XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Автоматизированное экологическое устройство для быстрой доставки товаров на небольшие расстояния на базе конструктора Lego Wedo 1.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ермолаев В.М. 1Краснов К.Д. 1Куркин Е.С. 1Легеза В.М. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Охоткина К.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Работа в формате PDF

6.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

На сегодняшний день никого не удивишь тем, что роботы берут на себя все больше и больше обязанностей, дабы облегчить жизнь человеку. В мире есть всевозможные экземпляры призванные помогать человеку в различных областях науки, техники и повседневной жизни. Помимо этого растет так называемая «скорость жизни», человек в единицу времени должен выполнять все больше и больше задач. С развитием интернет торговли людям не надо выходить из дома, чтобы купить некоторые товары им достаточно зайти на сайт и нажать на кнопку. В связи с этим растет количество всевозможных служб доставки, наряду с несомненными плюсами у данного явления есть и минусы такие как: увеличение транспортного потока, ухудшение экологической обстановки, долгое ожидание товара и контакт с незнакомыми людьми.

Наш проект заключается в том, чтобы внедрить автоматизированное экологическое устройство в службу доставки. По нашему мнению это снизит транспортный поток в городе, улучшит экологию и уменьшит время ожидания товаров.

Цель исследования:ознакомление с различными видами перевозки грузов и разработка автоматизированного экологического устройства для быстрой доставки товаров с помощью конструктора LeGo WeDo 1.0.

Задачи исследования:

1. Найти информацию о грузоперевозках;

2. Познакомится с видами и особенностями грузовых перевозок;

3. Изучить проблемы, возникающие во время доставки;

4. Рассмотреть беспилотный летательный аппарат как способ быстрой доставки грузов;

5. Создать автоматизированное экологическое устройство для быстрой доставки товаров на базе конструктора Lego WeDo 1.0;

6. 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], при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3, 4].

Глава 1. Общие сведения

Грузовые перевозки

Грузоперевозки — это процесс, вследствие которого совершается перемещение (транспортировка) из одного места в другое каких-либо объектов с помощью транспорта (Рисунок 1.1.1, Приложение) [5].

Грузоперевозки – это идеальный метод транспортировки и доставки вещей, который с каждым годом становится все актуальнее и актуальнее, особенно для тех, кому нужно перевезти крупногабаритный груз [6].

Грузоперевозка в наши дни является востребованной услугой. Независимо от дальности расстояния, чтобы перевезти тяжелый груз, мебель или технику, нужно будет в любом случае вызвать автомобильный транспорт. Например, переезжая в новое жилье, придется воспользоваться грузовыми авто. Существует множество фирм предоставляющих услуги в этой сфере.

Грузоперевозки проводятся не только на местном уровне. Государству необходимо поддерживать торговые связи. Много товаров импортируется и экспортируется с помощью грузоперевозок.

Все товары от производителя покупателю проходят процедуру транспортировки, некоторые перевозятся несколько раз от склада к складу.

Опасные грузы, такие как химикаты, взрывоопасные вещества, бытовая техника, топливо – требует особенной осторожности и четкого соблюдения правил перевозки.

Качественные грузоперевозки предотвращают возникновение дефицита товаров в регионах, позволяют быстро провести переезд, как частных лиц, так и предприятий [7].

Каждую грузоперевозку в транспортных компаниях продумывают очень тщательно, учитывая все пожелания клиента. Кроме того учитываются сроки доставки, если требуется максимально быстрая перевозка разрабатывают маршруты, но и стоимость таких услуг будет существенно больше, чем обычная доставка за более продолжительное время.

Грузоперевозки необходимы всем и всегда и уже давно стали неотъемлемой частью нашей жизни.

Виды и особенности грузоперевозок

Существуют четыре основных видов грузоперевозок: водные, авиационные, железнодорожные и автомобильные (Рисунок 1.2.1, Приложение).

Водный транспорт:

Оптимальный вариант, если вам нужно переправить большое количество крупногабаритных грузов на дальние расстояния, при этом скорость транспортировки не играет существенной роли. Чаще всего таким способом перевозят грузы из одной страны в другую (морские суда), но в странах с большой территорией, в том числе в России, распространено и внутреннее судоходство — на речных судах.

В труднодоступные регионы, где нет широких судоходных рек, доставить груз водным путём невозможно. Однако, если включить в маршрут речной транспорт, можно существенно сэкономить на доставке грузов. Провести груз частично по реке, частично по железной дороге дешевле, чем преодолевать весь маршрут по железной дороге [8].

Железнодорожный транспорт:

Самый надёжный и дешёвый вид грузоперевозок из одной страны в другую, так как именно сеть железных дорог развита в нашей стране лучше всего. А ещё через Россию проходят крупные железнодорожные маршруты из Европы в Азию. Альтернативой поездам могут служить авиаперевозки, но они значительно дороже, к тому же имеют ограничения по габаритам.

Из-за высокой грузоподъёмности и низкой стоимости данного вида грузоперевозок поезда особенно часто используют в сырьевой и тяжелой промышленности [8].

Авиационный транспорт:

Транспортировка грузов самолётом или вертолётом. Самый быстрый и одновременно самый дорогостоящий вид грузоперевозок из одной точки земного шара в другую.

Авиации не страшны особенности рельефа. Горы, пустыни, моря, океаны, пропасти, — пилот может выстроить кратчайшую траекторию полёта, не переживая о препятствиях. Ни один другой вид грузоперевозок с этим не справится [8].

Автомобильный транспорт

Самый популярный вид грузоперевозок внутри страны. На автомобиле можно гибко выстроить маршрут и доставить груз даже в самый отдалённый населённый пункт. А стоимость перевозки снижается за счёт того, что не нужно загружать и выгружать товары несколько раз. Сегодня выстроить логистические цепи поставок с помощью автотранспорта задача несложная. Но важно их организовать максимально эффективно для компании для этого в современном мире существует множество IT-инструментов, которые значительно облегчают этот процесс. Безусловно, производитель может воспользоваться услугами аутсорсинга логистики, чтобы не создавать собственные непрофильные для него активы [8].

Данные виды перевозок используются в основном на дальних расстояниях. Если необходимо доставить груз на небольшие расстояния, например, по городу. То используют и другие способы доставки, например:

Мотоцикл, скутер (Рисунок 1.2.2, Приложение);

Велосипед, самокат (Рисунок 1.2.3, Приложение);

Пеший ход (Рисунок 1.2.4, Приложение).

У всех выше перечисленных видов есть как плюсы, так и минусы. Самый главный их минус, это то, что они не являются экологическими видами транспорта.

Возможно, последние являются экологическими, но они не всегда решают проблему времени доставки. Она по-прежнему может оставаться долгой. А также нет гарантии, что товар останется целым во время перевозки.

Проблемы во время доставки грузов

Основные трудности, связанные с организацией доставки можно разделить на несколько групп:

Плохие дороги, заторы на дорогах (Рисунок 1.3.1, Приложение).

Недогруз и недостаток удобных складов-терминалов:

Терминал — это полноценный логистический комплекс, ориентированный на оперативный приём, обработку и выдачу грузов, на терминале должны быть в наличии: клиентская зона, места погрузки/разгрузки, стоянки и маневрирования автотранспорта. Объектов под такие требования в свободном доступе в регионах практически нет (Рисунок 1.3.2, Приложение) [11].

Сохранность груза.

В процессе транспортировки грузы часто повреждаются, а иногда и безвозвратно теряются (Рисунок 1.3.3, Приложение).

Соблюдение сроков доставки, доставка не по адресу.

Никто не может быть застрахован от внештатных ситуаций, в результате которых заказ может прийти получателю позже заявленного срока. Но зачастую в финальный этап доставки товаров «до двери», «последнюю милю», вмешивается пресловутый человеческий фактор: он осложняется поисками адреса или стоянием в пробках, если маршрут не был проработан детально и был отдан неопытному курьеру.

Регулярно повторяющиеся задержки доставки могут нанести ущерб бизнесу: недовольные покупатели могут уйти к конкурентам и оставить негативные комментарии [10].

Вариантом решения всех этих проблем является использование беспилотного летательного аппарата (Рисунок 1.3.4, Приложение).

Беспилотный летательный аппарат - как способ быстрой доставки грузов

Беспилотный летательный аппарат - летательный аппарат без экипажа на борту.БПЛА могут обладать разной степенью автономности – от управляемых дистанционно до полностью автоматических, а также различаться по конструкции, назначению и множеству других параметров (Рисунок 1.4.1, Приложение). Управление БПЛА называют дистанционно-пилотируемым летательным аппаратом [12].

По прогнозам ряда специалистов скоро у автомобильного транспорта, который используется для выполнения грузоперевозок, может появиться серьезный конкурент в виде дронов (БПЛА). Дело в том, что такое оборудование по скорости быстрее, а по стоимости — дешевле. Еще одним преимуществом такого рода оборудования является то, что оно способно добраться даже в самые отдаленные места, куда обычный грузовик проехать не сможет. Кроме того, при использовании данной техники нет необходимости нанимать водителей и тратиться на покупку топлива. А именно эта статья расходов обычно самая высокая. Поэтому велика вероятность того, что в скором времени дроны вытеснят транспортные компании с рынка предоставления услуг по доставке грузов. Область применения дронов сегодня приближена к той, где используют обычные транспортные средства. Их допустимо использовать как для внутрипроизводственного вида доставки, так и для курьерского типа. В настоящее время дроны используются для доставки еды, лекарств, корреспонденции, то есть тех грузов, которые имеют небольшой вес. Но разработчики уже трудятся над тем, чтобы создать мощные устройства, которые будут иметь грузоподъемность более 100 кг. Для логистических компаний переход к беспилотной доставке достаточно выгоден. Ведь это позволит расширить сферу покрытия, а также существенно упростить доставку не тяжелых грузов. Некоторые специалисты, которые занимаются беспилотной авиацией, убеждены в том, что переход на доставку с использованием дронов в коммерческих целях позволит решить большое количество задач. Так, например, можно будет обеспечить более быструю доставку корреспонденции. Особенно востребованы они будут в тех областях, где есть труднодоступные места [13].

Прогнозируется, что дроны в скором времени могут стать одними из важнейших участников крупных логистических систем. В Америке некоторые торговые сети используют данное оборудование для доставки собственных товаров (Рисунок 1.4.2, Приложение). В России тоже были попытки внедрить для доставки беспилотные летательные аппараты [14].

Поэтому мы с командой решили продолжить данное внедрение. Создать свой дрон и использовать его в качестве доставки нетяжелых товаров на близких расстояниях, например доставка еды или промышленных товаров.

Глава 2. Экскурсия на склад-магазин компании «Парт-ком»

Мы начали изучать тему погрузочно-разгрузочных работ еще в ноябре 2021 года. И первым делом, чтобы придумать свое инновационное решение, мы отправились всей командой на экскурсию на склад-магазин компании «ПартКом» (Рисунок 2.1, Приложение).

Компания «ПартКом» уже много лет снабжает лучшие в своём деле автосервисы и магазины запасными частями, маслами, автохимией, дополнительным оборудованием и аксессуарами по всей России. Она имеет широчайший ассортимент автомобильных товаров: более 25 000 000 предложений «из наличия» с собственного склада и «на заказ» со складов поставщиков. Так же «ПартКом» имеет множество прямых контрактов с зарубежными производителями, что обеспечивает высокое качество продукции. Представительства компании расположены в шестидесяти регионах нашей страны [15].

Заведующий складом провел нам подробную экскурсию по складу (Рисунок 2.2, Приложение).

Рассказал нам, как работает линия консолидации (распределение товаров по адресам отгрузки). Всего на складе-магазине «ПартКом» в г. Тюмень восемь таких линий, так как город разбит на восемь территориальных сегментов. За каждой такой линией закреплён определенный район города. Сборка, упаковка заказов и погрузка в машины происходит четко по линиям.

Также мы увидели, как работают электрокары и погрузчики для палет. Вилочный погрузчик способен поднять груз на высоту до 5 метров (Рисунок 2.3, Приложение).

После экскурсии мы задали заведующему складом пару вопросов, касающихся доставки товаров. Он отметил, что в основном во время доставки проблем не возникает, разве, что пробки в городе могут препятствовать быстрой доставке. Но все же компании хотелось бы доставлять свои грузы еще быстрее.

Глава 3. Создание модели автоматизированное экологическое устройство для быстрой доставки товаров на базе конструктора Lego WeDo 1.0

3.1 Внешний вид модели

После подробного изучения всех видов и особенностей грузоперевозок, мы с командой перешли к созданию своей модели.

Наш проект мы создавали с помощью конструктора LeGo City, а также для его автоматизации мы использовали механические передачи, датчики и моторы из наборов LeGo WeDo 1.0.

Сначала мы сконструировали экологический транспорт: дрон с грузовым отсеком и механизмом (лебедка), электрический грузовик, который заряжается от солнечных батарей (Рисунок 3.1.1, Рисунок 3.1.2, Рисунок 3.1.3, Приложение).

После мы приступили к созданию города и склада с продуктами:

В проекте сконструированы два дома, один, находится далеко от склада (голубой), а второй близко (зеленый). В дом, который находится дальше, продукты отвозит электро-грузовик, а в тот, что ближе, дрон (Рисунок 3.1.4, Приложение);

Около первого дома мы создали дорогу для грузовика, сделали тротуары для жителей и посадили красивые растения. Также в дом установлен датчик расстояния, чтобы при виде грузовика он смог его останавливать (Рисунок 3.1.5, Приложение);

Возле второго дома сконструирован склад, красивые цветочки и баки для раздельного сбора мусора (Рисунок 3.1.6, Приложение);

От склада до зеленого дома установлена специальная конструкция, имитирующая полет дрона. На ней также установлен датчик расстояния, который помогает остановить движение дрона (Рисунок 3.1.7, Приложение);

На складе есть несколько отделов: хранение товаров, кабинет для обработки заказов и сортировочный центр, в котором распределяются товары по адресам (в левую сторону – для грузовика, в правую – для дрона) (Рисунок 3.1.8, Приложение).

3.2 Механические передачи в модели

Чтобы наша модель была автоматизированной, мы добавили механические передачи, моторы и датчики.

Сначала мы построили специальную дорогу для грузовика. Она состоит из пластины, гладких деталей и механической передачи – реечной. Рейка установлена на пластину сверху, ее зацепляет маленькое зубчатое колесо (8 зубчиков). Мотор вращает маленькую шестеренку, а она передает движение пластине. Пластина приходит в движение беспрепятственно, благодаря гладким деталям снизу, по ним она скользит. Реечная передача превращает вращательное движение (вращение мотора и шестерни) в поступательное (движение грузовика вперед и назад). Электрический грузовик едет до дома, как только датчик расстояния, установленный в дом, замечает движение перед собой, он тут же передает сигнал мотору и машина останавливается. На склад электрический грузовик возвращается точно также (Рисунок 3.2.1, Приложение).

После того, как грузовик удачно начал доставлять посылки, мы приступили к созданию специальной установки для полета дрона. Данная установка состоит из опор, расположенных вертикально и длинных балок, расположенных горизонтально, на них сделаны гладкие детали. Они нужны для того, чтобы дрон свободно скользил по поверхности, создавая эффект полета. Пролетает дрон от склада до зеленого дома с помощью ременной передачи. Мотор, установленный на вертикальные опоры, вращает ось, она передает вращение шкиву. Шкив с помощью ременной передачи вращает другой шкив, находящийся на другой стороне установки. Когда ремень начинает вращаться, то вместе с ним передвигается и дрон, так как он закреплен на ремень. Дрон долетает до ближнего дома, останавливаясь при помощи датчика расстояния. Он также видит перед собой движение и переедает сигнал мотору для остановки. Таким же образом дрон возвращается на склад (Рисунок 3.2.2, Приложение).

Наш летательный аппарат – дрон снабжен грузовым отсеком, который можно заполнить продуктами с помощью механизма – лебедка. Работник зацепляет за крючок пакет или коробку с заказом, катушка наматывает трос и тем самым груз поднимается и попадает в отсек дрона. В данном случае, катушка вращается за счет ручного привода (Рисунок 3.2.3, Приложение).

Так же наш сортировочный центр работает с помощью механических передач. Товар попадает на стол и уже там с помощью рычага и понижающей угловой зубчатой передачи распределяется по корзинкам (Рисунок 3.2.4, Приложение).

3.3 Программа для запуска модели

После того, как мы завершили строительство нашего проекта, мы приступили к созданию программы. Обсуждая работу наших механизмов в проекте, мы поняли, что они должны работать последовательно. Для этого в программе мы использовали передачу сообщений, потому что именно этот способ позволяет работать механизмам четко друг за другом.

Так как у нас два средства доставки в проекте, то и запускаем мы их по отдельности.

-Чтобы запустить программу грузовика необходимо нажать на цифру «1». Будет воспроизведен звук и передастся сообщение «едь».

-Программа с ожиданием данного сообщения начнет работать: первый мотор с мощностью 4 начнет вращать реечную передачу. Соответственно начнет двигаться электрический грузовик. После 3-х секунд грузовик остановится и подождет 7 секунд, пока не заберут заказ. Мотор с мощностью 4 начнет двигать пластину с грузовиком в обратную сторону. И через 3 секунд он остановится.

-Письмо «едь» также получит и другая программа. Она необходимо для того, чтобы датчик расстояния при приближении и отдалении машины выводил ее зарядку на экран. Когда она едет к дому, ее заряд увеличивается, потому что она заряжается от солнышка. Обратно грузовик уже возвращается по темноте и его заряд снижается.

-Чтобы отправить заказ на небольшое расстояние, на дроне, необходимо нажать на цифру «2». Прозвучит звук и отправится письмо с сообщением «лети».

-Другая программа это сообщение получит, и второй мотор начнет с мощностью 4 вращаться по часовой стрелке. Дрон будет лететь до того момента, пока датчик расстояния под номером 2 не обнаружит его. Через 1 секунду после обнаружения, мотор остановится. Подождет 7 секунд для разгрузки и с мощностью 5 начнет вращать ремень с дроном в обратную сторону. Работа мотора продлиться 9 секунд, после мотор остановится.

Также в программе содержаться несколько комментариев, для быстрого ориентирования в ней (Рисунок 3.3.1, Приложение).

3.4 Демонстрация доставки товаров с помощью модели «Автоматизированное экологическое устройство»

Для демонстрации нашего проекта мы украсили модель. Добавили LeGo-человечков (работники склада, жители города), обустроили склад (установили рабочее место с компьютером, полки для товаров), сконструировали деревья и цветы, создали жилые дома и придомовую территорию.

Итоговый вид нашей работы представлен на (Рисунок 3.4.1, Приложение). Видео запуска проекта «Автоматизированное экологическое устройство для быстрой доставки товаров на небольшие расстояния на базе конструктора Lego Wedo 1.0» вы можете посмотреть по ссылке: https://drive.google.com/drive/folders/1BVJBuFJSRtHHMa4n-n7huN-0E22etxYd .

На склад поступает заказ, если заказчик находится далеко от склада, то работники с помощью сортировочной установки отправляют продукты в корзинку слева. Грузчики заполняют электрический грузовик продуктами и отправляют машину на заказ. Она движется с помощью механизма – реечная передача. В том случае, когда заказчик живет близко к складу, то продукты в сортировочном центре попадают в правую корзинку. Там упаковщик аккуратно складывает товар в пакет или специальную коробку, надевает на крючок. И механизм лебедка поднимает заказ в грузовой отсек летательного аппарата. С помощью ременной передачи дрон доставляет товар до нужного адреса и также возвращается обратно на склад.

Наш склад с экологическими способами доставки (дрон и электрический грузовик) поможет уменьшить количество выбросов в атмосферу, разгрузить дороги, а также значительно уменьшит время доставки.

Заключение

Познакомившись с понятием «грузоперевозки», рассмотрев виды и их особенности, мы узнали, что существуют четыре основных вида грузоперевозок: водные, авиационные, железнодорожные и автомобильные. Данные виды перевозок используются в основном на дальних расстояниях. Если необходимо доставить груз на небольшие расстояния, например, по городу. То используют и другие способы доставки.

Но самый главный минус почти всех способов доставки, это то, что они не являются экологическими. А также из-за постоянно возникающих проблем, заказы приходят не вовремя.

Изучив все часто возникающие проблемы, мы с командой нашли решение! Наш склад с автоматизированными экологическими устройствами: летательный аппарат (дрон) и электрический грузовик помогут решить ряд проблем. С помощью дрона значительно уменьшится время доставки. Клиенты будут довольны, что им привозят всегда все во время и смогут рассчитывать время на себя и на какие-то другие дела. Также разгрузятся дороги, станет немного меньше машин. А значит и вредных веществ, будет выделяться меньше. Грузовик хоть и будет ездить по дороге и доставлять товары на дальние расстояния, но он будет электрический и заряжаться сможет от солнечных лучей. Это тоже очень поможет экологии!

Для нашего проекта мы использовали конструктор из наборов Lego WeDo 1.0 и Lego City. В нашей работе были простые механизмы: ось, малая и средняя шестерни, рейка и шкив. А также сложные механические передачи: понижающая угловая зубчатая передача, реечная передача, осевая передача, ременная передача, лебедка. Для запуска проекты мы создали программу в среде LegoWeDo 1.0, одновременно подключая к компьютеру 2 мотора и 2 датчика расстояния.

Наш проект «Автоматизированное экологическое устройство для быстрой доставки товаров на небольшие расстояния» мы считаем актуальным и вполне применимым при перевозке грузов.

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;

Интернет источники

https://этоделотехники.рф/среда-программирования-lego-wedo-2-0-описание-б/

https://ru.wikipedia.org/wiki/Грузоперевозки

https://www.km.ru/avto/2021/07/11/889298-zachem-nuzhny-gruzoperevozki

https://successfulauto.ru/stati/sovety/310-o-gruzovikakh/1162-dlya-chego-nuzhny-gruzoperevozki.html

https://dot-dot.ru/blog/Vidy%20-ruzoperevozok-kak%20vybrat-podkhodyashchiy-variant

https://integral-russia.ru/2017/03/24/kommercheskaya-dostavka-gruzov-s-pomoshhyu-dronov-mirovoj-opyt/

https://www.topdelivery.ru/blog/4-osnovnye-problemy-s-dostavkoy-zakazov-sovety-internet-magazinam/

https://igrader.ru/gruzoperevozki/povezyot-ne-povezyot/

https://infourok.ru/proekt-na-temu-bespilotnye-letatelnye-apparaty-bpla-4359633.html

https://perevozka24.ru/pages/ispolzovanie-dronov-dlya-dostavki-gruzov

https://perevozka24.ru/pages/ispolzovanie-dronov-dlya-dostavki-gruzov

https://www.part-kom.ru/about/

Приложение