Исследовательская работа учащегося 8 класса МБОУ СОШ №4 г.Лесосибирска Шеховцева И. "Радар для обнаружения объектов на дороге в условиях плохой видимости"

XXIII ГОРОДСКАЯ НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ

«Первые шаги в науку – 2020»

Секция «Физика и познание мира»

РАДАР ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ НА ДОРОГЕ

В УСЛОВИЯХ ПЛОХОЙ ВИДИМОСТИ

Исследовательская работа

Шеховцев Иван Александрович

МБОУ «СОШ № 4», 8 А класс

Руководитель работы:

Федосеенко Алексей Анатольевич

МБОУ «СОШ № 4»

учитель технологии

Стецюк Лариса Александровна

МБОУ «СОШ № 4»

учитель технологии

Лесосибирск, 2021

Содержание

Введение 3

Современные автомобильные приборы для обнаружения объектов на дорогах 6

в условиях плохой видимости 6

Радар как прибор для обнаружения металлических объектов 9

Эхолокатор как прибор для обнаружения неметаллических объектов 12

Проектирование мобильной радиоэхолокационной станции для обнаружения объектов на дорогах в условиях плохой видимости 14

Заключение 15

Список использованных источников 17

Приложение 1 18

Введение

В СМИ и на всех уровнях власти постоянно говорится о ситуации на дорогах России: количество ДТП возрастает с каждым годом, несмотря на новые технологии дорожных покрытий, сложные электронные системы управления автомобилями, предусматривающие разные ситуации в управлении; несмотря на контроль о стороны дорожно-патрульных служб и систему штрафов за нарушения водителями правил дорожного движения.

По официальным статистическим показаниям ГИБДД РВ, всего в России количество ДТП за 11 месяцев 2020 составило 131 776, в них погибло 14 587 человек, получило травмы 133 285 человек. Около половины аварий совершили водители со стажем более 15 лет. Аварии с пешеходами составили 35 791 ДТП, в них погибло 3 998 человек, 33 330 человек получили травмы. Из них по вине водителей произошло 20423 дорожно-транспортных происшествия, по вине пешеходов - 12139 происшествия. Из представленной информации видно, что в ДТП с участием пешеходов наиболее часто виноваты сами водители транспортных средств.

За 7 месяцев 2020 года на улицах и дорогах Красноярского края зарегистрировано 1779 дорожно-транспортных происшествия, в результате которых 162 человека погибло и 2198 получили травмы. Рост числа ДТП и травмированных и погибших участников дорожного движения отмечен в 23 городах и районах края. Доля ДТП, связанных с наездом на пешеходов составляет 414 ДТП. В результате таких происшествий погиб 41 человек и ранено 394 человека (статистические показатели предоставлены ГИБДД РФ) [6].

В 2020 году в городе Лесосибирске зарегистрировано 57 ДТП, в которых погибло 3 человека, ранено 75 человек [7].

Причина почти каждого второго дорожно-транспортного происшествия с начала 2020 года — неудовлетворительные дорожные условия, а именно состояние дорог, организация движения по ним и плохая видимость, вызванная погодными условиями. Влияние погодных условий - немаловажный фактор дорожно-транспортных происшествий. Этот показатель не отражен в статистике ГИБДД, т.к. он не учитывается в качестве причин ДТП. А при наличии негативных метеорологических условий, как правило, все сводится к вине водителя с указанием на нарушение правил дорожного движения. Пункт 10.1 ПДД возлагает ответственность за управление транспортным средством на водителя, который должен управлять автомобилем с учетом метеорологических условий, а при возникновении опасности для движения он должен принять возможные меры к снижению скорости вплоть до остановки транспортного средства. Неблагоприятные погодные факторы - дождь, туман, снег – ухудшают видимость на дороге, препятствуют своевременному обнаружению объектов, различению их (живые, неживые), определению их габаритов, расстоянию до них и т.д.

Даже опытные водители, владеющие современными скоростными автомобилями, не защищены от влияния природных факторов и часто оказываются в условиях, представляющих опасность для всех участников дорожного движения. Поэтому у меня возникла идея разработки прибора для различения объектов на дорогах в условиях плохой видимости, обеспечивающего водителю получение информации о данных объектах. Я знаю, что такие устройства на данный момент разрабатывают автомобильные корпорации, но они войдут в комплектацию новых автомобилей. Существующий сейчас транспорт не имеет таких средств распознавания. А я предполагаю, что такой прибор должен быть универсальным, рассчитанным на использование в разных автомобилях. Поэтому актуальность исследования состоит в том, что такой прибор даст возможность водителю быстро принять правильное решение в экстренной дорожной ситуации.

Цель работы – рассмотреть целесообразность и возможность создания приспособления (радар), позволяющего различать металлические (автомобили) и неметаллические (пешеходы) объемные объекты на дороге в условиях плохой видимости.

Чтобы достигнуть поставленной цели, мы определили для себя следующие задачи: 1) проанализировать статистику и основные причины ДТП;

2) исследовать возможности современных приборов для обнаружения объектов на дорогах в условиях плохой видимости;

3) рассмотреть возможность создания прибора (системы приборов) для обнаружения объектов на дорогах в условиях плохой видимости;

4) описать возможную модель прибора (системы приборов) для обнаружения объектов на дорогах в условиях плохой видимости.

Гипотеза исследования: на основе имеющихся радио- и эхолокационных приборов возможно разработать и создать автомобильное устройство (систему приборов) для определения объектов на автодороге в условиях плохой видимости.

Предмет исследования – прибор для определения металлических и неметаллических объемных объектов.

Объектом исследования являются существующие приспособления, позволяющие отличать объекты на дорогах.

Методы исследования, которые мы применяли в своей работе:

- статистический анализ данных

- изучение литературы и материалов сети Интернет

- информационное моделирование

- анализ полученных данных.

Современные автомобильные приборы для обнаружения объектов на дорогах

в условиях плохой видимости

Безопасность при вождении автомобиля - это приоритет для любого водителя. Поэтому современные автомобили оборудуются разными устройствами, помогающими водителю в осуществлении безопасного дорожного движения. 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.

В настоящее время в автомобилестроении пассивные системы безопасности дополняются активными системами, которые позволяют избежать опасных ситуаций путем вмешательства в управление автомобилем. К активным системам относятся системы помощи водителю (ADAS), такие, как радиолокационные и ультразвуковые датчики, лидары (используют световые волны), видеокамеры. Главный недостаток лидаров (активный дальномер оптического диапазона– чувствительность к изменению рельефа дороги (лучи могут отражаться от поверхности дороги и искажать информацию). Эффективность лидара и видеокамер снижается в плохих погодных условиях (дождь, снег, туман), а также при загрязнении датчика. Ультразвуковые датчики имеют ограниченную дальность действия (около 2-3 метров) и используются в основном в системах помощи при парковке.

Современные автомобильные системы безопасного дорожного движения представлены разнообразными системами, предназначенными для предоставления водителю информации об условиях движения:

1.Фары дальнего света позволяют рассмотреть крупные объекты на дороге на расстоянии до 150 метров в условиях ночного видения.

2. ПНВ (прибор ночного видения) - специальные приборы для повышения качества восприятия окружающего пространства при условиях плохой видимости, которая обусловлена тёмным временем суток, туманом, дымом; работают в недоступном человеку инфракрасном диапазоне оптического излучения. Используемый источник инфракрасного излучения располагается непосредственно на самом транспортном средстве. Электронно-оптический преобразователь превращает невидимые волны в доступное глазу изображение, возникающее на экране монитора. ПНВ видят не собственное излучение предмета, а отраженные от него лучи инфракрасной подсветки. Для большинства автомобильных ПНВ предельной считается дальность 300 м.

Впервые серийно устанавливать приборы ночного видения на гражданские автомобили начали американцы – первопроходцем стал “Cadillac DeVille” выпуска 2000 года с системой “Night Vision” пассивного типа. Долгое время автомобильные системы ночного видения считались атрибутом лишь дорогих люксовых моделей. Теперь в московской фирме “Арсенал безопасности” разработан ПНВ, который можно установить практически на любой автомобиль – от “Жигулей” до “Мерседеса”. Как правило, сами автопроизводители не разрабатывают ПНВ, а обращаются к признанным авторитетам в области высокотехнологичной электроники, например, “Siemens VDO” или “Raytheon Systems Co.”, которые и изготавливают такие системы для ведущих автомобильных концернов.

Система ночного видения присутствует не в каждой комплектации зарубежного автомобиля. В основном NVA в качестве заводской функции можно увидеть в дорогих иномарках премиум-сегмента.

В подавляющем большинстве случаев ПНВ идёт в качестве дополнительного оборудования, причём стоит такая опция достаточно много.

3.Автомобильный тепловизор – прибор, позволяющий обнаруживать предметы в системе ночного вождения за счет разницы температур объекта и окружающей среды, позволяющей ориентироваться даже в полной темноте. Тепловое излучение объекта улавливается прибором и преобразует его в изображение, выводимое на дисплей в различных оттенках. Инфракрасные излучатели отсутствуют, потому излучения принимаются только от самих объектов. Автотепловизор улавливает тепловое поле любого объекта: чем выше температура у объекта, тем ярче он выглядит на экране, особенно хорошо видны люди и животные. Впрочем, “картинка” у тепловизоров весьма специфичная – она напоминает черно-белый негатив.

4.В настоящее время проводятся активные разработки устройств ночного видения с использованием голографии: голографическая картина (голография) является трехмерным изображением реального объекта, и представляет водителю на специальном экране объективную картину дорожной обстановки в темное время суток. Для получения голограммы используется лазерный излучатель (проектор) и экран для ввода изображения (голограммы).

Таким образом, в настоящее время технология решение проблем плохой видимости на дорогах решается через внедрение системы ночного видения. Такие системы доступны только на небольшом количестве премиум автомобилей. Автомобильные марки устанавливают систему ночного видения в большинстве случаев в качестве дополнительной опции, причем данная опция является дорогостоящей для большинства автовладельцев. Несмотря на возможность решения множества дорожных проблем (Приложение 1), имеющиеся системы и разработки не могут быть внедрены в массовое использование по ряду причин:

- Сложное техническое устройство часто не соответствует техническим характеристикам автомобиля;

- Высокая цена не позволяет установить систему на бюджетные автомобили.

Таким образом, я выяснил, что современные автомобильные системы и приборы не решают проблем плохой видимости на дорогах.

Радар как прибор для обнаружения металлических объектов

Первые исследования, направленные на создание радаров для транспортных средств, начались в конце 50-х годов ХХ века.

С начала развития автомобильных радаров ключевой задачей исследований было создание радаров для предотвращения столкновений. Первыми коммерческими автомобильными радарами были радары дальнего действия. Такие радары используются для обнаружения целей на расстоянии от 100 до 300 м и контролируют сектор обзора в пределах 30° впереди автомобиля [8]. Системы предотвращения столкновений начали применяться в США в 90-х годах ХХ века. В 1993 году компания Greyhound установила около 1600 автомобильных радаров на своих автобусах, в результате чего добилась снижения числа аварий на 21% по сравнению с годом ранее. Сегодня автомобильные радары дальнего действия применяются в автомобилях премиум класса компаниями BMW, Audi, Jaguar, Mercedes, Cadillac и другие.

Производимые в настоящее время автомобильные радары имеют дальность действия до 300 метров, разрешающую способность по дальности около 1 м, диапазон оцениваемых скоростей от –100 до 200 км/ч [8].

Поэтому для решения проблемы с плохой видимостью на дорогах для водителей автомобилей я за основу прибора предлагаю использовать радар (радиолокационную станцию (РЛС)). Принцип действия радара заключается в облучении радиоволнами объекта, получении от него отражения и определении по нему положения и параметров движения объекта. Радар представляет собой систему обнаружения объектов, которая использует радиоволны, чтобы определить удаление, угол или скорость объектов.

Радар на автодорогах появился в 70-е годы прошлого века и использовался инспекторами дорожного движения для измерения скорости транспортных средств.

Радар излучает радиосигнал и регистрирует отраженный сигнал. По изменению частоты радар вычисляет разность скоростей между самим радаром и объектом и таким образом определяет скорость автомобиля. Радарная система имеет передатчик, который излучает радиоволны, называемые радарными сигналами в заданных направлениях. Когда они вступают в контакт с объектом, они, как правило, отражаются или рассеиваются во многих направлениях. Радарные сигналы отражаются особенно хорошо от материалов со значительной электропроводностью, особенно большинством металлов, морской водой и мокрой землей. Радарные сигналы, которые отражаются обратно к передатчику, являются полезными (информативными), и они выполняют радиолокационную работу. Если объект движется в сторону передатчика или от него, появляется слабое соответствующее изменение частоты отраженных этим объектом радиоволн, вызванное эффектом Доплера. Радиолокационные приемники, как правило, расположены в том же самом месте, что и передатчик. Несмотря на то, что отраженные сигналы, пойманные приемной антенной, как правило, очень слабые, они могут быть усилены с помощью электронных усилителей.

Слабое поглощение радиоволн средой, через которую они проходят, позволяет РЛС обнаруживать объекты на относительно больших расстояниях - диапазонах, на которых другие электромагнитные волны, такие как видимый свет, инфракрасный свет и ультрафиолетовый свет, слишком сильно ослабляются. Такие погодные явления, как туман, облака, дождь, падающий и мокрый снег, которые блокируют видимый свет, как правило, прозрачны для радиоволн. Некоторые радиочастоты, которые поглощаются или рассеиваются водяным паром, каплями дождя или атмосферными газами (особенно кислородом), пытаются не использовать при проектировании радиолокационных станций, кроме случаев, когда РЛС предназначена для их обнаружения. Радар полагается на собственное радиоизлучение, а не на свет от Солнца или Луны, и не на электромагнитные волны, излучаемые самими объектами, такие как инфракрасные волны (тепло). Этот процесс направления искусственных радиоволн в сторону объектов называется освещением, хотя радиоволны невидимы для человеческого глаза или оптических камер.

Некоторые типы радаров позволяют проводить измерение скорости с движущегося автомобиля. При этом информацию о собственной скорости автомобиля радар получает из отраженного от дороги сигнала.

Радиочастотные (доплеровские) радары работают в определенном диапазоне. В России сертифицированы три диапазона, частоты всех радаров, используемых ГИБДД в нашей стране, должны находиться в их пределах:

Х-диапазон (рабочая частота 10.525 ГГц). Первые детекторы работали в этом диапазоне, но сегодня они почти полностью уступили место аппаратуре, использующей другие частоты, хотя некоторые зарубежные и российские (БАРЬЕР, СОКОЛ) продолжают его использовать.

К-диапазон (несущая частота 24.150 ГГц). Базовый для подавляющего большинства радаров ДПС в мире. Приборы, работающие в нем, более компактны, но имеют большую дальность обнаружения, чем аппараты X-диапазона.

L-диапазон (рабочая частота 700-1000 нм).

Перспективные диапазоны Ка и Ku в России пока не сертифицированы, и радары-камеры этих диапазонов у нас не применяются.

Таким образом, могу сделать вывод, что для получения нужного результата – создания прибора для обнаружения объектов на дорогах в условиях плохой видимости можно использовать радиолокационную станцию, используемую ДПС для определения скорости движущихся объектов. Так как радарные сигналы отражаются особенно хорошо от материалов со значительной электропроводностью, особенно большинством металлов, данный прибор позволяет различить автомобиль на дороге в условиях затрудненной видимости, что нам необходимо достичь для решения обозначенной проблемы.

Эхолокатор как прибор для обнаружения неметаллических объектов

В предыдущей части работы я рассмотрел использование радиолокационной станции (радар) для определения металлических объектов на дороге – автомобилей. Данное устройство не решает поставленной задачи – различение всех объектов на дороге (металлических и неметаллических), а только позволяет определять положение автомобиля на дорожном полотне. При этом неметаллические объекты не попадают в поле действия прибора, таким образом я не решаю проблемы пешехода на дороге в условиях плохой видимости.

На данном этапе я предлагаю использовать второй прибор, позволяющий определять все объекты, находящиеся в поле действия прибора – эхолокатор («sonar») - навигационный прибор для обнаружения и определения местоположения различного рода тел и предметов (в воде).

Эхолоты были созданы как средство слежения за субмаринами во время Второй мировой войны.

Эхолот состоит из передатчика, преобразователя, приемника и экрана. Принцип работы эхолота основан на действии электрического импульса от передатчика, который преобразуется преобразователем в звуковую волну и посылается в воду. Если эта волна ударяется о какой-то предмет, она отражается. Эхо попадает в преобразователь, который преобразует его обратно в электрический сигнал, усиливаемый приемником и подаваемый на экран. Поскольку это происходит много раз в секунду, на экране эхо представляется в виде непрерывной линии, отображающей сигнал, поступающий со дна. Помимо него, на экране отображаются эхосигналы от всех встретившихся на пути объектов между поверхностью воды и дном. Все части системы эхолота сконструированы в расчете на эксплуатацию при любых погодных условиях и экстремальных температурах. Передатчик высокой мощности рассчитан на то, что ответное эхо будет получено при любой погоде. Приемник работает с широким диапазоном сигналов: он ослабляет слишком сильный сигнал от передатчика и усиливает слабые сигналы, поступающие от преобразователя. Кроме того, он различает оказывающиеся слишком близко к друг другу объекты и показывает их в виде индивидуальных импульсов на экране.

Преобразователь фокусирует звук в луч. Чем дальше идет звуковой импульс, испускаемый излучателем, тем меньше его охват. Устройства с более широким лучом позволяют осуществить более широкой охват объектов, но за счет уменьшения дальности проникновения луча. Узкоугольный преобразователь не даст широкой картины, как широкоугольный, однако позволяет увеличить дальность наблюдения и, соответственно, обнаружения объектов.

В большинстве эхолотов в настоящее время используется частота 192-200кГц. Этот диапазон обеспечивает наивысшую детальность, дает меньше шумов и лишних эхо. Кроме того, на более высоких частотах выше разрешение объекта.

То, что эхолот предназначен для работы в воде, не является препятствием для использования прибора в воздушной среде, так как в новых условиях отличается лишь скорость распространения и выбор частоты, принцип действия не меняется (на том же принципе построен прибор УЗИ – ультразвукового исследования, тот же принцип используется при поиске нефти на суше, звуковые волны очень высокой частоты используют в медицине и промышленности для чистки поверхностей от мельчайших инородных частиц).

Таким образом, эхолокатор (сонар) позволит определить все объекты, находящиеся на дороге перед транспортным средством, на котором установлен прибор.

Проектирование мобильной радиоэхолокационной станции для обнаружения объектов на дорогах в условиях плохой видимости

Для решения поставленной задачи нам необходимо достижение следующих условий:

1) распознавание объектов на дороге (без опоры на освещение фарами)

2) различение объектов по типу: неодушевленные (автомобили), одушевленные (люди).

Один из вариантов решения проблемы - анализ габаритов по данным эхолокатора: по размерам объектов можно определить, что большой объект - это машина, а меньший – человек. Но трактовка данных по габаритам может дать ошибочное суждение: водитель может принять группу людей за автомобиль, а мотоцикл - за человека (Таблица 1).

Таблица 1

Сравнительные характеристики данных различных устройств (эхолокатора и радиолокационного радара) по возможностям распознавания объектов

Таким образом, я прихожу к выводу, что решением проблемы будет создать нужное приспособление путем совмещения (синхронизации) работы двух аппаратов для более продуктивного предупреждения аварийной ситуации на дороге: радиолокационный радар и эхолокатор. Радиолокационный радар создает на мониторе изображение металлических объектов, которыми являются автомобили, мотоциклы. Эхолокатор передает изображение всех объектов на дороге. Вычтя одно из другого - мы получим, что оставшийся объект - это живой объект (человек, животное). Система приборов будет обрабатывать и выводить информацию об объектах на монитор разным цветом, например, зелёным –живые объекты, а красным – неживые металлические (автомобили).

Заключение

В данной работе я рассмотрел возможность создания прибора (системы приборов) для обнаружения объектов на дорогах в условиях плохой видимости с использованием недорогих, доступных устройств, для использования в транспортных средствах, наиболее распространенных на дорогах страны.

Обработав изученный материал, я представил сводную информацию о современных приборах для распознавания объектов на дорогах в условиях плохой видимости в виде сводной таблицы, представленной в Приложении 1. Представленная информация свидетельствует о том, что в настоящее время нет таких приборов для автомобилей, представляющих большинство транспортных средств на Российских дорогах. Имеющиеся системы безопасности дорожного движения не удовлетворяют современным требованиям по ряду условий:

-ценовая категория

-совместимость с автомобилем (по техническим характеристикам).

Я рассмотрел возможность использования имеющихся радиолокационных и эхолокационных приборов для решения проблем с движением на дорогах в условиях плохой видимости. Использование двух приборов в системе навигации автомобиля решает основные проблемы:

-радиолокатор распознает металлические объекты,

-эхолокатор распознает все объекты.

Сигнал от каждого объекта на мониторе различается цветом, поэтому водитель получает достоверную информацию о находящихся на дороге живых и неживых объектах.

Данные исследовательской работы можно использовать для создания такого прибора, который позволит водителю иметь информацию об объектах на дороге в условиях плохой видимости, причем эта система будет работать как в ночное время, так и в ситуации плохих погодных условий (туман, дождь, снег различной интенсивности).

Одним из важных условий разработки такого прибора (системы приборов) я определил возможность использования (совмещения) с разными автомобилями по техническим характеристикам (выходные данные) и ценовой составляющей. Использование предлагаемых приборов отвечает данному условию. Такая система может монтироваться в любой автомобиль, включая автомобили Российского производства.

Предлагаемая мной описательная модель устройства является перспективной и целесообразна для дальнейшего исследования. В будущем для практической реализации необходимо будет решить ряд вопросов:

-Подбор необходимой частоты приборов;

-Настройка оборудования (совмещение, вывод сигнала на монитор, различение сигналов);

-Размещение оборудования в автомобиле.

В данной работе я не рассматриваю эти вопросы, т.к. изначально ставил для себя целью теоретическое обоснование такой разработки - приспособления (радар), позволяющего различать металлические (автомобили) и неметаллические (пешеходы) объемные объекты на дороге в условиях плохой видимости.

Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время актуально создание технического устройства (автомобильной системы) для распознавания объектов на дороге в условиях плохой видимости и таким образом улучшения дорожной ситуации в целом.

Список использованных источников

1. Владов М.Л., Старовойтов А.В. Введение в георадиолокацию: Учебное пособие — М.: Издательство МГУ - 2004 - 153 с.

2. Изюмов С.В., Дручинин С.В, Вознесенский А.С. / Теория и методы георадиолокации: Учеб. пособие. — М.: Издательство "Горная книга", Издательство Московского государственного горного университета - 2008. — 196 с.

3. Синельников А.X. Электроника в автомобиле: «Массовая радиобиблиотека». - Выпуск 0922. - Издание 2-е, переработанное и дополненное. — М.: Издательство «Энергия» - 1976.

4.Неразрушающий контроль металлов и изделий: Справочник / Под ред. Г.С. Самойловича — М.: Машиностроение - 1976. - 456 с.

5. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий: Справочник в 2-х книгах. Кн. 2/ Под ред. В.В. Клюева. / - 2-е изд., перераб. и доп. — М.: Машиностроение - 1986. - 352 с.

6. Сведения о показателях состояния безопасности дорожного движения [Электронный ресурс]. URL: http://stat.gibdd.ru/

7. Официальный сайт газеты «Заря Енисея»: Сведения о показателях ДТП в Лесосибирске за 2020 год [Электронный ресурс]. URL: https://zaren.ru/gosavtoinspektsiya-lesosibirska-podvela-itogi-raboty-za-2020-god/

8. Оценивание дорожной обстановки вокруг транспортного средства при помощи распределенной радиолокационной системы [Электронный ресурс]. URL: https://docviewer.yandex.ru/view/

9. Комзалов А.М., Шилов Н.Г. Применение современных технологий в системах помощи водителю автомобиля // Приборостроение. - 2017. - №11. – Сс.1077 - 1082

10. Радар [Электронный ресурс]. URL: https://ru.wikiyours.com/статья/радар

11. Механические волны. Звук. Часть 4. Эхолокация. Видеоурок. Физика 9 класс [Электронный ресурс]. URL: https://interneturok.ru/lesson/physics/9-klass/effektivnye-kursy/mehanicheskie-volny-zvuk-chast-4-eholokatsiya

Приложение 1

Продолжение приложения 1.