Робот-муравей для борьбы с сорняками

XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Робот-муравей для борьбы с сорняками

Барышников С.В. 1Владимиров В.И. 1Володин В.И. 1Сергиенко М.С. 1
1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни
Денисова С.С. 1
1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

На сегодняшний день многие страны уже сталкиваются с проблемой нехватки рабочей силы в сельском хозяйстве. Это связано с тем, что большинство людей предпочитает работать в городах, в сфере услуг или промышленности, где заработная плата обычно выше.

Для решения этой проблемы необходимо принять целый комплекс мер. К примеру, государство может создавать стимулы для работников сельского хозяйства, предоставлять льготы и дополнительные гарантии. Также может быть полезно вводить современные технологии в сельское хозяйство, которые могут сократить количество требуемого человеческого труда.

Именно поэтому сельское хозяйство быстро становится высокотехнологичной отраслью, которая привлекает новых специалистов, новые компании и новых инвесторов. Технология быстро развивается, не только способствуя производственным возможностям фермеров, но и продвигая робототехнику и технологии автоматизации.

Повысить рентабельность сельскохозяйственного производства возможно лишь за счет внедрения передовых технологий точного земледелия. В настоящее время на помощь спешат роботы, которые способны самостоятельно выполнять трудоемкие сельскохозяйственные операции.

В основе роботизации лежит необходимость значительно увеличить производственные урожаи. По оценкам ООН, численность населения в мире возрастет с 7,3 млрд. сегодня до 9,7 млрд в 2050 году. Потребуется гораздо больше продовольствия, и фермеры будут сталкиваться с серьезным давлением, чтобы не отставать от спроса.

Цель исследования: Создание инновационной модели робота-муравья для борьбы с сорняками на базе конструктора Lego Spike Prime.

Задачи исследования:

  • Изучить виды сорняков;

  • Оценить вредоносность сорных растений и способы борьбы с ними;

  • Проанализировать уже существующие роботы, применяемые в сельском хозяйстве;

  • Сконструировать и запрограммировать инновационную модель робота-муравья.

В качестве источников мы использовали информационный сайт wikipedia, интернет журналы и научные статьи. При оформлении проекта и конструировании движимых его частей были использованы книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах [1, 2]. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [3].

Глава 1. Теоретическая часть исследования

    1. Сорняки и их виды

Сорные растения, или сорняки (от «сор»), — дикорастущие растения, обитающие на землях, используемых в качестве сельскохозяйственных угодий [4].

Знание биологических особенностей — необходимое условие успешной борьбы с ними. К важнейшим из них относятся:

— высокая семенная продуктивность;

— способы распространения;

— способность многолетних сорняков распространяться не только генеративно (т.е. семенами), но и вегетативно;

— неодновременное, растянутое прорастание семян сорняков;

— исключительно высокая приспособленность к условиям внешней среды.

В зависимости от этих особенностей рассмотрим классификацию сорняков.

В зависимости от плодовитости все сорные растения делят на три группы:

  • сорные растения, составляющие в посевах средний ярус, они способны давать от одной до 15 тыс. семян.

  • сорные растения, которые дают до 100 тыс. семян и относятся в посевах к верхнему и нижнему ярусам, т. е. распространяются самостоятельно.

  • растения, которые могут дать 100 тыс. семян и более. Сюда входят в основном мусорные крупностебельные сорняки, а также паразитные.

Паразитные и полупаразитные – это сорняки, утратившие способность к фотосинтезу. Они не имеют зелёных листьев, корней и питаются за счёт зелёного растения-хозяина. Одни из них могут присасываться к стеблям культурных растений (стеблевые паразиты), другие к корням (корневые паразиты).

Полупаразитные сорняки имеют свои корни и зелёные листья, но питаются за счёт растения-хозяина, к которому они присасываются.

Распространение семян и плодов сорняков осуществляется с помощью специальных приспособлений — автохорно, или с помощью различных агентов – аллохорно.

Автохорное распространение семян может осуществляться с помощью различных механических сил. Так, горчица полевая, редька дикая, ромашка непахучая семена рассеивают вокруг материнского растения под действием сил тяжести. Механическое разбрасывание семян осуществляется вследствие высыхания створок плодов (фиалка полевая, горошек узколистный и др.) и коробочки (куколь обыкновенный, горчица полевая, мак самосейка) (Рисунок 1.1.1, Приложение).

Животные распространяют сорные растения (зоохория) уже благодаря тому, что принимаемые ими в пищу, обычно с кормом, семена сорных растений не всегда перевариваются и выходят наружу, не теряя своей всхожести, и вместе с навозом попадают в поле (Рисунок 1.1.2, Приложение).

Семена многих видов сорных растений имеют специальные выросты в виде якорьков, крючочков, зазубренных шипиков, щетинок, остей, с помощью которых они цепляются к шерсти животных и перьям птиц. К ним относятся липучка ежевидная, дурман обыкновенный.

Существует такое понятие, как биологический «покой» семян, под которым понимают отсутствие прорастания жизнеспособного семени при наличии благоприятных условий (вода, кислород, температура). Покой семян является важным приспособительным свойством, позволяющий растениям миновать неблагоприятные периоды года. В связи с этим в почве создаётся запас семян, который способствует сохранению вида. Существует естественный и вынужденный покой.

Естественный или органический покой связан со свойствами самого семени: недоразвитость зародыша, твёрдосемянность, воздухо — и водонепроницаемость кожуры и покровов, действие ингибиторов и др.), а также незавершённость в семенах физиолого-биохимических процессов.

Вынужденный покой — непрорастание семян при отсутствии необходимых условий (влага, температура, свет и др.).

При отсутствии благоприятных условий для прорастания семена культурных растений теряют всхожесть за короткий период. Семена же сорных растений сохраняют свою всхожесть длительное время в почве, воде, силосе, навозе, компосте. Под долговечностью понимают способность семян сохранять жизнь в определённых узких условиях [5].

Кроме семенного, у многих сорняков выражена способность к вегетативному размножению с помощью подземных органов — корневых отпрысков, корневищ, луковиц и клубней, а также с помощью надземных стеблевых органов. Наиболее злостными являются многолетние корнеотпрысковые (горчак ползучий, различные виды осотов, вьюнок полевой и др.) и корневищные сорняки (пырей ползучий, свинорой пальчатый, гумай) (Рисунок 1.1.3, Приложение).

Стоит отметить, что на территории России встречаются более 1000 видов сорных растений, в том числе около 400 видов ядовитых.

Многие сорняки приспособились произрастать в посевах определенных культур и превратились в их постоянных спутников. Такие сорняки называют специализированными. Например, в посевах озимой пшеницы специализированными сорняками является василек синий, пастушья сумка, ромашка непахучая.

В зависимости от мест обитания, сорняки подразделяются на полевые и мусорные. Полевые произрастают на обрабатываемых землях, а мусорные на необрабатываемой почве (на окраине садов, парков, вдоль дорог).

1.2. Вредоносность сорных растений и способы борьбы с ними

Сорняки наносят огромный вред сельскому хозяйству. Менее требовательные к условиям произрастания, они опережают культурные растения в росте и развитии.

Поглощая влагу, питательные вещества, солнечный свет, сорные растения резко снижают урожай, затрудняют уборку полевых культур, их обмолот, ухудшают качество продукции.

Прямое отрицательное влияние сорняков на величину урожая в посевах сельскохозяйственных растений состоит в том, что сорняки снижают плодородие почвы, расходуя из почвы воду и элементы питания растений благодаря мощной корневой системе.

Например, осот розовый (бодяк полевой), корневая система которого может достигать глубины 5-7 м, выносит из почвы азота в полтора раза больше, а калия в два раза больше, чем зерновые культуры (Рисунок 1.2.1, Приложение).

Многие сорняки являются вредными и даже ядовитыми для сельскохозяйственных животных и человека: пыльца амброзии и полыни вызывает аллергические заболевания; примеси горчака ползучего, лютика едкого, хвоща полевого в сене и в пастбищном корме могут вызвать отравление животных; донник лекарственный, полынь горькая придают неприятный вкус молоку и маслу (Рисунок 1.2.2, Приложение). Вследствие чего ухудшается качество получаемой продукции – снижается содержание в ней белка и углеводов.

Зерно с примесью семян белены, куколя, плевела одуряющего, горчака делают продукты переработки зерна и корма непригодными для человека и животных.

Заросшие сорной растительностью длительное время необрабатываемые участки являются стациями резервации многих видов вредителей, в том числе многоядных – лугового мотылька, мышевидных грызунов, саранчовых вредителей, а также способствуют распространению болезней сельскохозяйственных растений. На таких участках, увеличивается плотность почвы из-за отсутствия механической обработки, в связи с чем возрастают затраты на воспроизводство плодородия почв, введение почвы в севооборот.

Но одновременно при этом под воздействием мощной корневой системы сорняков снижаются эрозионные процессы в почве, происходит улучшение почвенной структуры и сложения почвы, может происходить накопление гумуса в почве, увеличивается численность непатогенных почвообитающих беспозвоночных, усиливаются микробиологические процессы в почвах.

Исходя из вышеизложенного можно понять, что при зарастании сорными растениями земельных участков сельскохозяйственного назначения происходит ухудшение качества земельного участка как объекта сельскохозяйственного назначения: накопление отмерших частей растений на поверхности почвы, образование трудноискоренимой корневой системы растений (дерновины), ухудшение условий для почвообработки, накопление запаса вредителей, возбудителей болезней растений, семян сорняков. Однако при этом отсутствует порча или деградация почвы как объекта окружающей среды.

Борьба с сорняками проводится только в случае превышения ими экономического порога вредоносности, то есть, когда прибавка урожая от применяемых мер борьбы покроет расходы на них. Существуют различные меры борьбы с сорняками.

Физические меры - сорные растения уничтожаются путём изменения физической среды. Сюда входит борьба выжиганием, токами высокой частоты и другие (Рисунок 1.2.3, Приложение).

Механические меры - заключаются в механическом воздействии на сорняки или на почву. Сюда включаются:

  1. Провокация - побуждение семян сорняков и засорителей к прорастанию и затем уничтожение всходов сорняков. Провокация проводится лущильниками. Лущильники засыпают семена сорняков, находящиеся на поверхности земли после уборки основной культуры, провоцируя таким образом их к прорастанию. Затем производится запашка проростков или всходов при основной обработке почвы.

  2. Высушивание и вымораживание - заключается в вытаскивании на поверхность корней сорняков рабочими органами культиваторов. Оказавшиеся на поверхности корни растений подвергаются воздействию воздуха.

  3. Истощение - многократное подрезание сорняков рабочими органами культиваторов. Сорное растение, подрезанное впервые, прорастает за счёт запаса органических веществ. В это время проводят следующее подрезание. Подрезанное вторично растение уже не имеет запаса органических веществ и гибнет. При необходимости проводят дальнейшие подрезания.

  4. Удушение - измельчение дисковыми лущильниками сорняков. После этого, как только каждый обрезок прорастёт, следует запашка.

  5. Довсходовое боронование - боронование перед появлением всходов.

  6. Послевсходовое боронование - боронование по всходам. При этом уничтожается до 15 % основной культуры (Рисунок 1.2.4, Приложение).

Мульчирование –поверхностное покрытие почвы мульчей для её защиты и улучшения свойств. Слой в 5—7 см сокращает рост сорняков в несколько раз. Мульча создаёт в междурядьях тень, которая также мешает развитию сорняков (Рисунок 1.2.5, Приложение).

Химические меры - заключаются в применении химических веществ, действующих на растение – гербицидов (Рисунок 1.2.6, Приложение).

Фитоценотические меры - создаются условия, при которых увеличивается конкурентоспособность культурных растений.

Экологические меры - изменение почвенных условий, благоприятное для культурных растений и вредное для сорняков.

Организационные:

  • картирование - создание карт с нанесением на них сведений о количестве сорняков и их плотности с целью разработки мероприятий по борьбе с сорняками;

  • очистка семенного материала - проводится отсев семян сорняков с целью недопущения их высева при посеве основной культуры.

  • своевременная и правильная уборка урожая - при этом обеспечивается наименьшее попадание семян сорняков в ворох [6].

Стоит отметить, что сорняки ежегодно приводят к потерям порядка 200 млн тонн урожая, а рост толерантности растений к гербицидам заставляет наращивать химическую нагрузку на почву и организм потребителя. Рост расходов на химикаты заставляет производителей наращивать цены на продукты питания.

В настоящее время в 71 стране насчитывается порядка 263 видов сорняков, устойчивых к воздействию гербицидов. Роботизация отрасли кажется оптимальной мерой, способной разгрузить химическую нагрузку и компенсировать извечную нехватку рабочих рук в сельском хозяйстве.

1.3. Роботы, применяемые в сельском хозяйстве

Автоматизация сельского хозяйства идет разными путями. Одно из основных направлений - создание роботов, способных автономно работать в поле, выполняя какие-то специализированные операции или работая с какой-то одной или несколькими культурами.

Сбор урожая является одним из самых популярных роботизированных направлений в сельском хозяйстве благодаря точности и скорости. Применяются они для того, чтобы увеличить размер урожая и уменьшить количество отходов.

Уборочные и собирающие роботы становятся очень популярными среди фермеров, но существуют десятки других инновационных способов, с помощью которых сельскохозяйственная отрасль развертывает автоматизацию роботов для повышения производительности.

Направление роботизированной борьбы с сорняками, роботы для прополки, безусловно передовое, темой уже активно занимается несколько зарубежных компаний.

Для выявления сорняков все роботы используют системы компьютерного зрения, это их общая черта, также оно используется для предупреждения столкновений с препятствиями и, в отдельных случаях, для ориентирования робота.

А вот подходы к уничтожению сорняков различны: их "затаптывают" механическими приспособлениями, выжигают лазером, точечно обрабатывают гербицидами. Также отличается энерговооруженность роботов, платформы, обеспечивающие их перемещение по полю. От легких конструкций, получающих энергию от фотоэлектрической батареи, размещаемой на корпусе, до роботов с электроприводом, получающих энергию от мощных литиевых аккумуляторов, а также еще более традиционные конструкции с использованием ДВС и химического топлива.

Общий родовой принцип таких изделий - максимальная автономность. Фермеру достаточно доставить робота на поле, запустить его в работу, выполнив минимум настроек, и далее роботы способны работать практически в автономном режиме часами или сутками (Рисунок 1.3.1, Приложение).

Роботы для прополки сорняков это безусловно перспективное направление, поэтому в ближайшие годы мы будем наблюдать рост конкуренции и рост предложений в этом сегменте рынка [7].

2. Создание проекта робота-муравья для борьбы с сорняками

2.1. Внешний вид модели

Мы оценили, насколько большой вред наносят сорные растения сельскому хозяйству, рассмотрели существующие методы борьбы с ними, проанализировали существующих роботов пропольщиков. Исходя из этого, мы решили создать проект «Робот-муравей» (Рисунок 2.1.1, Приложение).

Для создания нашего проекта мы использовали конструктор и программное обеспечение Spike Prime, а также детали LeGo City для наглядности модели.

Нам потребовался один смарт хаб, два средних мотора, один большой мотор, ультразвуковой датчик. 

Наш робот по внешнему виду напоминает настоящего муравья (Рисунок 2.1.2, Приложение). Спереди мы прикрепили усики и голову с ультразвуковым датчиком. В модели установлены два средних мотора, отвечающих за движение лап. Шагает робот с помощью системы рычагов. Ультразвуковой датчик необходим для распознавания сорняков. Увидев сорняк, муравей с помощью специальных клешней (большого мотора) выдергивает сорняк (Рисунок 2.1.3, Приложение). Затем робот продолжает свое движение вперед.

2.2. Программа для запуска модели и ее демонстрация

Управление роботом осуществляется на базе программного обеспечения SpikePrime. Программа устанавливает моторы для запуска подвижных частей модели (средние моторы, отвечающие за движение лап робота). Как только робот увидел сорняк с помощью ультразвукового датчика, то сначала реагирует хаб, показывая изображение сорняка, затем запускается большой мотор с мощностью 50 и выдергивает сорняк (Рисунок 2.2.1, Приложение),

Для демонстрации нашего проекта мы украсили модель. Добавили декоративные элементы мобильному роботу, обустроили поле с грядками и сорняками.

Заключение

Подводя итог, необходимо отметить, что роботизация сельскохозяйственного производства является уже вполне осязаемым процессом развития данной отрасли. Пройдет еще совсем немного времени — на смену управляемым операторами техническим средствам придут высокоточные и дисциплинированные машины, которые безукоризненно будут выполнять свои рабочие функции. При этом будут экономиться, как временные, так и финансовые затраты.

В данном проекте были рассмотрены различные существующие типы сорняков, их биологические особенности, оценен вред, который они наносят сельскому хозяйству, представлены уже существующие роботизированные решения - наиболее популярные типы роботов для прополки.

На основе проведенного исследования было разработано роботизированное решение для предприятий сельского хозяйства с помощью конструктора SpikePrime. Наш робот был запрограммирован с помощью соответствующего программного обеспечения.

Данная демонстрационная модель подтверждает целесообразность и эффективность использования подобных роботов для улучшения качества сельскохозяйственной продукции. Дальнейшие исследования могут развиваться на основе этой работы путем совершенствования и разработки роботизированных решений для практического применения.

Список используемой литературы:

  1. LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;

  2. 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

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

Интернет источники:

  1. https://news.myseldon.com/ru/

  2. https://universityagro.ru/земледелие/биологические-особенности-сорных-ра/

  3. https://universityagro.ru/земледелие/методы-борьбы-с-сорной-растительност/

  4. https://robotrends.ru/robopedia/propolki-robotizaciya

ПРИЛОЖЕНИЕ

Рисунок 1.1.1. Автохорное распространение Рисунок 1.1.2. Зоохория

Рисунок 1.1.3. Сорняки, размножающиеся вегетативно (корневищные)

Рисунок 1.2.1. Бодяк полевой или осот Рисунок 1.2.2. Полынь горькая

Рисунок 1.2.3. Борьба с сорняками Рисунок 1.2.4. Боронование

электричеством

Рисунок 1.2.5. Мульчирование Рисунок 1.2.6. Химические меры борьбы с сорняками

Рисунок 1.3.1. Роботы пропольщик сорняков

Рисунок 2.1.1. Процесс создания проекта

Рисунок 2.1.2. Проект робота Рисунок 2.1.3. Робот-муравей

для борьбы с сорняками

Рисунок 2.1.4. Робот-муравей в действии

Рисунок 2.1.5. Программа для запуска модели

Просмотров работы: 70