МАОУ Гимназия№80
Тема исследования «Решение задачи безопасного дорожногодвижения при пересечении регулируемого перекрестка на базе микроконтроллераArduino»
Выполнила: ученица 9 А класса
Скнарь Надежда Евгеньевна, Научныйруководитель учитель информатики
Троегубова С.В.
Нижний Новгород
2022 год
Оглавление
Введение …………………………………………………………………………………………………….3
Проблема «зеленой волны» и способы ее решения……………………………………….. 5
Создание модели перекрестка на базе платформыразработки электронных
устройств ARDUINO UNO…………………………………………………………………………..6 Заключение……………………………………………………………………………………………….11 Список источников……………………………………………………………………………………13
Введение
Вы уже нескольколет за рулем, и уже не реагируете так эмоционально на автомобильные пробки? Нокак же все-таки хочется улучшить ситуацию. Возможно ли попасть в «зеленуюволну», двигаясь по зеленому светофору как можно дольше? «Зелёная волна» –методика обеспечения безостановочного движения транспорта за счётсогласованного последовательного включения зелёного сигнала светофора наперекрёстках (координированное управление). По официальным данным, программы,которые контролируют работу светофоров, придерживаются стандартов: один циклработы светофора в среднем длится 80–160 секунд. Службы контроля черезвстроенную систему настраивают алгоритм запуска светофоров исходя из анализаинтенсивности потока автомобилей. Задачи анализа и оптимизации движениятранспортных потоков в настоящее время сверх актуальны.
Целью моегопроекта стало создание и изучение модели системы программируемых светофоров набазе микроконтроллера Arduino для решения задачи безопасного дорожного движенияпри пересечении регулируемого перекрестка.
Arduino -платформа, предназначенная для управления физическими процессами сиспользованием компьютера с открытым программным кодом, построенная на простойпечатной плате с современной средой для написания программного обеспечения.Экспериментируя с этой платформой можно подтянуть свои знания по математике,физике и информатике. Но сама по себе платформа Arduino не так интересна безхороших проектов и интересных заданий. В настоящеевремя популярен стартовыйнабор для начала работы с Arduino – Матрешка Z. В нём имеется самаяраспространённая платформа Arduino Uno, набор радиодеталей, провода, макетнуюплату, инструкция на русском языке.
Для достиженияданной цели мне потребовалось решить следующие частные задачи:
1. Разработкаи сборка конструкции модели
2. Созданиеуправляющего алгоритма
3. Тестированиеработы светофоров
Были выделены следующие этапы разработкиустройства:
• Первый этап работы — написание алгоритма работы устройства.
• Второй этап – сбор схемы.
• Третий этап – написание кода программы (скетча).
• Четвертый этап – прошивка контроллера скетчем.
• Пятый этап – запуск и тестирование устройства.
Гипотеза: Время переключениясветофора должно варьироваться в зависимости от потока транспортных средств, ане быть постоянным параметром. Это позволит улучшить состояние транспортногопотока и позволит двигаться автомобилям в «зеленой волне».
Проблема «зеленой волны» и способы ее решения
В последнее времямы видим активное развитие городской транспортной инфраструктуры: умныеостановки показывают время прибытия автобусов, старые светофоры заменяютсяновыми, на табло которых отображается отсчет времени до его переключения вдругой цветовой режим. Но проблема пробок, возникающих в том числе по причиненесогласованной работы системы светофоров в целом все также актуальна.
Во многих городахпроходит испытания проект «зелёная волна». «Зелёная волна» – методикаобеспечения безостановочного движения транспорта за счёт согласованногопоследовательного включения зелёного сигнала светофора на перекрёстках(координированное управление). На общественном транспорте устанавливаютсядатчики и антенны системы управления для считывания информации и регулированияточности его расписания при подъезде к остановке. В Нижнем Новгороде так жеработает автоматическая система светофорного регулирования. Она уже введена нанескольких улицах города — наибольшее количество таких светофоров работает напроспекте Гагарина (21 объект), проспекте Ленина (10), улицах Родионова (10),Ванеева (11), Коминтерна (10) и Варварской (6). Всего автоматизированнаясистема управления дорожным движением (АСУДД) включает в себя сейчас 124светофорных объекта на 17 улицах.По официальным данным, программы, которыеконтролируют работу светофоров, придерживаются стандартов: один цикл работысветофора в среднем длится 80–160 секунд. Службы контроля через встроеннуюсистему настраивают алгоритм запуска светофоров исходя из анализа интенсивностипотока автомобилей.
Задачи анализа иоптимизации движения транспортных потоков в настоящее время пытаются решать втом числе и за счет искусственного интеллекта.
Создание модели перекрестка на базе платформыразработки электронныхустройств ARDUINO UNO
Для созданиямодели перекрёстка, нам потребуется создать простую модель одного светофора,потом уже перейдём к самому перекрёстку.
1) На начальномэтапе необходимо выбрать микроконтроллер дляуправления моделью светофора. Впоследнее время для изучения радиотехники чаще других используютмикроконтроллерArduino и его клоны (Freeduino, Roboduino и др.). Ониуспешно применяютсяблагодаря своим качествам: доступностью, простотой,наличием элементной базы, тоесть — датчиков, плат расширения,конструкторских наборов.
Для выполнения работы мне понадобилось:
1. ArduinoUno
2. Малая макетная плата
3. Резистор
4. Три светодиода (красный, жёлтый и зелёный)
5. Семь проводов (четыре чёрных, один красный, один жёлтый и одинзелёный)
Для начало намнужно на макетную плату поставить светодиоды. Потом от ножки Анод (положительнаяножка светодиода) ведём провод цвета светодиода от макетной платы в системуArduinoUNO. Далее мы проводим от каждого светодиода резисторы от ножки Катод(отрицательная ножка светодиода). Так как резисторы не дотягиваются доотрицательного деления на макетной плате, то мы проведём провода чёрного цвета.Теперь из отрицательного деления ведём провод (чёрного цвета) в делениеплатформы Arduino заземление, котороена платформе обозначается тремяанглийскими буквами CND. Остался последний шаг запрограммировать наш светофор.
Дляпрограммирования нам понадобится специальная программа. После того как мыскачали программу мы должны её открыть. Пишем алгоритм который платформаArduinoдолжна воспроизвести.
voidsetup()
{
pinMode(11,OUTPUT); pinMode(10, OUTPUT); pinMode(9, OUTPUT);
}
voidloop() { digitalWrite(11, HIGH); delay(5000); // Wait for 5000 millisecond(s)digitalWrite(11, LOW); digitalWrite(10, HIGH); delay(2000); // Wait for 2000millisecond(s) digitalWrite(10, LOW); digitalWrite(9, HIGH); delay(5000); //Wait for 5000 millisecond(s) digitalWrite(9, LOW); delay(1000); // Wait for1000 millisecond(s) digitalWrite(9, HIGH); delay(1000); // Wait for 1000millisecond(s) digitalWrite(9, LOW); delay(1000); // Wait for 1000millisecond(s) digitalWrite(9, HIGH); delay(1000); // Wait for 1000millisecond(s) digitalWrite(9, LOW); delay(1000); // Wait for 1000millisecond(s) digitalWrite(9, HIGH); delay(1000); // Wait for 1000millisecond(s) digitalWrite(9, LOW); digitalWrite(10, HIGH); delay(2000); //Wait for 2000 millisecond(s) digitalWrite(10, LOW);
}
Далееподключаем к компьютеру платформу через USB провод и
выбираем порт через который будемпрограммировать. Когда мы всё сделали нажимаем на кнопку в правом верхнем углу,которая выглядит как лупа. Выскакивает окно под названием COM3. Туда нужнонаписать действия для платформы, которые мы писали ранее. После этого нажимаемкнопку отправить. И наша платформа показывает действия, которые мы указали.
Теперь, когда мыразобрались в работе светофора, мы можем перейти к созданию модели перекрёстка.
Для реализациисвоего проекта-эксперимента: решение задачи безопасного дорожного движения припересечении регулируемого перекрестка мне потребовался следующий наборэлементов:
• 1 плата ArduinoUno
• 6 светодиодов
• 6 резисторов
• 13 проводов
Решение реализовано через циклический оператор FOR. Запрограммированы 6 состояний для двух светофоров, работающих наперекрестке.
intRedLed_1= 13; intYelLed_1 = 12; intGrnLed_1 = 11; intRedLed_2 = 10; intYelLed_2 = 9;int GrnLed_2 = 8; intledPins[] = {13, 12, 11, 10, 9, 8}; void setup() { for(inti = 0; i < 6; i++){
pinMode(ledPins[i], OUTPUT);
} }void loop() { digitalWrite(ledPins[2], HIGH); digitalWrite(ledPins[3], HIGH);delay(5000); for (inti = 0; i < 3; i++){ digitalWrite(ledPins[2], LOW); delay(1000);digitalWrite(ledPins[2], HIGH); delay(1000); } digitalWrite(ledPins[2], LOW);digitalWrite(ledPins[1], HIGH); digitalWrite(ledPins[4], HIGH); delay(1000);
for (inti = 0; i < 5; i++){digitalWrite(ledPins[i], LOW);
}digitalWrite(ledPins[0], HIGH); digitalWrite(ledPins[5], HIGH); delay(5000);for (inti = 0; i < 3; i++){ digitalWrite(ledPins[5], LOW); delay(1000);digitalWrite(ledPins[5], HIGH); delay(1000);
}digitalWrite(ledPins[5], LOW); digitalWrite(ledPins[1], HIGH);digitalWrite(ledPins[4], HIGH); delay(1000); for (inti = 0; i < 5; i++){digitalWrite(ledPins[i], LOW);
}
}
Согласномоей гипотезе время переключения светофора должно варьироваться в зависимостиот потока транспортных средств, а не быть постоянным параметром. Это позволитулучшить состояние транспортного потока и позволит двигаться автомобилям в«зеленой волне».
Заключение
Arduinoпредставляет собой весьма простой инструмент для создания электронных устройстви воплощения в жизнь различных идей.
Это платформа,предназначенная для управления физическими процессами с использованием ЭВМ соткрытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современнойсредой для написания программного обеспечения.
Преимуществами плат семейства Arduino являются:
1) большое количество доступных вариантов в линейке Arduino свозможностью выбора наиболее подходящего готового контроллера из большогосписка устройств, имеющих в широких пределах варьируемые параметры.
2) наличие плат расширения, предназначенных для увеличенияфункционала и выполнения конкретизированных технических задач без необходимостисамостоятельного проектирования дополнительной периферии (платы для управлениядвигателями, датчиковые платы, беспроводные интерфейсы, в том числе Wi-Fi,Bluetooth и GPS, дисплеи, устройства ввода) – несколько десятков видов, более300 вариантов исполнения. Если использовать Arduino совместно с другимиэлектрическими и цифровыми устройствами, то можно получить бесконечноеколичество вариантов исполнения.
3) полностью адаптированная для конечного пользования средапрограммирования, подходящая для всей линейки плат Arduino и их клонов, включаяПО для программирования контроллеров для OC Android.
4) свободная, бесплатная лицензия на устройства и ПО.
5) существует полный русский перевод языка Arduino, предназначенныйдля преодоления языкового барьера при распространении платформы по России.
Можно выделить этапы разработки устройства:
1. Первый этап работы — написание алгоритма работы устройства.
2. Второй этап – сбор схемы.
3. Третий этап – написание кода программы (скетча).
4. Четвертый этап – прошивка контроллера скетчем.
5. Пятый этап – запуск устройства.
Для реализациисвоего проекта-эксперимента, направленного на решение задачи безопасногодорожного движения при пересечении регулируемого перекрестка я подключила 6светодиодов, каждая тройка лампочек — это светофор. Согласованная работасветофоров достигалась за счет использования оператора Delay() и былаприближена по времени к реальной ситуации на дорогах. Эксперимент оказалсяудачным.
В перспективехотела бы продолжить изучать проблему управления ситуацией безопасного движенияна дорогах, например, через применение алгоритмов искусственного интеллекта.
Работать сплатформой ArduinoUNO мне очень понравилось, проект над которым я очень долготрудилась получился. Работая над проектом, я научилась настраивать время работысветодиодов, научилась программировать не только с помощью блоков, но исоздавая программный код. Япланирую дальше продолжать изучать платформу Arduinoдля создания новых и более крупных проектов.
Списокисточников
2. Arduino.ru —материалы по Arduino на русском языке.
3. Amperka.ru — Интернет-магазин, материалы поArduino в свободном доступе.
4. www.tinkercad.com—лаборатория электроники, здесь можно собрать схему на монтажной плате,запрограммировать её и проверить в работе
(англ. язык)
5. http://arduino.ru/— материалы по Arduino на русском языке.
6. http://amperka.ru/ — Интернет-магазин, материалы поArduino в свободном доступе.
7. https://123d.circuits.io/lab ElectronicLab — лаборатория электроники,здесь можно собрать схему на монтажной плате, запрограммировать её и проверитьв работе (англ. язык);
8. https://sites.google.com/site/arduinodoit/
9. Arduino, doit! — сайт О.А. Тузовой, посвящённый
программированию Arduino в школе (программа, методические материалы, проекты).
10. https://www.youtube.com/playlist?list=PLfDmj22jP9S759DT250VVzfZs_4VnJqLa
11. Видеоуроки Джереми Блума на русском языке (перевод Amperka.ru).
12. http://arduino.ru/forumy/proekty
13. проекты на Arduino — описание.
 |
Приложения
