XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Робот для сбора мусора на базе конструктора Lego Mindstorms

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Ермолаев В.М. 1Редозубов В.А. 1Агафонов К.Е. 1Антипов Т.И. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

В современном мире проблема утилизации мусора становится всё более актуальной. С ростом населения и развитием городов увеличивается количество отходов, которые необходимо правильно утилизировать. Однако существующие методы выноса мусора в многоквартирных домах не всегда эффективны и могут приводить к загрязнению окружающей среды.

Целью данной исследовательской работы является создание демонстрационного варианта робота, предназначенного для сбора мусора из квартир и офисов. Для достижения этой цели необходимо решить следующие задачи:

Выделить проблемы утилизации мусора в жилых районах

Рассмотреть существующие методы выноса мусора в многоквартирных домах.

Исследовать существующие решения для автоматизации процесса уборки мусора в многоквартирных домах

Подробно изучить, как работает система, разработанная компанией NtechLab

Подробно изучить, принцип работы DustBot

Придумать и разработать модель для сбора мусора на базе конструктора Lego Mindstorms

Создать программу для демонстрации управления роботом

Робот будет способен собирать мусор из квартир и офисов, что позволит снизить нагрузку на коммунальные службы и улучшить экологическую ситуацию в городе.

Для выполнения задач исследования будут использованы следующие методы: анализ научной литературы, изучение существующих решений для автоматизации процесса сбора мусора, моделирование и программирование робота на основе конструктора Lego Mindstorms, а также разработка программы для демонстрации его работы.

Глава 1. Проблема утилизации мусора в жилых районах.

Проблема переработки и утилизации твердых бытовых отходов является наиболее актуальной проблемой в настоящее время. Объем твердых бытовых отходов в Российской Федерации оценивается в 200 млн т в год. Объем твердых отходов ежегодно увеличивается, их ликвидация и обезвреживание являются сложной проблемой с экологической, технической и экономической точки зрения для всех городов без исключения.

В этой главе рассматривается проблема накопления и утилизации мусора в многоквартирных домах. А именно проблема выноса мусора из квартиры до контейнеров.

Каковы причины проблемы несвоевременного выноса мусора?

• Нехватка и отсутствие мусорных контейнеров поблизости, а также и неудобное расположение.(Рисунок 1.1, Приложения)

• Болезнь или инвалидность, из-за которых человек не может выйти из дома и вынести мусор. (Рисунок 1.2, Приложения)

• Высокая занятость (Рисунок 1.3, Приложения)

• Забывчивость, лень (Рисунок 1.4, Приложения)

• Отсутствие культуры сортировки мусора. (Рисунок 1.5, Приложения)

Хранящийся в доме мусор приводит к развитию патогенных микробов в помещении, аллергическим реакциям, грибковым поражениям кожи и легких. Малое количество мусора при долгом хранении может привести к появлению неприятного запаха, размножению плесневых грибков и появлению грызунов. При этом выделяются ядовитые пары. [1]

Несвоевременное освобождение мусорных контейнеров приводит к ухудшению экологической обстановки, загрязнению окружающей среды, негативно сказывается на состоянии здоровья людей. Переполненный контейнер – источник инфекционных заболеваний, который нарушает санитарные нормы и правила.

Как результат – выходящие утром на работу люди, видят переполненные мусорные резервуары и принимают решение «бросить» пакет рядом, усугубляя проблему.

Глава 2. Существующие методы выноса мусора в многоквартирных домах.

1. Классический метод - это перемещение мусора с помощью мускульной силы человека до мусорного бака.

2. Простой мусоропровод - техническое устройство, представляющее собой бетонную либо металлическую трубу большого сечения, смонтированную вертикально в многоэтажных домах. Предназначен для более эффективной утилизации твёрдых бытовых отходов. (Рисунок 2.1, Приложение)

3. Воздушный мусоропровод - это система, в которой мусор передвигается с помощью воздушной струи. Он имеет несколько преимуществ: отсутствие запахов, минимальный шум, сохранение гигиены и сокращение времени сбора мусора. Воздушные мусоропроводы устанавливаются в больших многоэтажных зданиях, торговых центрах или офисных зданиях.

4. Пневматический мусоропровод - это система, в которой мусор транспортируется при помощи воздушного потока и специальных контейнеров. Эта система позволяет собирать мусор отдельными фракциями и обладает теми же преимуществами, что и воздушный мусоропровод. Однако она требует больших инвестиций, особенно при установке в уже построенных зданиях.

5. Траволаторный (подпольный) мусоропровод - это система, в которой мусор собирается и транспортируется по специальным подземным каналам. Этот тип мусоропровода позволяет установить выходы для сбора мусора на каждом этаже здания, что делает его удобным для жителей. Однако требуется сложная инженерная проработка, а также контроль за сохранностью подземных каналов.

6. Швейцарский (малогабаритный) мусоропровод - это система, в которой мусор собирается в специальные контейнеры и транспортируется вниз по вертикали и горизонтали с помощью швейцарских грузовых лифтов. Этот тип мусоропровода предназначен для установки в уже построенных зданиях, так как не требует больших инженерных работ. Швейцарский мусоропровод занимает минимум места и может быть установлен даже в небольших жилых комплексах. (Рисунок 2.1, Приложения) [2]

Глава 3. Существующие решения для автоматизации процесса уборки мусора в многоквартирных домах.

3.1. Система, разработанная компанией NtechLab

NtechLab — это российская компания, которая занимается разработкой и внедрением инновационных технологий для обеспечения безопасности и комфорта граждан. Одной из таких технологий является «умная» система контроля уборки мусора и снега, которая позволяет оптимизировать процесс уборки и повысить его эффективность.

«Умная» система контроля NtechLab позволяет решить следующие задачи:

• Оптимизация маршрутов уборки. Система анализирует данные о состоянии территории и определяет наиболее оптимальные маршруты уборки. Это позволяет сократить время и затраты на уборку.

• Мониторинг качества уборки. Система контролирует качество уборки с помощью датчиков и камер. Это позволяет выявить недостатки и принять меры по их устранению.

• Анализ данных. Система собирает и анализирует данные об уборке, что позволяет выявить тенденции и закономерности. Это может быть полезно для планирования будущих работ.

Более 25 регионов России интересуются технологиями на основе искусственного интеллекта, которые помогают при помощи камер видеонаблюдения обеспечить своевременную и качественную уборку мусора и снега. Об этом CNews сообщили представители NtechLab.

«Первым регионом, который начал использовать систему контроля за уборкой мусора, стала Московская область, пилотные проекты также реализуются в Ленинградской, Тюменской, Новосибирской и Калужской областях», – отметил директор по работе с государственными заказчиками NtechLab Дмитрий Рогулин.

Искусственный интеллект каждые 30 минут автоматически собирает информацию с камер видеонаблюдения о наполняемости мусорных контейнеров, загрязненности площадки, соблюдении графика вывоза мусора, и посторонних транспортного средствах, которые могут помешать уборке.

В крупном городе использование системы должно сократить расходы на сбор бытовых отходов на 10-40% в год за счет правильного планирования выезда мусоровозов и эффективного контроля за работой операторов сбора мусора.

Программное обеспечение анализирует фото (стоп-кадр), а не видео, поэтому для его работы необходимо в 25 раз меньше вычислительных мощностей, чем для технологии распознавания лиц. Это позволяет разворачивать проект на действующей инфраструктуре города, если напротив мусорной площадки есть камеры видеонаблюдения.

Искусственный интеллект умеет отличать друг от друга различные типы мусора, в том числе строительный мусор, твердые бытовые отходы и крупногабаритные отходы, а также определять, что контейнер сломан или перевернут. [3]

Система распознаёт в видеопотоке с камер наблюдения мусорные контейнеры, мусоровозы и оставленный мусор и автоматически анализирует качество уборки.

При помощи системы в видеопотоке в реальном времени или архиве можно определить наполняемость мусорных контейнеров, соблюдение графика вывоза мусора, загрязненность площадки вокруг контейнеров и нахождение рядом с контейнерами постороннего транспортного средства, которое может помешать уборке. Данные можно настроить в виде аналитических отчётов или оповещений.

3.2. Робот DustBot «Dustbot the street cleaning robot»

DustBot — робот, который может собирать мусор из домов. Он может быть вызван по телефону или SMS, и использует GPS для автоматического определения пути к клиенту, собирает мусор и уносит его к мусорному контейнеру. Кроме того, Dustbot используют датчики состояния окружающей среды для контроля уровня загрязнения, например, пешеходной зоны. Прототипы были субсидированы в Италии, в Швеции, в Корее и Японии. (Рисунок 3.2.1, Приложения)

DustBot предположительно первый робот в мире, который приходит, чтобы забрать мусор с места жительства по запросу. Он может быть вызван по телефону или SMS в любое время суток. Место нахождения абонента рассчитывается и DustBot отправляется.Когда робот приезжает, человек использует интерфейс робота, чтобы указать вид мусора, а затем робот кладет его в мусорный контейнер. DustBot затем открывает свой контейнер, собирает мусор и относит его в назначенное место. Система DustBot, состоящий из DustCart и DustClean роботов, предназначенных для работы в труднодоступных городских районах, где возникают трудности для работы больших грузовиков,таких как старые европейские города. Он может работать на узких улицах, которые труднодоступны для работы больших мусоровозов.DustClean робот может также подмести, пропылесосить и оценить загрязнение.-

Мусорный бак робота Dustcart может вместить 40 кг.

DustBot адаптируется к местности и использует GPS-навигациив сочетании с предварительно загруженными картами. Он использует гироскоп, чтобы держаться в вертикальном положении, и имеет ультразвуковые, инфракрасные и лазерные датчики, чтобы избегать столкновения со статическими и динамическими препятствиями. Он способен следить за загрязнением с помощью ряда датчиков качества воздуха, и может предупредить, если уровень загрязнения слишком высок. Ключевая идея заключается в использовании роботов, которые специализируются на чем-то другом, для мониторинга загрязнения и / или обнаружения ядовитых газов. Это особенно важно в cлучае газов, которые люди не могут почувствовать, либо когда долгосрочное воздействие немного увеличенных концентраций должно быть проверено. Распределение газов моделируется с помощью статистических методов. Система DustBot взаимосвязана через беспроводную сеть, соединенную с помощью GPS и Интернет.

Два робота DustCart были запущены в деревне Печчоли, Тоскана, в период с 15 июня 2010 до 7 августа 2010, обеспечив "От двери до двери раздельный вывоз отходов по требованию". Система оказалась проста в использовании, обеспечивала удовлетворительное обслуживание и увеличение переработки. Его основными недостатками были "проблема медленного обслуживания / движения (и) небольшая вместимость бака", а также существование «барьера для входа», что было указано в докладе Никола Канелли, представлены в ICT 2010 Conference Session, состоявшейся в Брюсселе, 27 сентября, 2010.

Глава 4. Практическая часть

4.1. Создание модели на базе конструктора Lego Mindstorms

Наша команда разработала систему для сбора мусора, которая включает в себя робота- мусорщика и пульт. (Рисунок 4.1.1, Приложения)

В данной главе мы подробно рассмотрим процесс создания демонстрационной модели робота, предназначенного для сбора мусора в квартирах и офисах.

Модель будет включать в себя два больших мотора для перемещения, один средний мотор для освобождения мусорного контейнера и программируемый блок EV3. (Рисунок 4.1.2, Приложения)

Сборка робота начинается с установки колесной базы. Большие моторы крепятся к платформе. На них устанавливаются колеса 16 диаметра, на заднюю часть устанавливаются два опорных колесика в виде шарниров. (Рисунок 4.1.3, Приложения)

После этого собирается корпус робота из пластиковых деталей. Корпус должен быть достаточно прочным, чтобы выдерживать удары и падения. Корпус является контейнером для мусора, он крепится к платформе колесной базе за счет изогнутых балок и штифтов. Имеет подвижную заднюю стенку, которая открывается при наклоне в 45 градусов, тем самым выгружая мусор. (Рисунок 4.1.4, Приложения) Приведение в диагональное положение контейнера происходит с помощью среднего мотора и системы рычагов. (Рисунок 4.1.5, Приложения)

На верхнюю часть контейнера крепится блок EV3, который отвечает за воспроизведение программы и выдачу энергии. Блок EV3 подключается к моторам и датчикам с помощью проводов.

Дополнительной установкой является пульт, для дистанционного управления, в случае, если робот собьется с дистанции. Пульт оснащен вторым блоком Ev3, средним мотором, для управления поворотами, а также тремя датчиками касания: два датчика отвечают за управление направлением вперед-назад, третий датчик – за открытие контейнера. (Рисунок 4.1.6, Приложения)

4.2. Создание программы в ПО LegoMindstorms

Мы создали программу для управления роботом в ПО Lego Mindstorms.

Нами создано две программы, одна программа для пульта, другая для робота-мусорщика.

Программа для пульта состоит из трех подпрограмм:

1. Задает направление движению – вперед или назад.

2. Отвечает за повороты

3. Поднимает контейнер

Первая подпрограмма, отвечающая за направление, имеет многоуровневую систему, включает в себя три переключателя. Внешний переключатель считывает состояние первого датчика, внутренние переключатели отвечают за состояние второго датчика. Посылаются сообщения с заголовком DK с числовыми данными, исходя из следующих условий:

• Если оба датчика нажато, то воспроизводится верхнее окно, в котором отправляется письмо со значением 0.

• Если первый датчик нажат, а второй нет, то воспроизводится второе окно, отправляется значение -70.

• Если второй датчик нажат, а первый нет, то воспроизводится третье окно, отправляется значение 70.

• Если ни один датчик не нажат, то воспроизводится нижнее окно, где отправляется значение 0.

Вторая подпрограмма, отвечает за повороты нападающего. Значение с среднего мотора в виде градусов, отправляется письмом с заголовком 

«SM» на второй блок Ev3, в виде числового сообщения.

Третья подпрограмма, отвечает за передачу сигнала на средний мотор, который поднимает и опускает контейнер. При нажатии на датчик касания, отправляется письмо DKM с логическим значением «истина». При состоянии «отпущено» у датчика касания, отправляется письмо с логическим значением «ложь». (Рисунок 4.2.1, Приложения)

Программа для робота-мусорщика состоит из двух подпрограмм:

Первая подпрограмма получает письмо DK и отправляет его в параметр «Мощности» в блок рулевого управления, таким образом датчики касания, отвечают за движение вперед-назад. Письмо SM получает числовое значение и по шине данных передаем его в параметр «Направление» в том же блоке рулевого управления.

Вторая подпрограмма получает письмо DKM и передает логическое значение в переключатель, если значение «Истинно», то срабатывает средний мотор на 50 градусов, поднимает контейнер и освобождая его от мусора, после возвращается в исходное положение. (Рисунок 4.2.2, Приложения)

Заключение

В ходе выполнения данной работы были достигнуты все поставленные цели и задачи. В результате проведённого исследования были получены следующие результаты:

• Выявлены основные причины проблемы несвоевременного выноса мусора, такие как: нехватка и отсутствие мусорных контейнеров поблизости; болезнь или инвалидность, из-за которых человек не может выйти из дома и вынести мусор; высокая занятость; забывчивость, лень; отсутствие культуры сортировки мусора.

• Рассмотрены существующие методы выноса мусора в многоквартирных домах, включая использование контейнеров для раздельного сбора отходов, а также организацию специальных мест для сбора крупногабаритного мусора.

• Исследованы существующие решения для автоматизации процесса уборки мусора в многоквартирных домах, такие как использование роботов-уборщиков и систем автоматического распознавания и сортировки отходов.

• Подробно изучен принцип работы системы, разработанной компанией NtechLab, которая позволяет оптимизировать процесс уборки мусора с помощью анализа данных о состоянии территории и определения оптимальных маршрутов уборки.

• Подробно рассмотрен принцип работы робота DustBot, который предназначен для автоматической уборки мусора на улицах города.

• Придумана и разработана модель для сбора мусора на базе конструктора Lego Mindstorms, которая включает в себя два больших мотора для перемещения, один средний мотор для освобождения мусорного контейнера и программируемый блок EV3.

• Создана программа для демонстрации управления роботом, которая обеспечивает его перемещение по подъезду или офису, освобождение контейнера от мусора и возвращение робота на исходную позицию.

Таким образом, в результате выполнения данной работы был создан демонстрационный вариант робота, предназначенного для сбора мусора из квартир и офисов.

Дальнейшие направления развития проекта включают в себя совершенствование модели робота, разработку новых алгоритмов управления и расширение функциональности робота для более эффективной уборки мусора.

Список используемых источников

1. http://istoki.tv/news/people/k-chemu-privodit-nesvoevremennyy-vyvoz-musora-mnenie-odnogo-orlovchanina/

2. https://dzen.ru/a/ZN9q7Ni7I3waoJHe

3. https://www.cnews.ru/news/line/2023-07 31_ntechlab_obsuzhdaet_s_25_regionami

4. "Dustbot the street cleaning robot"

Приложения