Автоматизированный сортировщик зерна «Зерномастер». Экспертная оценка

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

Автоматизированный сортировщик зерна «Зерномастер». Экспертная оценка

Грилюк М.Д. 1Седых П.А. 1Георгиев А.О. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Чуклина И.А. 1
1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Потеря зерна — это количество зерна, которое теряется на различных этапах производства, хранения и транспортировки. Эти потери могут происходить из-за механических повреждений, поражения вредителями и болезнями, неправильных условий хранения, а также при уборке и переработке урожая. Потери зерна снижают общий выход продукции и могут негативно влиять на экономическую эффективность сельскохозяйственного производства.

Зерно может испортиться по различным причинам, включая неправильные условия хранения, воздействие вредителей, болезни и механические повреждения. Порча зерна приводит к значительным экономическим потерям для сельскохозяйственных производителей и переработчиков, так как снижает качество и количество продукции. Убытки могут включать не только потерю самого зерна, но и дополнительные расходы на его утилизацию, а также возможные штрафы за несоответствие стандартам качества. Кроме того, испорченное зерно может стать источником загрязнения окружающей среды, способствуя возникновению экологических проблем, таких как загрязнение почвы и воды. Таким образом, управление качеством хранения и транспортировки зерна является важной задачей для предотвращения потерь и минимизации негативного воздействия на природу.

Для России обеспечение качественного хранения и транспортировки зерна имеет критическое значение из-за масштабов сельскохозяйственного производства. Испорченное зерно приводит к экономическим потерям и угрожает продовольственной безопасности страны. Условия хранения, такие как температура и влажность, а также защита от вредителей, играют ключевую роль в сохранении качества зерна. Поэтому важно внедрять современные технологии и стандарты для эффективного управления зерном.

Последствия порчи зерна приводят к значительным экономическим потерям, а также могут вызвать загрязнение окружающей среды. Испорченное зерно, особенно при неправильном хранении, может стать источником плесени и токсичных веществ, что негативно сказывается на качестве почвы и воды. В результате потерь урожая значительное количество зерна оказывается непригодным для использования, что может привести к дефициту продовольствия. Кроме того, испорченное зерно может занимать большие площади складских помещений и земельных участков, которые становятся недоступными для сельскохозяйственного оборота.

Нам стала интересна данная тема, связанная с испорченными зернами, и мы решили разработать робота сортировщика зерна на базе конструктора LEGO® MINDSTORMS® EV3.

Цель: разработать решение для сортировки и последующей транспортировки зерна на базе конструктора LEGO® MINDSTORMS® EV3.

Задачи:

1. Изучить проблемы порчи зерна;

2. Провести исследование выбранной проблемы;

3. Изучение проблемы с экспертом;

4. Выявить причины возникновения порчи;

5. Проанализировать методы обнаружения порчи и потери зерна;

6. Провести комплексный отбор идей;

7. Выбрать идею, прописать инновационные характеристики;

8. Разработать демонстрационную модель на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3;

9. Поделиться своим решение с экспертами, усовершенствовать модель;

10. Провести демонстрацию проекта.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты. При конструировании движимых частей нам помогали книги и методические пособия о простых и сложных механических передач.

Мы перед собой поставили большое количество задач. Благодаря тому, что нас в команде 6 человек, мы успешно справились со всеми задачами. Мы разделились на две команды по 3 человека и подробно изучили проблемы, связанные с порчей зерна Тюменского региона, выделили одну проблему и подробно её исследовали, сгенерировали несколько идей по решению проблемы, разработали инновационное решение и представили свой проект в виде модели на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3 экспертам и судейской коллегии на региональном чемпионате по робототехнике. Подробную разработку модели можно посмотреть в проекте других ребят из нашей команды –Автоматизированный сортировщик. Разработка модели. Эта работа также представлена в секции «Техническое творчество и изобретательство» на XXV Международном конкурсе научно исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» Российской Академии Естествознания.

При написании теоретической части работы мы пользовались информационными сайтами. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [1,2,3].

Глава 1 Теоретические аспекты

    1. Выбор проблемы

Испорченные зерна — это зёрна, повреждённые вредителями, гнилью, плесенью или техническими средствами.

В разных уголках мира могут возникать проблемы, связанные с испорченными зернами, что наносит ущерб сельскому хозяйству и экономике стран. Например, в России, как и в других странах, существуют случаи порчи зерна из-за различных факторов: неблагоприятных условий хранения, инфекций или вредителей. Испорченные зерна могут стать причиной значительных потерь для фермеров и аграрного сектора.

Испорченные зерна — это семена или злаковые культуры, которые потеряли свои качественные характеристики и не могут быть использованы для посева или употребления в пищу. Восстановлением и предотвращением порчи зерна занимаются специалисты в области агрономии и хранения зерновых [4].

Россия обладает значительными запасами зерновых культур и является одним из ведущих мировых производителей. Однако проблема с испорченными зернами может негативно сказаться на продовольственной безопасности страны и её способности экспортировать зерно в другие государства. Профилактика потерь зерна и разработка эффективных методов хранения — важные аспекты для развития сельского хозяйства и экономики России.

Самое распространённое растение, производящее зерна, — это злаки. Зерна — это семена, которые используются в пищу, кормах для животных и для промышленной переработки. Они образовались в результате сложного процесса опыления и созревания цветков злаковых растений. Зерна являются основным источником углеводов и белка для человека и животных. Из зерен получают муку, крупу, хлеб, пасту и множество других продуктов. Кроме того, зерна используются для производства биотоплива, масел и других пищевых добавок, а также имеют важное значение в агрономии и экологии [5].

Мы узнали о проблемах, связанных с испорченными и зараженными зернами, которые негативно сказываются на сельском хозяйстве и продовольственной безопасности.

- Появление грибковых заболеваний, которые приводят к поражению зерна и снижению его качества.

- Загрязнение зерна пестицидами и тяжелыми металлами, что представляет угрозу для здоровья человека и животных.

- Неправильные условия хранения, способствующие образованию плесени и ухудшению пищевых свойств зерна.

- Переполнение складов и отсутствие надлежащего контроля за качеством хранившихся запасов, что приводит к массовому повреждению.

- Появление вредителей, таких как насекомые и грызуны, которые усугубляют проблемы с качеством зерна.

- Напряженная ситуация на рынках сбыта, когда испорченное и зараженное зерно может попасть в пищевую цепочку, нанося вред потребителям.

Эти проблемы требуют внимания и эффективных мер для обеспечения безопасного и качественного зернового продукта.

Мы остановились на следующей проблеме: Необходимость эффективного выявления и удаления испорченных или заражённых зёрен до их поступления на рынок.

    1. Исследование проблемы

Для исследования проблемы мы выбрали следующие методы:

- Работа с интернет источниками - Интернет является ценным источником данных для исследования. Он предоставляет уникальные возможности для изучения. Интернет-исследования имеют свои преимущества, такие как доступность, масштабируемость и возможность анонимности;

- Из статей и журналов мы подробно узнали о различных проблемах, связанных с зерном. В Тюменской области ежегодно производятся сотни тысяч тонн зерна. Его хватает не только Тюменской области, большое количество зерна продается в другие регионы. Благодаря внедрению современных агротехнологий урожайность пшеницы составляет о 25 до 30 ц/га

- Экскурсия - это одна из форм организации учебной деятельности, которая может быть использована при проведении обучающимися различных исследований. Экскурсия дает возможность изучать разнообразные объекты в их реальном окружении. У обучающегося появляется возможность найти огромное количество материала для собственных наблюдений, анализа и осмысления;

- Работа с экспертом. Эксперт — это профессионал, обладающий глубокими знаниями и опытом в конкретной области или предмете. Он консультирует, анализирует и предоставляет квалифицированные оценки или рекомендации.

1.3 Экскурсия: Государственный аграрный университет Северного зауралья, кафедра растениеводства

Мы посетили экскурсию в Государственном Аграрном университете Северного Зауралья, кафедру агрономии и растениеводства, а также в консультативно-развивающий центр «Росток» для более подробного изучения выбранной нами проблемы. Экскурсию провели ведущие преподаватели кафедры, среди которых директору инженерно-технологического института Государственного Аграрного Университета Северного Зауралья, профессор Устинов Николай Николаевич кандидат технологических наук. Университет является одним из ведущих учебных заведений в области агрономии и сельского хозяйства в нашем регионе, расположенным в г. Тюмень (Рисунок 1.3.1 Приложение и Рисунок 1.3.2 Приложение).

Экскурсия предоставила уникальную возможность познакомиться с историей развития сельского хозяйства в нашем крае и узнать о достижениях ученых, которые внесли значительный вклад в агрономическую науку. Тюменская область занимает важное место в России по производству сельскохозяйственной продукции и развитию агросектора.

В ходе экскурсии мы получили много интересной информации о современных методах ведения сельского хозяйства, условиях выращивания различных культур и особенностях почвенного покрова региона. Мы также смогли поучаствовать в практических занятиях, где имели возможность изучить образцы почв и растений. Это позволило нам лучше понять, как агрономы работают с землей и как можно повысить урожайность в непростых климатических условиях нашего региона.

    1. Изучение проблемы с экспертом

Мы встретились с экспертом Устиновым Николаем Николаевичем. Он помог нам глубже разобраться в вопросах, связанных с производством и переработкой зерна, что является ключевым элементом нашего исследования.

Эксперт поделился с нами ценными данными для нашего проекта: основными факторами, влияющими на урожайность зерновых, существующими методами хранения и переработки зерна, а также достоинствами и недостатками каждого из методов. Батурин Андрей Олегович, объяснил, как технологии селекции и удобрения могут существенно повысить урожайность, а также подчеркнул важность правильного хранения для минимизации потерь в качестве и количестве продукции.

    1. Причины возникновения порчи и заражения зерна

Выявление и удаление испорченных или зараженных зерен — это важная задача в процессе хранения и переработки сельскохозяйственной продукции. Недостаточное внимание к качеству зерна может привести к уменьшению его питательной ценности и даже к возникновению заболеваний у людей и животных [6]. Процесс контроля качества зерна включает несколько этапов, направленных на своевременное определение и удаление ненадлежащих образцов продукции.

Основными методами выявления испорченных или зараженных зерен являются визуальный осмотр, лабораторные анализы на наличие грибков, вредителей и токсинов, а также использование автоматизированных систем сортировки. При визуальном осмотре зерна обращают внимание на изменения цвета, наличие пятен, повреждений и запаха. Лабораторные тесты позволяют более точно определить уровень заражения, а современные технологии, такие как инфракрасная спектроскопия и компьютерные системы зрения, помогают значительно облегчить процесс сортировки.

Удаление зараженных зёрен является критически важным для обеспечения безопасности продуктов питания. В процессе переработки зерна отделяют поврежденные и подозрительные образцы, которые могут быть причиной дальнейшего ухудшения качества всей партии. Основные категории, подлежащие удалению, включают зёрна, поврежденные насекомыми, гнилью или имеющие необычные запахи [7].

В средней статистике по агрономическим данным, уровень потерь от воздействия насекомых и грибков может достигать 10-15% от общего объема хранящегося зерна в неблагоприятных условиях. Таким образом, эффективное выявление и удаление испорченных и зараженных зерен не только предотвращает экономические потери, но и гарантирует безопасность и качество конечной продукции.

1.6 Методы обнаружения испорченных и зараженных зерен

Сейчас в Тюменской области для отделения хорошего зерна от испорченного и зараженного используется фотосепарация (оптическая сортировка). На пример: пораженное грибками-меняет цвет, проросшее или треснувшее-отличается структурой. Также используется отчистка на сортировачных машинах. На пример: сеппараторы удаляют примеси, мелкий и битый зерносорт, а пневматические столы разделяют зерно по плотности (легкие и зараженные выдуваются воздухом) (Рисунок 1.6.1 Приложение).

 

плюсы

минусы

Фотосепарация

Высокая точность – распознаёт дефекты (трещины, пятна, изменение цвета), которые могут быть не видны человеческому глазу.

Автоматизация – быстрая обработка больших объёмов зерна без участия оператора.

Обнаружение микотоксинов и плесени – некоторые системы могут выявлять заражённые зёрна по изменению спектра отражения.

Гибкость настроек – можно настроить под разные культуры (пшеница, кукуруза, рис и т. д.).

Высокая стоимость – оборудование и обслуживание дорогие.

Зависимость от качества изображения – пыль, влажность или неравномерное освещение могут снижать точность.

Ограниченная эффективность – не всегда различает внутренние дефекты (например, скрытое заражение грибком).

Не удаляет все примеси – требуется дополнительная очистка от мелких частиц.

Сортировочные машины

(сеппараторы)

Универсальность – удаляют не только испорченные зёрна, но и сор, камни, металломагнитные примеси.

Высокая производительность – подходят для крупных партий зерна.

Разные методы сепарации – воздушные, вибрационные, гравитационные, магнитные (эффективны против разных типов загрязнений).

Простота и надёжность – механические сепараторы менее зависимы от внешних условий.

Экономичность – дешевле фотосепараторов в эксплуатации.

Меньшая точность – могут пропускать мелкие дефекты или удалять часть хорошего зерна.

Не различают цвет и текстуру – неэффективны против некоторых видов заражения (например, фузариоз).

Износ деталей – вибрационные и ударные нагрузки требуют регулярного обслуживания.

Шум и пыль – неэкологичны по сравнению с фотосепарацией.

Вывод:

- Фотосепарация лучше подходит для финальной очистки, когда важно убрать именно заражённые и дефектные зёрна.

- Сортировочные машины эффективны на предварительных этапах для удаления крупных примесей и первичной калибровки.

Глава 2 Практические аспекты

2.1 Комплексный отбор идей

Мы рассмотрели несколько идей в разных направлениях для решения поставленной проблемы. Для каждой идеи прописали плюсы и минусы (Таблица 2.1.1).

идеи

+

-

Внедрение новых технологий

Повышение эффективности и производительности, Улучшение качества зерна

Необходимость обучения персонала, Зависимость от технологий

2.Повышение уровня образования и осведомлённости

Улучшение качества продукции, Снижение рисков

Необходимость постоянного обновления знаний

Создание стандартов и улучшение регулирования

Повышение качества продукции, Улучшение безопасности

Высокие затраты на внедрение, Необходимость постоянного обновления

Стимулирование инвестиций

Увеличение производственных мощностей, Развитие инфраструктуры

Необходимость долгосрочных вложений, Экологические риски

2.2 Наша идея- «Автоматизированный сортировщик зерна»

Мы остановились на первой идее и придумали–автоматизированный сортировщик зерна «Зерномастер». Он применяется для сортировки зерна на испорченное или здоровое. Эскизы нашей модели представлены на Рисунке 2.2.1 Приложения.

Его инновационность заключается в автоматизации и облегчении сортировочного процесса зерен.

Наш робот:

-осуществляет сортировку зерен вместо людей и ускоряет этот процесс.

-имеет хранилище, а также датчики для определения вида зерна.

-имеет мотор для передвижения контейнеров с испорченными или зараженными зернами (2 контейнера) и с здоровыми зернами (2 контейнера). Фотография нашей модели представлена на Рисунке 2.2.2 Приложения.

2.3 Презентация проекта

Впервые свою идею мы рассказали ребятам и экспертам на дружеском матче 13 января 2025г. (Рисунок 2.3.1 Приложение)

Затем экспертам: директору инженерно-технологического института Государственного Аграрного Университета Северного Зауралья, кандидату технических наук –Николаю Николаевичу У. А также преподавателям аграрного университета Северного Зауралья

А также мы отправили видео нашей презентации потенциальным пользователям, в этом нам помог наш консультант – Батурин Андрей Олегович. Наш проект, по мнению Батурина Андрея Олеговича, является востребованным, так как проблема выявления зараженных и испорченных зерен действительно высока.

2.4 Системная доработка решения

На протяжении всей работы с проектом мы дорабатывали наше решение на системной основе:

-в самом начале работы с проектом мы заменили пластиковые стаканчики на контейнеры из деталей Lego.

- после дружеского матча в декабре, мы заменили основную зубчатую передачу на ременную.

- добавили большое количество различных декораций таких как: газоны, деревянные дома, картонная машина.

- после встречи с экспертом доработали текст защиты, презентацию, прописали преимущества нашей идеи.

Заключение

Мы рассмотрели некоторые проблемы порчи зерна в Тюменской области, узнали, что наш регион богат зерном. Определили для дальнейшего изучения проблему вероятности порчи или заражения зерна, что приводит к потере сырья.

Провели подробное исследование выбранной проблемы: сходили на экскурсию, побеседовали с экспертом, изучили проблему с помощью интернет-источников.

В Тюменской области создана одна из самых разветвленных систем контроля качества зерна в стране. По этой системе осуществляется проверка почти всего урожая, что позволяет обеспечить высокие стандарты продовольственной безопасности. В регионе активно используются современные технологии для выявления испорченных или зараженных зерен, что способствует сохранению качества продукции. Согласно федеральным данным, в среднем фиксируется 15 случаев заражения зерна в год, что подчеркивает важность постоянного мониторинга и контроля.

Основные причины порчи зерна – это внешние воздействия, такие как неправильное хранение и высокая влажность, а также внутренние факторы, включая заражение вредителями и грибковыми заболеваниями. Мы узнали о существующих методах диагностики качества зерна, такими как лабораторные анализы и использование специализированных сенсоров для определения уровня зараженности.

Мы отметили плюсы и минусы этих методов и предложили по итогу комплексного отбора идей свое решение. Наша идея - Автоматизированное устройство для выявления и удаления испорченных или зараженных зерен. Его инновационность заключается в усовершенствовании конструкции.

Мы разработали демонстрационную модель «ЗерноМастер» на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3. Мы поделились своим решение с экспертами и усовершенствовали модель. Мы провели демонстрацию проекта на Дружеском матче и на Региональном отборочном Чемпионате по робототехнике по направлению Лига Решений в городе Тюмень.

Наше решение оказывает благоприятное воздействие на окружающий мир: сохраняет экологию Тюменской области, тем самым способствует предотвращению попадания испорченных или зараженных зерен на рынок.

Списоклитературыиинтернетисточники

  1. Курс «Робототехнический Центр», курс «Соревновательная робототехника», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни», - Режим доступа - https://mrbrainy.ru/;

  2. Овсяницкая, Л.Ю. Курс программирования робота EV3 в среде Lego Mindstorms EV3 / Л.Ю. Овсяницкая, Д.Н. Овсяницкий, А.Д. Овсяницкий. 2-е изд., перераб. и доп – М.: Издательство «Перо», 2016. – 300 с.

  3. Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.;

4. https://direct.farm/post/pokazateli-zerna-1346

5. https://obrazovaka.ru/biologiya/semeystvo-zlaki-plod-cvetok-6-klass.html

6. https://min.urgau.ru/images/2023/5-2023/29-5-2023.pdf

7. https://expert-agro.ru/blog/ochistka-zerna/

Приложение
Рисунок 1.3.1 Экскурсия

1.6.1 Фотосепаратор 2.2.1 Эскиз модели

2.2.2 Наша модель

Просмотров работы: 20