XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Автоматизированный сортировщик зерна «Зерномастер». Разработка модели

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Вдовин Е.А. 1Симон З.Д. 1Ярметов З.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Чуклина И.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Порча или заражение зерна представляет собой серьёзную проблему, затрагивающую как производителей, так и потребителей. Бактерии и другие микроорганизмы проникают внутрь зерна, вызывая его гниение, что не только наносит ущерб компаниям, занимающимся транспортировкой и хранением зерна, но и представляет серьёзную угрозу для здоровья людей. Употребление испорченного зерна может привести к пищевым отравлениям и заболеваниям желудочно-кишечного тракта.

Безопасность продуктов, изготовленных из зерна, всегда была и остаётся важнейшей задачей. Последствия употребления некачественного зерна могут быть крайне серьёзными, включая пищевые отравления, воспаления кишечника и другие заболевания. Поэтому крайне важно предпринимать все возможные меры для предотвращения попадания испорченного зерна в продукты питания.

Сортировка зерна является критически важным этапом, который позволяет избежать использования заражённых продуктов. В России этот процесс уже является неотъемлемой частью сельскохозяйственного производства. Однако современные технологии могут значительно улучшить эффективность сортировки, делая её более точной и быстрой. Внедрение инновационных решений в этой области позволит снизить риски для здоровья потребителей и повысить качество продукции.

Мы разработали робота-сортировщика зерна, который станет надёжным помощником в борьбе с порчей зерна. Этот робот способен быстро и точно выявлять заражённые зёрна, предотвращая их попадание в общий поток. Использование таких технологий — это шаг вперёд в обеспечении безопасности наших продуктов. Внедрение инновационных подходов позволит значительно улучшить качество зерна и снизить риски для здоровья потребителей.

Цель: разработать решение для поиска и обнаружения неприемлемого для транспортировки зерна, представить решение в виде модели робота-сортировщика на базе конструктора LEGO® MINDSTORMS® EV3.

Задачи:

1. Изучить проблемы зерновых культур в Тюменской области;

2. Провести исследование данной проблемы;

3. Изучение проблемы с экспертом;

4. Выявить причины возникновения заражения зерна;

5. Проанализировать методы сортировки зерна;

6. Провести комплексный отбор идей;

7. Выбрать идею, прописать инновационные характеристики;

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

Перед нами стояла задача улучшить процессы сортировки и транспортировки зерна в Тюменском регионе. Чтобы найти эффективное решение, мы разделились на две команды. Каждая группа изучала отдельные аспекты процесса, чтобы понять, где можно внести улучшения. Мы предложили несколько инновационных решений, включая автоматизированные транспортные системы и внедрение интеллектуальных алгоритмов управления. Особое внимание мы уделили созданию прототипа, который наглядно продемонстрировал нашу концепцию.

С помощью конструктора LEGO Mindstorms EV3 мы создали модель, включающую автоматическую сортировочную линию и систему транспортировки зерна. Этот прототип не только наглядно показывал работу нашей системы, но и позволял вносить изменения в алгоритм управления для тестирования различных сценариев.

На региональном чемпионате по робототехнике мы представили наш проект. Эксперты и судейская коллегия высоко оценили наши усилия и инновационные подходы. Это стало важным подтверждением правильности выбранного направления и стимулом для дальнейшего развития и совершенствования системы.

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. 1. Выбор проблемы

Испорченные зерна — это зёрна, повреждённые вредителями, гнилью, плесенью или техническими средствами (Рисунок 1.1.1 Приложение).

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

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 [4].

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.

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. 2. 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 транспортировке зерна на рынок.

В Тюменской области разработана одна из самых современных систем для выявления и удаления испорченных или зараженных зерен до их отправки на рынок. Эта система обеспечивает высокое качество сельскохозяйственной продукции и способствует безопасности продовольствия.

Используя передовые технологии и оборудование, специалисты могут эффективно сортировать и обрабатывать зерно, выявляя даже минимальные отклонения от стандартов. Это позволяет не только повысить качество товарного зерна, но и минимизировать риск распространения заболеваний и вредителей в агропроизводстве.

Процесс обработки включает в себя многократную проверку зерна на наличие повреждений, плесени и других критических факторов, влияющих на его качество. Удаление испорченных зерен происходит на ранних стадиях, что обеспечивает сохранение здоровья всей партии. Таким образом, система способствует не только повышению конкурентоспособности тюменской сельскохозяйственной продукции, но и укреплению доверия со стороны потребителей [5].

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 сходили на экскурсию в Аграрный университет Северного Зауралья в 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 Николай Николаевич У. 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. 4. Изучение проблемы с экспертом

Мы встретились с экспертами: Николаем Николаевичем У. и Андреем Олеговичем Б. Они помогли нам глубже разобраться в вопросах, связанных с производством и переработкой зерна, что является ключевым элементом нашего исследования.

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

1.5 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. 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.

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

Транспортная система является ключевым элементом в логистической цепочке распределения зерновых культур, обеспечивая их перемещение. В настоящее время около 74% всего объема зерна транспортируется этим способом, что подчеркивает его стратегическое значение для аграрного сектора. Однако процесс транспортировки связан с рядом серьезных рисков, влияющих на качество продукции [6].

Одной из наиболее значимых проблем является порча и заражение зерновых культур. По оценкам экспертов, при сборе урожая ежегодно теряется от 35% до 40% зерна. Из этого объема 15–20% может быть переработано или реализовано. Оставшаяся часть подлежит утилизации или использованию в качестве фуражного зерна, что существенно увеличивает себестоимость продукции и приводит к значительным экономическим убыткам для производителей.

Рост числа случаев порчи и заражения зерновых вызывает обеспокоенность специалистов агропромышленного комплекса и логистических операторов. Однако не все инциденты получают широкую огласку, а результаты соответствующих расследований часто остаются неизвестными. Это затрудняет объективную оценку масштабов проблемы и разработку эффективных стратегий ее решения.

Для выявления поврежденных и зараженных зерен применяются различные методы сортировки, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Одним из наиболее распространенных методов является визуальная сортировка по цвету. Зерна с аномальным цветом могут свидетельствовать о наличии дефектов или заражений. Однако данный метод не всегда обеспечивает высокую точность, так как порча может носить латентный характер.

Еще одним методом является сортировка по габаритам. Испорченные зерна часто меняют свою форму или размеры, что позволяет их обнаружить. Тем не менее, этот подход не является универсальным, особенно в случаях механических повреждений продукции.

Ручная сортировка, несмотря на свою высокую точность, является наиболее трудоемким и затратным методом. Она позволяет детально исследовать каждое зерно на наличие дефектов, но требует значительных временных и трудовых ресурсов. Более того, данный метод не подходит для обработки больших объемов продукции, что ограничивает его применение в промышленных масштабах [7].

Несмотря на все усилия, существующие методы сортировки не всегда обеспечивают необходимую точность. В связи с этим научные исследования активно ищут новые технологии, способные повысить эффективность данного процесса и снизить потери. Одним из перспективных направлений является разработка автоматизированных систем, основанных на технологиях искусственного интеллекта и компьютерного зрения. Эти системы обладают высокой точностью анализа изображений зерновых культур, что позволяет значительно сократить затраты времени и ресурсов на сортировку.

Таким образом, проблема порчи и заражения зерновых является сложной и многогранной задачей, требующей комплексного подхода. Для ее эффективного решения необходимо совершенствовать методы сортировки, улучшать условия транспортировки и хранения, а также активно внедрять инновационные технологии. Только совместными усилиями специалистов аграрного сектора, логистических операторов и научных исследователей можно добиться значительного снижения потерь и улучшения качества зерновых культур.

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).

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).

2.3 Модель робота на базе LEGO Mindstorms EV3: внешний вид и функционал робота

Мы создали модель Робота на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3. Идеи использования механических передачи мы брали из пособия по робототехнике «Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3». За движение основной части отвечает большой мотор, он установлен под основной частью, чтобы робот имел функционал больше. Эти моторы приводят в движение основную часть, затем он передает сигнал среднему мотору с помощью программы. Итоговый вид робота представлен на Рисунке 2.3.1 Приложения.

В нашей модели используется 1 датчик цвета (Рисунок 2.3.2 Приложение). Также, 3 мотора: 1 большой и 2 средних. Задача 1 большого мотора вращать основную часть с контейнерами, задача первого среднего мотора выталкивать зерна в контейнеры, а второго открывать дно контейнеров (Рисунок 2.3.3 Приложение) Задача датчика цвета – определять цвет зерна. А также в нашей модели 2 ременных и 2 зубчатых передачей. Их задача через средний мотор открывать контейнеры.

Контейнеры в нашей модели демонстрируют возможность робота сортировать зерна. Когда средний мотор получает сигнал от большого мотора открывает дно контейнеров чтобы зерна попали в хранилище или в кузов грузовика для дальнейшей транспортировки.

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://mcx.gov.ru/upload/iblock/4cc/4ccb020acf06ff1823e0c06e8a6dfaa8.pdf

5. https://fumigation1.ru/companystati/2283-opasnyie-primesi-pochemu-vazhna-kachestvennaya-ochistka-zerna-pered-xraneniem/

6. https://cyberleninka.ru/article/n/organizatsionno-ekonomicheskie-problemy-i-perspektivy-razvitiya-transportno-logisticheskogo-protsessa-zernovogo-rynka

7. https://s.minsk.by/2662.html

Приложение

Рисунок 1.1.1 Вид испорченного зерна.

Рисунок 1.3.1 Экскурсия

Рисунок 2.2.1 Эскиз модели

Р исунок 2.3.1 Итоговый вид робота Рисунок 2.3.2 Датчик цвета

Рисунок 2.3.3 1 большой и 2 средних мотора