XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке. Летняя площадка 2022
Трактор-беспилотник
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Испокон веков люди старались сделать свою жизнь более комфортной и удобной во всех отношениях. Если раньше человек выполнял почти всю работу физически, то на сегодняшний день физический труд всё больше сокращается во многих сферах, и вместо человека большую часть работы теперь выполняют машины, различные устройства и роботы.
Актуальность темы:
Всё больше работы за человека стали выполнять различные машины и в сельском хозяйстве для скашивания травы, сбора урожая, возделывания земли и других важнейших функций. Со временем появились беспилотные машины, а вследствие этого возникла идея создать также беспилотный трактор, чтобы полностью возложить такую важную и тяжёлую работу на умную технику. Нас настолько заинтересовала данное направление, что мы решили создать собственный беспилотный трактор, выполняющий все необходимые функции в сборе урожая.
Цель исследования: Создание инновационной модели трактора-беспилотника на базе конструктора Lego Spike Prime.
Задачи исследования:
Изучить виды транспорта в сельскохозяйственной отрасли;
Рассмотреть значение трактора в сельском хозяйстве;
Проанализировать уже существующие беспилотные тракторы в современном мире;
Сконструировать и запрограммировать инновационную модель трактора-беспилотника.
В качестве источников информации мы использовали информационные сайты. При оформлении проекта мы брали идеи из большой книги «LEGO Идеи: новая жизнь старых деталей» [1], при конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, подробно о зубчатых передачах [2], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].
Глава 1. Сельскохозяйственная техника.
Виды транспорта в сельскохозяйственной отрасли
Кормоуборочный комбайн – это сельскохозяйственная машина (комбайн), предназначенная для скашивания сеяных и естественных трав, высокостебельных культур (подсолнечника, кукурузы), а также для подбора из валков провяленной травы с одновременным измельчением и погрузкой массы в транспортные средства (Рисунок 1.1.1 Приложения).
Зерноуборочный комбайн - оснащен роторной технологией, которая повышает производительность при уборке и обеспечивает превосходное качество собранного зерна (Рисунок 1.1.2 Приложения). Центральное место оператора находится высоко, с видом на наклонную камеру и жатку. Двигатель расположен близко к задним колесам позади оператора. Зерновой бункер находится близко к переднему мосту для дополнительной устойчивости, а добавочный вес над передним мостом обеспечивает дополнительное сцепление, оставляя задние колеса для рулевого управления. Производительность примерно 1,6 га/ч по сравнению с 12 га/ч для машин серии X показывает, насколько сильно изменилась эффективность уборки урожая [4].
Самоходные опрыскиватели – являются ключевыми машинами для реализации технологий возделывания большинства сельскохозяйственных культур. В частности, удельный вес операций по химической обработке посевов зерновых и рапса составляет более 10%, пропашных 6-8% (Рисунок 1.1.3 Приложения).
Сеялки точного высева и посевное оборудование – принцип точного высева данными сеялками основан на использовании энергии вакуума, благодаря которому высевающий диск аппарата способен присасывать к рабочим отверстиям поштучно семена с последующим равноинтервальным сбросом их в бороздку, вскрытую сошником (Рисунок 1.1.4 Приложения).
Пресс-подборщики – применяется в сельском хозяйстве для подбора валков соломы, сена, сенажа и их прессования с последующей обмоткой шпагатом либо проволокой и выталкиванием готового тюка или рулона на стол сбрасывания. При использовании пресс-подборщика повышается качество сена, сокращаются затраты труда, потери сена и продолжительность сушки, так как для прессования подбирают сено влажностью около 26 % (Рисунок 1.1.5 Приложения).
Разбрасыватели удобрений – это оборудование, позволяющее не просто вносить, а равномерно распределять удобрения по всей заданной ширине захвата, увеличивая количество урожая и его качество (Рисунок 1.1.6 Приложения). Разбрасыватели удобрений в зависимости от типа удобрения, которое требуется вносить, делятся на минеральные и органические [5].
Самоходные косилки, роторные и ленточные жатки – для хозяйств, возделывающих преимущественно кормовые культуры, больше подойдет самоходная косилка с сегментно-пальцевой или роторной косилкой-плющилкой. Роторные жатки способны производить кошение плотной массы люцерны на скорости до 30 км/ч (Рисунок 1.1.7 Приложения).
Фронтальные навесные погрузчики – это разновидность спецтехники для выполнения погрузочно-разгрузочных и других видов работ. Эти машины отличаются компактными размерами, маневренностью, высокой мощностью и универсальностью применения (Рисунок 1.1.8 Приложения). В конструктивном плане фронтальный погрузчик представляет собой тяжелый агрегат с вместительным и широким ковшом. Двигаясь, он забирает сыпучие материалы и мелкоштучные грузы, а затем перемещает их с одного места на другое, не используя при этом толкание (как в случае с бульдозерами или грейдерами).
Зерновые механические и пневматические сеялки – сеялки точного высева, пневматические посевные комплексы и механические сеялки (Рисунок 1.1.9 Приложения). Все они гарантируют высокоточный посев, который достигается за счет инновационных конструктивных решений (системы ExactEmerge, системы дозирования семян, Section Command и др.)
Хлопкоуборочная машина — машина для сбора хлопка-сырца из раскрывшихся коробочек хлопчатника (Рисунок 1.1.10 Приложения).
Трактор – это самоходная машина (Рисунок 1.1.11 Приложения), позволяет пахать, поливать, перевозить грузы и выполнять другие виды работ [6].
Для своевременного выполнения всех транспортных работ в сельском хозяйстве с наименьшими потерями и издержками, необходимо полное использование всех транспортных средств при их рациональном сочетании.
Значение трактора в сельском хозяйстве
Тра́ктор (англ. tractor «тягач») — самодвижущаяся (гусеничная или колёсная) машина, выполняющая сельскохозяйственные, дорожно-строительные, землеройные, транспортные и другие работы в агрегате с прицепными, навесными или стационарными машинами (орудиями).
Трактор отличается низкой скоростью и большой силой тяги. Широко применяется в сельском хозяйстве для пахоты и перемещения несамоходных машин и орудий, как правило оборудуется съёмным или несъёмным навесным и полунавесным оборудованием сельскохозяйственного, строительного или промышленного назначения (например, буровым оборудованием) в зависимости от выполняемых задач. К примеру, промышленный трактор, оборудованный бульдозерным ножом, называется — бульдозер.
В России к управлению любыми видами тракторов допускаются лица только после прохождения обучения и получившие в Гостехнадзоре удостоверение тракториста (тракториста-машиниста).
Слово «трактор» происходит от английского слова track (трак — основной элемент гусеницы), «след», восходящее, в свою очередь, к латинскому trahere, что означает «тянуть», «волочить». Лицо, управляющее трактором, в зависимости от типа, назначения, мощности двигателя, дополнительного оборудования называется трактористом, машинистом, механиком-водителем, механизатором.
Паровой колёсный трактор. Первые подобные тракторам машины появились ещё в XIX веке и были паровыми. Так, ещё в 1850 году английский изобретатель Уильям Говард использовал для пахоты локомобиль. Во второй половине XIX века на полях Великобритании работало уже около двух тысяч таких машин. В 1892 году Джон Фролих из округа Клейтон, штата Айова, США изобрёл, запатентовал и построил первый трактор, работающий на нефтепродуктах.
Первым паровым гусеничным трактором в мире, вероятно, можно считать изобретение англичанина Джона Гиткота (изобретатель промышленного ткацкого станка) в 1832 (патент) и постройку в 1837 рабочего экземпляра машины, предназначенной для вспахивания и осушения английских болот. В 1858 году американец В. П. Миллер изобрёл и построил гусеничный трактор, с которым участвовал в сельскохозяйственной выставке города Мэрисвилл (Калифорния) в 1858 году и получил премию за оригинальное изобретение. Ни изобретение Гиткота, ни трактор Миллера дальнейшего развития не получили. Первой признанной практической гусеничной машиной стал Lombard Steam Log Hauler изобретателя Альвина Орландо Ломбарда в 1901 году.
В России первая заявка на «экипаж с подвижными колеями», то есть на гусеничный ход, была сделана в 1837 году русским крестьянином, впоследствии штабс-капитаном русской армии, Дмитрием Загряжским. Вот как он описал своё изобретение: «Около каждого обыкновенного колёса, на котором катится экипаж, обводится железная цепь, натягиваемая шестиугольными колёсами, находящимися впереди обыкновенного. Бока шестиугольных колёс равняются звеньям цепи; цепи сии заменяют до некоторой степени железную дорогу, представляя колесу всегда гладкую и твёрдую поверхность» (из привилегии, выданной в марте 1837 года).
В 1896 году Чарльз В. Харт и Чарльз Парр разработали двухцилиндровый бензиновый двигатель. В 1903 году их фирма построила 15 тракторов. Их шеститонный #3 является старейшим трактором с двигателем внутреннего сгорания в Соединённых Штатах и хранится в Смитсоновском Национальном музее американской истории в Вашингтоне, округ Колумбия. Бензиновый двухцилиндровый двигатель имел ненадёжную систему зажигания и давал мощность 30 л. с. на передаточной цепи и 18 л. с. на тяговом устройстве.
Первым практически пригодным был трёхколёсный трактор «Ivel» Дэна Элборна 1902 года. Было построено около 500 таких лёгких и мощных машин. В 1912 году немецкая фирма «Hanomag» начинает выпускать тракторы. В том же году фирма «Холт-Парр» начала выпуск гусеничных тракторов. Машина эта не была гусеничной в полном смысле этого слова, так как металлические ленты были надеты только на задние опорные колёса, а впереди у этой машины оставили обыкновенные колёса. В 1913 году на Всероссийской выставке в Киеве, где был выставлен «Холт», русские эксперты определили его неполноценность. Фирма «Холт» учла указания русских инженеров и переделала трактор целиком на гусеничный ход в 1914—1915 годах.
Легенда о тракторе.
По недостоверным источникам, первый русский паровой гусеничный трактор был якобы построен уроженцем села Никольское Вольского уезда Саратовской губернии крестьянином Фёдором Абрамовичем Блиновым.
Согласно документам, в 1879 году он получил патент («привилегию») на «вагон с бесконечными рельсами для перевозки грузов по шоссейным и просёлочным дорогам» и вскоре построил такую гусеничную тележку для использования с конной тягой. Также Блинов выступал с докладом «Паровоз с бесконечными рельсами для просёлочных дорог» на нижегородской выставке в 1896 году.
Писатель Лев Давыдов (наст. фамилия Ломберг) утверждал, что постройка прототипа (самоходного) трактора была закончена Блиновым в 1888 году. Готовой паровой машины малых габаритов ещё не существовало, и Фёдор Абрамович сам соорудил её из листового железа и труб сгоревшего вблизи Балакова парохода. Затем он изготовил такую же вторую машину. Обе они делали по сорок оборотов в минуту. Каждая из них управлялась раздельно. Скорость движения трактора соответствовала скорости движения быков — три версты в час. Таким образом, устройство приводилось в действие двумя паровыми машинами (по одной на каждую «гусеницу») мощностью в 10-12 лошадиных сил каждая. Ф. А. Блинов продемонстрировал его в 1889 г. в Саратове и в 1897 г. на Нижегородской ярмарке.
Трактор взял на себя более половины работ, связанных со сбором урожая. В дальнейшем, благодаря созданию различных прицепных машин, сфера применения трактора расширилась в несколько раз, и мы продолжаем её расширять.
Беспилотные тракторы в современном мире
Беспилотные тракторы – это универсальные солдаты на сельскохозяйственном поле, которые в скором времени полностью заменят человека. Они работают без зарплаты и больничных, перекуров и выходных, днем и ночью, в туман и дождь. Их глазами являются камеры, а мозгом – интеллектуальная система, способная полностью контролировать и управлять движениями и функциями техники.
Что умеют умные тракторы:
• Совершают необходимые маневры, выполняют задания с минимальными погрешностями, определяют границы поля. Причем роботы могут работать круглосуточно, а управлять ими можно с помощью планшета.
• Различают мнимые препятствия от настоящих. Например, сенсоры узнают высокие стебли подсолнечника или кукурузы, не воспринимая их в качестве преграды движению.
• Могут передвигаться по системе «следуй за мной». Один автономный трактор под управлением человека координирует движение нескольких беспилотников на поле, задает им нужную скорость и направление движения [7].
Беспилотные тракторы CASE IH.
Концепт трактора-беспилотника от компании Case IH был представлен в США, на выставке Farm Progress. Он сразу же привлек к себе внимание благодаря своей необычной форме – у техники полностью отсутствует традиционная кабина (Рисунок 1.3.1 Приложения). То есть человеку не оставили ни малейшего шанса и дали четко понять, что время трактористов и комбайнеров подходит к концу. Разработчики компании утверждают, что идею создания трактора без кабины подали им сами фермеры – во время посадки и сбора урожая им остро не хватает квалифицированных специалистов.
Трактор-робот создавался в сотрудничестве с CNH Industrial, на базе сельхоз техники Магнум Case IH. Однако внешность и возможности беспилотной машины кардинально отличаются от предшественников:
• Система автопилота принимает во внимание габариты трактора и присоединенного прицепа.
• Обязательно учитывает рельеф местности, настоящие погодные условия и метеопрогнозы.
• Благодаря лидару, камерам и сенсорам умный трактор распознает стационарные и движущиеся препятствия.
• Управлять техникой можно посредством компьютера или мобильного гаджета.
В настоящее время беспилотные тракторы проходят испытания на полях американских фермеров, а серийное производство техники планируется уже к 2020 году.
Роскосмос показал беспилотный трактор. Маленький красный трактор-робот с инновационной системой беспилотного управления впервые показали на международной выставке ИННОПРОМ. Разработчики системы из НПО автоматики (НПОА, входит в состав госкорпорации "Роскосмос", Екатеринбург) выбрали эту небольшую машинку в качестве платформы, учитывая размеры павильонов выставки (Рисунок 1.3.2 Приложения).
Настоящие испытания комплекс беспилотного управления проходит на комбайновой зерноуборочной технике. Эта разработка — часть большого инновационного проекта "Умное земледелие". Проект направлен на массовое использование беспилотных технологий и высокоточной навигации в сельском хозяйстве. Ожидается, что это в разы увеличит производительность труда на селе.
Как это работает.
Система беспилотного управления обеспечивает высокоточную навигацию комбайна на поле: точность его позиционирования составляет порядка трех сантиметров. Такого удивительного результата удалось достичь с помощью использования всего комплекса технологий: инерциальной навигации, систем спутниковой навигации GPS и ГЛОНАСС, а также "технического зрения" на основе нейросетей. Чтобы обеспечить качественное машинное зрение, достаточно одной стереокамеры, которая устанавливается на корпус комбайна. Получаемое с нее объемное изображение обрабатывает искусственный интеллект.
"На многих полях в России отсутствует сигнал GSM. Нам пришлось разработать свою базовую станцию, которая способна выдавать поправки по навигации в условиях полного отсутствия сотовой связи. Это существенное конкурентное преимущество", — говорит советник генерального директора НПОА Алексей Соловьев [8].
Очевидно, что сегодня использование эффективного и технически совершенного оборудования имеет решающее значение в сельском хозяйстве. Именно поэтому мы хотим сделать использование современного сельскохозяйственного оборудования реальным, гибким и доступным решением.
Глава 2. Проект умного беспилотного трактора.
2.1 Инновационная модель трактора-беспилотника
Наша модель представляет собой миниатюрную версию беспилотного трактора (Рисунок 2.1.1 Приложения), который при запуске начинает ехать вперёд, при обнаружении жёлтого цвета с помощью датчика цвета, останавливается и опускает ковш для сбора урожая (Рисунок 2.1.2 Приложения). После этого отвозит урожай в зелёную часть поля, где останавливается, чтобы поднять ковш, и уезжает дальше. А при обнаружении препятствий с помощью датчика ультразвука, отъезжает и направляется в другую сторону (Рисунок 2.1.3 Приложения).
В модели установлено:
1 хаб для управления всеми элементами модели;
2 средних мотора для передвижения трактора;
1 большой мотор для осуществления поворотов;
1 средний мотор для поднятия и опускания ковша;
1 датчик ультразвука, который способен обнаружить препятствие на расстоянии 20 см. и меньше, подав сигнал о повороте (Рисунок 2.1.4 Приложения).
Программа работает следующим образом (Рисунок 2.1.5 Приложения):
Беспилотный трактор едет вперёд с помощью 2 средних моторов BF с мощностью 20%;
При обнаружении объекта ультразвуковым датчиком D на расстоянии 20 см. и меньше, срабатывает большой мотор E для поворотов вместе с основными моторами движения;
При обнаружении жёлтого или зелёного цветов с помощью датчика цвета A, трактор останавливается и поднимает или опускает ковш на среднем моторе C.
В данной модели присутствуют следующие механизмы: зубчатая передача, система рычагов, червячная и осевая передачи. Видео нашего проекта: https://drive.google.com/file/d/1GPl_wDdDbx_Ji5OqKdU-GPTYMKsSIZlr/view?usp=drivesdk
Заключение
Изучив виды транспорта в сельскохозяйственной отрасли, мы узнали, что они предназначены для скашивания травы, сбора урожая, возделывания земли и других важнейших функций.
Рассмотрев значение трактора в сельском хозяйстве, мы подчеркнули тот факт, что трактор взял на себя более половины работ, связанных со сбором урожая. В дальнейшем, благодаря созданию различных прицепных машин, сфера применения трактора расширилась в несколько раз.
Проанализировав уже существующие беспилотные тракторы в современном мире, мы пришли к выводу, что сегодня использование эффективного и технически совершенного оборудования имеет решающее значение в сельском хозяйстве. Поэтому беспилотный трактор отлично может справиться с этой непростой задачей.
В итоге мы сконструировали и запрограммировали собстсвенную инновационную модель трактора-беспилотника на базе конструктора Lego Spike Prime, которая является отличным решением и может вдохновить разработчиков на внедрение подобной модели в сельскохозяйственную отрасль.
Список используемой литературы:
LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;
Богданова С.М., Попова Е.Е. Благодаря механическим передачам Lego- конструкции оживают / С.М. Богданова, Е.Е. Попова// «Новые информационные технологии в нефтегазовой отрасли и образовании»: материалы VII Международной научно-технической конф. 2017 С. 160-163. Режим доступа- https://elibrary.ru/item.asp?id=30700400
Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;
Интернет источники:
https://carhappy.ru/oborudovanie-dlya-selskogo-hozyaistva-klassifikaciya-i-vidy/
https://minskagroprommash.com/news/selskoxozyajstvennaya-texnika-vidy-klassifikaciya-i-aspekty-vybora.html
https://www.deere.ru/ru/
https://bespilot.com/tip/bespilotnye-traktora
https://habr.com/ru/news/t/459512/
Приложение
Рисунок 1.1.1 – Кормоуборочные комбайны
Рисунок 1.1.2 – Зерноуборочные комбайны
Рисунок 1.1.3 – Самоходные опрыскиватели
Рисунок 1.1.4 – Сеялки точного высева и посевное оборудование
Рисунок 1.1.5 – Пресс-подборщики
Рисунок 1.1.6 – Разбрасыватели удобрений
Рисунок 1.1.7 – Самоходные косилки, роторные и ленточные жатки
Рисунок 1.1.8 – Фронтальные навесные погрузчики
Рисунок 1.1.9 – Зерновые механические и пневматические сеялки
Рисунок 1.1.9 – Хлопкоуборочные комбайны
Рисунок 1.1.10 – Трактор
Рисунок 1.3.1 – Беспилотный трактор тракторы CASE IH
Рисунок 1.3.2 – Беспилотный трактор от Роскосмос
Рисунок 2.1.1 – Наша модель беспилотного трактора
Рисунок 2.1.2 – Датчик цвета в модели
Рисунок 2.1.3 – Подготовка урожая для поля
Рисунок 2.1.4 – Закрепление датчика ультразвука
Рисунок 2.1.5 – Наша программа