Разработка роботизированного манипулятора для сбора созревшей клубники с помощью конструктора Lego Education

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

Личный портфель

Разработка роботизированного манипулятора для сбора созревшей клубники с помощью конструктора Lego Education

Данилов А.Д. 1Скрипка Г.Я. 1Мазик К.Х. 1
1Школа интерактивного развития "ТриКита"
Долгов Е.А. 1Волокитина Е.А. 1
1Школа интерактивного развития "ТриКита"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Клубника является одной из самых популярных и ценных ягодных культур, широко выращиваемых во всём мире. Она используется как в свежем виде, так и в переработанной продукции, такой как варенье, соки, десерты и кондитерские изделия. Однако её сбор представляет собой сложный и трудоёмкий процесс, так как ягоды легко повреждаются, требуют аккуратного обращения и своевременного сбора.

В современных фермерских хозяйствах всё чаще применяются автоматизированные технологии, позволяющие снизить затраты на ручной труд и повысить эффективность сбора урожая. Использование роботизированных манипуляторов с датчиком расстояния позволяет не только ускорить процесс сбора клубники, но и минимизировать потери урожая за счёт точного определения спелости ягод.

Кроме того, программирование работы манипулятора с помощью Scratch 3.0 даёт возможность визуализировать процесс сбора, анимацией демонстрировать сбор урожая и анализировать данные, поступающие от датчика. Это позволяет создать эффективную систему управления роботом, что делает проект интересным и полезным для изучения автоматизации в сельском хозяйстве.

Актуальность темы обусловлена необходимостью внедрения новых технологий в сельское хозяйство для повышения урожайности и сокращения потерь продукции. В связи с увеличением спроса на клубнику и её хрупкостью ручной сбор становится менее эффективным, что делает автоматизированные системы незаменимыми на крупных фермах и тепличных хозяйствах.

Цель работы: Разработать роботизированный манипулятор для сборки спелой клубники с использованием LEGO WeDo 2.0, датчика расстояния и программного обеспечения Scratch 3.0.

Задачи:

  1. Изучить сорта клубники, условия их выращивания и особенности созревания.

  2. Рассмотреть существующие методы сбора клубники и их недостатки.

  3. Изучить влияние позднего сбора на урожай и методы его предотвращения.

  4. Исследовать регионы выращивания клубники и способы её транспортировки.

  5. Разработать модель роботизированного манипулятора с датчиком расстояния.

  6. Программировать работу манипулятора в Scratch 3.0.

  7. Тестировать модель и оценить её эффективность в условиях имитации сбора урожая.

Глава 1. Клубника: сорта, условия выращивания и трудности сбора

1.1 Основные сорта клубники

Клубника выращивается в разных климатических зонах и подразделяется на несколько категорий:

  • Раннеспелые сорта – такие как "Клери" и "Альба", которые созревают уже в мае.

  • Среднеспелые сорта – "Эльсанта" и "Чамора Туруси", урожай которых приходится на июнь-июль.

  • Позднеспелые сорта – "Мальвина", созревающая ближе к концу лета.

  • Ремонтантные сорта – "Королева Елизавета II", способные давать урожай несколько раз за сезон.

1.2 Условия выращивания клубники

Для получения высокого урожая важно учитывать:

  • Температурный режим – клубника лучше всего растёт при температуре от 18 до 25°C.

  • Влажность – слишком высокая влажность приводит к развитию грибковых заболеваний, а недостаток воды замедляет рост ягод.

  • Тип почвы – клубника любит лёгкие и плодородные почвы с нейтральной кислотностью.

  • Световой режим – культура требует не менее 8-10 часов солнечного освещения в день.

1.3 Проблемы ручного сбора клубники

  • Высокая трудоёмкость – сбор ягод требует большого количества рабочих рук.

  • Низкая скорость сбора – из-за хрупкости плодов процесс занимает много времени.

  • Повреждение урожая – неправильное обращение с ягодами приводит к их деформации и снижению качества.

  • Сезонность работы – необходимость привлечения сезонных работников.

1.4 Потери клубники из-за позднего сбора

Поздний сбор клубники может привести к значительным потерям урожая. Перезрелые ягоды:

  • Быстро портятся и становятся непригодными для продажи.

  • Легко разрушаются при транспортировке.

  • Привлекают насекомых и увеличивают риск распространения болезней на плантации.

Роботизированные системы сбора позволяют избежать этих проблем, автоматически определяя созревшие ягоды и собирая их в оптимальный момент.

1.5 Где выращивают клубнику и как её транспортируют

Основные регионы выращивания клубники включают:

  • Испания и Италия – крупнейшие поставщики клубники в Европу.

  • США (Калифорния и Флорида) – крупные промышленные плантации.

  • Россия – выращивание клубники в теплицах и на открытых полях.

Транспортировка клубники требует соблюдения определённых условий:

  • Поддержание температуры 0-2°C.

  • Использование специальных контейнеров для предотвращения повреждений.

  • Быстрая доставка до точек продажи или переработки.

Глава 2. Разработка и программирование роботизированного манипулятора

2.1 Используемые компоненты

Для создания модели роботизированного манипулятора используются:

  • LEGO WeDo 2.0:

    • Мотор – управляет движением манипулятора.

    • Датчик расстояния – определяет положение ягоды и активирует механизм захвата.

  • Scratch 3.0:

    • Анимация поля и клубники – визуализирует процесс сбора.

    • Изменение спрайтов – ягоды "исчезают" после сбора.

    • Звуковое сопровождение – добавляет реалистичные звуки работы манипулятора.

2.2 Подробное описание используемых блоков Scratch 3.0

  • Блоки "Движение" – управляют перемещением манипулятора.

  • Блоки "События" – запускают анимацию при обнаружении ягоды.

  • Блоки "Условные операторы" – анализируют показания датчика расстояния.

  • Блоки "Звук" – создают эффект работы робота.

2.3 Этапы сборки и программирования

  1. Сборка модели

    • Установка мотора для управления манипулятором.

    • Подключение датчика расстояния.

  2. Создание программы в Scratch

    • Настройка алгоритма "поиска" ягод с использованием датчика.

    • Реализация анимации: спрайты меняют состояние после сбора.

    • Добавление эффектов работы робота.

  3. Тестирование и оптимизация

    • Проверка точности определения ягод датчиком.

    • Улучшение алгоритма захвата плодов.

Заключение

Разработка роботизированного манипулятора для сбора клубники продемонстрировала возможности автоматизации сельскохозяйственного труда. Использование датчика расстояния позволило создать систему, реагирующую на наличие ягод, а программирование в Scratch сделало проект интерактивным и наглядным.

Преимущества модели:

  • Ускорение процесса сбора урожая.

  • Минимизация потерь при сборе.

  • Возможность работы в теплицах и на открытых полях.

  • Интерактивное программирование, развивающее навыки робототехники.

Таким образом, роботизированный манипулятор является перспективным решением для механизации сбора клубники и демонстрирует, как современные технологии могут повысить эффективность сельского хозяйства.

Список использованных источников и литературы:

  1. Ботаника для садоводов. Д. Ходж, 2019

  2. Умный огород в деталях. Н. И. Курдюмов, 2011

  3. Десять этапов проектирования малого сада. А. Сапелин, 2013

  4. Белая книга садовода для детей. П. Каролина, 2024

  5. Большая книга идей Lego. Машины и механизмы. Й. Исогава, 2021

Электронные источники:

  1. https://education.lego.com/en-us/;

  2. https://good-tips.pro/index.php/house-and-garden/orchard-and-garden/vegetables/plant-growth

Просмотров работы: 1