Разработка автономного предприятия по выращиванию овощей и фруктов без участия человека с помощью конструктора Lego Education

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

Личный портфель

Разработка автономного предприятия по выращиванию овощей и фруктов без участия человека с помощью конструктора Lego Education

Антипов Д.Д. 1Жемерикин Е.С. 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

Современные технологии позволяют значительно снизить участие человека в сельскохозяйственных процессах, включая посев, уход за растениями и сбор урожая. Одним из перспективных направлений в развитии сельского хозяйства является создание автономных предприятий, использующих роботизированные механизмы, датчики и программное обеспечение для автоматического контроля условий выращивания, обработки почвы, полива и сбора урожая.

В данной работе рассматривается создание модели автономного предприятия по выращиванию овощей и фруктов, которое использует LEGO SPIKE Prime и программное обеспечение SPIKE. Роботизированная система включает в себя датчики влажности и освещённости, моторизированные элементы для автоматического полива и систему контроля условий окружающей среды. Также исследуется возможность использования подобных автономных ферм в экстремальных условиях, таких как другие планеты, где человеческое присутствие ограничено.

Цель работы: Разработка автономного предприятия, способного выполнять основные сельскохозяйственные задачи, включая посадку, полив, контроль роста растений и сбор урожая без участия человека.

Задачи:

  1. Изучить технологии автономного сельского хозяйства.

  2. Рассмотреть существующие методы автоматизированного выращивания овощей и фруктов.

  3. Изучить примеры использования автономных роботов в сельском хозяйстве.

  4. Рассмотреть возможность применения автономных ферм в условиях других планет.

  5. Разработать конструкцию автономного предприятия с использованием LEGO SPIKE Prime.

  6. Реализовать алгоритм управления системой в программе SPIKE.

  7. Провести тестирование модели и оценить её эффективность

Глава 1. Технологии автономного сельского хозяйства

1.1 Развитие автоматизированного выращивания продуктов

Сельское хозяйство претерпело значительные изменения с момента появления первых механизированных инструментов. Сегодня автоматизированные системы включают:

  • Роботизированные тракторы – управляются по GPS и могут выполнять посадку, обработку почвы и сбор урожая.

  • Системы капельного полива – работают на основе датчиков влажности и автоматически регулируют подачу воды.

  • Гидропонные и аэропонные установки – выращивают растения без почвы, используя питательный раствор.

  • Автоматические теплицы – контролируют температуру, влажность и освещение с помощью датчиков.

1.2 Преимущества автономного предприятия

Внедрение автоматизированных механизмов позволяет:

  • Уменьшить зависимость от человеческого фактора.

  • Повысить урожайность за счёт оптимальных условий выращивания.

  • Снизить затраты на рабочую силу.

  • Обеспечить круглосуточный контроль над процессом роста растений.

  • Минимизировать потери урожая.

1.3 Использование автономных роботов в сельском хозяйстве

Современные роботы активно применяются в агропромышленном комплексе. Среди ключевых решений:

  • Роботы-сборщики урожая – механизмы, способные аккуратно собирать фрукты и овощи без повреждений.

  • Дроны для мониторинга посевов – анализируют состояние полей, выявляют болезни растений и оптимизируют обработку удобрениями.

  • Автоматические фермы – интегрированные системы, способные управлять всеми этапами производства: от посадки до упаковки продукции.

1.4 Возможность использования автономных предприятий на других планетах

С развитием космических программ рассматривается возможность выращивания растений на Марсе и Луне. В таких условиях автономные фермы должны учитывать:

  • Низкую гравитацию, которая влияет на рост растений.

  • Отсутствие атмосферы, требующее герметичных теплиц.

  • Дефицит воды, что делает важным использование гидропонных или аэропонных систем.

  • Автономность, так как вмешательство человека будет ограничено.

Глава 2. Разработка автономного предприятия

2.1 Используемые компоненты

Для создания автономного предприятия используются:

  • LEGO SPIKE Prime:

    • Программируемый хаб – управляет всей системой.

    • Моторы – выполняют посадку и полив.

    • Датчик цвета – определяет состояние растений.

    • Датчик расстояния – обнаруживает препятствия.

    • Гироскоп – стабилизирует движение механизмов.

  • Программа SPIKE:

    • Алгоритмы управления процессом выращивания.

    • Автоматический анализ данных датчиков.

    • Визуализация процесса на экране.

2.2 Этапы разработки и программирования

  1. Создание механизма посадки семян – робот использует моторизированный механизм для посадки.

  2. Настройка автоматического полива – на основе данных с датчика влажности.

  3. Контроль роста растений – система использует датчик цвета для анализа состояния.

  4. Программирование логики работы – через блоки в среде SPIKE.

  5. Оптимизация работы модели – для повышения точности процессов.

  6. Тестирование модели – проверка её работоспособности в различных условиях.

Заключение

Разработанное автономное предприятие демонстрирует возможности автоматического выращивания овощей и фруктов без участия человека. Использование LEGO SPIKE Prime и программного обеспечения SPIKE позволило создать рабочую модель, способную выполнять основные задачи сельского хозяйства: посадку, уход за растениями и сбор урожая.

Преимущества модели:

  • Полная автоматизация процессов выращивания.

  • Снижение затрат на рабочую силу.

  • Улучшенный контроль условий роста растений.

  • Возможность использования в теплицах, закрытых фермах и в экстремальных условиях, включая другие планеты.

Перспективы развития:

  1. Добавление датчика влажности для точного контроля полива.

  2. Расширение функционала с помощью машинного зрения для оценки состояния растений.

  3. Интеграция с облачными сервисами для удалённого мониторинга.

  4. Разработка моделей, адаптированных для работы в космических условиях.

Автоматизированные предприятия по выращиванию овощей и фруктов – это будущее сельского хозяйства, позволяющее повысить продуктивность, минимизировать влияние человеческого фактора и, возможно, стать основой для колонизации других планет.

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: 4