XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Робот-дворник
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
С 2018 года на территории г. Владикавказа администрацией местного самоуправления реализуется определенная приоритетным национальным проектом "Формирование комфортной городской среды" программапоулучшению состояния благоустройства придомовых территорий многоквартирных домов, и улучшению состояния благоустройства наиболее посещаемых гражданами муниципальных территорий общественного пользования [6]. Программа разработана с целью повышения уровня комфортности жизнедеятельности граждан. Благоустраиваются площади, улицы, пешеходные зоны, скверы, парки, зоны отдыха, территории памятников истории и культуры. Для их уборки необходима маневренная экологически чистая уборочная техника небольшого размера. Поэтому мы решили разработать малогабаритную уборочную машину.
Объектом исследования данной работы стала малогабаритная коммунальная техника для уборки тротуаров зон отдыха и придомовых территорий.
Предметом исследования стала роботизированная уборочная машина.
Нами была выдвинута гипотеза, что уборку зон отдыха придомовых территорий можно доверить роботизированной технике.
Целью стала разработка модели робота-дворника, способного очищать от снега дорожки зоны отдыха на придомовой территории.
Дляеереализации были выдвинуты следующие задачи:
Познакомиться с существующими моделями коммунальной техники.
Изучить возможности конструктора Lego WeDo 2.0, на базе которого изготавливается модель.
Разработать модель предлагаемого образца.
В работе использовались следующие методы исследования:
На ранних стадиях при предварительном знакомстве с объектом, изучении литературы, документов, анализе литературных источников, определении проблемы - теоретический.
В качестве средства для оценки и систематизирования собранных фактов - эмпирический.
Отбор, классификация, осмысливание собранного материала, моделирование выполнялись экспериментально-теоретического методами.
Так как модель уборочной машины изготавливалась на основе определенного конструктора (LegoWeDo 2.0), то в конструкции использовались детали, входящие в его комплектацию. Возможно, это ограничило наши возможности при проектировании модели, но сделало ее проще и дешевле.
2. Малогабаритная коммунальная техника
Чистота дорог и тротуаров – один из показателей, по которому можно судить об уровне благоустройства города. Для уборки улиц может использоваться уборочная техника разных видов. В России самым популярным вариантом являются уборочные системы на базе крупных машин грузового типа (Камазы, Зилы и т.д). Такие машины отличаются высокой производительностью и неприхотливостью, однако также у них есть ряд недостатков: отсутствие мобильности, плохая манёвренность, несоответствие современным экологическим нормам, высокое потребление топлива и т.д.
На современном рынке уборочной техники представлено огромное число моделей уборочной техники для дорог от разных производителей. Самыми известными из них стали итальянские устройства Eurosystems, Comac, Ganson, немецкие Tielburger и американские Tennant.
Как правило, для наведения порядка на открытых территориях используют подметальные, подметально-моечные и поливочные машины. Основными элементами подметальных и подметально-моечных машин являются вращающиеся щетки (одна или несколько) и контейнер для сбора мусора. Устройство двигается с помощью транспортировочных колес, вращение которых осуществляется за счет усилий пользователя или работы двигателя. Машина собирает мусор щетками, а затем забрасывает его в контейнер при помощи вращающегося вала. В большинстве случаев, в качестве подобного оборудования приобретаются именно вакуумные машины, которые представляют из себя гигантские пылесосы. Почти все европейские страны сегодня переходят на современные мини-уборщики вакуумного типа, что связано со множеством их преимуществ. Во-первых, мини-уборщики отличаются компактностью и мобильностью. Они способны проезжать и убирать грязь в тех местах, где простая машина проехать не может. Во-вторых, вакуумные уборщики соответствуют европейским экологическим нормам, не нанося вреда окружающей среде. В-третьих, мини-уборщики отличаются мобильностью и универсальностью. Большинство моделей может работать при нескольких типах питания: бензин, газ и электричество.
Для уборки нешироких дорожек в скверах и парках американская компания Tennant предлагает широкий выбор устройств, которые подходят как для летней, так и для зимней уборки.При использовании техники в зимний период времени, она дополнительно оснащается специальным плугом, а также навеской, посредством которой по территории распределяется необходимая в работе антигололедная смесь.
К примеру, вакуумная подметальная машинаTennant Green Machine 414–424 Рис. 1. отличается следующими преимуществами [5]:
компактный, эргономичный корпус с фарами для уборки в темное время суток;
наличие высококачественных дисковых щеток;
расходует меньше топлива и издает меньше шума, благодаря дизельному мотору Kudoba
Ширина убираемой поверхности 120 см
Возможно управление сидя и стоя
Рис.1 Вакуумная подметальная машинаTennant Green Machine 414–424
Компания Tennant так же производит ручные подметально-уборочные машины.
Аккумуляторная подметальная машина Tennant S9 с двигателем хода Рис.2. Оборудование предназначено для управления стоя, очень маневренное и удобное в эксплуатации. Имеет ширину убираемой поверхности 90 см, радиус разворота 140 см, но подходит только для летней уборки.
Рис. 2 Аккумуляторная подметальная машина Tennant S9 с двигателем хода
Заботясь об экологии, Группа компаний Bucher Industries [4], которая производит машины и транспортные средства на всех континентах земного шара, выпустила первую в мире полностью электрическую компактную подметально-вакуумную машину Bucher CityCat 2020EV Рис. 3, предназначенную для круглогодичного содержания дорог, тротуаров и прочих территорий с твердым покрытием.
Рис. 3 Электрическая подметально-вакуумная машина Bucher CityCat 2020EV
Отсутствие традиционного двигателя внутреннего сгорания позволило не только снизить операционные расходы более чем на 75%, но также сократить до 26 тонн выбросы углекислого газа в атмосферу в год. Имея 100% чистый привод, машина обладает всеми преимуществами дизельной версии, а именно: большая производительность при компактных размерах, многофункциональность, отменная маневренность, надежность, возможность круглогодичного использования – все то, что делает Bucher CityCat 2020EV самой продаваемой подметально-вакуумной машиной в России. В зимнее время машина может оснащаться фрезерно-роторным снегометателем рис. 4, который позволяет выбрасывать большие массы снега на расстояние до 10 метров от места работы или фронтальным плугом Рис. 5 для механизированного удаления снега с тротуаров и пешеходных дорожек. Ширина очистки: 140 см [8].
|
рис. 4 Подметально-вакуумная машин Bucher CityCat 2020EV оснащенная фрезерно-роторным снегометателем |
Рис. 5 Подметально-вакуумная машин Bucher CityCat 2020EV сфронтальным плугом |
Завод «Кургандормаш» предлагает коммунальным хозяйствам России семь моделей вакуумных подметально-уборочных машин с различными объемами бункера для песка или песко-соляной смеси (ПСС) [7]. Ширина уборки (2.2 – 3,4 м). Последней разработкой заводских конструкторов стала модель УКМ-1500 Рис. 6.
Рис. 6 Малогабаритная подметально-уборочная машина УКМ-1500
Новая вакуумно-уборочная машина отличается полноприводным шасси собственной разработки, малым радиусом поворота (2.7 метра). Малогабаритная модель может убирать дворы и скверы, незаменима для жилищно-коммунальных хозяйств и служб благоустройства в летнее время года.
В крупных городах Китая уже поддерживают дороги в чистоте автономные подметальные машины [1]. Разрабатывая автономные автомобили, производители столкнулись с тем, что управление ими оказывается сложнее, производство медленнее и дороже. То же самое может не относиться к транспортным средствам ограниченного применения, которые могут быть приняты в серийное производство гораздо раньше, чем автомобили без водителя. В Китае машина для уборки улиц Idriverplus является беспилотным, чисто электрическим решением для интеллектуального подметания улиц. Подметально-уборочная машина китайской фирмы, известная как «Viggo» Рис. 7, автоматически отслеживает и избегает препятствия при очистке улиц.
Рис. 7 Китайская подметально-уборочная машина «Viggo»
В настоящее время в университетах, на заводах, в парках и на городских улицах их уже работает более 100. Специальный уличный транспорт для уборки частично убирает другие транспортные средства и людей с дорог и улиц, потому что водители и пешеходы привыкли избегать их, когда они встречаются на дороге. Вооружившись датчиками для обнаружения объектов на дальних расстояниях и идентификации препятствий, камерами, ультразвуковым датчиком для обнаружения и предотвращения препятствий на коротких расстояниях, встроенной навигацией и датчиками измерения скорости вращения колес, Viggo достигла цели автономного вождения. Авто не требует ручного управления, автоматически выполняет очистку и полив дорожного покрытия.
3. Электронные компоненты конструктора LEGO WeDo 2.0
Для изготовления модели мы использовали детали конструктора LEGO WeDo 2.0 [3]. В комплект которого входят: СмартХаб WeDo 2.0, электромотор, датчик движения, детали LEGO.
СмартХаб Рис.8 работает как беспроводной соединитель.
Рис.8 СмартХаб
Используя технологию Bluetooth, он получает программные строки от устройства (компьютера), и исполняет их.
Важные элементы СмартХаб:
• Два порта для подключения датчиков или моторов
• Один индикатор
• Кнопка питания
В качестве источника питания в СмартХаб используются батарейки AA.
Для передачи сигнальных сообщений СмартХаб использует разные Цвета:
• Мигающий белый: ожидание подключения через Bluetooth.
• Синий: соединение Bluetooth установлено.
• Мигающий оранжевый: на мотор подается максимальная мощность.
Средний мотор Рис. 9. Мотор, заставляющий двигаться другие компоненты. Ось среднего мотора приводится в движение с помощью электричества.
Рис. 9 Средний мотор
Мотор можно запускать в обоих направлениях, останавливать и переключать на разные скорости, а также запустить на определенное время (указав точно время в секундах).
Датчик перемещения (движения) Рис. 10. Этот датчик может распознавать объект, находящийся на расстоянии около 15 см, обнаруживает изменения в расстоянии до объекта тремя способами:
• объект приближается;
• объект удаляется;
• объект изменяет положение.
Рис. 10 Датчик перемещения (движения)
Работа датчиков движения основана на анализе волн различных типов (акустических, оптических, радиоволн), поступающих на датчик из окружающей среды. Принцип действия инфракрасного датчика основан на анализе теплового (инфракрасного) излучения. Это оптическое излучение невидимое человеческим глазом [2]. Датчик движения имеет инфракрасный излучатель и приемник,является по сути дальномером, который определяет расстояние до интересующего объекта, фиксируя рассеянное поверхностью объекта излучение и определяя угол отражения. На работу такого датчика оказывает влияние цвет и фактура поверхности объекта.
4. Конструирование и программирование модели
Рис. 11 Внешний вид модели робота-дворника
Так как Смартхаб позволяет подсоединять только 2 электронных компонента, то мы использовали датчик движения, для обнаружения препятствий, и мотор, который вращает колеса вперед и назад. Рулевой механизм был собран на основе модели библиотеки проектирования WeDo 2.0. Рама модели имеет подвижное соединение Рис. 12. Вперед модель движется по прямой, при движении назад поворачивает.
Рис. 12 Подвижное соединение рамы
Мотор через зубчатую передачу вращает задние колеса. Передача понижающая, для нас важен выигрыш в силе (увеличение вращающей силы, которая также называется крутящим моментом). При уменьшении передаточного отношения уменьшается скорость вращения ведомого колеса, но увеличивается производимая им сила, то есть возможность поворачивать что-либо. Передаточное отношение этого механизма 20/12 =5/3. Размер ведомого зубчатого колеса ограничен размером колеса модели. Мы посчитали использование данного соотношения зубчатых колес достаточным для эффективной расчистки снега. Необходимость использования других зубчатых колес повлечет изменение в конструкции робота.
Датчик движения крепится с помощью шарниров. Так же закреплен фронтальный отвал для уборки снега Рис.13.
Рис. 13 Крепление датчика движения и фронтального отвала для уборки снега.
Управление движением осуществляется согласно программной строке Рис. 14. Робот движется вперед до обнаружения препятствия. Обнаружив его, отъезжает назад под углом, заданным конструкцией рамы. Время заднего движения 1 с. Движется вперед 1 с, назад (под углом) 1 с. За это время модель делает поворот примерно под прямым углом. Дальше продолжается движение вперед до обнаружения следующего препятствия. Блок «цикл» повторяет порядок движения при обнаружении каждого препятствия.
Рис. 14 Программная строка
5. Заключение
В результате проведенных исследований мы убедились в возможности создания модели робота-дворника. Использование небольшого количества деталей делает модель экономичной, а работа на аккумуляторах экологичной.
Мы считаем, что идея создания робота-дворника для уборки зон отдыха и спортивных площадок является перспективной. Если нет необходимости постоянного присутствия управляющего техникой человека (достаточно робота только включить, выключить и переместить на другой участок), один человек сможет поддерживать чистоту на большей территории. На модель установлен отвал для уборки снега, но в дальнейшем возможно использование подметающего оборудования и бункера для сбора мусора. Это сможет сделать возможным использование робота-дворника круглогодично.
6. Список использованной литературы
Автономные подметальные машины поддерживают дороги в чистоте в крупных городах Китая [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://ev-auto.ru/avtonomnye-podmetalnye-mashiny-podderzhivayut-dorogi-v-chistote-v-krupnyx-gorodax-kitaya.- Загл.с экрана.
Датчик движения [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%94%D0%B0%D1%82%D1%87%D0%B8%D0%BA_%D0%B4%D0%B2%D0%B8%D0%B6%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D1%8F 8+
Книга учителя «LEGO® Education WeDo 2.0 Комплект учебных проектов педагогов» [Электронное Издание]. – Режим доступа: http://legoeducation.com/download
Компания Bucher Schorling, производитель коммунальной техники, подразделение группы Bucher Industries AG [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://www.besttm.ru/articles/3963/.- Загл.с экрана.
Машины Tennant [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://tennantco.ru/katalog-cats/uborochnye_mashiny/uborochnaya-tehnika-ulicy/.- Загл.с экрана.
ПОСТАНОВЛЕНИЕ АДМИНИСТРАЦИИ МЕСТНОГО САМОУПРАВЛЕНИЯ ГОРОДА ВЛАДИКАВКАЗА от 30 марта 2018 года N 309. Об утверждении муниципальной программы "Формирование современной городской среды на территории муниципального образования г. Владикавказ на 2018 - 2024 годы" [Электронный ресурс].- Режим доступа: http://docs.cntd.ru/document/550108851
Технические характеристики вакуумных подметально-уборочных машин [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://kzdm.ru/catalog/vakuumnye-podmetalno-uborochnye-mashiny/.- Загл.с экрана.
ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ПОДМЕТАЛЬНО-ВАКУУМНАЯ МАШИНА BUCHER CITYCAT2020EV [Электронный ресурс].- Режим доступа: https://merkatorgroup.ru/equipment/dorozhno-kommunalnaya-tekhnika/podmetalnye-mashiny-i-oborudovanie/.- Загл.с экрана.