XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Автоматизированный сортировщик картофеля на базе конструктора Lego Wedo 2.0
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Сельскохозяйственная отрасль имеет большое значение для экономики многих государств, поскольку она обеспечивает население продуктами питания и материалами для производства различных товаров. В этой сфере работает множество людей, и она оказывает существенное воздействие на окружающую среду.
Сельское хозяйство включает в себя выращивание растений и разведение животных, а также производство продуктов питания.
В настоящее время сельскохозяйственная отрасль сталкивается с рядом вызовов, таких как изменение климата, ухудшение состояния почвы, дефицит воды и распространение вредителей и болезней. Эти проблемы требуют принятия мер по адаптации и устойчивому развитию сельского хозяйства.
Мы узнали, что из-за мокрого картофеля уменьшается урожай, поэтому нашей команде стало интересно, какие технические средства могли бы прийти людям на помощь в сельскохозяйственном плане.
Целью проекта является создание демонстрационной модели автоматизированного сортировщика картофеля на базе конструктора Lego Wedo 2.0.
Задачи:
- изучить основную информацию об автоматизированных сортировщиках, их функциях, местах применения;
- подробно изучить виды сортировщиков, проанализировать использование;
- создать модель автоматизированного сортировщика картофеля на базе конструктора Lego Wedo 2.0;
- разработать программы;
- презентовать проект.
При написании теоретической части работы мы пользовались информационными сайтами. При создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике [1,2,3].
Глава 1 Основная информация об автоматизированных сортировщиках картофеля
-
-
Назначение. Области применения
-
Автоматизированные сортировщики картофеля (Рисунок 1.1.1 Приложение) используются для повышения эффективности, точности и скорости обработки картофеля на различных этапах: от поля до упаковки и переработки [4].
Основные назначения и функции разделяются на следующие факторы:
Сортировка по размеру: это одна из основных функций. Сортировщики разделяют картофель на фракции в зависимости от его размера. Это важно для соответствия требованиям рынка, оптимизации процессов упаковки и переработки (например, для производства картофеля фри требуются клубни определенного размера).
Сортировка по качеству: автоматизированные системы могут обнаруживать дефекты, такие как:
- Повреждения: порезы, трещины, проколы.
- Болезни: парша, фитофтороз, гниль.
- Дефекты формы: неправильная форма, уродливость.
- Зеленые пятна: указывают на наличие соланина (токсичного вещества).
- Землю и посторонние предметы: камни, комья земли, ботву.
Оптимизация использования картофеля: позволяет направлять картофель разного качества на разные цели:
- Высококачественный картофель: для продажи в свежем виде.
- Картофель с незначительными дефектами: на переработку (например, для производства чипсов, крахмала).
- Картофель низкого качества: на корм скоту или на утилизацию.
- Снижение трудозатрат: автоматизация сортировки значительно сокращает потребность в ручном труде, что снижает затраты на оплату труда и повышает производительность.
- Повышение производительности: автоматизированные системы могут обрабатывать гораздо большие объемы картофеля по сравнению с ручной сортировкой.
- Повышение точности: машинное зрение и другие сенсорные технологии позволяют более точно определять размер и качество картофеля, чем это может сделать человек. Это приводит к более однородным партиям и снижению количества ошибок.
- Улучшение отслеживаемости: некоторые системы могут интегрироваться с системами учета и отслеживания, что позволяет отслеживать движение картофеля от поля до потребителя.
- Снижение потерь: благодаря более точной сортировке уменьшается количество картофеля, отправляемого на утилизацию.
1.2 Виды автоматизированных сортировщиков
Выделяют несколько типов автоматизированных сортировочных машин, различающихся по принципу работы и технологиям, используемым для обнаружения дефектов:
1. По принципу работы.
Виды механизированных сортировщиков:
-Роликовые сортировщики: картофель перемещается по системе вращающихся роликов, расстояние между которыми постепенно увеличивается. Мелкие картофелины проваливаются между роликами, сортируясь по размеру. Просты в обслуживании, но менее точны, чем оптические (Рисунок 1.2.1 Приложение).
-Ситовые (вибрационные) сортировщики: используют набор сит с ячейками разного размера. Картофель вибрирует над ситами, и более мелкие картофелины проваливаются через соответствующие ячейки (Рисунок 1.2.2 Приложение).
-Барабанные сортировщики: картофель вращается внутри барабана с отверстиями разного размера.
-Дисковые сортировщики: используют вращающиеся диски с отверстиями, которые пропускают картофель определенного размера.
Оптические сортировщики (на базе машинного зрения) работают так:
-Цветные сортировщики: определяют дефекты по цвету (например, зеленые пятна, гниль, повреждения).
-Сортировщики по форме: определяют отклонения от правильной формы (например, искривления, наросты).
-Текстурные сортировщики: определяют дефекты поверхности (например, паршу, трещины).
-Инфракрасные сортировщики: используют инфракрасное излучение для обнаружения внутренних дефектов.
-Мультиспектральные сортировщики: используют несколько диапазонов спектра для более точного анализа и выявления различных дефектов.
-Пневматические сортировщики: используют поток воздуха для разделения картофеля по плотности (например, для удаления камней и земли).
-Весовые сортировщики: сортируют картофель по весу, обычно используются в линиях фасовки. (Иногда относятся к механическим)
-Комбинированные сортировщики: сочетают в себе несколько принципов работы (например, механическую сортировку по размеру и оптическую сортировку по качеству).
2. По типу используемых технологий.
-Камерные сортировщики: используют камеры для захвата изображений картофеля и последующего анализа.
-Лазерные сортировщики: используют лазерные сканеры для получения 3D-модели картофеля и выявления дефектов.
-Гиперспектральные сортировщики: используют гиперспектральные камеры для получения информации о химическом составе картофеля и выявления внутренних дефектов. (Самые современные и дорогие)
2. По степени автоматизации.
-Полуавтоматические сортировщики: требуют участия оператора для контроля и управления процессом сортировки.
-Полностью автоматические сортировщики: работают без участия оператора, принимая решения на основе данных, полученных от датчиков и камер.
4. По производительности:
-Малые сортировщики: подходят для небольших фермерских хозяйств.
-Средние сортировщики: используются на средних предприятиях по переработке и упаковке картофеля.
-Крупные сортировщики: предназначены для крупных промышленных предприятий с большими объемами производства.
5. По назначению.
-Полевые сортировщики: используются непосредственно в поле для предварительной очистки и сортировки картофеля.
-Сортировщики для хранения: используются перед закладкой картофеля на хранение для удаления поврежденных и больных клубней.
-Сортировщики для переработки: используются на предприятиях по переработке картофеля для получения сырья определенного качества.
-Сортировщики для упаковки: используются на предприятиях по упаковке картофеля для подготовки товара к продаже.
Выбор конкретного типа сортировщика зависит от множества факторов, таких как объем производства, требования к качеству, бюджет и тип картофеля [5].
1.3 Анализ использования сортировщиков
Использование автоматизированных сортировщиков картофеля имеет множество преимуществ, но также имеет и некоторые недостатки, которые необходимо учитывать при принятии решения о внедрении [6].
Положительные стороны:
Повышение производительности: автоматизированные системы могут обрабатывать значительно большие объемы картофеля по сравнению с ручной сортировкой, что позволяет повысить производительность и сократить время обработки.
Снижение трудозатрат: сокращение потребности в ручном труде приводит к снижению затрат на оплату труда и уменьшению нагрузки на персонал.
Повышение точности и однородности: машинное зрение и сенсорные технологии обеспечивают более точную и последовательную сортировку по размеру, форме, цвету и наличию дефектов, чем при ручной сортировке. Это приводит к более однородным партиям продукции.
Улучшение качества продукции: выявление и удаление дефектных клубней на ранних этапах позволяет улучшить общее качество продукции и снизить риск распространения болезней.
Снижение потерь: более точная сортировка уменьшает количество картофеля, отправляемого на утилизацию, что приводит к снижению потерь и увеличению выхода годной продукции.
Оптимизация использования ресурсов: автоматизированные системы позволяют направлять картофель разного качества на разные цели, оптимизируя использование ресурсов и увеличивая прибыль. Например, высококачественный картофель может быть направлен на продажу в свежем виде, а картофель с незначительными дефектами — на переработку.
Соответствие требованиям рынка: автоматизированные сортировщики позволяют быстро и эффективно адаптироваться к меняющимся требованиям рынка в отношении качества и размера картофеля.
Улучшение отслеживаемости: интеграция с системами учета и отслеживания позволяет отслеживать движение картофеля от поля до потребителя, обеспечивая прозрачность и отслеживаемость продукции.
Возможность работы в сложных условиях: автоматизированные системы могут работать в условиях, неприемлемых для человека (например, в запыленных или холодных помещениях).
Снижение субъективности: автоматизированные системы не подвержены влиянию человеческого фактора, такого как усталость или невнимательность, что обеспечивает стабильно высокое качество сортировки.
Отрицательные стороны:
Высокая начальная стоимость: автоматизированные сортировочные машины требуют значительных инвестиций в приобретение, установку и настройку.
Затраты на обслуживание и ремонт: автоматизированные системы требуют регулярного технического обслуживания и ремонта, что влечет за собой дополнительные расходы.
Необходимость квалифицированного персонала: для обслуживания и ремонта автоматизированных сортировочных машин требуется квалифицированный персонал, что может потребовать дополнительных затрат на обучение или привлечение специалистов.
Сложность настройки и программирования: настройка и программирование автоматизированных сортировочных машин может быть сложным процессом, требующим специальных знаний и опыта.
Ограниченная гибкость: некоторые автоматизированные сортировщики могут быть негибкими и неспособными адаптироваться к изменениям в характеристиках картофеля (например, к разным сортам или размерам).
Уязвимость к сбоям: автоматизированные системы могут подвергаться сбоям в работе, что может приводить к простоям и снижению производительности.
Требования к чистоте продукта: для эффективной работы оптических сортировщиков требуется относительно чистая поверхность продукта. Это может потребовать предварительной очистки картофеля.
Энергопотребление: автоматизированные системы потребляют электроэнергию, что может увеличить эксплуатационные расходы.
Обучение персонала: даже при полной автоматизации требуется обученный персонал для контроля качества и решения проблем, которые автоматика не может решить самостоятельно.
Риск устаревания технологии: технологии в области автоматизированной сортировки быстро развиваются, что может привести к устареванию оборудования через несколько лет.
Автоматизированные сортировщики картофеля представляют собой эффективное решение для повышения производительности, снижения трудозатрат и улучшения качества продукции [7]. Однако перед принятием решения о внедрении необходимо тщательно взвесить все плюсы и минусы, а также оценить экономическую целесообразность инвестиций. Важно учитывать специфику производства, требования к качеству продукции и доступный бюджет.
Глава 2 Созданиемодели на базе конструктора Lego Wedo 2.0
2.1 Планирование
Мы изучили конструкцию автоматизированных сортировщиков картофеля, узнали для чего они используются и где применяются и запланировали сделать свой сортировщик, у которого будут следующие задачи для осушения мокрого картофеля:
- движение мощных вентиляторов
- движения трех конвейерных лент
- работа двух датчиков (наклона и расстояния)
- работа реечной передачи
Перед началом конструирования модели, мы также поставили задачу нарисовать эскиз будущего проекта (Рисунок 2.1.1, Приложение), затем построить модель и написать программу для проекта.
2.2 Конструкция модели и её функционал
Проект создан на базе конструктора Lego Wedo 2.0 (Рисунок 2.2.1 Приложение). Включает в себя два смартхаба.
При помощи датчика наклона в положении «левый бок», подается сигнал к началу программы. Запускается первый мотор, который приводит в движение червячную передачу (Рисунок 2.2.2 Приложение) и конвейерную ленту, работающую от гусеничного механизма (Рисунок 2.2.3 Приложение). В это же время по ременной передаче (Рисунок 2.2.4 Приложение) передается движение на верхний конвейер (Рисунок 2.2.5 Приложение) и по осевой передаче (Рисунок 2.2.6 Приложение), а также угловой зубчатой передаче с применением конического колеса (Рисунок 2.2.7 Приложение), передается движение на третий конвейер- по ним будет передвигаться мокрый картофель (Рисунок 2.2.8 Приложение).
Во время работы конвейера, нужно поставить датчик наклона в положение «носом вверх», и запустить второй мотор, от него работает угловая зубчатая передача (Рисунок 2.2.9 Приложение), которая передает движение на зубчатую передачу, тем самым запуская вентиляторы для сушки картофеля (Рисунок 2.2.10 Приложение). После этого, картофель попадает на сортировку плохого и хорошего картофеля (Рисунок 2.2.11 Приложение). Когда датчик расстояния определяет плохой картофель- издается звук и оператор должен утилизировать его.
Хороший, просушенный картофель отправляется по конвейеру в зону отгрузки на хранение, который работает при помощи реечной передачи (Рисунок 2.2.12 Приложение).
Остановить работу вентиляторов и конвейеров можно при помощи датчика наклона.
От первого мотора работают 5 механизмов: червячная передача, гусеничный механизм, ременная передача, осевая передача, угловая передача с использованием конического зубчатого колеса, от второго мотора работают 2 механизма: угловая зубчатая передача и зубчатая передача.
2.3 Программа
Наша программа создана в среде Lego Wedo 2.0 (Рисунок 2.3.1, Приложение). Структура программы циклическая, имеет три условия, согласно датчику наклона и датчику расстояния. Работает при передаче сообщений «начало», «вент», «утиль» на подпрограммы.
Алгоритм программы следующий:
-
Передача сообщений «начало», «вент»
-
Ожидание работы датчика наклона в положении «правый бок», либо «носом вверх».
-
Вращение мотора по часовой стрелке
-
Ожидание работы датчика наклона в положении «правый бок», либо «носом вниз»
-
Остановка моторов
Алгоритм подпрограммы «утиль»:
-
Передача сообщения «утиль»
-
Ожидание работы датчика расстояния в режиме приближения
-
Воспроизведение музыки под номером 8
Все подпрограммы находятся в блоке «цикл».
2.4 Презентация проекта
Презентацию проекта (Рисунок 2.4.1, Приложение) мы провели в Школе интеллектуального развития «Мистер Брейни».
Заключение
В ходе проектной работы мы детально изучили принципы работы, виды и преимущества автоматизированных сортировщиков картофеля. Мы пришли к выводу, что эти устройства играют ключевую роль в современной картофелеводческой отрасли, позволяя значительно повысить эффективность сортировки, снизить трудозатраты и обеспечить соответствие продукции высоким стандартам качества, что критически важно для конкурентоспособности предприятий. Без автоматизированной сортировки сложно представить эффективную работу современных картофелеводческих хозяйств, ориентированных на большие объемы производства и строгие требования к качеству продукции.
На практике мы разработали модель сортировщика картофеля с использованием мощных вентиляторов, используя доступные компоненты: программное обеспечение и конструкторский набор Lego WeDo 2.0. Модель демонстрирует принципы осушения картофеля и определения испорченных картофелин. Сортировка осуществляется с помощью механизма, отбраковывающего дефектные клубни в отдельный контейнер.
Далее, мы презентовали свой проект в Школе интеллектуального развития «Мистер Брейни», он вызвал большой интерес.
Таким образом, мы считаем, что тема автоматизированных сортировщиков картофеля представляет собой перспективное направление для дальнейших исследований и разработок. Этот проект может быть использован на уроках информатики, физики и технологии для изучения принципов работы сенсоров, механики, программирования в среде Lego WeDo 2.0. Автоматизированная сортировка картофеля — это не просто технология, это инструмент, который позволяет оптимизировать всю цепочку производства и поставки картофеля, обеспечивая потребителей качественной продукцией.
Списоклитературыиинтернетисточники
-
Курс «Робототехнический Центр», курс «Соревновательная робототехника», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейни», - Режим доступа - https://mrbrainy.ru/;
-
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.
-
Йошохито Йocoгава, Книга идей LEGO MINDSTORMS EV3: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. О.В.Обручева]. – Москва, Издательство «Э», 2017. - 232 с.;
-
https://cyberleninka.ru/article/n/razrabotka-avtomatizirovannoy-linii-posleuborochnoy-obrabotki-kartofelya-dlya-hozyaystv-naseleniya
-
https://machine.goldsupplier.com/ru/blog/fruit-sorting-machine/
-
https://sky.pro/wiki/profession/preimushestva-i-nedostatki-avtomatizacii-proizvodstva/
-
http://new.ekoresurs-72.ru/articles/novaya-sortirovochnaya-ustanovka-dlya-karto
П риложение
Р исунок 1.1.1 Автоматизированный сортировщик картофеля
Р исунок 1.2.1 Роликовый сортировщик Рисунок 1.2.2 Ситовый сортировщик
Р исунок 2.1.1 Эскиз проекта
Рисунок 2.2.1 Готовый проект
Рисунок 2.2.2 Червячная передача Рисунок 2.2.3 Конвейерная лента
Рисунок 2.2.4 Ременная передача Рисунок 2.2.5 Верхний конвейер
Р исунок 2.2.6 Осевая передача Рисунок 2.2.7 Угловая зубчатая передача
Рисунок 2.2.8 Третий конвейер Рисунок 2.2.9 Угловая зубчатая передача
Рисунок 2.2.10 Зубчатая передача Рисунок 2.2.11 Сортировка картофеля
Рисунок 2.2.12 Конвейер на реечной передаче
Рисунок 2.3.1 Программа проекта