XVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке. Летняя площадка 2022

Грузовой вертолет с возможностью погрузки и разгрузки посылок без приземления на водный транспорт на базе конструктора Lego Wedo

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Жуков Л.Д. 1Жуков Д.Д. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Корякина П.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейн"

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире очень популярна система заказов с возможностью доставки. Отправить и получить можно практический любой груз в любую точку земного шара (планета Земля).

На сегодняшний день развитие технологий позволяет перевозить грузы с помощью автомобильного и железнодорожного, а также морского и авиатранспорта. Выбор способа перевозки грузов зависит, как от специфики и объема груза, так и от скорости, с которой необходимо этот груз доставить к месту назначения. Также учитывается расстояние, наличие транспортных путей, погодные условия и др.

В большей степени, грузы доставляют автомобильным и железнодорожным транспортом в пределах проложенных путей. Вследствие этого, мы решили изучить проблему доставки грузов в труднодоступные и отдаленные места, например, на корабль, находящийся в долгом плавании по океану.

Цель исследования: Разработать и смоделировать грузовой вертолет с возможность погрузки и разгрузки посылок без приземления на водный транспорт на базе конструктора Lego Wedo 1.0

Задачи исследования:

Изучить виды и особенности грузовых перевозок

Расширить знания о грузовых вертолетах

Создать проект с грузовым вертолетом, оснащенным автоматизированными элементами из конструктора Lego

Протестировать работу проекта

В качестве источников информации мы использовали информационные сайты: http://dispetcher-gruzoperevozok.info и https://akyamal.ru. Посещение экскурсии на склад магазин компании «ПартКом» дало нам множество идей для оформления проекта. При конструировании подвижных элементов проекта нам помогли книги и методические пособия по образовательной робототехнике [1].

Глава 1. Грузоперевозки. Виды, особенности, транспорт.

За всё время существования человечества можно выделить три революции в развитии грузоперевозок, и на подходе четвёртая. В ближайшее время идут разработки беспилотных электрогрузовиков.

1. Изобретение колеса существенно упростило процесс перемещения грузов.

2. Приручение человеком некоторых животных для перевозки тяжестей (появился домашний скот). В результате отпала необходимость тратить собственные силы на перевозку товаров.

3. Изобретение и изготовление транспортных средств. Это позволило уменьшить время грузоперевозки в несколько раз и, опять-таки, уменьшило затраты человеческих сил. В настоящее время, когда технологии с каждым днём становятся все совершенней и совершенней, перевозить грузы можно в любых количествах и на любые расстояния.

Грузоперевозки – процесс, в результате которого совершается перемещение с места на место каких-либо объектов при помощи транспорта.

Выделяют 4 основных вида грузоперевозок:

– железнодорожные;

– автомобильные;

– авиаперевозки;

– грузоперевозки водным транспортом.

Далее рассмотрим каждый вид грузовых перевозок:

Железнодорожные грузоперевозки – перевозка груза на поездах (Приложение, Рисунок 1.2).

Они являются очень экономичными и дают огромные возможности для перевозки достаточно больших объектов. Почти весь транспорт проигрывает по своим характеристикам грузоподъемности железнодорожному транспорту. Это позволяет быть ему одним из самых популярных в горнодобывающем производстве и в тяжелой промышленности.

Среди плюсов можно выделить:

– грузоподъемность;

– защита от погодных условий, движение по графику, независимость от внешних условий;

– разветвленная сеть путей;

– высокая степень сохранности груза;

– простая, удобная организация проведения перегрузочных, разгрузочно-погрузочных работ.

К минусам относятся:

– невысокая скорость перевозок на небольшие расстояния;

– отсутствие мобильности;

– возможность потери или повреждения груза из-за сцепки вагонов;

– ограниченное количество перевозчиков, повышение тарифов, отсутствие конкурентов.

Автомобильные грузоперевозки – перевозка груза с помощью автомобильного транспорта (тягач, фура) (Приложение, Рисунок 1.2). Этот вид перевозки грузов является одним из самых популярных, посредством которого в любую точку страны производится доставка продуктов, бытовых товаров, стройматериалов. Чтобы определиться со способом транспортировки, важно учитывать достоинства и недостатки автоперевозок.

К достоинствам можно отнести:

– скорость доставки;

– гибкость при планировании маршрута;

– отсутствие промежуточных операций в пути следования груза;

– доступность (дешевый вид транспорта);

– разнообразие грузов (многообразие видов грузовых автомобилей);

– удобная разгрузка,

– мобильность;

– связующее звено в цепочке смешанных перевозок.

К недостаткам относят

– сезонность (ограничение географии в зимний период);

– затраты на топливо;

– зависимость доставки от качества дорог;

– аварийные ситуации.

Авиационные грузоперевозки – перевозка груза воздушным транспортом (самолетом, вертолетом) (Приложение, Рисунок 1.3).

Среди плюсов можно выделить:

– быстрая скорость доставки;

– высокая сохранность груза, надежность;

– возможность доставки в отдаленные районы, перемещение на большие расстояния, несмотря на любые географические препятствия (горы, моря).

К минусам относятся:

– высокая стоимость;

– зависимость от погодных условий;

– доставка только до аэропорта (нет возможности привести товар по точному адресу заказчика).

Таким образом, основные грузы, перевозимые воздушным транспортом, - либо дорогостоящие, либо скоропортящиеся товары, когда высокие транспортные расходы оправданны. Потенциальными объектами грузовых авиаперевозок являются также такие, как сборочные детали и компоненты, товары, продаваемые по почтовым каталогам.

Водные грузоперевозки (Приложение, Рисунок 1.4). Здесь принято разделение на глубоководное (океанское, морское) судоходство и внутреннее (речное). Главное преимущество водного транспорта — это способность перевозить очень крупные грузы. При этом используют два типа судов: глубоководные (нуждаются в портах с глубоководными акваториями) и дизельные баржи (обладают большей гибкостью).

К достоинствам можно отнести:

– нет габаритных ограничений;

– возможность межконтинентальной перевозки (морские);

– высокая провозная способность;

– незначительный расход топлива, так как движение между портами происходит по кратчайшему пути;

– низкая, по сравнению с другими видами транспорта, стоимость перевозок (особенно на значительные расстояния).

К недостаткам относят:

– низкая скорость перевозки;

– ограниченная возможность доставки к пунктам назначения (только до морских и речных прибрежных пунктов, пристаней и портов);

– жесткие требования к упаковке и креплению;

– сезонность перевозок (речные), нерегулярность сообщения из-за климатических условий;

– извилистость речных путей, что удлиняет в 3-3,5 раза путь по сравнению с другими линиями;

– из-за неравномерности глубины речных водных путей низкая загруженность судов.

Глава 2. Грузовой вертолет как способ быстрой доставки груза в труднодоступные места.

Перевозка грузов авиатранспортом является удобным и практичным способом перемещения любых грузов в любые пункты назначения. Среди главных преимуществ авиагрузовых перевозок, несомненно, можно выделить скорость и надежность.

Вертолёт способен приземлиться практически в любом труднодоступном месте. Это упрощает доставку грузов в зоны с ограниченной видимостью, отсутствием полноценной взлётно-посадочной полосы поблизости, автомобильной дороги, порта и прочее. Фактически вертолёт, если в этом возникнет необходимость, может сесть посреди леса, на горной вершине или даже на плавающей барже посреди моря, озера или реки.

Вертолеты стали незаменимыми при доставке срочных грузов. В зависимости от воздушного судна грузоподъёмность вертолетов может варьироваться от 4 до 20 тонн. Перевозка грузов воздушным транспортом, когда требуется зависать на месте, разворачиваться, лететь горизонтально, перемещаться из стороны в сторону и пр. – под силу на данный момент только вертолетам.

Можно выделить следующие преимущества, которыми характеризуются вертолётные грузоперевозки:

– высокая скорость доставки, которая уступает только самолётам;

– способность оперативно доставить груз на небольшое расстояние;

– возможность осуществлять вылеты в отдалённые районы;

– техническая способность совершать посадку и взлёт в условиях очень ограниченного пространства;

– можно осуществлять перевозку как габаритного, так и негабаритного груза, включая другую технику, контейнеры и не только;

– адаптированность к полётам в горной местности;

– перелёты на любые расстояния, но при наличии возможности дозаправки по пути.

Транспортировка грузов вертолетами может осуществляться как внутри машины, так и снаружи. При использовании грузовых вертолетов погрузка внутрь машины осуществляется через специальные створки в хвостовой части (Приложение, Рисунок 2.1). В тех же случаях, когда по габаритам груз не подходит для перемещения внутри вертолета, но подходит для данной машины по грузоподъемности, то возможно осуществление доставки на внешней подвеске вертолета.

Внешняя фиксация груза снаружи осуществляется с помощью специальных кронштейнов, тросов и систем фиксации (Приложение, Рисунок 2.2). Некоторые их них оснащены автоматическими замками, что позволяет по прибытию на объект отцепить груз нажатием специальной кнопки в кабине пилота, без участия людей на земле.

Разгружать можно и вручную с помощью человеческой силы, либо же спецтехникой в виде вилочных погрузчиков или других машин. В этом случае достаточно усилий одного человека, который будет управлять погрузочно-разгрузочной машиной.

Внешняя подвеска вертолета дает возможность надежно и очень быстро закрепить любой груз. Но при таком виде перевозки необходимо обязательно учитывать погодные факторы, дальность полета, особенности расположения вертолетных площадок. Внешние факторы могут усугубить ситуацию. Представьте себе контейнер, гружёный разными товарами и предметами, который начинает раскачиваться от сильного ветра. Резкий порыв или ошибка пилота могут привести к непредсказуемым последствиям. В лучшем случае это потеря груза. В худшем — это авиакатастрофа.

Способ транспортировки на внешнем подвесе используется при недостаточном объеме грузовой кабины, а также при невозможности совершить посадку для наземных погрузо-разгрузочных работ. В целях безопасности при наружном расположении груза маршрут движения вертолета прокладывают преимущественно вне населенных пунктов.

Если масса груза больше грузоподъемности транспортного средства, то используют одновременно два вертолета, на которых крепят общий внешний подвес. Это позволяет распределить нагрузку между двумя машинами. Любой полет с использованием подвеса предусматривает движение на высоте 150 и более метров.

Из сказанного выше видим, что вертолетные грузоперевозки успешно заполняют ниши недоступные для перевозок другими видами транспорта и при этом отлично справляются с возложенными на них задачами. Обладая явными преимуществами, среди которых: скорость, маневренность, безопасность, доступность. И хотя перевозка вертолётом является эффективной и порой безальтернативной, к ней предъявляются повышенные требования, определённые условия и ограничения.

Глава 3. Экскурсия на склад магазин компании «ПартКом»

Множество идеи к нам пришло после посещения экскурсии склада магазина компании «ПартКом» (г.Тюмень) – одной из ведущих в России дистрибьютерских групп Autodistribution Russia по оптовым поставкам автомобильных компонентов. В состав Группы AD Russia входят восемь независимых компаний, которые готовы оперативно поставить своим клиентам свыше 200 000 наименований автомобильных запасных частей, качество которых полностью соответствует оригинальной продукции, поставляемой на сборочные конвейеры мировых автогигантов, производителей автомобилей: BMW, Ford, GM, Renault, Toyota, VW и др.

Компания «ПартКом» уже много лет снабжает лучшие в своём деле автосервисы и магазины не только запасными частями, но и маслами, автохимией, дополнительным оборудованием и аксессуарами.

Магазин-склад на своей территории организует сортировку, хранение, а также осуществляет доставку товара в разные районы города с высокой точностью и минимальным временем, используя современную технику и компьютерные технологии. На предприятии применяются:

1. Система ТСД – автоматизированная система поиска товара на складе по штрих-кодам. Система исключает возможность ошибки при отгрузке товара.

2. Линия консолидации: всего 8 линий. За каждой закреплен определенный район города. Сборка, упаковка заказов и погрузка в машины происходит четко по линиям. Система ТСД так же не даст кладовщику поместить товар на другую линию.

3. ПРО: электорокары, погрузчики для палет.

Во время экскурсии мы узнали, что для непрерывной поставки в первую очередь нужен хаб. Хаб – это огромный город из складов, в котором выполняется все операции по обработке грузов: прием, сортировка, хранение и дальнейшая доставка (Приложение, Рисунок 3.1). Далее из хаба посылка/товар/груз доставляется в отдельный меньший по размеру склад, который закреплен за каждым районом города. В таком складе также груз обрабатывается и отправляется до места назначения.

Как работает склад? Основные работы на складе связаны с перемещением товара из одного места в другое: разгрузка – сортировка – хранение – отгрузка/выдача товара (Приложение, Рисунок 3.2).

Чтобы не потерять товар используют систему сбора данных. Терминал ТСД – это быстрый и безошибочный поиск товара на складе по штрих-коду (Приложение, Рисунок 3.3.). За счет такой системы возможна также сортировка товара – распределение товара по категориям. Сортируемые грузы как правило раскладывают по контейнерам, коробкам, лоткам или отдельно упаковывают.

Чтобы товар непрерывно перемещался по складу используют специальное оборудование – конвейерную систему (Приложение, Рисунок 3.4). При помощи конвейерной ленты или тележки груз может перемещаться автоматически по складу.

В завершение экскурсии для нас осуществили демонстрацию работы вилочного погрузчика, ответили на интересующие нас вопросы, предоставили возможность воспользоваться системой ТСД и сделать памятные фотографии (Приложение, Рисунок 3.5).

Глава 4. Грузовой вертолет с возможностью погрузки и разгрузки посылок без приземления на водный транспорт на базе конструктора Lego Wedo.

4.1. Создание проекта из конструктора Lego Wedo

Идеи при создании проекта к нам пришли после посещения склада-магазина компании «ПартКом».

Наш проект называется «Грузовой вертолет с возможностью погрузки и разгрузки посылок без приземления на водный транспорт», он сконструирован из конструктора LEGO (Приложение, Рисунок 4.1.1). Данный проект представляет вариант решения доставки грузов на корабль, находящийся в долгом плавании по океану с помощью грузового вертолета, осуществляющего погрузку или разгрузку товара без приземления.

Создание проектной модели осуществлялось в 3 этапа:

1 – конструирование основы, используя привычные элементы LEGO;

2 – усложнение конструкции за счет применения механических передач, подключения моторов и датчиков;

3 – программирование задействованных движущихся механизмов.

На предварительном этапе обсуждения проекта было принято решение рассмотреть путь прохождения отправлений посредством использования грузового вертолета с возможностью погрузки/разгрузки без приземления на водный транспорт (грузовая баржа). В данном случае приоритетным является – сокращение времени доставки и получение товара.

На 1-ом этапе из элементов LEGO конструировались следующие объекты модели: 2 грузовика, конвейер, сортировочный центр, складское помещение, магнитный кран (манипулятор), вертолет и вертолетная вышка, грузовая баржа.

На 2-ом этапе в проектной модели были задействованы: 2 мотора, 2 коммутатора и 1 датчик расстояния. При организации элементов проекта использовались следующие механизмы: зубчатая передача (конвейерная лента) и понижающая ременная передача, механизм лебедки (вертолет, оснащенный катушкой).

На 3-м этапе для движущихся элементов конвейера и вертолета в рассматриваемой модели прописывались программные блоки соответствующих информационных кодов. После составления программы для работы задействованных механизмов осуществлялось их тестирование. При выявлении дефектов и неисправностей следовало их устранение с последующей корректировкой программы.

Неподвижная часть проекта сделана из конструктора Lego City, подвижные элементы в сортировочном центре и вертолете сконструированы на базе набора Lego WeDo 1.0.

В нашем проекте задействовано 2 мотора, 2 коммутатора и 1 датчик наклона.

Доставка грузов в нашем проекте начинается с автоматизированного сортировочного центра, обеспечивающего условие, при котором каждый груз попадает к своему получателю.

Малый грузовик доставляет посылки на автоматизированный сортировочный центр (Приложение, Рисунок 4.1.2). При выгрузке посылок запускается конвейерная лента, направляющая грузы в сортировочную зону (Приложение, Рисунок 4.1.3). Конвейер начинает работать после того, как датчик расстояния заметит грузовик, пришедший на разгрузку. Мотор1 запускает зубчатую передачу и тем самым приводит конвейер в движение (Приложение, Рисунок 4.1.4).

Груз проходит путь по конвейеру и поступает в сортировочную зону, там его проверяют на сохранность и целостность (Приложение, Рисунок 4.1.5 – сортировочная зона). Если отправление отвечает всем заданным критериям, то оно перенаправляется в «зеленый» отсек склада, в противоположном случае – в «синий» отсек. Данная часть проекта работает с помощью зубчатой угловой передачи и рычага-толкателя (Приложение, Рисунок 4.1.6).

Груз, прошедший данную проверку, зацепляется манипулятором и отправляется на грузовой автомобиль (Приложение, Рисунок 4.1.7). Автомобиль доставляет посылку к месту приема и передачи груза вертолету (Приложение, Рисунок 4.1.8).

Когда автомобиль готов к передаче груза, у вертолета опускается трос с помощью понижающей ременной передачи и механизма лебедки (Приложение, Рисунок 4.1.9). Трос опускается на нужную длину и Мотор2 останавливается. Далее происходит подцепление груза, затем трос наматывается на катушку и поднимает груз.

Вертолет готов к транспортировке. Далее отправляется в путь до нужного морского судна (Приложение, Рисунок 4.1.10). В пункте назначения вертолет «зависает» в воздухе. Груз опускается, а после выгрузки поднимается, с помощью ременной понижающей передачи и механизма лебедка (Приложение, Рисунок 4.1.11). Груз доставлен!

В тестовом режиме наш проект работает именно так, как мы задумали. Все механизмы подобраны правильно, обеспечивают исправную работу всех подвижных элементов как в сортировочном центре, так и на самом вертолете.

3.2. Создание программы для управления моделью

Написание программного кода для работы сортировочного центра и вертолета осуществлялось в специальном ПО – LegoWeDo. (Приложение, Рисунок 4.2.1).

В нашей проектной модели предусмотрены 2 схемы программ:

Единая блок-схема для обеспечения движения Мотора1, применяемого при движении конвейерной ленты.

Первая программа отвечает за работу конвейера. Запуск осуществляется после нажатия клавиши на клавиатуре «цифра 1». Мотор1 начинает движение после того, как датчик расстояния замечает малый грузовик. Мотор1 запускает сложный механизм – зубчатую передачу, а она запускает конвейерную ленту. Мотор1 работает против часовой стрелки в течение 5 секунд, затем отключается.

2) Три блок-схемы - для спуска/подъема груза на вертолетном тросе и остановки Мотора2, приводящего в движение катушку.

При нажатии клавиши «стрелка вверх» Мотор2 начинает свою работу по часовой стрелке. Данная программа осуществляет наматывание троса и подъем груза, запуская два сложных механизма – ременную понижающую передачу и лебедку.

При нажатии клавиши «стрелка вниз» Мотор2 начинает движение против часовой стрелки, тем самым осуществляя разматывание троса и опускание груза с помощью механизмов, перечисленных в программе выше.

Остановка работы троса осуществляется с помощью Мотора2. Он запускается при нажатии клавиши «цифра 0».

Заключение

Наша команда подробно рассмотрела и изучила виды и особенности грузовых перевозок. Мы выяснили, что грузовые перевозки очень актуальны и распространены по всему миру. Осуществляют доставку посылок четыре основных вида транспорта: железнодорожный, автомобильный, авиационный и водный. Каждый вид имеет свои преимущества и недостатки.

Также мы узнали о процессе сортировки грузов на сортировочных центрах и складах. На экскурсии мы убедились в сложности данного процесса, который требует четкости, аккуратности, ответственности и непрерывности, а также соблюдения правил хранения и транспортировки.

Мы расширили свои знания о грузовых вертолетах, познакомились с их особенностями и узнали о том, что они являются удобным и практичным способом перемещения любых грузов в любые пункты назначения, т.к. обладают высокой скоростью и способностью приземляться практически в любом труднодоступном месте.

Наша команда разработала и создала свою модель «Грузовой вертолет с возможностью погрузки и разгрузки посылок без приземления на водный транспорт» с подвижными элементами на базе конструктора Lego WeDo 1.0, которая в дальнейшем смогла бы решить проблему доставки грузов на корабли, находящиеся в долгом плавании.

Тестирование подвижных элементов на основе механических передач прошло успешно. Мы смогли подобрать нужные и правильные механизмы, способные обеспечить бесперебойную работу сортировочного центра и работы вертолета. Программный код претерпел несколько изменений, чтобы работа сортировочного центра и вертолета была бесперебойной и точной.

Наш проект «Грузовой вертолет с возможностью погрузки и разгрузки посылок без приземления на водный транспорт» – это качественная сортировка, а также быстрая и удобная доставка грузов в труднодоступные места.

Список использованных источников и литературы

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

В.М.Беляев «Грузовые перевозки», М.: Изд.центр Академия, 2011г.

http://dispetcher-gruzoperevozok.info/chto-takoe-gruzoperevozki-vidy-gruzoperevozok/

https://lawtrans.ru/avia/perevozka-gruza-vertoletom

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

https://wareteka.com.ua/blog/logisticheskij-hab-bolshe-chem-prosto-sklad/

Приложение