Разработка роботизированного механизма для автоматического сбора урожая в теплице с помощью конструктора Lego Education

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

Личный портфель

Разработка роботизированного механизма для автоматического сбора урожая в теплице с помощью конструктора Lego Education

Ужов Е.В. 1Стройков Я.А. 1Тарасенко Б.Е. 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

Современное сельское хозяйство требует внедрения автоматизированных технологий для повышения эффективности и сокращения затрат. Одной из таких технологий является роботизированный механизм для автоматического сбора урожая в теплицах. Тепличное выращивание позволяет создавать оптимальные условия для роста растений, однако процесс сбора урожая остаётся трудоёмким и требует значительных ресурсов.

Автоматизация сбора урожая в теплицах решает сразу несколько проблем: нехватку рабочей силы, снижение качества продукции из-за человеческого фактора и большие финансовые затраты. Роботизированный механизм, использующий LEGO WeDo 2.0 и Scratch 3.0, позволит протестировать и смоделировать работу такого устройства, анализируя его преимущества и эффективность.

Цель работы: Разработать роботизированный механизм для автоматического сбора урожая в теплице с использованием датчика расстояния и мотора.

Задачи:

  1. Изучить виды теплиц и их преимущества.

  2. Рассмотреть выращиваемые в теплицах культуры.

  3. Проанализировать существующие методы сбора урожая и их недостатки.

  4. Исследовать влияние человеческого фактора на сбор урожая.

  5. Разработать модель роботизированного механизма на основе LEGO WeDo 2.0.

  6. Реализовать алгоритм управления механизмом в Scratch 3.0.

  7. Провести тестирование модели и оценить её эффективность.

Глава 1. Теплицы и автоматизация сбора урожая

1.1 Виды теплиц и их преимущества

Теплицы позволяют выращивать сельскохозяйственные культуры в контролируемых условиях. Основные виды теплиц:

  • Плёночные теплицы – дешёвые, но требуют регулярной замены покрытия.

  • Стеклянные теплицы – долговечные, хорошо пропускают свет, но дорогие в строительстве.

  • Поликарбонатные теплицы – прочные, устойчивые к погодным условиям, удерживают тепло.

  • Умные теплицы – оснащены системами автоматизированного полива, освещения и вентиляции.

Преимущества теплиц:

  • Защита растений от климатических условий.

  • Продление периода выращивания культур.

  • Оптимизация расхода воды и удобрений.

  • Повышенная урожайность за счёт контроля параметров окружающей среды.

1.2 Урожай, выращиваемый в теплицах

В теплицах выращиваются разные культуры, включая:

  • Овощи – помидоры, огурцы, перцы, баклажаны.

  • Ягоды – клубника, малина, голубика.

  • Зелень и травы – укроп, петрушка, салат, базилик.

Каждая культура требует индивидуального подхода к сбору урожая, что делает использование автоматизированных механизмов особенно актуальным.

1.3 Человеческий фактор в сборе урожая

Ручной труд при сборе урожая имеет несколько недостатков:

  • Усталость работников снижает скорость и качество сбора.

  • Механическое повреждение плодов из-за неаккуратного обращения.

  • Зависимость от сезонных рабочих увеличивает затраты на персонал.

  • Человеческие ошибки приводят к недобору урожая и потере продукции.

Роботизированный механизм позволяет минимизировать эти проблемы, повышая эффективность процесса сбора.

Глава 2. Разработка роботизированного механизма

2.1 Используемые компоненты

Для создания модели используются:

  • LEGO WeDo 2.0:

    • Мотор – обеспечивает движение механизма.

    • Датчик расстояния – обнаруживает спелые плоды.

    • Передаточный механизм – позволяет манипулятору плавно захватывать урожай.

  • Scratch 3.0:

    • Анимация – визуализирует процесс сбора урожая.

    • Звуковое сопровождение – делает работу робота более реалистичной.

    • Алгоритм управления – обеспечивает обработку данных от датчиков и взаимодействие с пользователем.

2.2 Возможности LEGO WeDo 2.0

Конструктор LEGO WeDo 2.0 позволяет создавать программируемые механизмы, которые могут выполнять различные задачи. В данном проекте используются его ключевые возможности:

  • Подключение датчиков – позволяет роботу обнаруживать урожай и избегать препятствий.

  • Программируемые моторы – обеспечивают движение манипулятора.

  • Гибкость конструкции – даёт возможность адаптировать механизм под разные виды культур.

  • Беспроводное управление – подключение к компьютеру через Bluetooth упрощает настройку и тестирование модели.

2.3 Использование Scratch 3.0 для управления механизмом

Scratch 3.0 – это мощная среда для визуального программирования, которая позволяет создавать алгоритмы управления роботами. В данном проекте использованы:

  • Блоки событий – для запуска программы и реагирования на сигналы датчика.

  • Блоки управления – для создания логики движения манипулятора.

  • Блоки условий – чтобы определять, когда плод достиг нужной степени зрелости.

  • Блоки анимации – для наглядного представления процесса сбора урожая.

  • Блоки звука – для сигнализации о завершении работы.

2.4 Программирование и тестирование

  1. Настройка алгоритма определения урожая с использованием датчика расстояния.

  2. Программирование робота в Scratch 3.0 для выполнения движения.

  3. Создание анимации с изменением спрайтов после сбора урожая.

  4. Добавление звуковых эффектов для наглядности процесса.

  5. Оптимизация работы алгоритма для уменьшения времени реакции механизма.

  6. Тестирование модели в условиях имитации тепличного сбора урожая.

Использование LEGO WeDo 2.0 в сочетании с Scratch 3.0 позволяет создать эффективный инструмент для изучения автоматизированного сбора урожая и на практике демонстрирует, как технологии могут улучшить сельскохозяйственное производство.

Заключение

В ходе работы был разработан роботизированный механизм для автоматического сбора урожая в теплице. Проведённый анализ показал, что автоматизация данного процесса позволяет значительно снизить затраты на рабочую силу, минимизировать потери урожая и повысить качество продукции.

Использование LEGO WeDo 2.0 в сочетании с Scratch 3.0 позволило продемонстрировать работу механизма и создать его цифровую визуализацию. Датчик расстояния обеспечил точное обнаружение плодов, а мотор выполнял сбор урожая, что делает модель эффективной для тестирования автоматизированных процессов.

Преимущества разработанной модели:

  • Ускорение процесса сбора – робот работает быстрее человека.

  • Минимизация потерь урожая – за счёт точности манипулятора.

  • Снижение затрат – сокращается потребность в рабочей силе.

  • Повышение качества продукции – снижение механических повреждений плодов.

Возможные направления улучшения:

  1. Добавление датчика цвета для определения спелости плодов.

  2. Включение голосового управления для взаимодействия с пользователем.

  3. Улучшение механизма захвата для работы с разными культурами.

Внедрение роботизированных систем в сельском хозяйстве – это важный шаг в развитии агротехнологий. Автоматизация сбора урожая позволяет повысить продуктивность и снизить зависимость от человеческого труда, что особенно важно в условиях роста мирового спроса на сельскохозяйственную продукцию.

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: 23