XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

«ЗерноКЫШ». Проблема и генерация идей

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гонтов Д.М. 1Иванов В.К. 1Карпенко И.Д. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1Охоткина К.А. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителяСвидетельство руководителя

Введение

Сохранение и хранение зерна — это важный аспект аграрного сектора, который напрямую влияет на продовольственную безопасность и экономическую стабильность. Рукава для хранения зерна становятся все более популярными благодаря своей экономичности и простоте в использовании. Однако, как и любое другое оборудование, они подвержены повреждениям, которые могут привести к потере урожая и значительным финансовым убыткам.

Для эффективного управления процессами хранения зерна необходимы надежные методы диагностики и мониторинга состояния рукавов. Разработка демонстрационной модели устройства для диагностики повреждений рукава для хранения зерна позволит не только выявлять проблемы на ранних стадиях, но и минимизировать риски, связанные с ухудшением качества хранимого продукта.

С учетом увеличения объемов производства зерна и его хранения, актуальность разработки таких устройств возрастает.

Цель: создание демонстрационной модели устройства для диагностики повреждений рукава для хранения зерна.

Задачи:

• Изучить проблему повреждения рукава птицами и грызунами

• Сгенерировать ряд идей

• Встретиться с экспертами в этой отрасли

• Посетить государственный аграрный университет Северного Зауралья

• Экскурсия НПЦ “Эврика”

• Создать устройство на базе Lego Spike Prime

• Создать рукав для демонстрации проекта

• Реализовать идею с установкой воздуходувки

• Запрограммировать устройство

Глава 1. Повреждение рукава птицами и грызунами

Повреждение рукавов для хранения зерна птицами и грызунами — одна из проблем, с которой сталкиваются при использовании такой технологии.

Птицы. Для защиты используют звуковые отпугиватели и чучела, но они не дают 100%-ной защиты. Чтобы решить проблему, рукава регулярно осматривают, а при обнаружении повреждений их быстро заклеивают скотчем или зашивают.

Грызуны. представляют более серьёзную проблему. Для их защиты территорию обрабатывают от грызунов и раскладывают ловушки. При этом не рекомендуют использовать серосодержащие препараты, так как они могут способствовать распаду рукавов

Чтобы снизить риск повреждения, площадку и рукава очищают от остатков зерна, которые в процессе загрузки рассыпаются рядом с рукавом или на сам герметичный рукав. Их запах привлекает внимание птиц и грызунов.

Способы восстановления рукавов

Один из способов восстановления рукавов для хранения зерна при серьёзном повреждении — использование старого рукава. Его расстилают параллельно повреждённому и разрезают, чтобы получить отрезок в виде простыни. Этот отрезок растягивают поверх повреждённого и закрепляют так, чтобы воссоздать анаэробные условия. Важно, чтобы старый рукав был растянут как можно сильнее.

Предотвращение повреждения на рукаве

Чтобы предотвратить повреждения, важно следить за плотностью наполнения рукавов и не допускать пустот. Также нужно следить за чистотой места, где находится рукав, — там не должно быть веток, острых камней и прочего, что может его повредить.

Глава 2. Генерация идей.

1 идея. Робот, созданный на базе Lego Mindstorms EV3, предназначен для обнаружения повреждений рукава. Он оснащен двумя большими моторами, двумя колесами, дополнительным колесом, средним мотором, ультразвуковым датчиком и блоком EV3. Робот для обнаружения повреждений рукава на базе Lego Mindstorms EV3 поможет избежать трещин и отверстий в рукаве.

Функционал. Робот перемещается между двумя рукавами, используя два больших мотора и колеса. Ультразвуковой датчик, прикрепленный к среднему мотору, сканирует рукав, двигаясь вверх и в низ с помощью зубчатой передачи. При обнаружении повреждения робот издает громкий звуковой сигнал. (Рисунок 2.1, 2.2, Приложения)

2 идея. Робот полностью заменит человека: то есть он будет счищать зёрна с рукавов, определять порвался ли рукав, отпугивать птиц и грызунов.

Функционал. Передвигается с помощью колес и зубчатой передачи. Щётки выдвигаются и очищают рукав от зёрен, чтобы запах не привлёк птиц или грызунов. Проезжая по рукаву записывает видео на камеры. После завершения работы робот через ИИ посылает видео на компьютер, где оно обрабатывается. (Рисунок 2.3, 2.4,2.5, Приложения)

3 идея. Робот предназначен для поиска повреждений рукава, который содержит зерно. Робот двигается между рукавов. Обнаруживает повреждения он c помощью камер 360.

Функционал. Робот двигается между рукавов с помощью гусениц. Робот обнаруживает зерно используя камеру 360. Робот передает информацию о месте повреждения на компьютер.

(Рисунок 2.6, 2.7, Приложения)

Глава 3. Практическое исследование.

3.1. Встреча с экспертами.

Одним из исследований была встреча с экспертом – заведующей кафедры растениеводства Анастасией Афанасьевой. (Рисунок 3.1.1, Приложения) Она подтвердила актуальность проблемы с повреждениями рукавов, так как они в данный момент набирают популярность. Процент рукавов в России является около 5-7% на 2025 год (Рисунок 3.1.2, Приложения), но это число продолжает расти, что делает данную проблему все более актуальнее с каждым днём. [1]

3.2. Государственный аграрный университет Северного Зауралья.

Мы посетили лекцию «Основы растениеводства» в Аграрном университете. (Рисунок 3.2.2, Приложения) На данной лекции мы узнали, кто такие агрономы и чем занимаются агротехники, а также какие климатические зоны есть в Тюменской области: Арктическая тундра на Крайнем Севере, тундра и лесотундра южнее, Северная, средняя и южная тайга, лесостепь и степь на юге. (Рисунок 3.2.5, Приложения) [2]От кандидата наук Владимира Петровича мы узнали о классификации факторов, которые влияют на растения и урожай: нерегулируемые, частично регулируемые, регулируемые. (Рисунок 3.2.3, Приложения) Наша проблема относится к регулируемому фактору – повреждение рукава вредителями. Регулируемый фактор – это фактор, который человек может регулировать для улучшения роста, развития растений, урожая, его качества. [3]

3.3. НПЦ Эврика «Росток».

Посетив экскурсию по НПЦ «Эврика» (Рисунок 3.3.4, Приложения), мы узнали о удобрении для зерна «Росток» и о пшенице: как её выращивают, что из неё производят. Но больше всего нас интересовала проблема хранения зерна. Нам сообщили, что для её решения используют средства, которые вредят животным. Мы решили отказаться от травли вредителей, так как они провоцируют загрязнение воздуха, почвы и воды, отравление флоры и фауны, снижение качества зерна, отравление операторов и механизаторов и гибель животных. Сохранность зерна можно определить и по нескольким факторам: температура, влажность, состав, физические свойства и его жизнедеятельность. (Рисунок 3.3.6, Приложения) [4]

Глава 4. Практическая часть.

4.1. Создание устройства для обнаружения повреждений рукава.

Мы создали устройство для обнаружения повреждений рукава на базе конструктора LEGO Spike Prime. (Рисунок 4.1.1, Приложения)

При его создании использовались: четыре средних мотора, один датчик цвета и один большой мотор.

Перемещение робота по рукаву происходит с помощью четырёх средних моторов, обнаружение повреждений с помощью датчика цвета и передвижение датчика цвета с помощью большого мотора.

Корпус робота состоит из смарт хаба к которому по бокам прикреплено по два средних мотора, отвечающих за перемещение. Корпус представляет из себя смарт хаб с пятью проводами, по бокам в середине расположено по одному направляющему и по два средних мотора по краям. Направляющие прикреплены с помощью угловых коннекторов под углом 45 градусов. Направляющие и балки, к которым прикреплены моторы имеют изогнутую форму, благодаря которой устройство плотно прилегает к рукаву.

Большой мотор с датчиком цвета на верхней грани и две направляющих, по которым двигается датчик цвета. Лебёдка с тросом двигает датчик цвета. Большой мотор вращает лебёдку, а она передвигает датчик по направляющим.

Было сделано две доработки:

1. Установка и доработка воздуходувки.

2. Доработка конструкции.

4.2. Создание рукава.

Для тестирования и демонстрации нашего решения мы создали рукав.

Настоящие рукава для хранения зерна были слишком большими, поэтому, мы решили сделать уменьшенную версию длиной в 1 м.

Первый рукав был сделан из картона, что делало его хрупким и непрактичным при тестированиях. (Рисунок 4.2.1, Приложения)

После, мы сделали доработку рукава: картон заменили на ткань, а внутри заполнили зерном. Это сделало рукав более удобным, прочным и практичным при тестированиях. (Рисунок 4.2.2, Приложения)

4.3. Создание воздуходувки.

Ещё одним решением было создание воздуходувки.

Так как зерно на рукаве может привлекать вредителей, было необходимо решение для его уборки.

Первая воздуходувка состояла из мотора, к нему было прикреплено два провода с разъёмом для крона. Это решение было хрупким, потребляло много энергии, а также не имело переключателя, из-за чего приходилось каждый раз снимать батарейку. (Рисунок 4.3.1, Приложения)

Так как первая воздуходувка сломалась, была создана вторая. Она состояла из мотора, к нему был прикреплён провод с кнопкой и отсеком для двух пальчиковых батареек. Это решение было прочным, не потребляло много энергии, сдувало зерно намного эффективнее, а также позволяло выключать воздуходувку без извлечения батареек. (Рисунок 4.3.2, Приложения)

4.4. Описание программы.

Программа создана на основе Python. Включает в себя асинхронную функцию, один внешний цикла, и три внутренних, используем словарик. Словарик состоит из ключей - секций и значений – повреждений.(Рисунок 4.4.1, Приложения)

Рассмотрим подробнее программу по срокам:

1-2. Импортируем матрицу, порт, звук, цикл исполнения, датчик цвета, цвет, моторную пару и мотор

3-4. Создаём две моторной пары

5. Создаём асинхронную функцию

6. Задаём переменную со списком рукавов

7. Сбрасываем подсчёт градусов на 0 мотора B

8-9. Задаём моторным парам вращение

10. Создаём внешний цикл до того, как мотор B не подсчитает 3000 градусов. Внешний цикл включает в себя три внутренних (11, 16 и 21 строки)

11. Создаём условие секции №1. Цикл запускает блок программы. Цикл повторяет, когда мотор B высчитывает больше 0 градусов, до тех пор, пока мотор B не подсчитает 1000 градусов

12. Включаем мотор A со скоростью -190

13-15. Создаём условие, если датчик цвета увидит чёрный цвет, то: воспроизвести звук с чистотой 440 и громкостью 100. Засчитать повреждение в 1 секции

16. Создаём условие секции №2. Цикл запускает блок программы, когда мотор B подсчитал 1000 градусов, а работает до тех пор, пока мотор B не подсчитает 2000 градусов

17. Включаем мотор A со скоростью 190

18-20. Создаём условие, если датчик цвета увидит чёрный цвет, то: воспроизвести звук с чистотой 800 и громкостью 500. Засчитать повреждение во 2 секции

21. Создаём условие секции №3. Цикл запускает блок программы, когда мотор B подсчитал 2000 градусов, а работает до тех пор, пока мотор B не подсчитает 3000 градусов

22. Включаем мотор A со скоростью -190

23-25. Создаём условие, если датчик цвета увидит чёрный цвет, то: воспроизвести звук с чистотой 1200 и громкостью 500. Засчитать повреждение в 3 секции

27. Делаем так, чтобы в конце подвились итоги повреждений в секциях

28-30. Выключаем моторную пару 1 и 2. Выключаем мотор A

32. Запускаем функцию color_s через цикл исполнения асинхронной функции

Заключение

Проблема сохранения качества зерна при длительном хранении становится всё более актуальной в условиях роста объёмов производства и экспорта сельскохозяйственной продукции. Рукава для хранения зерна являются современным и экономически выгодным решением, однако требуют регулярного мониторинга на наличие повреждений, зачастую вызываемых птицами и грызунами. Такая утечка может привести к порче продукции, серьёзным финансовым потерям и угрозе продовольственной безопасности.

В рамках работы были рассмотрены основные причины повреждений рукавов, проведена генерация идей и консультации с отраслевыми экспертами, что позволило более точно определить требования к средствам диагностики. Экскурсии и встречи в профильных организациях, таких как государственный аграрный университет Северного Зауралья и НПЦ “Эврика”, обеспечили дополнительную экспертную поддержку и расширили спектр прорабатываемых решений.

На базе конструктора Lego Spike Prime создана демонстрационная модель устройства для диагностики повреждений рукава, а также реализована идея наглядной проверки с использованием воздуходувки. Предложенный прототип позволяет наглядно определить наличие утечек и повреждений, повышая оперативность реагирования и снижая ущерб от возможных потерь.

Результаты работы подтверждают, что внедрение автоматизированных средств диагностики позволит существенно повысить надёжность хранения зерна, минимизировать риски и развитие новых решений в этой области, что особенно актуально для аграрного сектора и обеспечения продовольственной безопасности.

Список используемой литературы

1. https://magazine.sibur.ru/publication/direct/agrocomplex/sberech-bez-poter-kak-polimery-pomogayut-sokhranyat-urozhay/

2. (https://www.mnr.gov.ru/activity/regions/tyumenskaya_oblast/?ELEMENT_CODE=tyumenskaya_oblast&special_version=N)

3. https://www.vavilovsar.ru/files/pages/14691/143279681812.pdf

4. https://journal.ecostandard.ru/ot/world/kak-pestitsidy-vliyayut-na-prirodu-i-cheloveka-gran-mezhdu-neobkhodimym-i-bezopasnym-spetsproekt/

Приложения