XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Пожарный робот на базе конструктора Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Галеев И.Д. 1Черепанов Д.Е. 1Юрков Н.А. 1Липихин Л.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейн

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейн

Работа в формате PDF

2.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Сегодня существует большое количество областей, в которых применяются роботы. Это промышленная, сервисная, бытовая, медицинская, военная и другие сферы деятельности.

Мир полон опасных для жизни работ. Сейчас в мире наблюдается растущая тенденция использования роботов для выполнения задач, которые могут нанести вред людям.

Тюменская область с начала мая страдает от обширных лесных пожаров. Происходит множество очагов возгорания. Огонь быстро распространяется. Нашей команде стало интересно, какие технические средства могли бы прийти людям на помощь при тушении лесных пожаров, в зоне которых человеку находиться опасно.

Целью проекта является создание демонстрационной модели робота пожарного на базе конструктора Lego Mindstorms для изучения системы управления в разных ситуациях

Задачи:

- Изучить технические характеристики и концепцию пожарных роботов

- Подробно изучить работу системы управления пожарным мобильным роботом

-Исследовать популярные модели робототехнических пожарных комплексов

-Создать мобильную модель робота-пожарного на базе конструктора Lego-Mindstorms

- Разработать программы для робота-пожарного при разных ситуациях

- Провести эксперимент на соответствие расчетных данных

При написании теоретической части работы мы пользовались энциклопедией о гражданской защите [3], при изучении системы управления- научной статьей Тачков А. А. [5]. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике. [1]

Глава 1. Пожарные роботы

Назначение. Области применения

Пожарный робот - мобильный, стационарный робот, который предназначен для тушения пожара. Пожарные роботы относятся к автоматическим установкам пожаротушения (АУП), считаются одним из самых надежных средств борьбы с пожарами: они приводятся в действие по объективным показателям и обеспечивают оперативное тушение очага возгорания в его начальной стадии без участия человека. (Рисунок 1.1.1, Приложения) [2]

Пожарный робот включает в себя устройство обнаружения загорания и устройство программного управления. Он предназначен для тушения и локализации пожара или охлаждения технологического оборудования и строительных конструкций. Выполняя эту работу, пожарный робот замещает пожарного ствольщика в местах, опасных для жизни.

Пожарные роботы начали активно применяться в 2000-х годах. На сегодняшний день пожарные роботы широко применяются во многих областях промышленности и хозяйственной деятельности.[3]

Пожарные роботы используются для: поиска, сбора, переработки и передачи информации в условиях крупных пожаров; определения координат и площади загорания в трехмерной системе координат; точной подачи огнетушащего вещества/тонко распыленной воды/воздушно-механической пены с высокой интенсивностью; быстрого тушения по оптимизированной программе; проведения аварийно-спасательных работ; проведения разведки в труднодоступных местах с преодолением препятствий (лестничные марши, коридоры, проемы и др.); работы в экстремальных условиях в ограниченном пространстве (туннели, вокзалы, склады); для ликвидации небольших завалов, что позволяет быстрее подобраться к очагу огня.

Особенно важным является использование пожарных роботов в местах с сильным задымлением. Это касается помещений, где машинное масло используется в качестве рабочей жидкости. Пожарные роботы позволяют охлаждать стены помещения в течении более получаса, что даёт возможность пожарному расчёту погасить или локализовать пожар.

Компактность и маневренность некоторых роботов позволяет им успешно перемещаться по лестницам и проникать в узкие проходы. Программы пожарных роботов позволяют прекратить тушение при отсутствии признаков горения или повторно начать тушение при появлении загорания.

Работа в условиях экстремально высоких температур, выделения отравляющих веществ в результате воспламенения различных материалов, угроза прямой жизни пожарного стала основой для поиска других способов тушения пожаров. Одним из вариантов стало применение роботизированных комплексов и пожарных роботов.[4]

Впервые в нашей стране пожарный робот был применён в 1984 году. Он заступил на дежурство в качестве охранной системы от пожара деревянного ансамбля на острове Кижи. Позже роботы использовались для ликвидации последствий взрыва реактора в Чернобыле. (Рисунок 1.1.2, Приложения)

В настоящее время идёт процесс активного внедрения пожарных роботов в различных отраслях.

На территории Российской Федерации утвержден перечень объектов, которые должны быть оборудованы роботизированными системами пожаротушения: машинные залы АЭС и ТЭЦ; морские причалы нефтяных портов; нефтяные платформы, нефтесливные площадки, эстакады и терминалы; системы трубопроводов различного назначения; морской порт различных назначений; спортивные объекты (стадионы, комплексы, дворцы, ледовые арены); склады различного назначения (склады большой площади, склады ядовитых и взрывоопасных химических соединений); резервуарные парки ГСМ; аэропорты и аэродромы (пожарный робот установлен в ангарах и на рулёжных дорожках); торговые центры; предприятия лесопромышленного комплекса; музейные комплексы, выставочные галереи и прочие учреждения; высокопролётные здания и сооружения; вертолётные площадки; подземные тоннели; трансформаторные подстанции.[6]

Пожарный робот, установленный на морском судне, способен выполнять и защитную функцию - отражать атаки морских пиратов.

Автоматические управляемые роботизированные пожарные комплексы с успехом применяются на нефтяных объектах и предприятиях в таких городах, как Петрозаводск, Новороссийск, в г. Кандалакша Мурманской области на причальном комплексе по транспортировке нефтяных продуктов и нефти, нефтяных терминалах «Лукойла» и многих других объектах. [5]

Пожарные роботы призваны заменить пожарных и незащищенную пожарную технику в случаях, когда выполнение оперативных задач находится за пределами человеческих возможностей либо сопряжено с чрезмерной угрозой жизни и здоровью людей.

Классификация

Пожарные роботы классифицируются по нескольким признакам.

По виду привода. Вид привода пожарных роботов бывает:

-электрический

-пневматический

-гидравлический

По типу устройства, которое обнаруживает возгорание:

- ИК – с устройством обнаружения возгорания в инфракрасном диапазоне

- ИК-ТВ - с устройством обнаружения возгорания в инфракрасном диапазоне с телекамерой

По типу лафетного ствола и по типу расположения

Лафетный пожарный ствол осциллирующий — лафетный ствол, монтируемый на опоре, способный осуществлять перемещения в плоскостях с заданным углом под воздействием гидравлической силы воды.

Осциллированный пожарный ствол — колеблющийся в разных направлениях пожарный ствол, перемещающий струю воды по заданной траектории

Рассматривались варианты конструкций устройств:

перемещающееся в любом направлении по полу;

напольное или подвесное, перемещающееся по монорельсу;

стационарное с перемещением лафетного ствола в горизонтальной и вертикальной плоскости.

Дистанционно управляемый лафетный ствол — пожарный лафетный ствол, оснащенный системой приводов, позволяющей осуществлять дистанционное управление стволом[6]

Пожарные роботы в зависимости от места расположения бывают

- Н –напольные

- П – подвесные

- С – настенные

- ПМ – позиционировано-мобильные

Мобильный робототехнический комплекс — мобильный робот, система дистанционного управления и средства обеспечения эксплуатации робота. Мобильный робот дистанционно управляется оператором и выполняет тушение пожара без нахождения человека в опасной зоне. [8]

Архитектура системы управления пожарным роботом.

Трехуровневая система управления пожарным мобильным роботом, содержащая стратегический, тактический и исполнительный уровни управления.

Стратегический уровень управления

Стратегический блок находится на посту оператора, расположенном вне опасной зоны. Информация о состоянии внешней среды поступает в блоки стратегического и тактического уровней управления от информационно-измерительной системы робота. Полученная информация обрабатывается в блоке «Интерпретатор» и передается оператору в текстовой и графической формах, а также в форме речевых сообщений.

Задача для пожарного робота формулируется оператором на профессионально-ориентированном языке, анализируется «интерпретатором» и пересылается стратегическому уровню, отвечающему за результатом работы стратегического уровня, является определение класса пожара, что влечет за собой и сценарий необходимых действий. Этот сценарий поступает в буфер команд тактического уровня, где осуществляется планирование поведения робота. Команды на выполнение отдельных операций, содержащихся в сценарии, передаются на тактический уровень и выполняются бортовой системой управления робота. В общем случае сценарий предполагает участие «команды» роботов, в числе которых могут быть и роботы-разведчики, и роботы, предназначенные для борьбы с огнем, разборки завалов, спасения людей и т. д. (Рисунок 1.3.1, Приложения)

Тактический и исполнительный уровни управления

Метод пропорциональной навигации. Определение на стратегическом уровне управления класса пожара и его параметров позволяет организовать собственно поведение робота, т. е. управление на тактическом уровне. В зависимости от ситуации возможны различные «линии поведения»:

При явной опасности робот должен покинуть опасную зону

При возможности дальнейшего продвижения к очагу пожара – перемещаться в сторону очага и желательно по кратчайшему пути.

Наконец, возможна пограничная ситуация, когда робот совершает движение по границе опасной зоны для выяснения ее площади и других характеристик. [7]

Роботизированное устройство пожаротушения имеют следующее управление:

Дистанционное

Вручную пожарным стволом

Местное или удаленное с пульта

Роботизированное

Программное сканирование и точечное огнетушение

Вручную пожарным стволом

Автоматическое с поиском очага и тушением

Основные компоненты РУП:

Пульт управления.

Лафетный ствол.

Аппаратно-программный комплекс.

Насадки.

Водозапорная арматура.

Оптический датчик (ТК, УФ, ИК). [2]

1.4 Популярные робототехнические пожарные комплексы

Робототехнические комплексы тяжелого класса предназначены для работы в зоне повышенных температур, предназначенного для ликвидации техногенных аварий и пожаров, сопряженных с рисками гибели и травматизма личного состава, проведения разведки в очагах возникновения пожаров и доставки в очаг пожара огнетушащих средств.

Создание робототехнических средств различных классов позволит решать задачи эффективного и безопасного для личного состава проведения аварийно-спасательных работ и работ по пожаротушению в условиях чрезвычайных ситуаций. В частности использование РТС необходимо для защиты объектов ракетно-ядерного комплекса.

Робототехнический комплекс ЕЛЬ-4 предназначен для:

проведение аварийно-спасательных работ на открытых участках местности, промышленных и складских объектах);

доставки огнетушащих веществ и проведения работ по пожаротушению в условиях техногенных аварий;

проведения специальных работ на месте пожара или в зоне чрезвычайной ситуации;

разборки конструкций зданий для доступа к зоне горения.

ЕЛЬ-4 оборудован дизельным двигателем мощностью 170 л.с., насосной установкой с расходом 20 л/с, манипулятором с лафетным стволом, емкостью для огнетушащего вещества на 2000 кг, что позволяет ему осуществлять тушение значительных очагов пожара. С помощью манипулятора тушение пожара может проводиться через заграждение, что имеет большое значение при ликвидации чрезвычайной ситуации.

Для проведения аварийно-спасательных работ ЕЛЬ-4 оборудован бульдозерным ножом и гидравлическим хватом, что позволяет расчищать проходы и перемещать грузы.

Управление ЕЛЬ-4 ведется с пульта оператора с помощью видеокамер, установленных на роботе. В настоящее время ведутся работы по созданию системы высотного видеонаблюдения, которую возможно применить и для ЕЛЬ-4, в качестве визуального контроля за его движением, а также и координации аварийно-спасательных работ в реальном масштабе времени. (Рисунок 1.4.1, Приложения)

Робототехнический комплекс Ель - 10

ЕЛЬ-10 – противопожарный робототехнический комплекс для работы в зоне повышенной опасности. Предназначен для разведки, разборки завалов, спасательных работ и тушения огня в условиях высоких температур, радиационного и/или химического загрязнения местности, возможности осколочно-взрывного поражения. Управление роботом происходит по радиосигналу с машины управления, которая может находиться на расстоянии до 1,5 км. (Рисунок 1.4.2, Приложения) [9]

Глава 2. Создание модели на базе конструктора Lego Mindstorms

Проект создан на базе конструктора Lego Mindstorms. Включает в себя два программируемых блока EV3: первый отвечает за пожарного робота, (Рисунок 2.1, Приложения) второй за пульт оператора.

Пожарный робот перемещается за счет двух больших моторов. Способ перемещения – гусеницы. За счет гусеничного хода, работа на склонах более стабильная, повышается маневренность и тягово-сцепные качества, что гарантирует возможность движения на различных почвах. (Рисунок 2.2, Приложения)

Лафетный ствол крепится на манипуляторе, который состоит из двух звеньев, работающих с помощью средних моторов. (Рисунок 2.3, Приложения)

Мотор приводит в движение червячную передачу, которая пускает и поднимает рычаг. Червячная передача понижает скорость вращения, при этом достигается значительное увеличение силы, также особенность червячной передачи – однонаправленность действия, это важно, учитывая напор струи у пожарного робота. (Рисунок 2.4, Приложения)

Также робот оборудован ковшом для удаления препятствий с пути следования. Он оснащен ультразвуковым датчиком, для исследования действительности. (Рисунок 2.5, Приложения)

Имеется съемная боковая насадка с дополнительным ультразвуковым датчиком для отслеживания зоны возгорания во время движения и выяснения ее площади. (Рисунок 2.6, Приложения)

Пульт оператора имеет средний мотор, для регулирования направления робота. И две пары датчиков касания, каждая пара отвечает за движение одного из звеньев в разных направлениях. (Рисунок 2.7, Приложения)

Глава 3. Демонстрация пожарного робота Ель-5

3.1. Дистанционное управление с пульта

Для управления пожарным роботом с пульта нами разработано две программы.

Программа «Pult» работает в режиме многозадачность, что позволяет запустить несколько линейных программ одновременно. (Рисунок 3.1.1, Приложения)

Первая программная последовательность отвечает за средний мотор, с помощью которого мы изменяем направление робота. Измеренный угол поворота мотора, отправляется с помощью блока «обмен сообщениями» с заголовком «Dvizh» на второй блок EV3, встроенного в робота пожарного.

Последующие две программные последовательности, отвечают за пару датчиков касания, при нажатии отправляется сообщение с содержанием «истина», при отпущении – «ложь», таким образом регулируется средний мотор, при поднятии сообщение с заголовком «1МP», при опускании «1МО». То же самое происходит со второй парой датчиков касания, где сообщения имеют названия «2 МP» и «2 МО».

Программа «Pozharnaya» работает следующим образом: (Рисунок 3.1.2, Приложения)

При получении письма «Dvizh», числовое значение отправляется в блок «Рулевое управление» в параметр «Направление». Таким образом при вращении среднего мотора на пульте, пожарный робот поворачивает либо едет прямо, в соответствии с полученным значением.

При получении письма «1МP», при условии «Истинна» средний мотор пожарного робота, отвечающий за первое звено манипулятора, поднимает его в течении 0,5 секунд. При условии «Ложь» - ничего не происходит. При получении письма «1МО», при условии «Истинна» этот же мотор, опускает звено в течении 0,5 секунд. При условии «Ложь» - ничего не происходит.

Тоже самое происходит со вторым средним мотором, где условие зависит от полученных сообщений «2МО» и «2МP». Таким образом мы можем управлять манипулятором с помощью датчиков касания, нажимая их поочередно.

3.2. Стратегическое тушение пожара

Программа «Poisk ochaga» разработана на основе следующих условий: при возможности продвижения к очагу пожара – перемещаться в сторону очага и желательно по кратчайшему пути, в случае опасности перемещаться назад.

Робот с помощью ультразвукового датчика измеряет расстояние до очага.

Программа использует уровневый блок переключения - «переключатель в переключателе». Будет выполнено одно из трех условий. Первый переключатель: при условии «Ложь» (расстояние больше 50 см) – робот вращается на месте для обнаружения очага, при обнаружении объекта ближе, чем на 50 см, выполняется окно «Истинна».

В окне «Истина» первого переключателя прописано дополнительное второе условие: если очаг дальше, чем на 20 см (истинна) - робот поочередно запускает средние моторы, создавая имитацию тушения пожара, если очаг ближе (ложь) – робот отъезжает назад на 2 оборота. (Рисунок 3.2.1, Приложения)

3.3. Опасная ситуация

При явной опасности робот должен покинуть опасную зону. При этом сценарии срабатывает программа «Opasnost». С помощью ультразвукового датчика, робот ищет выход. (Рисунок 3.3.1, Приложения)

Работает программа следующим образом:

при условии, когда ультразвуковой датчик видит ближе, чем на 60 см, робот вращается на месте по часовой стрелке со скоростью 10, через многозадачность запускается манипулятор, поочередно поднимая и опуская каждое звено

при условии, когда ультразвуковой датчик видит дальше, чем на 60 см, робот едет вперед, тем самым выбираясь из опасности

3.4 Пограничная ситуация. Вычисление площади пожара

Пограничная ситуация, когда робот совершает движение по границе опасной зоны для выяснения ее площади. Здесь задействована боковая съемная насадка с ультразвуковым датчиком.

Преобразование градусов в сантиметры

Перед тем как начать программировать мы рассчитали, сколько градусов приходится на 1см. Мы провели исследование: запустили робота на 10 оборотов, это 3600 градусов. Робот проехал 125 см. 3600 градусов разделить на 125 см, получается 28,8. Мы округлили это число до 29.

29 градусов приходится на 1 см

Поэтапное написание программ

Нами разработано две программы: для пульта оператора и самого робота пожарного.

Программа «Ploshad_robot» работает следующим образом:

Индикатор загорается зеленым, робот едет вперед, пока ультразвуковой датчик не обнаружит возгорание (расстояние меньше 10 см), после робот останавливается и индикатор меняет цвет на красный, что обозначает обнаружение огня

Обнуляется значение энкодера и робот продолжает движение вперед, пока не закончится возгорание (расстояние больше 15 см), индикатор загорается зеленым

Измеренные градусы мы делим на 29, таким образом, мы высчитываем, сколько робот проехал в сантиметрах

Значение, которое мы рассчитали в третьем пункте, записываем в переменную «Dlina» и выводим на экран робота пожарного

Робот проезжает вперед и поворачивает.

Далее пункты 1,2,3 повторяются

Новое значение записываем в переменную «Shirina» и выводим на экран робота пожарного

Следуя формуле S=a*b, с помощью блока математики мы умножаем две переменные ««Dlina» и «Shirina» и записываем в переменную «Ploshad»

Через многозадачность отправляем числовое значение на экран блока пожарного, а также на пульт оператора через программный блок «обмен сообщениями» (Рисунок 3.4.1, Приложения)

Программа «Ploshad_pult» работает следующим образ: полученное значение выводится на экран. (Рисунок 3.4.2, Приложения)

Эксперимент на соответствие расчетных данных

Мы провели эксперимент, чтобы узнать на сколько точно робот может посчитать площадь возгорания.

Замеры очага с помощью линейки:

Замеры робота пожарного попытка №1:

Замеры робота пожарного попытка №2:

Замеры робота пожарного попытка №3:

Из эксперимента следует, что робот имеет погрешность. При измерении он ошибается примерно на 2 см. Эта погрешность не является критичной, из этого следует вывод, что робота можно использовать для вычисления площади пожара. (Рисунок 3.4.3, Приложения)

Заключение

В ходе исследования мы изучили назначение робота пожарного и его устройство. Мы подробно разобрали схему системы управления мобильным пожарным роботом.

На основе этих знаний проведена практическая работа по проектированию, созданию и программированию модели робота пожарного для нахождения источника пожара, распознавания опасности, а также вычисления площади загорания. В нашей модели включены все программы для дистанционного и стратегического управления, что делает робота универсальным.

При демонстрации проекта был проведен эксперимент на пригодность робота при пограничной ситуации. Сделан вывод, что при расчете есть не значительная погрешность, при которой можно допустить робота к исследованию очага возгорания.

В модели используются моторы и датчики, а также множество сложных механизмов. Также имеется несколько программ, разных по уровню сложности. Из этого следует, что проект «Робот-пожарный» можно использовать на уроках робототехники, например, для поэтапного изучения программирования.

Проект можно использовать на внеклассных часах и уроках окружающего мира, для демонстрации работы пожарных и изучения пожарной безопасности, а также для привлечения к проблеме лесных пожаров.

Список использованной литературы

Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.

Горбань Ю.И., Горбань М.Ю., Синельникова Е.А. Пожарные роботы — новый глобальный продукт в системе безопасности//Актуальные проблемы пожарной безопасности. Материалы XXVIII международной научно-практической конференции. 2016

Робот пожарный//Гражданская защита: Энциклопедия в 4-х томах. Т. III (П – С) — М.: ФГБУ ВНИИ ГОЧС (ФЦ), 2015

Методические рекомендации по тактике применения наземных робототехнических средств при тушении пожаров. - М.:ВНИИПО, 2015.

Тачков Александр Анатольевич, Ющенко Аркадий Семенович  — Интерактивная система управления пожарным разведывательным роботом - научная статья по специальности «Математика»

pojarunet.ru

robotrends.ru

https://pts-torg.ru/

https://fireman.club/statyi-polzovateley/robototehnicheskie-kompleksyi-el-4-i-el-10-naznachenie-i-taktiko-tehnicheskie-harakteristiki/

Приложения