«Система обнаружения угроз на дороге»

XXXII Областная научно-практическая конференция «Молодость —науке»

памяти А.Л. Чижевского

Секция «Технические устройства и технологии»

Тема проектно – исследовательской работы:

«Система обнаружения угроз на дороге»

Автор проекта:

Сухацкий Максим

        ученик 11 «А», класса

улица Генерала Бурмака д.45 А, г. Козельск,

 Калужская область, 249720,

телефон: 8(48442)2 – 40 – 73

руководитель проекта:

Павлоградская Екатерина Игоревна,

                                                                          учитель биологии, первая         квалификационная категория 

г. Козельск, 2021

Оглавление:

Введение

Все большее распространение получают системы активной безопасности, обнаруживающие опасность и предупреждающие о ней водителя. Камеры и радары, установленные на автомобиле, позволяют безопасно парковаться, перестраиваться из ряда в ряд, обнаруживать на своем пути другие автомобили, пешеходов и даже диких животных.

Система обнаружения пешеходов предназначена для предотвращения столкновения с пешеходами. Она распознает людей возле автомобиля, автоматически замедляет его, снижает силу удара и даже избегает столкновения. Применение системы позволяет на 20 % сократить смертность пешеходов при ДТП и на 30 % снизить риск тяжелых травм.

Актуальность

Часто на сельских или лесных дорогах происходят аварии по вине животных, которые случайно вышли на дорогу, в результате такой аварии очень часто гибнут как животные, так и люди. Решение, было, придумано было уже давно и суть его в том, что с помощью системы камер и датчиков заблаговременно обнаруживать угроз и либо самостоятельно искать пути решения с помощью самообучающегося искусственного интеллекта или предупредить водителя. Примером является искусственный интеллект машин «Tesla» и ее конкурентов типа патронников и подобного им оборудования. Это проблема очень актуальна в нашей стране, потому что в ней много сельских и лесных дорог. С финансовой точки зрения это очень выгодно, потому что ремонт машины обходится намного дороже, чем установка такой системы обнаружения угроз. Так же это социально эффективно, так как в таких авариях ежегодно гибнет много людей и животных.

Это проблема очень актуальна в нашей стране, потому что в ней много сельских и лесных дорог. С финансовой точки зрения это очень выгодно, потому что ремонт машины обходится намного дороже, чем установка такой системы обнаружения угроз. Так же это социально эффективно, так как в таких авариях ежегодно гибнет много людей и животных.

Статистика:

1 380 лосей погибло на дорогах в России в 2020 году

183 кабана погибло на дорогах России в 2020 году

233 косули погибли на дорогах России в 2020 году

Десять пятнистых и семь благородных оленей погибло на дорогах России в 2020 году

В Калужской области увеличилось количество ДТП с участием диких животных

Но благодаря такой системе можно уменьшить эти числа в разы.

В регионе ежегодно увеличивается численности охотничьих ресурсов и количество автомобилей, вместе с этим растет и количество ДТП.

По статистическим данным в 2019 году в регионе зафиксировано 22 ДТП с участием диких животных (в 2018 году — 6):

16 случаев с участием лосей.

8 ДТП с участием косуль.

1 случай с участием кабана.

Наиболее опасными участками, являются направления Калуга — Медынь, автодорога М-3 Украина, автодорога Суворов-Одоев, автодорога А130.

Министерство природных ресурсов и экологии Калужской области напоминает, что большинство аварий происходит в темное время суток.

Порядка 108 дорожно-транспортных происшествий с участием диких животных, из которых в 4 дорожно-транспортных происшествиях четыре человека получили травмы зарегистрировано с начала 2019 года на автомобильных дорогах Калужской области. Об этом сообщают в отделение пропаганды безопасности дорожного движения калужского регионального управления ГИБДД УМВД России.

Новизна проекта:

        Гипотеза проекта: можно ли предотвратить гибель животных и аварии на дорогах с участием животных.

         Объект проекта: металлические и пластиковые крышечки.

        Предмет проекта: вторичная переработка металлических и пластиковых крышечек.

Цель проектно-исследовательской работы: найти информацию о самых передовых системах обнаружения и воссоздать ее своими руками.

Задачи проектно-исследовательской работы:

1. Найти информацию о системах обнаружения угрозы.

2. Найти наиболее выгодное решение из предложенных.

3. Найти принцип ее работы и полную техническую документацию.

4. Собрать все информацию и подготовить материалы и оборудование.

5. Воссоздать систему обнаружения по имеющиеся документации.

6. Проверить работоспособность системы на практике.

Планируемый результат:

Уменьшения количества аварий в результате выхода животных на проезжую часть.

План реализации проекта:

1. Подготовительный (анализ проблемы, формирование представлений о перспективах реализации проекта).

2. Выбор проблемы.

3. Сбор информации (социологические исследования среди населения)

4. Разработка плана реализации проекта (обработка и систематизация материала, результаты опытов и выводы).

5. Подготовка к защите проекта (оформление стенда, портфолио).

6. Проектно – ориентировочный.

Ресурсы: технические, виртуальные (программы), человеческие.

Методы: проектирования, поиск информации.

Обзор существующих решений и методов (аналогов)

ГЛАВА I

1. Информация о системах обнаружения угрозы

Впервые система обнаружения пешеходов была использована на автомобилях Volvo в 2010 г. В настоящее время система имеет ряд модификаций:

Pedestrian Detection System от Volvo;

Advanced Pedestrian Detection System от TRW;

EyeSight от Subaru.

В системе обнаружения пешеходов реализованы следующие взаимосвязанные функции:

обнаружение пешеходов;

предупреждение об опасности столкновения;

автоматическое торможение.

Для обнаружения пешеходов используется одна или две видеокамеры и радар, которые эффективно работают на расстоянии до 40 м. Если пешеход обнаружен видеокамерой и результат подтвержден радаром, система отслеживает движение пешехода, прогнозирует его дальнейшее перемещение и оценивает вероятность столкновения с автомобилем. Результаты обнаружения выводятся на экран мультимедийной системы.

Система также реагирует на автомобили, которые стоят на месте или движутся в попутном направлении.

Если система установила, что при текущем характере движения автомобиля столкновение с пешеходом неизбежно, посылается звуковое предупреждение водителю. Далее система оценивает реакцию водителя на предупреждение — изменение характера движения автомобиля (торможение, изменение направления движения). Если реакция отсутствует, система обнаружения пешеходов автоматически доводит автомобиль до остановки. В этом качестве система обнаружения пешеходов является производной системы автоматического экстренного торможения.

Система обнаружения пешеходов позволяет полностью избежать столкновения на скорости до 35 км/ч. При большей скорости система не может полностью предотвратить ДТП, но тяжесть последствий для пешехода может быть уменьшена за счет замедления автомобиля перед столкновением. Статистические данные свидетельствуют, что вероятность смертельного исхода от столкновения пешехода с автомобилем на скорости 65 км/ч составляет 85 %, 50 км/ч — 45 %, 30 км/ч — 5 %.

Риск травмирования пешеходов значительно снижается, если система обнаружения пешеходов используется совместно с системой защиты пешеходов или подушкой безопасности для пешеходов. Обнаружение пешеходов с помощью инфракрасных камер реализовано в системе ночного видения, но активное предупреждение столкновения в ней не предусмотрено.

Система обнаружения пешеходов показала свою эффективность в сложных условиях городского движения. Она позволяет одновременно отслеживать несколько пешеходов, движущихся различными курсами, различает движение пешеходов с зонтами во время дождя и пр. Система неработоспособна ночью и в плохую погоду.

Система предупреждения о велосипедистах

Компания Jaguar Land Rover предложила инновационную систему предупреждения о велосипедистах. Система Bike Sense при потенциальной опасности столкновения с велосипедистом задействует зрение, слух и тактильные ощущения водителя. При этом воздействие на водителя производится на инстинктивном уровне, что позволяет быстрее перейти к действию.

Система предупреждения о велосипедистах, являясь электронной, включает входные устройства, блок управления и исполнительные устройства.

В качестве входных устройств выступают радары с широким радиусом действия и видеокамеры, установленные спереди и сзади автомобиля. Критерием распознавания велосипедиста является скорость его движения (до 15 км/ч) и типовое очертание. Входные устройства определяют велосипедиста на расстоянии 10 м.

Сигналы от входных устройств обрабатываются ЭБУ. В зависимости от конкретной дорожной ситуации активизируются определенные исполнительные устройства, но не ближе чем за 5 м до велосипедиста.

Исполнительными устройствами системы Bike Sense являются:

звуковой сигнал тревоги;

надувные валики в спинке водительского сиденья;

вибратор на педали акселератора;

вибратор на внутренней ручке двери;

светодиодная подсветка на внутренних элементах салона.

Для предупреждения об опасности используется звуковой сигнал велосипедного звонка, ассоциирующийся с велосипедистами. В зависимости от положения велосипедиста относительно автомобиля сигнал транслируется из левых или правых динамиков акустической системы.

В спинке водительского сиденья оборудованы специальные надувные валики. В зависимости от положения велосипедиста относительно автомобиля активизируется левый или правый валик, нажимая, соответственно, на левое или правое плечо водителя.

Вибратор на педали акселератора срабатывает для предупреждения нежелательного трогания автомобиля с места. Вибратор на внутренней ручке двери активизируется, чтобы предупредить опасное открывание двери, которой можно травмировать движущегося велосипедиста.

На передних стойках кузова, верхней части приборной панели, внутренней обивке дверей установлена комбинированная светодиодная подсветка зеленого, желтого и красного цвета. Светодиоды определенного цвета задействуются в зависимости от степени опасности столкновения с велосипедистом (зеленый — безопасно, желтый — возможная опасность, красный — опасно).

В алгоритме работы системы предупреждения о велосипедистах предусмотрены три типичные ситуации, на которые предлагается определенный набор действий:

приближение велосипедиста сзади движущегося автомобиля:

сигнал тревоги со стороны опасности;

надувной валик со стороны опасности;

светодиодная подсветка со стороны опасности;

приближение велосипедиста (пешехода) в поперечном направлении впереди стоящего автомобиля перед пешеходным переходом:

сигнал тревоги со стороны опасности;

вибрация педали акселератора;

приближение велосипедиста сзади стоящего автомобиля и намерение водителя или пассажиров выйти из автомобиля (открыть дверь):

вибрация дверной ручки со стороны опасности;

светодиодная подсветка со стороны опасности.

Несмотря на оригинальность и значимость данной системы, она не будет иметь решающего значения для повышения безопасности велосипедистов. Для защиты велосипедистов требуется изменение законодательства в части дорожного движения и развития велосипедной инфраструктуры.

2. Система обнаружения крупных животных

Столкновение с крупными дикими животными является серьезной проблемой дорожного движения. Особенно остро данный вопрос стоит в северных европейских странах — Швеции, Норвегии, Финляндии, а также в США и Канаде. Как показывает статистика, 6 % всех столкновений составляют аварии с участием крупных диких животных. Можно представить последствия столкновения со взрослым лосем для пассажиров и автомобиля. И чем выше скорость движения, тем серьезнее последствия аварии. Даже если водителю удалось уйти от столкновения с животным, удержать автомобиль на дороге и избежать аварии не всегда удается.

Шведская компания Volvo, первая из автопроизводителей, разработала систему обнаружения крупных животных и устанавливает ее на свои серийные автомобили. Система обнаружения крупных животных является дальнейшим развитием системы обнаружения пешеходов. Она использует те же аппаратные средства (видеокамеру, радар), что и Pedestrian Detection System, и отличается только программным обеспечением, которое позволяет распознавать форму диких животных, характер их перемещения.

Система определяет крупных диких животных (лося, оленя), а также домашних животных (лошадь, корову), животных меньшего размера (косулю, кабана) система не определяет. Для обнаружения диких животных используется видеокамера и радар, которые дополняют друг друга. При обнаружении животного система предупреждает водителя сигналом. При необходимости производится автоматическое экстренное торможение автомобиля. Если столкновения с животным избежать не удается, снижение скорости существенно уменьшает последствия аварии.

По-своему к решению проблемы безопасности подошли в Канаде, предложив придорожную систему обнаружения крупных животных. Пилотный проект Large Animal Detection System, LADS, отслеживает движение крупных диких животных и предупреждает водителя об их приближении к дороге.

Для обнаружения животных система использует датчики, которые располагаются на столбах вдоль дороги. Ранее в качестве таких датчиков использовался лидар, но по причине частых ложных срабатываний (из-за мелких животных, осадков, растительности) был заменен на радар.

Радар посылает сигнал во всех направлениях в радиусе 700 м. По отраженному сигналу система судит о наличии и направлении движения животных. Когда животное приближается к дороге, срабатывают сигнальные огни желтого цвета. Мигание огней происходит в течение 3 мин, хотя животное за это время может уйти далеко от дороги и не представлять опасность. Питание системы производится от солнечных батарей и резервных аккумуляторов.

Как заявляет производитель, система LADS снижает опасность столкновения с крупными животными до 80 %.

Глава II.  Система обнаружения животных

Система обнаружения крупных животных – интеллектуальный электронный механизм, способный обнаруживать, распознавать и предупреждать водителя о крупных животных на дороге, а так же возможном столкновении. Для стран с массивными лессовыми насаждениями эта система стала стандартной в комплектации автомобиля, а в отдельных регионах стали требовать обязательное наличие.

Встретить современный автомобиль без активной или пассивной системы безопасности в наши дни практически не возможно. Для многих производителей это стало стандартом и подовом, дальнейшего улучшения безопасности машины. В нашем случае система обнаружения крупных животных не только позволяет уйти от столкновений, вовремя предупредить водителя, но и стабилизировать движение автомобиля после ухода от столкновения. Рассмотрим более подробно устройство и принцип работы механизма.

Система обнаружения крупных животных – LADS (Large Animal Detection System) или RADS (Roadway Animal Detection System) чаще всего встречается на машинах в странах с лесной местностью. Главной задачей механизма определить крупных животных (олень, лось, лошадь, корова и т.д.). Что касается животных поменьше (косуля, собака, кабан), то их система не распознает. По статистике, около 6% ДТП случаются по вине диких животных. Не всегда даже опытный водитель может вовремя среагировать на случайно появившуюся помеху на дороге.

Чаще всего система обнаружения крупных животных встречается на автомобилях марки Volvo, но не исключает и другие машины. Скандинавия попросту переполнена животными подобных размеров и ДТП с участием крупных животных в этих широтах частое явление. Можно только представить, какие последствия ждут автомобиль, пассажиров и водителя, после столкновения с лосем или оленем. Помимо Скандинавии, в перечень стран так же попала Канада, США, Россия и Австралия. Что касается самого механизма, то это скорей программная логика, которая паразитирует на других активных системах безопасности, нежели отдельный механический блок. Распознаются только крупные животные по причине безопасности, ведь в такой местности мелких животных еще больше, соответственно автомобиль будет реагировать на мельчайшее движение, а поездка превратится в полосу препятствий.

Глава III. Устройство системы обнаружения крупных животных

Как уже говорили, основой для системы обнаружения крупных животных послужили другие активные механизмы безопасности. Основное устройство это программное обеспечение, которое за счет специально сформированной логики отрабатывает поставленные задачи. Зачастую основой служит система распознания пешеходов   и предупреждения о велосипедистах.

Среди механизмов задействуется радар, видеокамеры по периметру, электронный блок управления и конечно же специальное программное обеспечение. Логика программы настроена только на крупные объекты и зачастую рассчитывается под определенную страну, где будет использоваться автомобиль. Получается в программы есть основа, которая реагирует на определенные размеры животных, а так же доработанная особенность под определенную местность, если того требует закон региона или страны.

Глава IV. Простейщий представитель это парковочный радар или парктроник

Парковочный радар (парктроник) — вспомогательная система бесконтактных датчиков, опционально устанавливаемая на автомобилях для облегчения маневрирования при парковке. Она предупреждает водителя о приближении к препятствию в слепой зоне автомобиля.

В состав системы входят:

а. датчики;

б. блок индикации (ЖК-дисплей, светодиодный дисплей, зуммер и т. п.);

в. блок управления (может совмещаться с блоком индикации).

Принцип работы:

При обнаружении препятствия система издаёт предупреждающий звук и, в некоторых вариантах исполнения, отображает информацию о дистанции на дисплее. Первые сигналы появляются при приближении к препятствию на 1—2 метра, а при опасном сближении с препятствием сигнализация становится тревожной. В некоторых моделях система может быть отключена (например, для использования на бездорожье). Как правило, система с задними датчиками автоматически включается вместе с задней передачей. В системах с передними датчиками (также называемыми угловыми датчиками, англ. corner sensors) включение происходит при низкой скорости движения (до 20 км/ч).

Как правило, блок индикации соединяется с датчиками при помощи провода, проложенного вдоль кузова автомобиля, но существуют и беспроводные системы, отличающиеся удобством установки.

Самая совершенная система на этот момент это бортовой компьютер электрокаров Tesla

В салоне Теслы располагается интерактивный , сенсорный дисплей, на который выводится все информация:

Состояние дороги и автомобиля, карты , навигатор и многое другое.Но главное это искусственный интилект, который способен ввести машину самостоятельно без участия водителя, а также обучаться в процессе вождения и реагировать на угрозы , которые появляются на дороге.

Алгоритм срабатывания систем обнаружения крупных животных работает следующим образом. Техническая часть (радары, видеокамеры) сканируют проезжую часть и пространство перед автомобилем (в том числе и сбоку машины). Полученная информация передается на электронный блок управления, где проходит анализ специальным программным обеспечением.

Как правило, анализ проводится на большие движущиеся предметы. Стоит отметить, что система может распознавать не всех представителей фауны, поэтому 100% надеяться на логику алгоритма не стоит. Именно поэтому распознаются особи, сопоставимые с размерами взрослого лося, все, что меньше может распознать 50/50.

В случае распознавания крупного животного, система молниеносно подает звуковой сигнал водителю. Если же водитель не проявляет никакой реакции и продолжает движение, система задействует экстренное торможение, тем самым уйдя от столкновения. Помимо распознавания и притормаживания, данных механизм отрабатывает свои функции после маневра.

Представим ситуацию, когда на дорогу выбежал лось, и водителю удалось избежать столкновения, совершив маневр. Уйдя от столкновения это всего лишь 50% успеха, далее следует вернуть машину на прежнюю траекторию. Система обнаружения крупных животных задействует механизм стабилизации, удержание на полосе и прочие системы, чтоб помочь водителю выровнять машину. Стоит отметить, что эффективность работы обнаружения крупных животных будет только на малой скорости и с соблюдением всех правил передвижения. В случае, когда автомобиль двигался быстро, система минимизирует последствия столкновения, но нет 100% гарантии, чтоб избежать ДТП.

Плюсы и минусы системы LADS

Как и любой другой механизм, система обнаружения LADS имеет свои плюсы и минусы. Плюсы данного механизма в том, что человек попросту не может уследить за обстановкой на дороге, особенно если местность не знакома, а тем более поведение животных никак нельзя предсказать. По сути это помощник, который вместе с водителем отслеживает ситуацию на дороге, только разница в том, что он не устает и варианта может быть два – распознал или не распознал.

Если с плюсом системы понятно, то в чем же минус. Основной недостаток в том, что система распознает только крупных животных, которые соответствуют шаблону. Соответственно, не исключено право на ошибку, а значит и ситуацию с ДТП, которой не избежать. Так же не стоит забывать, что последнее решение остается за водителем.

В Канаде и отдельных штатах Северной Америки инженеры пошли другим путем. Понимая, что не все автомобили могут быть оборудованы системой обнаружения крупных животных, её сделали стационарной, установив на обочине. Датчики сканируют лесополосу, в случае обнаружения животных (могут определяться как большие, так и мелкие животные), активируется проблесковый маяк.

Таким образом, система информирует проезжающих водителей о наличие животных в лесополосе, а значит и ситуации столкновения с ними. Система обнаружения LADS существенный помощник для водителя в лесной местности. По отзывам владельцев неоднократно спасала от столкновения с животными, тем самым сохранив жизнь пассажирам и не повредив автомобиль.

Практическая часть

Воссоздания системы обнаружения по документации с помощью заранее заготовленных материалов и оборудования, а точнее использование инфракрасных и простых камер для обнаружения угрозы, дополнительный компьютер для просчета вероятных исходов и путей их решения, усилители тормозных колодок для уменьшения времени на торможение, дополнительный экран с информацией для водителя о состоянии дороги и система оповещения в случае угрозы. Применение на практике полученной системы на макет машины.

Я решил сделать опытную модель этой системы из конструктора Lego mindstorm.

Первой задачей было выбрать какие датчики использовать. Я решил использовать ультразвуковой и инфракрасный . Такое сочетание обусловленно тем, что ультразвуковой менее точно определяет расстояние, но имеет большую дальность, а инфракрасный более точно определяет расстояние, но меньшая эффективная дальность. После сборки модели я начал писать программу для нее. А уже после преступил к тестированию. Тесты порадовали меня.

Итог практической работы и подведение итогов

Практическая работа оказалась трудоемкой из-за выбора датчиков и конструктивных проблем, но ценной многих усилий я смог собрать модель предположительной системы на простом автомобиле.

По итогу я могу сказать, что я добился своей цели. И считаю, что за такими системами как в машинах тесла будущее.

Заключение

Возникновение аварии – всегда риск для водителя и пассажиров. Предотвратить ДТП порой бывает практически невозможно. Тем не менее как мы видим, системы пассивной безопасности помогают получить минимальные повреждения при ДТП. Если постоянно пользоваться элементами системы и не пренебрегать необходимым ремонтом ее составляющих, когда это потребуется, риск получения серьезной травмы снизится примерно на 70%.

Список используемой литературы, интернет - ресурсов

1. https://hikvision.org.ua/ru/articles/kak-noveyshaya-sistema-obnaruzheniya-hikvision-uskoryaet-obnaruzhenie-realnyh-ugroz

2. https://www.autonews.ru/news/5cbeb45c9a79479b5539be3b

https://www.tts.ru/blog/tyuning/chto-takoe-parktronik-v-avtomobile-skhema-i-printsip-raboty/

3. https://admoblkaluga.ru/sub/ecology/news/detail.php?ID=282195

4. https://regnum.ru/news/accidents/2726283.html ИА REGNUM.

5. https://extxe.com/18628/sistemy-obnaruzhenija-dvizhushhihsja-obektov-na-proezzhej-chasti-dorogi/

6. https://fastmb-ru.turbopages.org/fastmb.ru/s/auto_shem/3888-sistema-obnaruzheniya-krupnyh-zhivotnyh.html

Приложение №1