XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Робот «Сборщик урожая» на базе конструктора Lego Mindstorms EV3 для сбора овощей и фруктов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Асламин В.Н. 1Вдовин Е.А. 1Гонтов Д.М. 1Кривощеков М.П. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Охоткина К.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Работа в формате PDF

5.7 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Рост населения планеты поставил сельскохозяйственные компании в затруднительное положение. Чтобы полноценно удовлетворить растущий спрос, производство пищи сегодня требуется удвоить. Однако эту задачу выполнить непросто: жизнеспособности сельского хозяйства во многих странах сегодня угрожает острая нехватка рабочей силы [6]. В сельском хозяйстве России также преобладает ручной труд при сборе урожая овощей в теплицах и на полях. Сбор урожая большинства плодовых культур обычно производится вручную с привлечением сезонных рабочих, занятых тяжелым физическим трудом, при этом до 40% плодов остаются несобранными [7]. Именно это побуждает аграриев и производителей продуктов питания в ближайшем будущем массово обратиться к роботам и автономным машинам, что поможет уменьшить затраты времени и финансовые расходы. Именно поэтому мы с командой решили придумать новый способ для сборки урожая!

Цель исследования:изучение способов сбора урожая на полях и в теплицах, разработка своего решения с помощью конструктора LeGo Mindstorms EV3.

Задачи исследования:

1. Найти информацию о том, где выращивают овощи и фрукты целый год;

2. Познакомится с особенностями их выращивания;

3. Рассмотреть способы сбора урожая;

4. Создать собственный метод сборки плодов на базе конструктора LeGo Mindstorms EV3;

5. Создать программу, которая позволит наглядно продемонстрировать работу нашей модели.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты. При конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах [2, 3, 4], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3, 5].

Глава 1. Общие сведения

Откуда у нас целый год свежие овощи и фрукты?

С самого детства мы только и слышим — нужно есть свежие фрукты и овощи, в них много витаминов, они очень полезные [8]. Они поднимают настроение (содержат селен и фолиевую кислоту), дарят бодрость, спасают от холестерина, продлевают молодость и защищают от болезней. И в конце концов, фрукты и овощи — это просто очень вкусно (Рисунок 1.1.1, Приложение)!

Трудно представить, как выглядел бы рацион человека без этих продуктов. Так, получение стабильно высоких урожаев возможно лишь при правильной обработке почв, своевременном внесении удобрений, соблюдении севооборота. В теплое время года практически все овощи, культивируемые в России, можно выращивать прямо под открытым небом. Именно такой способ практикует большинство огородников-любителей, а также многие сельхозпредприятия. Главное преимущество, которым обладает овощеводство открытого грунта — это меньшая капиталоемкость и меньшая себестоимость продукции. Не нужно строить дорогостоящие теплицы, а естественное освещение и природные осадки позволяют частично или полностью сэкономить на освещении и поливе грядок.

Альтернативой выращиванию овощей под открытым небом является использование культивационных сооружений — теплиц, парников, оранжерей. Смысл данной технологии заключается в том, что растения культивируются в полностью контролируемых условиях, поэтому можно добиваться максимальных урожаев.

Овощеводство закрытого грунта позволяет выращивать овощи круглый год — не только летом и осенью, но также зимой и ранней весной. Благодаря этому зимой мы всегда можем купить свежайшие огурцы, помидоры, или зелень, вместо того, чтобы использовать консервацию.

Также многие овощи имеют тропическое происхождение, а потому достаточно уязвимы к погодным условиям России. Если на юге нашей страны летом они чувствуют себя достаточно комфортно, то, например, уже в Тюмени урожайность тех же томатов будет существенно ниже. А дальше на север многие культуры не будут расти вовсе. Справиться с этим можно, только используя культивационные сооружения, в которых имитируется климат тропических регионов планеты [9].

Создание благоприятной температуры для овощей или фруктов – это лишь малая часть того, чтобы вырос хороший урожай. Он также требует специального ухода.

Особенности выращивания урожая

Важнейшим свойством земли является ее способность давать нам пищу. Миллионы лет человечество использует этот дар. За это время люди научились не только собирать то, что растет естественным образом, но и выращивать многие сотни видов растений.

Каждый человек, имеющий даже небольшой клочок земли, старается облагородить его и вырастить на нем различные растения. Для некоторых людей это основная работа, для других - хобби и отдых.

Большинство огородников с опытом или без него уже при посеве семян в почву надеются получить максимальный урожай самого отличного качества. Для реализации потенциала любой культуры требуется некоторый багаж знаний, эти знания абсолютно разноплановы и должны реализоваться в правильном выборе сорта, обеспечении потребностей растений в элементах питания, в выборе места выращивания.

Овощные растения, как любые другие не могут существовать без таких факторов, как свет, тепло, вода, воздух и элементы питания почвы. Все эти факторы действуют совокупно и оказывают влияние друг на друга.

Свет - имеет решающее значение для надземных органов растений (Рисунок 1.2.1, Приложение).

Кроме интенсивности солнечного света, важное значение имеет и продолжительность светового дня. Длина дня определяет сроки перехода растения к цветению. По этому признаку все овощные растения делятся на короткодневные и длиннодневные. Особенно чувствительны к продолжительности освещения длиннодневные растения, и чтобы получить хороший урожай для них необходимо правильно подбирать сроки посева или использовать различные затенения растений на определенные часы.

Тепло - по требованию к теплу овощные растения делятся на четыре на четыре группы:

- морозостойкие;

- холодостойкие;

- теплолюбивые;

- жаростойкие (Рисунок 1.2.2, Приложение).

В условиях большинства территорий России наиболее часто встречается отрицательное воздействие на овощные культуры заморозков. Есть несколько способов защиты от низких температур. Первое и очень эффективное средство - закаливание семян и рассады. Второе - выбор места посадки. Теплолюбивые культуры не следует размещать в понижениях, где может застаиваться холодный воздух.

Старым и проверенным способом защиты от холода является выращивание вокруг теплолюбивых культур высокостебельных растений (подсолнечника, кукурузы).

Вода - большинство овощей требовательны к содержанию доступной влаги в почве. Для получения 100 кг плодов за летний сезон требуется от 750 до 300 м³ воды. По требовательности к влаге овощные культуры делятся на:

- высокотребовательные;

- требовательные;

- относительно засухоустойчивые (Рисунок 1.2.3, Приложение).

Недостаток влаги в почве должен компенсироваться поливом. Необходимость в его проведении можно определить по внешнему виду растений.

Питательные вещества - овощные культуры для формирования продуктовых органов забирают из почвы большое количество питательных веществ. Как правило, больше всего выводится калия, затем азота и меньше фосфора. Потребность в этих веществах различна в разные периоды роста (Рисунок 1.2.4, Приложение).

В начальный период роста, от прорастания до появления всходов, растения больше всего нуждаются в фосфоре. Поэтому при посеве в рядки следует дополнительно вносить фосфорные удобрения, предпочтительно легкорастворимые. В период формирования листьев и до созревания урожая растениям требуются азот и калий, а для ускорения созревания - фосфор. Эти особенности следует учитывать при внесении подкормки, не допуская преобладания одного вида удобрений на другие.

Подготовка почвы - одним из важнейших условий получения хороших урожаев овощей является правильная обработка почвы. В действия по обработке почвы входят перекопка с перемешиванием, рыхление, выравнивание, прикатывание или уплотнение, на переувлажненных почвах - поделка гряд. Обработку почвы под урожай будущего сезона следует проводить осенью. При перекопке осенью при необходимости вносят навоз, торф, фосфорные удобрения (Рисунок 1.2.5, Приложение).

Подготовка семян к посеву - существует много различных способов предпосевной подготовки семян, но цель их одна - повысить посевные и урожайные качества семян. К наиболее значимым можно отнести дезинфекцию, прогревание, обработку микроэлементами и стимуляторами роста, закалку (Рисунок 1.2.6, Приложение).

Выращивание рассады - рассаду можно выращивать, используя ящики, горшки или кассеты (Рисунок 1.2.7, Приложение). Подготовленную почву с осени надо обязательно обеззаразить - пролить обильно кипятком. В этом случае гарантирована практически полная гибель патогенной микрофлоры. Можно приобрести готовые почвосмеси. Главное требование - почвосмесь должна быть легкой и плодородной [10].

Если использовать правильную технологию возделывания овощных культур, создать растениям необходимые условия: обеспечить культуры нужным количеством воды и минеральных веществ, позаботиться об оптимальной освещенности и влажности воздуха, то получится отличный урожай! После этого его необходимо собрать, а для этого придется, немало потрудится.

Способы сбора овощей и фруктов

На огромных полях плоды овощных культур убирают механизированными или частично механизированными способами. Механизированные способы подразделяются на одно-, двух- и трехфазный.

Однофазный способ предусматривает единовременный сбор урожая комбайном, разделение продукции на фракции, погрузку их в транспортные средства и доставку к месту складирования. Этим способом убирают средне- и позднеспелые сорта капусты, столовые корнеплоды, лук, технические сорта томатов и других культур, приспособленных к машинной уборке (Рисунок 1.3.1, Приложение).

При двухфазном способе процесс уборки разделен на два этапа, когда за первую фазу собирают урожай уборочной машиной с укладкой его в валки для просушивания, а за вторую фазу валки подбирают, очищают продукцию от примесей, загружают в транспортные средства и доставляют к месту складирования. Таким способом убирают лук, чеснок, средние- и позднеспелые сорта капусты (Рисунок 1.3.2, Приложение).

Трехфазный способ используется для уборки свеклы, редьки, моркови, когда за первую фазу убирают ботву, за вторую фазу выкапывают корнеплоды с укладкой их в валки. После просушки корнеплоды собирают, очищают и загружают в транспортные средства (третья фаза) (Рисунок 1.3.3, Приложение).

Частично механизированный способ применяется для уборки луковичных культур, столовых корнеплодов и неравномерно созревающих сортов огурцов, томатов и других культур (Рисунок 1.3.4, Приложение). Корнеплоды и луковичные растения подкапывают механизированно различными орудиями, а извлекают из почвы и дорабатывают урожай вручную [11].

Несмотря на механизацию, чаще всего на полях сбор урожая производится вручную (Рисунок 1.3.5, Приложение). Особенно это касается тех овощей, плодов и ягод, которые принято собирать в несколько приемов, по мере созревания. Что касается приусадебных и подсобных хозяйств, где объем обрабатываемых площадей невелик, то здесь урожай тем более можно убирать вручную. Правда, существуют некоторые приспособления, облегчающие уборку: ножи, секаторы, вилы, лопаты.

Ножи и секаторы используют для уборки зеленных, луковичных, многолетних и некоторых других культур. Так, ими срезают зелень укропа, петрушки, тмина, сельдерея, майорана, а также спаржу, ревень. Ножами срезают капусту (Рисунок 1.3.6, Приложение).

Вилы необходимы для выкапывания корнеплодов: моркови, редиса, лука. Лопаты используют для уборки картофеля (Рисунок 1.3.7, Приложение).

Лестницы необходимы для того, чтобы снимать урожай с деревьев: вишни, черешни, абрикоса, яблонь и груш. Для той же цели можно использовать и крючки для подтягивания ветвей (Рисунок 1.3.8, Приложение).

В некоторых случаях при сборе урожая применяют нитяные перчатки. Они необходимы для того, чтобы случайно не повредить нежную кожицу плодов ногтями. Так, в перчатках собирают особо ценные сорта груш (Рисунок 1.3.9, Приложение).

Существуют и другие вспомогательные средства для уборки урожая, например плодосъемники. Они представляют собой чаши или сачки, укрепленные на длинных ручках. Однако не рекомендуется пользоваться ими при сборе ягод и фруктов, предназначенных для длительного хранения, так как плоды, падая в чашу, могут деформироваться (Рисунок 1.3.10, Приложение).

Большую же часть урожая, особенно ягоды и фрукты (смородина, клубника, малина, черешня, вишня, яблоки, груши), собирают вручную [12].

Ручная сборка урожая требует много сил и времени. Также для ее осуществления нужно много рабочих. Поэтому мы с командой решили облегчить труд человека и создать робота для сборки урожая.

Глава 2. Создание робота «Сборщик урожая» для сбора овощей и фруктов

2.1 Внешний вид модели

Перед тем, как создать нашего робота по сборке урожая, мы с ребятами обговорили, как он должен выглядеть, какие функции выполнять. Создали небольшой эскиз, по которому уже и конструировали нашего робота (Рисунок 2.1.1, Приложение).

Мы решили, что наш робот будет компактным, ведь он должен проезжать без проблем между грядками урожая. Передвигается он при помощи двух больших колес, которые без труда смогут проехать по грунту, и с помощью маленького колесика посередине. Оно помогает роботу удерживать равновесие (Рисунок 2.1.2, Приложение). Также робот ориентируется по двум датчикам цвета, которые установлены между колесами. Увидев грядку (черную линию) он едет по ней (Рисунок 2.1.3, Приложение).

У сборщика урожая обязательно есть панель управления, откуда можно управлять роботом вручную или передавать команды по сети, это блок EV3 (Рисунок 2.1.4, Приложение).

Сбоку установлена специальная клешня, которая и захватывает спелые плоды. Клешня сконструирована большая, для того, чтобы можно было регулировать ширину сжатия. Таким образом, робота можно использовать для разного сбора урожая, не боясь, что он повредит плод (Рисунок 2.1.5, Приложение).

Со стороны клешни установлен еще один датчик цвета, именно он помогает определять уровень спелости урожая. Если красный, то можно срывать, если зеленый, то нельзя. Цвета также можно менять, в зависимости от плодов, которые вы хотели бы собрать (Рисунок 2.1.6, Приложение).

Сзади у робота сконструирована корзинка для урожая. Как только она наполняется, робот едет обратно на базу, для ее разгрузки (Рисунок 2.1.7, Приложение).

2.2 Функционал и механические передачи робота

Мы приступили к созданию механических передач. Сначала мы установили два больших мотора и становили колеса на длинные оси. Но при передвижении наш робот иногда опрокидывался вперед. Такое движение нас не устраивало, поэтому мы решили усовершенствовать нашего робота. Без особой переделки конструкции, мы исправили данную проблему, сместив передние колеса с помощью зубчатой передачи. Мы сняли колеса, установили длинную балку, на большой мотор установили ось с ведущим зубчатым колесом (24 зубчика), дальше установили на оси второе зубчатое колесо (24 зубчика). Таким образом, передаточное отношение 1:1, а значит и скорость вращения колес не изменилась. Но изменилось направление, это мы учли при создании программы (Рисунок 2.2.1, Приложение).

Далее мы сконструировали клешню. С командой мы решили, что она будет работать за счет среднего мотора, зубчатой передачи и рычага. Мотор, вращает ведущую среднюю шестерню (24 зубчика), она передает в одну сторону вращение другой шестерне (24 зубчика). С помощью такой зубчатой передачи не меняется скорость вращения захватов, но меняется направление их вращения, что для нас является плюсом! Ведь захваты в рычаге должны вращаться в разные стороны, чтобы брать предметы (Рисунок 2.2.2, Приложение)

Мы с командой провели несколько экспериментов по захвату, рычаг отлично работал, но срывал только один плод. Поэтому мы придумали специальную корзинку для хранения урожая. Робот должен был как-то складывать их туда. Для этого мы установили дополнительный большой мотор, который поворачивает клешню влево и вправо, что позволяет срывать овощи или фрукты и убирать их в корзину (Рисунок 2.2.3, Приложение).

2.3 Обнаружение спелого плода и реакция датчиков робота

Наш робот «Сборщик урожая» должен отлично передвигаться между грядок, для этого мы установили два датчика цвета. Датчики работают в режиме «отраженный свет». Они измеряют проценты отраженного им света (от белого передается - больше, от черного - меньше) и задают роботу направление. Поэтому робот без проблем движется по черной линии, будто между грядок (Рисунок 2.1.3, Приложение).

Сбору у робота есть еще один датчик цвета. Он нам необходим для определения уровня спелости плода. Датчик работает в режиме «цвет». Если он видит красный, то робот срывает плод, если любой другой, то проезжает мимо (Рисунок 2.1.6, Приложение).

2.4 Программа для запуска робота

Перед созданием программы в среде Lego Mindstorms EV3 мы обсудили основную задачу робота «Сборщик урожая» - собирать спелые плоды. Проговорили, как он должен это делать, и в какой последовательности работать.

Наша программа имеет цикл, который прерывается, если датчик цвета (порт 2) увидит синий цвет. Это значит, что корзинка наполнилась и пора возвращаться на базу: больших моторы останавливаются и после двух секунд ожидания, начинают двигаться с мощностью 10, 17 секунд. Этого времени достаточно, чтобы вернуться (Рисунок 2.4.1, Приложение).

Если датчик цвета (порт 2) не видит синий цвет, то выполняются другие условия:

-датчик видит красный: большие моторы (C и D) останавливают робота, начинает движение большой мотор (порт B) с мощностью -10 (влево) на 95 градусов. Средний мотор (порт A) начинает закрывать свои клешни с мощностью -10 на 75 градусов, тем самым, захватывая спелый плод. После большой мотор (порт B) возвращается в исходную позицию, над корзинкой. А средний мотор отпускает плод. Большие моторы (C и D) немного продвигают робота вперед, для того, чтобы датчик цвета вновь не увидел красный цвет (Рисунок 2.4.2, Приложение).

-датчик видит зеленый: большие моторы (C и D) останавливаются, произносится звук «grеen» и моторы отъезжают вперед, чтобы датчик цевта вновь не увидел зеленый цвет (Рисунок 2.4.3, Приложение).

-датчик видит желтый: данное условие стоит, как выполнение «по умолчанию». То есть, если робот видит желтый или другие цвета (кроме синего, зеленого и красного), то он просто едет по черной линии. Датчики цвета (порты 3 и 4) измеряют отражение, передают по шине данных в блок «математики», там производятся вычисления и, также по шине, передаются получившееся слагаемое большим моторам (C и D), которые определяю направление для робота (Рисунок 2.4.4, Приложение).

Наша программа получилась небольшая, но она в полной мере помогает роботу выполнить все его основные задачи (Рисунок 2.4.5, Приложение)!

2.5 Демонстрация сбора урожая роботом «Сборщик урожая»

Для демонстрации выполнения заданий роботом «Сборщик урожая» мы сконструировали из LegoDuplo декорации: грядка с зелеными кустиками, на которых росли различные плоды. Плоды у нас были сделаны из воздушных шариков и приклеены на веревочки к кустам. Красный шарик обозначал спелый плод, зеленый – не спелый (Рисунок 2.5.1, Приложение).

Итоговый вид нашей работы представлен на (Рисунок 2.5.2, Приложение). Видео запуска проекта «Робот «Сборщик урожая» на базе конструктора Lego Mindstorms EV3 для сбора овощей и фруктов» вы можете посмотреть по ссылке: https://drive.google.com/drive/folders/1CBVHNhtWW_r3GrXBWRsSjlsK_9pYQIIW

Запускаем робота по нажатию на кнопку на блоке EV3, робот начинает движение по черной линии и сразу сканирует цвета. Если видит желтый, то продолжает ехать по черной линии. Как только он подъезжает к красному цвету (спелому плоду), то с помощью клешни срывает плод и кладет его в корзину. После робот возвращается в режим сканирования цвета. Если видит зеленый, то робот останавливается, произносит название цвета и проезжает дальше, показывая, что плод еще не спелый и срывать его не стоит. Доезжая до синего цвета, корзина с урожаем наполняется. Робот, завершая свою миссию возвращается обратно на базу.

Заключение

Мы внимательно изучили информацию о положительном воздействии на здоровье овощей и фруктов. Но чтобы урожай действительно был полезен, его необходимо правильно выращивать. Все овощные, фруктовые и ягодные растения, как любые другие не могут существовать без таких факторов, как свет, тепло, вода, воздух и элементы питания почвы. Все эти факторы действуют совокупно и оказывают влияние друг на друга. Но все растения любят разную температуру воздуха, разный объем воды, им необходимы разные питательные вещества. В этом и возникает сложность в их выращивании. Только после соблюдения всех условий, у вас получится вырастить отличный урожай. Но, чтобы он не растерял свои полезные вещества, его также необходимо правильно и аккуратно собрать.

Мы с командой рассмотрели несколько способов по сборке урожая: механизированный, частично механизированный и ручной способ. Механизированным способом в сельском хозяйстве проводят лишь уборку корнеплодов и некоторых плодовых растений. Что касается приусадебных и подсобных хозяйств, где объем обрабатываемых площадей невелик, то здесь урожай убирают вручную. А также это касается тех овощей, плодов и ягод, которые принято собирать в несколько приемов, по мере созревания.

Так как уборка урожая в большей степени производится все таки ручным способом, мы с командой решили облегчить человеческий труд, ускорить процесс сборки и создать своего робота «Сборщик урожая»! Он подходит для тех культур, которые нужно собирать несколько раз. Может работать, как в огромном поле, так и в маленькой теплице. Благодаря аккуратным клешням и возможностью их настроить, он может собирать разные фрукты, овощи или даже ягоды. При этом наш робот не повредит плод, ведь он аккуратно снимет и положит его в специальную корзину.

Для нашего проекта мы использовали конструктор из наборов Lego Mindstorms EV3 и Lego Duplo. В нашей работе были простые механизмы: ось, средние шестерни и рычаг. А также сложные механические передачи: три зубчатые передачи, осевые передачи. Для запуска проекты мы создали программу в среде Lego Mindstorms EV3, одновременно подключая к компьютеру 4 мотора (3 больших мотора и 1 средний), 3 датчика цвета и блок EV3.

Наш робот «Сборщик урожая» - это отличный помощник в поле. Мы считаем, что он сможет помогать человеку точно также, как это делают комбайны и другие уборочные машины.

Список используемой литературы

Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

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

Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;

Лоренс Валк: Большая книга LEGO MINDSTORMS EV3; [пер. с англ. Черников С.В]. Издательство «Эсмо», 2017. - 400 с.;

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.

Интернет источники

https://svoefermerstvo.ru/agromnenie/articles/12-revoljucionnyh-robotov-v-sel-skom-hozjajstve

https://www.cnews.ru/news/top/2020-11-24_rossiyane_sozdali_sverhdeshevogo

https://www.shkolazhizni.ru/health/articles/63634

https://xn--80ajgpcpbhkds4a4g.xn--p1ai/articles/ovoshhevodstvo-vidy-i-tehnologiya-vyrashhivaniya-v-rossii/

https://online.semenasad.ru/helpful_hint/advice.html/id/68

https://studref.com/612535/agropromyshlennost/mehanizatsiya_uborki_ovoschnyh_kultur

https://bookitut.ru/Sbor-i-khranenie-urozhaya-1.8.html

Приложение