XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Робот для полива сельскохозяйственных культур на базе конструктора LeGo Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Волков Е.Е. 1Корепанов Ю.А. 1Кривощеков А.П. 1Хаков П.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Охоткина К.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Работа в формате PDF

2.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Представить нашу жизнь без сельскохозяйственных культур невозможно. Многие из нас имеют собственные небольшие участки, где мы высаживаем различные культуры. Но чтобы получить вкусный и полезный урожай нужно приложить немало усилий. Любая сельскохозяйственная культура требует заботы и уход. Одной из важнейших и актуальных задач для успешного выращивания сельскохозяйственных культур является полив.

Полив помогает повысить урожайность даже при малом количестве осадков, облегчает выращивание разнообразной культуры, а также растворяет в почве минералы и питательные вещества, чтобы они могли усваиваться культурой и давать хороший урожай.

Однако, обеспечить полив надлежащего качество не всегда просто. Дачники и фермеры могут сталкиваться с рядом проблем, таких как:

1. Привязанность к огороду в весенне-летний период. Не каждый дачник может позволить себе надолго уехать куда-либо в летнее время. Ведь без периодического полива все растения и культуры зачахнут и урожайность может очень сильно упасть.

2. Поднятие тяжестей – ведра с водой, лейки.

3. Проблемы со здоровьем. Полив огорода может оказаться тяжелым трудом для приболевшего или прожилкового человека.

Проблема качественного полива сельскохозяйственных культур заинтересовала нашу команду, и мы решили изучить этот вопрос подробнее.

Цели нашего исследования: изучение способов ухода и полива за сельскохозяйственными культурами и разработка робота для полива сельскохозяйственных культур на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.

Задачи исследования:

1. Познакомиться с понятием сельскохозяйственных культур.

2. Изучить способы ухода и полива сельскохозяйственных культур.

3. Разработать и создать робота для полива сельскохозяйственных культур на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.

4. Создать программу, которая позволит продемонстрировать работу нашего проекта.

В качестве источников информации мы использовали различные интернет-ресурсы - 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].

Глава 1. Общие сведения

1. 1. Сельскохозяйственные культуры

Сельскохозяйственные культуры – культурные растения, возделываемые с целью получения продуктов питания, технического сырья и корма для скота. Специалисты, которые занимаются выращивание сельскохозяйственных культур, называют – агрономами [4] (Рисунок 1.1.1, Приложение).

Сельскохозяйственные культуры являются важным источником пищи для человечества и играют важную роль в поддержании жизни на Земле. Они обеспечивают нас полезными продуктами питания, такими как зерно, овощи, фрукты, мясо и молоко [5].

Сельскохозяйственные культуры выращивают в промышленных масштабах на полях и в теплицах, а также для личных целей в садах и огородах частных домов. Чаще всего садами и огородами занимаются люди пенсионного возраста, потому что считают, что выращенные собственными силами ягоды, фрукты и овощи намного полезнее и качественнее магазинных, являются основными источниками витаминов, а витамины – жизненно необходимые питательные вещества для человека (Рисунок 1.1.2, Приложение).

Труд их непрост, требует опыта, специальных знаний и постоянной работы. С весны начинается подготовка почвы и рассады к посадке. Летом растения нуждаются в достаточном количестве воды, чтобы расти здоровыми и продуктивными. Регулярно требуется удалить сорняки и лишние бутоны, чтобы силы растений направлялись на рост и развитие фактических плодов. Огород или сад необходимо содержать в чистоте - чистый участок уменьшает вероятность появления вредителей и заболеваний.

1. 2. Необходимый уход за растениями

Успешный уход за сельскохозяйственными растениями играет ключевую роль в получении хорошего урожая. Для того чтобы ваши растения росли здоровыми и сильными, необходимо соблюдать несколько основных правил:

- Оптимальный полив. Каждое растение требует определенного количества влаги для нормального роста и развития. Важно правильно определить частоту полива и объем воды для каждого вида растения. Недополив или переувлажнение могут негативно сказаться на урожае (Рисунок 1.2.1, Приложение).

- Удобрение. Растения нуждаются в питательных веществах для роста. Подберите подходящие удобрения для вашего участка и удобряйте растения в соответствии с их потребностями. Переизбыток или недостаток удобрений могут привести к заболеваниям и уменьшению урожая (Рисунок 1.2.2, Приложение).

- Правильная обработка почвы. Рыхление, поверхностное и глубокое плоскорезование, мульчирование – все это поможет сохранить почву в идеальном состоянии для роста растений. Необходимо регулярно проводить эти мероприятия для улучшения почвы (Рисунок 1.2.3, Приложение).

- Борьба с вредителями и болезнями. Регулярный осмотр растений поможет выявить проблемы на ранней стадии. Используйте безопасные для растений и окружающей среды методы борьбы с вредителями и болезнями (Рисунок 1.2.4, Приложение).

- Правильная обрезка и формирование. Поддержание правильной формы и обрезка лишних побегов помогут растениям эффективнее использовать доступное им освещение и питательные вещества [9,10] (Рисунок 1.2.5, Приложение).

Соблюдая эти простые правила и уделяя достаточно внимания уходу за своими сельскохозяйственными растениями, вы сможете получить хороший урожай и наслаждаться здоровыми и крепкими растениями на вашем участке.

1. 3. Способы полива сельскохозяйственных растений

В данной главе мы рассмотрим различные способы полива растений, которые могут использоваться в огороде. Полив является важной частью заботы о растениях, поскольку он обеспечивает им необходимую влагу для роста и развития. Мы рассмотрим различные методы полива, их плюсы и минусы.

- Полив из шланга:

Один из наиболее распространенных способов полива растений - это использование шланга с насадкой для полива. Этот метод является простым в использовании и позволяет удобно доставлять воду до каждого растения. Он также обеспечивает хорошую контролируемую подачу воды (Рисунок 1.3.1, Приложение).

Плюсы:

- Простота использования;

- Хорошая контролируемая подача воды;

- Возможность доставки воды в нужные участки огорода.

Минусы:

- Затраты времени на полив больших площадей;

- Потеря воды из-за испарения при поливе на солнце;

- Возможность повреждения растений при неправильном использовании.

- Капельный полив:

Капельный полив - это метод, при котором вода поступает прямо к корням растений через систему трубок с отверстиями или капельницами. Этот метод является очень эффективным, поскольку вода идет непосредственно туда, где она нужна. Капельный полив также помогает экономить воду, потому что он минимизирует испарение и утечку влаги (Рисунок 1.3.2, Приложение).

Плюсы:

- Эффективное использование воды;

- Особенно подходит для крупных огородов;

- Минимизация возможности повреждения растений.

Минусы:

- Требует установки специальной системы полива;

- Возможность засорения трубок и форсунок [6].

- Полив автоматической системой:

Автоматическая система полива включает в себя установку датчиков влажности, которые определяют, когда именно растения нуждаются в поливе, и подают воду автоматически. Этот метод является очень удобным, особенно если вы заняты и не имеете возможности регулярно поливать растения (Рисунок 1.3.3, Приложение).

Плюсы:

- Автоматизация процесса полива;

- Экономия времени;

- Более эффективное использование воды.

Минусы:

- Большие затраты на установку системы;

- Потребность в регулярном техническом обслуживании [7].

- Ручной полив:

Ручной полив сельскохозяйственных растений - это способ орошения посевов и культур с помощью поливочного инструмента, такого как лейка, ведро или кувшин. Этот метод требует ручной работы со стороны садоводов или фермеров (Рисунок 1.3.4, Приложение).

Плюсы:

- Контроль над количеством воды. При ручном поливе можно легко регулировать количество воды, которое поступает к растениям, в зависимости от их потребностей;

- Возможность увидеть состояние растений. Во время полива можно заметить любые проблемы или болезни у растений и принять меры по их лечению;

- Экономия воды. При ручном поливе можно направлять воду непосредственно к корням растений, избегая ее растекания и испарения.

Минусы:

- Трудозатратность. Ручной полив требует больших физических усилий и времени со стороны садовода или фермера;

- Неэффективность на больших площадях. Для крупных посевов и растений ручной полив может быть неэффективным и неэкономичным;

- Риск пересушки или переувлажнения растений. В случае неправильного или нерегулярного полива можно нанести вред растениям, вызвав пересушку или гниение корней.

Каждый из рассмотренных методов полива имеет свои преимущества и недостатки. При выборе способа полива необходимо учитывать размер вашего огорода, доступные ресурсы (время, деньги), а также особенности конкретных растений.

Мы с командой разработали свой инновационный способ полива растений в огороде – это робот для полива сельскохозяйственных растений. Наше изобретение позволит помочь людям в нелёгком труде по выращиванию овощей в своих огородах. Прототип такого умного робота мы сконструировали и запрограммировали на базе набора LEGO Mindstorms EV3. Самые главные преимущества нашего робота для полива:

- Пожилые люди получат возможность не носить тяжести (воду для полива);

- У людей появится возможность уезжать с дачи (огорода), когда им необходимо и не бояться, что растения засохнут. Наш робот польет растения автоматически в нужное время.

Глава 2. Создание робота для полива сельскохозяйственных культур на базе конструктора LeGo Mindstorms EV3

2.1 Внешний вид модели

После изучения теоретической части, мы с командой приступили к практической части – созданию проекта.

Перед конструированием мы сделали несколько эскизов нашей будущей модели. Постарались учесть все нюансы, чтобы робот мог выполнять работу эффективно (Рисунок 2.1.1, Приложение).

Для создания нашего робота мы использовали детали из наборов LeGo Mindstorms EV3, LeGo City, LeGo Duplo и LeGo Soft.

Сначала мы тщательно разработали основу робота - мобильную платформу, позволяющую беспрепятственно перемещаться между узкими пространствами, например между грядками. Понимая, с чем ему придется столкнуться на открытом воздухе — будь то сухая, рыхлая или влажная местность — мы оснастили нашего робота гусеницами, которые обеспечивают оптимальное сцепление и передвижение по различным поверхностям (Рисунок 2.1.2, Приложение).

Закончив основной раздел робота, мы приступили к разработке последующего компонента — полива. Наверху мы расположили специальный резервуар, предназначенный для хранения поливной воды. Из него она подается в специальную конвейерную систему (Рисунок 2.1.3, Приложение).

Конвейерную систему мы сконструировали таким образом, чтобы подача воды осуществлялась наверх. Такой способ обеспечивает полное покрытие водой всех растений. Резервуар для воды и систему полива, мы постарались установить повыше, чтобы расширить возможности робота поливать различные растения.

Для изображения воды мы использовали маленькие голубые кубики. Наши модели растений, созданные на основе LeGo Duplo, имели форму помидоров, расположенных линейно, имитируя настоящую теплицу (Рисунок 2.1.4, Приложение).

Кроме того, была разработана зарядная станция, обеспечивающая робота как энергией, так и доступом к воде для орошения посевов (Рисунок 2.1.5, Приложение).

2.2 Механические передачи

Для автоматизации нашего робота мы с командой использовали различные механические передачи, моторы, блок EV3 и датчик цвета.

Таким образом, два больших мотора, установленных на мобильной платформе, отвечают за ее передвижения. От моторов на гусеницы движение передается за счет осевой передачи (Рисунок 2.2.1, Приложение).

Третий большой мотор отвечает за подачу воды на грядки. Свою энергию он передает с помощью оси вращения на конвейер. Механизм конвейера, в свою очередь, поднимает воду (кубики) вверх и поливает растения (Рисунок 2.2.2, Приложение).

Также, мы с командой установили датчик цвета. Он помогает роботу двигаться между грядок (по черной линии) и заезжать на зарядную станцию (Рисунок 2.2.3, Приложение).

Блок EV3 в нашей модели является мозгом робота. Именно он хранит в себе все программы и подает сигналы на моторы и датчики.

2.3 Управление моделью с помощью программы

Перед созданием основной программы в среде LeGo Mindstorms EV3, мы обсудили с командой последовательность работы наших механизмов. Обсуждая, мы поняли, что они должны иметь возможность работать одновременно. Для этого в программе мы использовали функцию «многозадачность» (Рисунок 2.3.1, Приложение).

После запуска программы, работу выполняют сразу две задачи:

• Первая задача отвечает за передвижение робота. Наша модель движется по черной линии, поэтому, для начала, мы произвели калибровку по датчику цвета. Таким образом, робот, видя черную линию, возвращается на белую линию, видя белую – на черную. Движение продолжается до тех пор, пока робот не увидит красную линию (она обозначает, что вода в резервуаре закончилась или садится заряд). Поэтому робот начинает движение в сторону зарядной станции. Доезжая до зеленой линии, он останавливается и подключается к зарядке и подаче воды.

• Вторая задача отвечает за подачу воды. Третий мотор начинает вращение со скорость 30. Конвейер поднимает голубые кубики (воду) вверх и подает на растения. Подача происходит до тех пор, пока датчик цвета не увидит красную линию (она обозначает, что вода в резервуаре закончилась или садится заряд).

Заключение

В результате нашей работы над проектом мы успешно:

1. Познакомились с понятием сельскохозяйственных культур.

2. Изучили способы ухода и полива сельскохозяйственных культур.

3. Разработали и создали робота для полива сельскохозяйственных культур на базе конструктора Lego Mindstorms EV3.

4. Создали программу, которая позволила продемонстрировать работу нашего проекта.

Наш робота для полива сельскохозяйственных культур сможет решить ряд проблем:

-Привязанность к огороду. Садовники смогут надолго уезжать по делам, не боясь оставить свои растения без полива;

-Поднятие тяжестей. Люди пожилого возраста больше не будут поднимать тяжелые лейки и ведра с водой;

- Переувлажнение или недополив. Наш робот грамотно распределит объем воды для каждого вида растений.

Итог нашей работы можно посмотреть, перейдя по ссылке: https://drive.google.com/drive/folders/19dpM4JDM1W93chnvu0jKiDerCGKm9TC4

Список используемой литературы

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

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

4. https://ru.wikipedia.org/wiki/Сельскохозяйственные_культуры

5. https://uchi.ru/otvety/questions/vazhnost-i-polza-selskohozyaystvennih-rasteniy

6. https://o-vode.net/rashod/poliv/kapelnyj/plyusy-i-minusy

7. https://ruseptik.ru/irrigation

8. https://dzen.ru/a/X40r3VKCqXgnyVzL

9. https://dzen.ru/a/XqAOVpJPBEqN5Nl4

10. https://umschool.net/library/biologiya/uhod-za-kulturnymi-rasteniyami-agropriyomy/

Приложение