таких ограждений является важным шагом в комплексной системе обеспечения безопасности дорожного движения, направленной на минимизацию человеческого фактора и предотвращение трагических последствий. Они помогают сформировать культуру ответственного поведения как среди водителей, так и среди пешеходов, способствуя снижению общего уровня агрессии и невнимательности на дороге.

В нашей модели ограждений, блокирующих проезд на красный сигнал светофора, созданного на базе конструктора LEGO WeDo 2.0, используется:

• Два смарт хаба для подключения датчиков и моторов (Рисунок 2.1.2, Приложения);

• Датчик наклона, позволяющий запустить проект (Рисунок 2.1.3, Приложения);

• Мотор, запускающий машинки при помощи червячной передачи, двух зубчатых и двух реечных передач (Рисунок 2.1.4, Приложения);

• Мотор, отвечающий за движение ограждение при помощи червячной, осевой и 6 ременных передач и двух лебёдок;

• Датчик движения, передающий сигнал для остановки машин на красном сигнале светофора (Рисунок 2.1.5, Приложения);

Когда на светофоре загорается красный сигнал светофора для машин, ограждения опускаются (Рисунок 2.1.6, Приложения), тем самым физически блокируют проезд машин на запрещённый сигнал светофора.

После того, как загорелся зелёный сигнал светофора – ограждения поднимаются и машины спокойно могут продолжают своё движение.

Внедрение ограждений, препятствующих проезду транспортных средств на красный сигнал светофора, является весьма прогрессивным и, безусловно, крутым решением для повышения безопасности дорожного движения.

2.2 Описание программы для ограждений

Программа для защитных ограждений создана в среде LEGO WeDo 2.0 (Рисунок 2.2.1, Приложение). Сперва программа ожидает сигнала от датчика наклона – положение «носом вниз», далее запускается первый мотор, приводящий в движение машинки. После этого программа ожидает сигнала от датчика движения и передаёт сообщение «1».

При получении сообщения, ограждения опускаются, ожидание 30 секунд (пока пешеходы пройдут через дорогу) и ограждения поднимаются и машинки продолжают своё движение.

Алгоритм программы:

1. Нажатие на клавишу «1»;

2. Ожидание согнала от датчика наклона;

3. Мощность мотора 10 (машинки);

4. Направление мотора;

5. Время работы мотора 17 секунд;

6. Остановка мотора;

7. Ожидание 5 секунд;

8. Ожидание сигнала от датчика расстояния;

9. Отправка сообщения «1»;

10. Получение сообщения «1»;

11. Мощность мотора 8 (ограждения);

12. Направление мотора;

13. Время работы мотора 9 секунд;

14. Остановка мотора;

15. Ожидание 30 секунд;

16. Мощность мотора 10 (ограждения);

17. Направление мотора;

18. Время работы мотора 10 секунд;

19. Остановка мотора;

20. Ожидание 5 секунд;

21. Мощность мотора 10 (машинки);

22. Направление мотора;

23. Время работы мотора 7 секунд;

24. Остановка мотора;

Структура программы линейная, имеет два условия:

Первое условие: датчик наклона, запускающий движение машин;

Второе условие: датчик расстояния, передающий сигнал для работы ограждений.

Заключение

Таким образом, элементы безопасности, которые не дают машинам ехать на красный свет, — это действительно полезная и современная разработка. Такой проект можно назвать инновационным, потому что раньше ничего подобного не использовали повсеместно.

Главная сила этого проекта в том, что он убирает риск человеческой ошибки. Сейчас всё зависит от водителя: увидел он красный свет или нет, затормозил вовремя или отвлекся. А новая система просто не даст машине поехать, пока горит красный. Это очень надежно. Если внедрить такие устройства, то на перекрестках станет гораздо безопаснее. Исчезнут самые страшные аварии, когда кто-то вылетает на красный и врезается в других. Также это защитит пешеходов, которые переходят дорогу на зеленый.

Кроме того, эту систему можно связать с другими городскими сервисами. Например, она может получать сигнал и останавливать машины, чтобы пропустить скорую помощь или пожарных. Еще такой проект выгоден экономически. Машины будут реже биться, значит, люди будут меньше платить за ремонт, а страховые компании — реже выплачивать деньги за разбитые авто. Да и пробок из-за аварий на перекрестках станет меньше.

В итоге можно сказать, что такие элементы безопасности — это правильное направление для машин будущего. Технологии уже позволяют это сделать. Главное — они действительно не дадут машинам проезжать на красный, а значит, спасут много жизней и сделают дороги спокойнее для всех.

Список использованных источников

1. https://in.gallerix.ru/journal/cars/202012/evolyuciya-svetoforov-ot-gazovyx-fonarey-do-intellektualnyx-sistem/

2. https://auto.ru/mag/article/kakie-byvayut-svetofory/?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F

3. https://ng72.ru/society/5437082-za-god-v-tyumenskoy-oblasti-proizoshlo-2-690-dtp-v-kotoryh-pogibli-171-chelovek

4. https://t-j.ru/guide/traffic-light/?utm_referrer=https%3A%2F%2Fyandex.ru%2F

ПРИЛОЖЕНИЯ