XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Модель системы оптимизации овощехранилищ «КОМБО» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мужурьян А.А. 1Носов А.Д. 1Борисенко А.А. 1Коромыслов А.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Будрёнкина А.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Тюменская область постоянно развивается, создает новые направления экономического развития и осовременивает уже зарекомендовавшие себя направления. Одним из успешных направлений в Тюменской области является овощеводство. Тема продуктов, произведенных в нашем регионе является актуальной для нас, так как свежие продукты хорошего качества-залог нашего здоровья и доступных цен для всех потребителей. . В рамках исследования данной темы, наша команда посетила агро-фирму «КриММ». Данная организация является предприятием холдингового типа, специализирующимся на производстве картофеля, зерновых, рапса, овощей и салатов, а так же является гордостью региона.

В ходе экскурсии мы увидели, что большой объем по подготовке овощей, таких как картофель, свёкла, морковь, к длительному хранению, их сортировка и очистка происходят вручную. Обсудив данную ситуацию с директором компании, мы выяснили, что на данный момент не существует доступной для предпринимателей системы, позволяющей оптимизировать данные процессы и сократить ручной труд.

Наша команда, в качестве будущих инженеров и развивающихся робототехников, увидела проблему в том, что не смотря на внедрение современных систем в различные сферы жизни человека, нет экономически эффективной безопасной и доступной системы оптимизации подготовки овощей к длительному хранению на овощехранилищах, которые бы обеспечили не только сохранность урожая но и сберегли бы здоровье сотрудников, ограничив использование тяжелого ручного труда.

В связи с этим, мы поставили перед собой цель-создание модели, демонстрирующей возможные способы оптимизации обработки и хранения овощей при помощи конструктора LEGO WeDo 2.0. Особое внимание мы решили уделить картофелю, так как компании нашего региона производят его в достаточно большом объеме, а значит исследование способов оптимизации его очистки, транспортировки по овощебазе и хранению будут наиболее перспективны.

Мы поставили перед собой ряд задач:

- Изучение существующих методов помывки, транспортировки и хранения картофеля на овощебазах;

- Создание модели оптимизированной системы с использованием LEGO WEDO 2.0, учитывающей механизмы автоматизации;

-Проведение практических испытаний разработанной системы для выявления ее преимуществ и недостатков

-проанализировать эффективность использования модели среди учащихся школы интеллектуального развития «Мистер Брейни», а так же в рамках международного STEAM –соревнования «Лига исслдований».

В своей работе мы пользовались такими источниками как: LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов; Курс «Машины и механизмы», ШИР«Мистер Брейни»; Lego удивительные творения. А так е интернет источники: https://krimm.ru; https://agroserver.ru

Глава 1. Теоретическое обоснование создания модели системы оптимизации овощехранилищ «КОМБО» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0.

1.1 Современные методы помывки, транспортировки и хранения картофеля на овощебазах.

Современные методы обработки и хранения картофеля на овощебазах направлены на минимизацию потерь и сохранение качества продукции. Одним из первых этапов, после сбора и транспортировки картофеля на овощебазу является помывка. При мытье с картофеля удаляются лишние загрязнения, что снижает риск заболеваний и скорой порчи продукта. Существует несколько основных способов помывки.

Для картофеля, который идет в продажу очищенным, используют автоматизированные моечные установки, которые используют высокоскоростные потоки воды и специальные щетки, что обеспечивает глубокую очистку корнеплодов с минимальными повреждениями. (Приложение, Рисунок 1.1.1) [4]

Однако большую часть картофеля хранят в кожуре, в ангарах при навальном типе хранения, и такой картофель высушивают в течении 10-12 дней, затем вручную сортируют по фракциям и отправляют в хранилище. (Приложение, Рисунок 1.1.2)

В зависимости от того как картофель будет храниться его транспортируют по разному. При навальном типе хранения используют самосвалы или конвейеры. (Приложение, Рисунок 1.1.3) При хранении в контейнерах или мешках продукты перевозят при помощи вилочных погрузчиков. (Приложение, Рисунок 1.1.4) Минус всех этих способов что они требуют достаточно большого участия человека. [4]

Поскольку даже после уборки в картофеле продолжаются сложные физиологические и биохимические процессы, предпринимателям крайне важно создать и поддерживать оптимальные условия в овощехранилище: температуру воздуха, влажность и вентиляцию.[5]

Правильная организация хранения картофеля в хозяйстве помогает предотвратить промерзание овощей и минимизирует риск поражения клубней гнилью и заболеваниями.

Для хранения картофеля применяются специализированные хранилища с тщательно продуманной системой вентиляции, соответствующей необходимому объему помещения. Обычно используют два метода хранения: навалом и в контейнерах.

Метод навального хранения предполагает расположение картофеля по периметру хранилища в один сплошной слой. Этот способ чаще всего применяется для хранения картофеля одного сорта. (Приложение, Рисунок 1.1.5)

При контейнерном типе урожай загружается в контейнеры разной вместимости, которые, при необходимости, можно легко перемещать в любое место хранилища. (Рисунок 1.1.6)[5]

Не смотря на то, что данные методы подготовки транспортировки и хранения картофеля уже проверены годами, они требуют большого участия человека в организации и выполнении процессов различной трудоемкости на всех этапах. Преимущественно ручной труд требует больших физических усилий, а так же происходит в условиях низкой температуры, так как в овощехранилищах поддерживается стандартно температура не более 4 градусов для сохранности продуктов.

Это дает нам право предполагать, что современные достижения робототехники способны облегчить труд человека, без потери качества продукции.

Глава 2. Модель системы оптимизации овощехранилищ «КОМБО» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

2.1 Конструкция модели системы оптимизации овощехранилищ «КОМБО» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

Наша модель создана на базе конструктора LEGO WeDo 2.0, так как он очень удобен для использования, а так же позволяет легко вносить изменения в конструкцию и псевдокод.

Модель включает в себя комплекс, состоящий из помывочной станции, станции погрузки, транспортировки и хранения картофеля, которые происходят с минимальным участием человека.

Всего в модели использовано: 3 мотора, три смарт-хаба, датчик движения и датчик наклона. [1]

Помывочная станция включает в себя гусеничный механизм, по которому перемещается картофель. (Приложение, Рисунок 2.1.1) Оновременно с гусеничным механизмом работает система очистки, состоящая из щеток и вентиляторов, которые функционирует при помощи сложного последовательного механизма включающего в себя червячную, зубчатую и осевую передачи. (Приложение, Рисунок 2.1.2) [2]

Так же при помощи червячной передачи работает система вентиляции для овощехранилища. Сложный механизм в этой части модели состоит из последовательности червячной передачи, зубчатой передачи и двух ременных передач, которые при помощи оси вращения демонстрируют работу всей вентиляционной системы. (Приложение, Рисунок 2.1.3)

Когда работает конвейер, овощи едущие по нему высушиваются и щетками очищаются от грязи. Направляются они все в контейнер, где датчик движения следит за его наполнением. Когда контейнер наполнится, система транспортировки, работающая при помощи реечной передачи, продвигает его к хранилищу. (Приложение, Рисунок 2.1.4) [3]

Когда контейнер с овощами попадает к хранилищу, его транспортировку продолжает кривошипно-шатунный механизм, который проталкивает контейнер дальше, освобождая место следующим по сигналу датчика наклона. (Приложение, Рисунок 2.1.5)

Вся система замкнутая, взаимосвязанная. (Приложение, Рисунок 2.1.6)

2.2. Управление моделью индукционного нагревателя «Хот» для очистки скважин от парафина на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

Управление моделью осуществляется на базе программного обеспечения WeDo 2.0. Мы использовали блоки отправки писем, что бы все части конструкции запускались одновременно. Взаимосвязь программ происходит при помощи сигналов датчиков. (Приложение, Рисунок 2.2.1)

2.3. Демонстрация возможностей модели системы оптимизации овощехранилищ «КОМБО» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 на примере одного запуска

Самосвал привозит овощи прямо с поля и выгружает на конвейер. Гусеничный механизм начинает работу. Параллельно с ним, начинает работу система вентиляции и очистки. Они находятся вдоль конвейерной ленты, подготавливая картофель по ходу его движения.

От второго мотора при помощи червячной передачи одновременно работают: зубчатая передача, осевая передача, и ременные. Все эти механизмы демонстрируют работу системы вентиляции в хранилище, вентиляции для сушки и щеточек для очистки от грязи. Вентиляционная система важная часть овощехранилища, именно она отвечает за продолжительность сохранности продукции.

Когда контейнер с овощами наполняется, он автоматически оправляется в хранилище. За наполняемостью следит датчик движения, а за перемещение контейнера отвечает длинная реечная передача, благодаря ей не нужно использовать ни самосвалы, ни вилочные погрузчики, транспортировка в стенах хранилища происходит почти без участия человека.

Что-бы контейнеры не мешали друг другу, в овощехранилище они попадают под присмотром человека. Рабочий проверяет, что контейнер в порядке и отправляет его в хранилище при помощи кривошипно-шатунного механизма расположенного над контейнером, и по сигналу датчика наклона.

2.4 Экспериментальное доказательство эффективности использования системы оптимизации овощехранилищ «КОМБО» на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

Так как мы-учащиеся школы интеллектуального развития «Мистер Брейни», ежегодно становимся участниками различных соревнований, чемпионатов и конференций, у нас есть возможность проводить смотры наших работ среди учащихся и педагогов нашей школы, для оценивания идеи и ее совершенствования. Нашу модель мы продемонстрировали педагогам и ученикам школы.

Для понимания сильных сторон нашей работы и оценки эффективности работа оценивалась по следующим критериям:

-сложность использованных механизмов:

-актуальность идеи;

-новизна;

-эстетичность исполнения.

Всего нашу работу посмотрело 5 человек, каждый критерий оценивался по пятибалльной шкале, где 5-наивысший балл. Результаты оценки в таблице ниже.

Таблица 1.

Преимущественно наша команда получила высокие баллы по итогам оценки экспертов.

Так же, данная работа была представлена на международном STEAM-соревновании «Лига Исследований» Сахалин 6.0. Наша команда участвовала на региональном этапе в Тюменской области и заслужила номинацию «Инновационная идея».

Что дает нам право полагать, что перспектива создания системы оптимизирующей подготовку, транспортировку и хранение продуктов на овощебазах эффективна.

Заключение

В процессе исследования и работы над проектом мы выявили важные аспекты, касающиеся оптимизации подготовки овощей к длительному хранению, в частности картофеля, в Тюменской области. Овощеводство в регионе демонстрирует активное развитие, и налаживание эффективных и безопасных процессов хранения и транспортировки является ключевым элементом для устойчивого успеха этой отрасли.

Посетив агро-фирму «КриММ», мы получили уникальную возможность ознакомиться с реальными проблемами и вызовами, с которыми сталкиваются производители. Наблюдение за процессами сортировки и подготовки овощей вручную подчеркнуло необходимость в автоматизации и внедрении инновационных технологий.

Создание модели системы обработки и хранения овощей с использованием конструктора LEGO WeDo 2.0 позволило нам не только проанализировать существующие методы, но и предложить возможные пути их оптимизации. Практические испытания разработанной модели продемонстрировали её эффективность, а работа в рамках школьного проекта и участия в международном STEAM-соревновании «Лига исследований» способствовала развитию навыков командной работы и инженерного мышления.

Таким образом, наш проект не только внес вклад в исследование возможностей автоматизации в овощеводстве, но и стал основой для дальнейших разработок и экспериментов в области робототехники и агрономии. Мы уверены, что успешное внедрение подобных решений в будущем поможет повысить качество продукции, сократить затраты времени и ресурсов, а также улучшить условия труда работников в агросекторе.

Список литературы:

1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

2. «LEGOудивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.;

3. «LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов»; [пер. с англ. Позина И. В., ред. Волченко Ю. С.].- Эксмодетство, 2019 г.

Интернет-источники

4. https://krimm.ru;

5. https://agroserver.ru.

Приложение