XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Автоматизированное рыболовное судно на базе конструктора Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Карпенко И.Д. 1Антипин Д.А. 1Бобылев М.Р. 1Полянский Н.С. 1

---

1Школа интеллектуального развития мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Автоматизация рыболовного производства имеет большое значение в следующих аспектах:

1. Развитие рыбной промышленности: разработка автоматизированного рыболовного судна может произвести революцию в рыбной промышленности за счет повышения эффективности, производительности и устойчивости. Это может оптимизировать рыболовные операции, уменьшить человеческий фактор и улучшить общий процесс рыбалки.

2. Воздействие на окружающую среду. Автоматизация рыболовных судов может помочь свести к минимуму негативное воздействие на морские экосистемы. Передовые технологии могут обеспечить более точные и избирательные методы рыболовства, уменьшая прилов и защищая исчезающие виды.

3. Безопасность и условия труда: Автоматизация может способствовать повышению безопасности и условий труда рыбаков. Снижая потребность в ручном труде при выполнении опасных задач, можно свести к минимуму риск несчастных случаев и травм.

Мы заинтересовались данной темой и решили разработать модель автоматизированного рыболовного судна с помощью конструктора Lego Spike Prime. Это может способствовать передаче технологий в рыбную промышленность, способствуя внедрению автоматизации в различных рыболовных операциях.

Цель: создание модели инновационного автоматизированного рыболовного судна на базе конструктора Lego Spike Prime.

Задачи:

-Изучить основные методы лова рыбы с борта рыболовных судов

-Выделить основные виды судов

-Определить задачи для судоводителя рыболовного судна в процессе поиска и облова рыбных скоплений

-Изучить способы автоматизации процесса управления движением рыболовного судна и орудиями рыболовств

-Разработать инновационное решение автоматизации рыболовного судна

-Создать модель судна на базе конструктора Lego Spike Prime.

-Создать программу в ПО Lego Spike Prime для демонстрации работы модели

Глава 1. Методы ловли рыбы

Типы рыболовных судов обычно определяются предполагаемыми методами рыбной ловли. Некоторые рыболовные суда проектируются под какой-нибудь один способ рыбного промысла, другие суда являются многоцелевыми и могут применять различные рыболовные снасти (более двух видов). Ниже перечислены следующие основные методы лова рыбы с борта рыболовных судов, а именно:

1.Постановка донного трала на рыбу
2.Разноглубинное траление рыбы
3. Замётывание в воду кошелькового невода для ловли рыбы

4. Бессетевой лов рыбы (крючковыми орудиями лова)
5. Лов рыбы объячеивающими (жаберными) сетями
6. Рыбная ловля на спиннинг с борта моторных лодок

1. Постановка донного трала на рыбу

Траулеры самый распространенный тип промысловых судов, которые для большего улова рыбы используют траловые сети — тралы. Траулеры оборудованы траловыми лебедками, на барабанах которых укладывается до 5 000 м троса — ваера, что позволяет вести вылов рыбы на глубинах до 2 км. Трал поднимается на борт рыболовного судна через слип. Большинство современных траулеров оснащены рыбопоисковой аппаратурой и оборудованием для первичной обработки рыбы. (Рисунок 1.1, Приложения) [1]

Главная особенность донного траления заключается в поддержании контакта трала с морским дном во время буксировки. Это достигается благодаря применению траловых досок, выполненные из стали и закрепленные на нижних краях входа в сеть. Донные тралы, как правило, имеют меньший размер, чем среднеуровневые тралы. При донном способе траления осуществляется промысловый вылов: камбалы, простака, розового линя, гренадера, креветки. (Рисунок 1.2, Приложения)

2. Разноглубинное траление рыбы

Разноглубинное траление рыбы производится с целью вылова больших косяков морской рыбы и других морепродуктов, обитающих на разных уровнях морской среды между океаническим дном и водной поверхностью. Для того, чтобы регулировать глубину подводного траления морской рыбы, поверх перлиня закрепляются специальные грузила и поплавки, а сам невод оборудуется специальными сетевыми распорками. (Рисунок 1.3, Приложения) [2]

3. Замётывание в воду кошелькового невода для ловли рыбы

Кошельковый способ лова предназначен для промысла рыб косяковых пород, которые обитают у поверхности океана: сельдь, мойва, макрель, скумбрия, австралийская сардина. (Рисунок 1.4, Приложения)

Рыболовное судно, ведущее промысловый лов рыбы при помощи кошелькового невода называют сейнером. (Рисунок 1.5, Приложения)

Перед ловом большие стаи рыбы обнаруживаются с помощью эхолота. К верхней части сети прикреплены поплавки, к нижней — грузила. После этого вспомогательная моторная лодка с прикрепленным к ней концом невода удаляется от кормы рыболовного судна и окружает косяк рыбы. Пойманная рыба скапливается в неводе, который подтягивается к борту судна. Затем судовая команда выкачивает улов с помощью насоса либо черпаками. [1]

4. Бессетевой лов рыбы (крючковыми орудиями лова)

Бессетевой лов рыбы на линь с крючками представляет такой способ рыбной ловли, при котором за борт вымётывается длинная траловая дуга с прикреплённой наживкой на крючках, расположенных через каждые 1-2 метра. Спустя некоторое время рыболовное судно вытаскивает траловую дугу из воды, а судовая команда снимает пойманную рыбу с крючков. Такой метод рыбного промысла до сих пор используется на борту небольших рыболовных судов, не оборудованных навесными палубами . Обычно приманка наживляется на крючки ещё на суше, после чего намотанная леса складывается в бадьи. Траловая дуга вымётывается в воду с кормы рыболовного судна, а из воды вытаскивается с помощью линейного ворота с гидравлическим приводом и укладывается в небольшие бухты по правому борту судна. [4]

Современное рыболовное судно, оборудованное для ловли рыбы на закидной линь с крючковыми орудиями, имеет навесную палубу, боковой бункер для укладки рыболовной снасти и кормовое отверстие для выкидывания на воду траловой дуги. Обе ниши могут быть наглухо задраены и перегорожены таким образом, что даже при большом прибое будет подтапливаться только часть рабочего настила. Как только траловая дуга появляется из воды, её тут же заправляют в автоматическое устройство по насадке наживки на крючки. Там за одну и ту же операцию старая наживка снимается с крючков, а новая насаживается. После этого линь снова забрасывается на воду. Рыболовные суда, специализирующиеся на ловле рыбы закидным линем с крючковыми орудиями, могут быть до 60 м длиной и вмещать до 20-40 человек судового состава. Линь вымётывается за борт со скоростью 7-8 узлов, а линейный ворот развивает тяговое усилие до 5 тонн. [5]

5. Одностенные (жаберные) сети

Ставная одностенная сеть представляет собой сетное полотно прямоугольной формы, посаженное на верхнюю и нижнюю подборы и иногда на боковые пожилины. Рыба в ней застревает, зацепляясь жабрами (а точнее жаберными крышками; отсюда и второе название) за ячеи сетного полотна. При установке сетей такого рода подборы натягиваются горизонтально, а стена сети висит вертикально. (Рисунок 1.7, Приложения)

Одностенные сети дают хорошие уловы при массовом ходе рыбы. Правила рыболовства в ряде регионов РФ ограничивают не только длину сети и размер ячеи, но и высоту (иногда нельзя ловить снастью, превышающей по высоте 1,5 м).

Невысокой сетью поймать рыбу в глубоком водоеме труднее, но все же можно, при хорошем знании горизонтов, на которых она держится. Сети в таком случае выставляются при помощи нескольких якорей и веревок строго на заданной глубине.

6. Ловля на спининг с борта моторных лодок

Ловля на спиннинг – один из самых динамичных и адреналиновых способов рыбалки. При помощи этой снасти добывают преимущественно хищника, ведь именно он лучше всего реагирует на движение приманки. Классическая добыча российского спиннингиста – это щука, окунь и судак. Возможна ловля как по стоячей воде, так и по течению. (Рисунок 1.8, Приложения)

При этом методе важно правильно снарядить снасть, подобрать приманку и обучиться основным способам проводок. Важна и физическая составляющая, ведь приходится быть все время в движении: либо забрасывать снасть, либо осуществлять проводку. При этом иногда доводится преодолеть многие километры вдоль берега в поисках места дислокации щуки или участка охоты стаи окуней

Наиболее часто рыбу на спиннинг ловят на всевозможные блесны, воблеры (приманки из жестких материалов, внешне напоминающие мелкую рыбешку) и силиконовые приманки (например, мягкие твистеры и виброхвосты, снабженные утяжеленными джиг-головками).

Особенности рыбалки с лодки

Лодка может использоваться как по ходу рыбалки, так и играть вспомогательную функцию. С ее помощью можно облавливать обширнейшие акватории и свободно перемещаться в поисках уловистых мест. [4]

В большинстве случаев на смену небольшим деревянным баркасам открытого типа с подвесными моторами или стационарными двигательными установками пришли высокоскоростные стеклопластиковые катера, которые могут легко достигать зоны для донного лова рыбы. Как правило, длина этих судов составляет от 8 до 15 м. С моторами мощностью от 250 до 400 лошадиных сил они могут развивать скорость хода до 24 узлов. Несколько катеров этого класса оборудованы спиннинговыми комплектами, которые представляют собой компьютеризованные автоматы в помощь рыбакам. Такая удочка-автомат точно определяет момент касания дна грузилом после закидывания линя на воду. Она устанавливает крючки на должном от него расстоянии и после этого начинает симулировать подсечку лески. Она точно фиксирует тот момент, когда рыба начинает откусывать наживку с крючка, и после этого вытаскивает её на поверхность воды. [6]

Глава 2. Виды рыболовных судов

Рыболовные суда классифицируют по способу ловли. Можно выделить следующие основные виды судов.

Траулер

Это рыболовное судно, занимающееся траловым ловом (на сегодняшний день это наиболее популярный способ добычи рыбы, на долю которого приходится около 55% мирового улова). Трал - мешкообразная сеть, сделанная из канатов и прикрепленная стальными тросами к судну. Во время буксировки трал “следует” за судном, собирая рыбу. (Рисунок 2.1., Приложения)

Длина сети может достигать 70 метров, а высота - 15 метров. Во время движения крупный трал может в секунду отцеживать до 6 тысяч кубометров воды.

При этом существует несколько видов трала: донные и пелагические. Донные предназначены для ловли рыбы, которая обитает на дне моря. Например, треска, пикша, палтус. Пелагические же помогают ловить рыбу, плавающую в толще воды: сельдь, скумбрия, сардина. Большие траулеры могут быть оснащены холодильными установками и оборудованием для обработки рыбы.

Интересно, что современные траулеры часто оснащены всем необходимым для комфортной жизни рыбаков. Например, на новом российском траулере «Баренцево море» есть даже спортивный зал и сауна. А каюты больше похожи на номера в пятизвездочном отеле! Кстати, в день это мощнейшее судно может перерабатывать до 60 тонн сырья (Рисунок 2.2, Приложения)

Сейнер

Как правило, у сейнера одна палуба с сейнерной площадкой - по сути это рабочая площадка, необходимая для хранения и обработки сети (невода). Этот тип судов, который ловит рыбу кошельковым неводом. Это сетная стенка, которая собирается при помощи железного троса. Как только рыбаки находят косяк, они окружают его сетью и стягивают её. Обычно таким способом ловят пелагических (живущих вблизи поверхности) рыб, например, сельдь и скумбрию. (Рисунок 2.3, Приложения)

Сейнер, как правило, отличается от траулера тем, что его двигатель и палубная лебедка имеют меньшую мощность. Однако крупный сейнер также может ловить рыбу тралом.

Ярусолов

Это судно осуществляет ярусный лов, при котором в воду забрасываются длинные веревки со множеством крючков. (Рисунок 2.4, Приложения)

Что удивительно, длина такой «удочки» может достигать 10 километров.

Ярус считается идеальным для ловли рыб, кальмаров, осьминогов и прочей живности на большой глубине. Существуют океанические и прибрежные ярусоловы. По размерам океанический крупнее прибрежного, так как он оснащен оборудованием для заморозки и хранения рыбной продукции..

Краболов

Из названия сразу становится понятно, что это судно предназначено для ловли крабов. (Рисунок 2.5, Приложения) Оно оснащено специальными ловушками, внутрь которых кладут наживку (измельченную рыбу), а затем выбрасывают в море. В одной связке может быть до 20 ловушек, а в день может выбрасываться до 10 связок. Спустя определенное количество времени ловушки поднимают сразу на сортировочный стол. Затем крабов сортируют: мелких особей и самок отпускают. Затем они попадают в кработанки - специальные конструкции с морской водой.

Дрифтер

Судно для ловли в дрейфе с помощью специальных плоских сетей (от 3 до 15 метров в высоту и до 5 тыс. метров в длину). Отличительной особенностью такого судна является низкий борт, а также свободная палуба в носовой части, необходимая для механизмов, достающих сеть.(Рисунок 2.6, Приложения)

Дрифтеры – сети, которые при опускании в воду падают, как длинные занавески, ловят и перетаскивают пойманную рыбу.

Дрифтеры способны ловить много рыбы, однако в некоторых странах, в том числе в России, дрифтерный лов запрещен. 
Дело в том, что рыба, проплывая через сеть, запутывается в ней, цепляясь жабрами (такую сеть также называют жаберной). Поранившись, молодые особи гибнут. Также часто дрифтерные сети расставляют на пути рыбы к местам нереста, что негативным образом сказывается на популяции. Например, на Камчатке в 50-60-ых годах из-за этого произошел экономический кризис, так как резко снизилась добыча лососевых.

От дрифтерного лова страдают не только рыбы, но и млекопитающие и даже птицы, именно поэтому в народе его прозвали «стеной смерти».

Глава 3. Автоматизация процесса управления движением рыболовного судна и орудиями рыболовства

Традиционными для судоводителя рыболовного судна в процессе поиска и облова рыбных скоплений являются следующие задачи:

- обнаружение с помощью рыбопоисковой аппаратуры рыбных скоплений и оценка их промысловой значимости;

- определение координат рыбных скоплений, глубин залегания и векторов скоростей рыбных косяков;

- выбор точки отдачи невода с учетом вектора скорости движения рыбного косяка и направления ветра;

- выбор траектории замета кошелькового невода в условиях подвижного косяка и заданной длины невода;

- расчет дистанции "забега" (трал на борту) при траловом пелагическом лове с учетом вектора скорости косяка;

- выбор курса и скорости судна, а также длины вытравленных ваеров при прицельном облове подвижного косяка пелагическим тралом;

- расчет рекомендаций судоводителю по безопасному расхождению судов с тралами (при работе в группе судов);

На данный момент существует автоматизация наведения трала на облавливаемые концентрации рыб, регулирования размеров и формы устья трала, управления облавливаемыми концентрациями рыбы.

Информацию об объекте лова получают с помощью гидроакустической аппаратуры с применением различных средств ее обработки и отображения в виде, удобном для восприятия. Для отображения информации обычно используют электронные индикаторы на электронно-лучевой трубке с записью информации символами, линиями, цифрами и текстом. Получаемая с помощью гидроакустических приборов информация служит для обнаружения и распознавания косяка или скопления, выделения их наиболее плотной части, определения глубины погружения, направления и скорости перемещения.

При выборе метода наведения трала, способа управления тралом и судном учитывают особенности перемещения объекта лова, положение трала относительно объекта лова к началу наведения, возможность и целесообразность установки на самом трале измерительных устройств для определения положения объекта лова, дальность действия и точность измерительных устройств, установленных на судне и трале, наличие на самом трале устройств для регулирования положения трала, особенности переходных процессов при изменении положения трала в процессе наведения.

Если на борту судна имеется блок обработки текущих координат объекта лова, то приемлемы дистанционные методы управления тралом.
Возможно управление тралом и по методу самонаведения, когда прием, обработка информации об объекте лова, формирование управляющих команд и непосредственно процесс наведения выполняют с помощью аппаратуры и исполнительных механизмов, расположенных на самом трале.

Перспективен комбинированный метод управления тралом, когда самонаведение осуществляется только на последнем этапе наведения, а на более ранних этапах применяют дистанционное управление. Наведение трала возможно на неподвижные концентрации рыб и на концентрации рыб, совершающие горизонтальные и вертикальные миграции, заныриваю-щие косяки.

Рассмотрим как пример такую систему норвежской фирмы «Сим-рад». Система состоит из судового гидролокатора, тралового эхолота, судового лага, гирокомпаса, судового эхолота, прибора индикации. Сбор, обработку и представление информации на цветном дисплее выполняет бортовая ЭВМ. Предусмотрено 4 режима работы системы, в каждом из которых цветное изображение дополняется текстом, цифрами, символами. Во всех режимах в верхней части экрана отображается цифровая и буквенная информация о скорости и курсе судна, направлении на трал, его наполнении, температуре воды, географических координатах судна. На дисплее показаны символы судна и трала, контур дна, расстояние от судна до трала по горизонтали, глубина хода трала, вертикальное раскрытие трала, расстояние от трала до дна, глубина в месте лова.(Рисунок 3.1, Приложения)

Второй этап в разработке систем автоматизации тралового лова заключается в создании систем с режимом рекомендаций. Одна из первых подобных систем разработана в Японии фирмой «Nichimo». В нее входят трал, траловая лебедка, главный двигатель, винт регулируемого шага, лаг, приборы контроля
параметров трала и окружающей среды, малогабаритная ЭЦВМ. Принцип действия системы основан на том, что если с помощью гидроакустического вибратора концентрация рыб не обнаружена на горизонте хода трала, то трал поднимают или опускают для поиска рыбы на других горизонтах. Глубина хода трала корректируется автоматически по данным ЭВМ изменением длины ваеров и скоростью траления. [7]

Глава 4. Практическая часть

4.1. Создание автоматизированного рыболовного судна на базе Lego Spike Prime

Нами была создана модель автоматизированного рыболовного судна на базе Lego Spike Prime. Модель включает в себя следующие элементы: SmartHub, два больших мотора, два средних мотора, ультразвуковой датчик, датчик силы нажатия. (Рисунок 4.1.1, Приложения)

Для начала мы определили способы автоматизация нашего судна. Были предложены следующие варианты:

- оснастить рыболовный трал механизмом для подъема сетей, а также сделать его на поворотной платформе

- установить датчик для измерения веса улова

-установить датчики и моторы для автоматизации управления судном

Мы определили, что перемещаться судно будет за счет спрятанных колес и двух больших моторов. Разработку нашей модели мы начали именно с этой части. (Рисунок 4.1.2, Приложения)

Далее мы преступили к созданию каркаса. Для него мы использовали большие желтые пластины. Они удобны для размещения механизма будущего рыболовного трала, а также для крепления колесной базы. Установили бортики, чтобы придать форму судна.

При создании рыболовного трала мы использовали два средних мотора. Первый мотор отвечает за поворотную платформу. Он установлен под платформой и передает вращение на верхнюю часть судна с помощью осевой передачи. Далее зубчатая передача передает энергию на шарнир, к которому прикреплён второй мотор, отвечающий за подъем и опускание рыболовного трала. (Рисунок 4.1.3, Приложения) Движение трала для подъема сетей осуществляется за счет понижающей зубчатой передачи и системы рычагов, по типу ножничного подъемника, всего используется 10 рычагов. . (Рисунок 4.1.4, Приложения)

Передняя часть трала (устье) раскрывается специальными распорными устройствами: по горизонтали — установлены крючки, к которым крепится сеть. (Рисунок 4.1.5, Приложения)

На передней части судна, мы установили платформу для измерения веса улова. Пойманная рыба с помощью рыболовного трала помещается на платформу, где с помощью датчика силы нажатия устанавливается вес. (Рисунок 4.1.6, Приложения)

На задней части судна расположен ультразвуковой датчик, он в паре с якорем является системой управления. (Рисунок 4.1.7, Приложения)

4.2. Демонстрация рыболовного судна

Мы создали программу для автоматизации рыболовного судна в ПО Lego Spike Prime. Судно перемещается за счет ультразвукового датчика, а также имеет систему управления тралом, исходя из полученных условий, например, веса улова.

Программа состоит из двух частей.

Первая часть воспроизводится сразу при запуске, отвечает за перемещение судна. В начале программы мы устанавливаем параметры для блоков движения – скорость и порты. Далее в зависимости от условия, если якорь опущен, то датчик его видит и судно останавливается, если якорь поднят, то датчик реагирует на расстояние больше 10 см и судно движется вперед.

Вторая часть программы отвечает за перемещение трала. В случае если нам необходимо измерить вес улова, мы нажимаем на левую кнопку SmartHab. Трал поднимает сети, укладывая их на платформу. Далее условие – если вес рыбы больше 10 процентов, то воспроизводит характерный звук «Cat Meow» и трал поднимает и разворачивает платформу для дальнейшей выгрузки улова. (Рисунок 4.2.1, Приложения)

Заключение

На основании проведенной исследовательской работы можно сделать несколько основных выводов. Во-первых, были изучены основные способы ловли рыбы с рыбацких лодок, а также выявлены основные типы судов, используемых в рыболовстве. Дополнительно определены задачи капитана рыболовного судна в процессе поиска и лова скоплений рыбы.

Кроме того, были изучены различные способы автоматизации процесса управления движением рыболовного судна и орудий лова. На основе этого исследования было разработано инновационное решение для автоматизации рыболовного судна.

Исследование включало создание модели корабля на основе конструктора Lego Spike Prime. Затем в программном обеспечении Lego Spike Prime была создана программа, чтобы продемонстрировать, как работает модель. Эта модель служит практическим воплощением инновационного решения по автоматизации для рыболовных судов.

В целом, эта исследовательская работа успешно достигла своих целей, предоставив всестороннее представление о работе рыболовных судов, разработав инновационное решение для автоматизации и создав реальную модель для демонстрации применения этого решения.

Исследовательская работа «Автоматизированное рыболовное судно с использованием Lego Mindstorms» имеет образовательные последствия. Его можно использовать в качестве учебного пособия для улучшения понимания учащимися робототехники, инженерных принципов и их применения в реальных сценариях.

Наш проект имеет значение с точки зрения развития рыбной промышленности, минимизации воздействия на окружающую среду, повышения безопасности и условий труда, продвижения инноваций, а также содействия обучению и развитию навыков.

Список используемой литературы

1. https://shipshub.com/ru/article/1813-1.html

2. https://fishermanboat.ru/metody-lovli-ryby-na-sudne/

3. https://hobby.wikireading.ru/2319

4. https://yandex.ru/

5. fishermanboat.ru

6. studentopedia.ru

7. https://www.sinref.ru/000_uchebniki/03700_ohota_i_ribalka/003_ustroistvo_orudi_lova_i_tehnologia_dobichi_ribi_melnikov/141.htm

8. Приложения