XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Агроробот на базе конструктора Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Беляков Т.В. 1Бебко К.Д. 1Дауэр Р.В. 1Бойченко М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова Анна Владимировна 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Сельскохозяйственные роботы актуальны благодаря их способности автоматизировать такие задачи, как посадка, сбор урожая и мониторинг урожая, что приводит к повышению эффективности, снижению затрат на рабочую силу и повышению урожайности.

Эта исследовательская работа углубляется в область сельскохозяйственной робототехники и направлена ​​на разработку робота-сеятеля семян с использованием конструктора Lego Mindstorms.

Благодаря комплексному подходу, включающему исследования, проектирование и программирование, проект направлен на внедрение инновационого решения, объединяющего технологии и сельское хозяйство для повышения эффективности.

Цель: создание робота для посева семян на базе конструктора Lego Mindstorms

Задачи:

1. Изучить применение роботов в сельском хозяйстве

2. Проанализировать виды сельскохозяйственных роботов

3. Исследовать, как воздействует робототехника на сельское хозяйсво

4. Узнать какие бывают способы посева

5. Разработать эскиз будущего робота

6. Сконструировать агроробота на конструкторе Lego Mindstorms

7. Запрограммировать модель

Глава 1. Сельскохозяйственные роботы.

1.1. Общая информация

Сельскохозяйственный робот, агроробот, агробот, робот-фермер — робот, используемый в сельскохозяйственных целях.

Основная область применения роботов в сельском хозяйстве — уборка урожая. Роботы, собирающие фрукты, беспилотный трактор-распылитель, и роботы, стригущие овец. Индустрия сельского хозяйства отстаёт в использовании роботов от других отраслей, так как виды работ, сопряжённые с сельским хозяйством, не «прямолинейны», и многие повторяющиеся задачи каждый раз не совсем те же самые. (Рисунок 1.1.2, Приложения) В большинстве случаев множество факторов (например размер и цвет собираемых плодов) должны быть рассмотрены до начала выполнения задачи. Роботы могут быть использованы для других растениеводческих задач, таких как обрезка, прополка/пахота, орошение и мониторинг. [1]

Робототехника постепенно становится незаменимой частью всех промышленных областей. Именно роботы могут заполнить на предприятии кадровый пробел, усилить точность и экономичность технологий.

1.2. Виды

Работа с полями, садами и теплицами во многом сводится к взаимодействию с неподвижными объектами, что облегчает разработчикам задачу. Здесь принципы действия роботов можно разделить на три условные группы:

• Дроны и компьютерное зрение (мониторинг вредителей и болезней, стадий зрелости овощей, фруктов и ягод, фаз вегетации и физиологического состояния полевых культур)

• Манипуляторы (сбор урожая овощей, фруктов и ягод, посев, прополка, пикирование, подрезка, сборка почвенных образцов)

• Автономная сельхозтехника (обработка почвы, посев, сбор урожая, опрыскивание, обработка ультрафиолетом, орошение, погрузчики

Автономная сельхозтехника

Многие роботы для растениеводства представляют собой навесное оборудование для трактора, но производят и полностью автономные  (и полуавтономные) трактора и комбайны. (Рисунок 1.2.1, Приложения)

Автономный точный посев объединяет робототехнику с геокартированием. Робот картирует поле согласно почвенным свойствам (качество, плотность и другие характеристики) в каждой точке заданного пространства и составляет карту урожайности. Как распорядиться данными, решает фермер, как правило, их используют для дифференцированного внесения удобрений и дифференцированного посева. Трактор с сеялкой точного высева размещает семена соответственно карте в нужных местах и на определенной глубине, чтобы каждое растение получило наилучшие шансы на рост и развитие.

Мониторинг и анализ урожая

Мониторинг огромных полей сельскохозяйственных культур — большая работа. Новые датчики и технологии геокартирования позволяют фермерам получать гораздо более высокий уровень данных о своих культурах, чем раньше. Наземные роботы и дроны позволяют собирать эти данные автономно.

Знать состояние растений и состояние почвы так же важно, как и поливать их. Но обычный анализ почвы или растений стоит дорого и занимает много дней, поскольку фермер должен не только собрать образцы, но и отправить их в лабораторию, и подождать результатов. Этот процесс упрощается благодаря роботам с технологией LiDAR, которые собирают данные о здоровье растений, их физиологии и реакции на стресс — и на их основе дают фермеру рекомендации по работе на поле.

Дроны

Дроны в сельском хозяйстве не новость. Уже в 1980-х годах дроны использовались для аэрофотосъемки полей. Когда же дебютировали современные дроны с искусственным интеллектом, первая полноценно внедрившая их отрасль экономики была именно сельское хозяйство. Сегодня дроны используют для получения 3D-изображений, построения карт и наблюдения за посевами.Компании-производители дронов, как правило, предлагают аграриям комплекс: робот + программное обеспечение для анализа. Фермер привозит дрон на поле, запускает программное обеспечение через планшет или смартфон и смотрит собранные данные в режиме реального времени.

Мульти-талантливые роботы для сбора урожая

Самая коронная идея роботов – заменять людей на повторяющихся рутинных задачах. Именно это они и делают при сборе урожая: избавляют человека от монотонной работы.

Собирать кукурузу, ячмень и пшеницу довольно просто. Это можно сделать с помощью небольшой переделки комбайна, который, как трактор, становится автономным. Однако мягкие фрукты собрать труднее: они требуют ловкости рук, поэтому для этой задачи используют роботов с манипуляторами и машинным зрением. Робот «видит» окружающее пространство при помощи камер, сенсоров и датчиков, которые расположены на манипуляторе или вне его, распознает нужные объекты и бережно собирает их в контейнер. Сегодня на поток поставлена роботизированная уборка яблок, винограда, томатов и сладкого перца, но собирают роботы с манипуляторами и машинным зрением и другие фрукты, и даже ягоды.

Эти роботы обычно оснащаются датчиками обнаружения. Однако традиционные датчики дают очень ограниченную информацию, тогда как системы с функциями обработки изображений предлагают гораздо больше преимуществ и способны получать и анализировать значительно больше данных.

Работа в питомниках

Питомники плодовых деревьев тоже пользуются роботами – для ухода за посадками. Именно здесь процесс роботизированной автоматизации дает наилучшие результаты: роботы берут на себя все работы в питомнике, включая посадку саженцев, регулярный полив и сбор овощей или фруктов по мере созревания. Сегодня решения для автоматизации питомников предлагают международные компании HETO Agrotechnics и Harvest Automation.

Роботы для микрораспыления и удаления сорняков

С помощью компьютерного зрения роботы-микрораспылители точно идентифицируют сорняки, а затем распыляют на них «целевую» каплю гербицида. Концепция микрораспыления может значительно сократить количество гербицидов при выращивании сельскохозяйственных культур. По этому принципу, работает, в частности, робот AG BOT II на солнечной энергии. Есть и другие роботы – прополочные, которые либо выдергивают сорняки механически, либо уничтожают их лазером.

Точный полив

В основе растениеводства должен лежать принцип экономии воды. К сожалению, в процессах орошения и внесения удобрений мы используем много воды, и большая ее часть расходуется зря. Роботизированное точное орошение решает эту проблему и сокращает потери воды за счет воздействия на конкретные растения.

Глава 2. Воздействие робототехники на сельское хозяйство

Достижения в области робототехники проложили путь к разработке автономных систем, которые могут выполнять широкий спектр задач в процессе ведения сельского хозяйства. [3] От посадки и сбора урожая до мониторинга состояния сельскохозяйственных культур и управления домашним скотом — робототехника совершает революцию в традиционных методах ведения сельского хозяйства и предлагает беспрецедентную эффективность и точность. (Рисунок 2.1, Приложения)

Преимущества робототехники в сельском хозяйстве:

1. Повышенная эффективность. Роботы могут выполнять задачи с большей скоростью и точностью, что приводит к повышению операционной эффективности сельскохозяйственной деятельности.

2. Экономия труда. Автоматизируя трудоемкие задачи, робототехника помогает снизить зависимость от ручного труда, решая проблемы, связанные с нехваткой рабочей силы в сельскохозяйственном секторе.

3. Точное земледелие. Робототехника обеспечивает точный мониторинг и управление посевами, что приводит к оптимизации использования ресурсов и повышению урожайности.

4. Повышенная безопасность. Автоматизация опасных задач в сельском хозяйстве повышает безопасность сельскохозяйственных рабочих и сводит к минимуму риски, связанные с определенными методами ведения сельского хозяйства.

5. Устойчивость. Робототехника способствует внедрению методов устойчивого ведения сельского хозяйства, обеспечивая целевое использование ресурсов, сокращение отходов и минимизацию воздействия на окружающую среду. [4]

Глава 3. Способы посева

Существует много способов посева семян, (Рисунок 3.1, Приложения) среди которых:

1.Обычный рядовой способ используют для посева зерновых культур. Семена высевают (Рисунок 3.1.a, Приложения) с расстоянием между рядами (междурядьями) преимущественно 15 см, заделывая их на глубину 2 - 10 см. В районах, подверженных ветровой эрозии, семена высевают с междурядьями 22,8 см. В рядках семена располагаются хаотично, расстояние а, между ними непостоянно, а среднее значение а_ср не превышает установленные пределы.

2.Полосовой способ применяют для посева семян зерновых культур по стерне. Семена заделывают в почву стрельчатой лапой-сошником высевают (Рисунок 3.1.б, Приложения), которая распределяет их полосами. Расстояние между центрами полос 23 см. Семена в полосе размещаются хаотично. Полосовой способ также применяют при возделывании столовых корнеплодов, лука и других овощных культур.

3.Разбросной способ применяют для посева семян трав на лугах и культурных пастбищах. Семена разбрасывают по поверхности поля, а затем бороной 12 (высевают (Рисунок 3.1.в, Приложения)) заделывают в почву. Этот способ используют также для посева риса в чеки, заполненные водой. Для этого применяют самолеты, оборудованные разбрасывателями.

4.Узкорядный способ. Уменьшение междурядий зерновых культур до 70…80) см (высевают (Рисунок 3.1.г, Приложения)) часто обеспечивает повышение урожайности. При одинаковой норме посева расстояния между семенами В рядах получаются в 2 раза больше по сравнению с обычным рядовым посевом. Площадь питания для каждого растения по форме вместо вытянутого прямоугольника приближается к квадрату, что способствует лучшему развитию растений.

5.Перекрестный способ. Половину предназначенных семян высевают при движении сеялки в одном направлении (высевают (Рисунок 3.1.д, Приложения)), остальные — поперек засеянных рядов. Расстояния между зернами в рядах увеличиваются, семена размещаются более равномерно. Затраты на добавочную работу в итоге перекрываются повышением урожайности.

6.Широкорядный способ высевают (Рисунок 3.1.е, Приложения) используют для пропашных культур. Их высевают с междурядьями 45..90 см, что обеспечивает механизированную обработку междурядий. В ряд семена располагаются хаотично.

7.Пунктирный способ (однозерновой) характеризуется тем, что ряды располагают один от другого на расстоянии 45..90 см, а семена в ряду размещают на одинаковом расстоянии а одно от другого (высевают (Рисунок 3.1.е, Приложения). Однозерновой посев технических культур обеспечивает повышение урожайности, значительную экономию семян и снижение трудовых затрат на уход за растениями.

8.Ленточный способ высевают (Рисунок 3.1.ж, Приложения)применяют для семян овощных культур. Несколько рядов, называемых строчками, объединяют в группы — ленты. В зависимости от числа рядов в ленте посев бывает двух- и многострочный. Ширину лент и расстояние между ними выбирают так, чтобы рабочие органы культиватора во время обработки междурядий не повреждали растения. Расстояние между строчками зависит от возделываемой культуры.

9.Гнездовой способ высевают (Рисунок 3.1.з, Приложения) используют для растений, которые могут расти вместе (в гнезде). Гнезда семян размещают в параллельных рядах. Ширину междурядий выбирают с учетом особенностей культуры и механизации последующей обработки междурядий. Расстояния между гнездами (междугнездья) выбирают в зависимости от особенностей культуры. Количество высеваемых семян уменьшают в 2..3 раза по сравнению с широкорядным посевом.

10.Квадратно-гнездовой способ (прямоугольно-гнездовой). Обработка всходов улучшается, если гнезда семян расположены в прямолинейных рядах (Рисунок 3.1.и, Приложения) как вдоль, так и поперек поля (в углах квадратов или прямоугольников). Междурядья и междугнездья 70..90 см (для бахчевых культур 180 см). Поле, засеянное квадратно-гнездовым способом, можно обрабатывать в продольном и поперечном направлениях.

11.Совмещенный способ предусматривает одновременный высев семян двух культур в разные ряды, заделку их на разную глубину (посев семян зерновых и трав, кукурузы и бобовых). Совмещенный посев увеличивает продуктивность поля, устраняет дополнительный проход сеялки по полю, сокращает сроки посева.

12.Комбинированный способ (Рисунок 3.1.ж, Приложения) включает в себя одновременный высев семян и гранулированных удобрений.

Выбор способа посева зависит от таких факторов как тип и размер семян, желаемая схема посадки, имеющееся оборудование и конкретные требования выращивания растений. [2]

Глава 4. Практическая часть

4.1. Создание агроробота для посева семян на базе конструктора Lego Mindstorms

Нами была разработана модель агроробота для посева семян на базе конструктора Lego Mindstorms.(Рисунок 4.1.1, Приложения) Робот включает в себя: программируемый блок EV3, два больших мотора для перемещения, один большой мотор для посева, один средний мотор для вскапывания земли, датчик цвета, датчик касания. (Рисунок 4.1.2, Приложения)

Перемещается робот с помощью гусеничного хода, что обеспечивает ему проходимость на разрыхленных участках земле. Приводится в движение двумя большими моторами, которые запускают гусеничный ход с помощью зубчатой повышающей передачи. (Рисунок 4.1.3, Приложения)

Устройство для вскапывания земли находится на передней части робота. Работает от среднего мотора. Мотор приводит в движение угловую зубчатую передачу, та в свою очередь, с помощью осевой передачи, запускает зубчатую передачу которая отвечает за рыхлительные вилы. (Рисунок 4.1.4, Приложения)

Установка для посева семян тработает за счет конвейера, который направлен вертикально вверх, а потом по диагонали вниз. Конвейер работает за счет большого мотора и зубчатой передачи. (Рисунок 4.1.5, Приложения)

Запускается конвейер напрямую из контейнера для семян, которое оборудовано датчиком цвета. (Рисунок 4.1.6, Приложения)

Также наша модель оборудована кнопкой запуска – датчиком касания. (Рисунок 4.1.7, Приложения)

4.2. Программирование робота в ПО Lego Mindstorms

Модель была запрограммирована в программной среде Lego Mindstorms.

Запускаем агроробота по нажатию на датчик, как только датчик пришел в состояние «нажато», воспроизводится звук «Hello».

Далее датчик цвета ожидает, когда внешнее освещение будет меньше 7, что означает, что контейнер с семенами заполнен и закрыт, можно приводить в движение робота. Далее мы включаем моторы, отвечающие за движение – блок «рулевое управление», конвейер – «большой мотор» и вспахивание земли – «средний мотор».

Следующий блок ожидание в режиме «датчик цвета» - «внешнее освещение» ждет, когда освещение будет больше 7, что означает что контейнер с семенами освободился и крышка открыта. В этом случает работа моторов завершается и воспроизводится звук «Arm» (Рисунок 4.2.1, Приложения)

Заключение

В заключении данной исследовательской работы мы создали робота для посева семян на основе конструктора Lego Mindstorms. Этот робот был разработан с целью оптимизации процесса посева семян и повышения эффективности сельскохозяйственного производства.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи: изучение применения роботов в сельском хозяйстве, анализ видов сельскохозяйственных роботов, исследование влияния робототехники на сельское хозяйство, ознакомление с различными методами посева и, наконец, разработка и сборка агроробота с использованием конструктора Lego Mindstorms, а также написание программы для его управления.

Разработанный робот обеспечивает равномерное распределение семян по полю, что позволяет избежать пропусков и повторных посевов, а также экономит время и ресурсы. Благодаря использованию конструктора Lego Mindstorms процесс разработки и сборки агроробота стал доступным и понятным для широкого круга людей, включая школьников и студентов, интересующихся робототехникой и сельским хозяйством.

Полученные результаты могут быть полезны не только для дальнейшего развития сельскохозяйственной робототехники, но и для обучения молодых специалистов в области робототехники и программирования. Кроме того, использование роботов для посева семян может способствовать решению проблемы нехватки рабочей силы в сельском хозяйстве и улучшению экологической ситуации за счет снижения использования химических удобрений и пестицидов.

Список используемых источников

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Сельскохозяйственный_робот

2. Способы посева и агротехнические требования (studfile.net)

3. https://dzen.ru/a/ZYveHrChZQJn6eT3

4. https://www.geeksforgeeks.org/impact-of-sustainable-agriculture-and-farming-practices/

Приложения