XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Самодельные управляемые объекты
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность темы исследования. С каждым годом количество перевозимых грузов по стране увеличивается, в связи с этим возрастает многократно автопарк, задействованный в перевозках, при этом увеличивается нагрузка и на водителя. Из-за этого актуальным становится развитие беспилотных транспортных средств, способных перевозить автогрузы на дальние расстояния.
Целью работы является разработка и конструирование действующей модели автомобиля, который с помощью ультразвукового датчика сможет самостоятельно на своем пути определять препятствия, останавливаться, менять траекторию и объезжать их
Для выполнения цели необходимо решить поставленные задачи:
1. Разработать 3D-модель самоуправляемой машинки.
2. Напечатать ее на 3D-принтере.
3. Расположить микросхемы на модели, спаять их.
4. Написать программу и запрограммировать действующую 3D модель.
5. Покрасить действующую модель.
6. Провести испытания действующей 3D-модели.
Объект исследования: беспилотные управляемые объекты.
Предмет исследования: машина, управляемая ультразвуком.
Методы исследования: Теоретические: анализ литературы, аналогия, конкретизация, моделирование. Практические: измерение, наблюдение.
Теоретическая значимость проекта заключается в том, что благодаря самостоятельно разработанной действующей 3D-модели машины с искусственным интеллектом при испытаниях можно понять, какие совершены ошибки, чтобы все недочеты в дальнейшем были исправлены. Это позволит создавать настоящие машины, безошибочно выполняющие заданные им функции. Беспилотные автоматически управляемые объекты в современной жизни имеют огромное значение не только в технологических процессах, повышая качество выполняемых работ, но и в полевых условиях.
Основная часть
Теоретическая часть
Из истории. В ноябре 1914 года Военное министерство Германии поручило Комиссии по транспортным технологиям (нем. Verkehrstechnische Prüfungskommission) разработать систему дистанционного управления, которая могла бы устанавливаться как на корабли, так и на самолёты. Проект возглавил Макс Виен, профессор Йенского университета, а основным поставщиком технологий стала компания «Siemens & Halske». Менее чем за год испытаний Виену удалось разработать технологию, годную для практического применения на флоте, но «недостаточно надёжную в условиях радиоэлектронного противодействия», а также «недостаточно точную для авиационного бомбометания». «Siemens & Halske» продолжила авиационные эксперименты и в 1915-1918 годах произвела более 100 дистанционно управляемых по проводам планёров, которые запускались как с земли, так и с дирижаблей и могли нести торпедную или бомбовую нагрузку до 1000 килограмм. Позже наработки «Siemens & Halske» были применены компанией «Mannesmann-MULAG» в радиоуправляемом бомбардировщике проекта «Летучая мышь» (нем. Fledermaus). Этот многоразовый БПЛА имел радиус действия до 200 км и мог нести нагрузку до 150 кг. Управление полётом и сбросом бомб производилось с земли, и аппарат мог быть возвращён к точке старта, после чего должен был приземлиться с помощью парашюта.
В 1916 году по заказу ВМФ США изобретатель гирокомпаса Элмер Сперри занялся разработкой «автоматического аэроплана Хьюитта-Сперри» - «летающей бомбы», несущей до 450 кг взрывчатки. Одновременно по заказу армии США компания «Дэйтон-Райт» разработала «авиаторпеду Кеттеринга» - управляемый часовым механизмом самолёт, который в заданный момент должен был сбрасывать крылья и падать на вражеские позиции. Над несколькими аналогичными проектами по заказу правительства Великобритании работал и профессор Арчибальд Лоу, «отец радиоуправляемого полёта», изобретатель дистанционно управляемой ракеты и позднее руководитель проекта «Larynx».
В итоге ни США, ни Германия, ни другие страны в боевых действиях Первой мировой БПЛА не применяли, но идеи, заложенные в те годы, позже нашли применение в крылатых ракетах.
Представленный проект основан на работе ультразвукового датчика, принцип которого встречается в природе: им пользуются летучие мыши. Так как данные млекопитающие обладают достаточно слабым зрением, поскольку живут в темноте пещер, отправляясь на охоту, издавая на лету звуки с определенной, неслышимой для человека, частотой. Звуки издаваемые мышью отражаются от различных поверхностей, затем отражаясь, возвращаются обратно к мыши.
Летучая мышь своим же слухом улавливает отраженные звуки и, основываясь на том, как быстро звук вернулся с той или иной стороны, определят не только местоположение, но и расстояние до окружающих ее объектов.
В ходе работы над проектом был использован ультразвуковой датчик HC-SR04. Данный датчик способен излучать и принимать ультразвуковые волны. Это свойство помогает ему измерять расстояние до определенных объектов. Действие данного ультразвукового модуля основано на принципе эхолокации. Датчик испускает звуковой сигнал в заданном направлении, а затем ловит отраженный сигнал. Датчик выпускает ультразвук с частотой 40 килогерц который распространяется узконаправленно. Диапазон измерения данного датчика составляет от 2 см до 4 метров. Помимо ультразвукового датчика в проекте используется небольшое количество микросхем, таких как плата ардуино уно, контроллер L298M и других.
Ряд производителей в данный момент разрабатывают свои версии беспилотных автомобилей используя в том числе датчики ультразвука. Например машинка выполненная АО «НПО автоматики имени академика Н.А. Семихатова».
Также Илоном Маском и его командой была разработана машина тесла, которая работает при помощи ультразвуковых датчиков.
Компания kamaz тоже не ушла далеко и разработала проект: Микроавтобус.
Приведенные примеры убедительно показывают широкое применение беспилотных автомобилей в промышленности, а также на дорогах страны, но в ограниченных территориях. Можно увидеть беспилотные вагоны на рельсах в международных аэропортах и транспортных терминалах. Думается, что в ближайшем будущем данный вид транспорта будет расширяться.
Практическая часть проекта.
Самостоятельная разработка действующей беспилотной модели автомобиля.
В практической части работы мною произведены разработка и конструирование 3D-модели автомобиля, которая с помощью ультразвукового датчика способна самостоятельно определять препятствие, останавливаться и преодолевать его с помощью ультразвукового датчика.
Первым делом я определился с внешним видом устройства и спроектировал его 3D-модель в САПР редакторе. Предсталено на рисунке ниже.
Затем я напечатал корпус на 3D-принтере из ударопрочного красного пластика. На печать машинки ушло более 20 м пластика. Ниже на рисунке обозначены основные детали модели.
Далее при помощи паяльника я спаял плату ардуино уно, микроконтроллер, ультразвук, отсек для батареек и другие электронные компоненты. После этого поместил их в корпус машинки.
Следующим этапом я программировал машинку на базе ардуино иде,
программный код получился в 92 строки, изменять и настраивать код приходилось более 8 раз, чтобы избежать впоследствии ошибок при испытаниях модели. Ниже представлена программа работы модели.
Заключительным этапом работы над проектом была покраска автомобиля, я красил его акриловой краской. Всего было использовано 6 цветов.
Заключение.
В результате выполнения проекта действующая 3D-модель машинки с искусственным интеллектом начинает движение, при виде препятствия анализирует его, а затем объезжает.
Все вышеперечисленные задачи проекта были решены, цель достигнута.
В ходе проекта я улучшил свои навыки в создании 3D-модели, научился правильно переносить модель на 3D принтер и печатать. В ходе проекта я научился паять, разобрался с принципом работы ультразвука и других микросхем, а также улучшил свои навыки в сфере программирования. Получил большое количество опыта и знаний.
Моя тема имеет продолжение: в перспективе планирую значительно увеличить модель машинки в размерах, создать приложение в телефоне, в котором можно указать маршрут, благодаря чему модель будет следовать по заданному маршруту, а также увеличить количество датчиков, чтобы машинка работала без сбоев
Список использованной литературы и интернет-источники:
-
https://alexgyver.ru/
-
https://kit.alexgyver.ru/tutorials/motor-driver/
-
https://www.youtube.com/watch?v=6JqDreoGcGM
-
https://www.forbes.ru/tehnologii/360953-umnye-mashiny-kak-iskusstvennyy-intellekt-menyaet-avtorynok
-
https://www.google.com/search?
-
https://workproekt.ru/struktura-proekta/vvedenie-proektnoy-rabotyi/
Приложение
Дополнительные фотографии 3D модели машинки, действие которой основано на ультразвуке