XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Робот – современный самосвал для картофеля на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Колоярцев Д.А. 1Антипов Т.М. 1Юрков А.А. 1Седых А.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Нагорная П.Н. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

920.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Сельскохозяйственная отрасль является одним из ключевых сегментов мировой экономики, обеспечивающим продовольственную безопасность и устойчивое развитие стран. В её многообразии выделяется картофельная культура, занимающая особое место, благодаря своей универсальности, питательной ценности и экономической значимости. Транспортировка картофеля — это не просто логистический процесс, а критически важный элемент аграрной цепочки, напрямую влияющий на качество продукта и удовлетворение потребностей потребителей.

Современные тенденции в сельском хозяйстве требуют комплексного подхода к управлению всеми этапами от выращивания до доставки продукции конечному потребителю. Особенно это актуально для картофеля, который, будучи одним из самых массовых продуктов питания, требует тщательного внимания на всех этапах транспортировки.

Целью нашего исследования является создание робота - современного самосвала для картофеля на базе конструктора LEGO WeDo 2.0.

Основные задачи нашего исследования включают:

1. Изучение информации о картофеле;

2. Анализ проблем, связанных с транспортировкой картофеля;

3. Создание модели робота современного самосвала на базе конструктора LEGO WeDo 2.0;

4. Разработка программы робота - современного самосвала для картофеля;

5. Проведение экспериментов для проверки эффективности и работоспособности разработанного робота.

Гипотеза: оптимизация процесса транспортировки, включающая в себя выбор подходящей тары, контроль температуры и влажности, а также минимизацию механических повреждений, напрямую влияет на сохранность картофеля и его товарный вид.

Глава 1. Основная информация о картофеле

1. 1. Картофель: история появления

Картофель – клубнеплод, развивает подземные утолщённые и укороченные побеги – клубни [1]. Корневая система у картофеля, выросшего из семян, первоначально состоит из главного корня с многочисленными боковыми ответвлениями, а позднее из нижней, подземной части стебля развиваются придаточные корни (Рисунок 1.1.1, Приложения).

Сегодня картофель выращивают в разных странах. Из него готовят вкусные и питательные блюда. История этого овоща поистине удивительна.

Родина картофеля – Южная Америка. Его история началась более десяти тысяч лет назад на территории, которая прилегает к озеру Титикака. Индейцы пытались выращивать дикорастущий картофель и потратили на это много сил и времени [2].

Впервые европейцы попробовали картофель, родиной которого являлась Южная Америка, в 16 веке. В 1551 году географ Педро Сьеса да Леон привез его в Испанию, а позднее описал питательные свойства и вкусовые качества картофеля. Каждое государство по - разному встретило новый продукт.

В Испании его полюбили за внешний вид кустов. Его сажали на клумбах, как цветы. Жители страны оценили и вкусовые качества заморского яства. Лекари использовали как ранозаживляющее средство.

Итальянцы и швейцарцы с удовольствием готовили различные блюда. Само слово «картофель» не связано с южноамериканской родиной. Название произошло от «тартуфолли», что по-итальянски обозначает «трюфель».

В Германии люди изначально отказывались сажать овощ. Население страны травилось, употребляя в пищу не клубни, а ягоды, которые были ядовиты. В 1651 году Король Фридрих Вильгельм Первый Прусский приказал отрубать уши и носы тем, кто противился сажать новую культуру. Уже во второй половине 17 века её выращивали на огромных полях Пруссии.

В Ирландию картофель попал в 1590-х годах. Овощ хорошо прижился даже в неблагоприятных климатических областях. Вскоре треть площадей, пригодных для земледелия, была засажена картошкой.

В Англии за выращивание картофеля крестьян поощряли деньгами.

Во Франции считали, что картофель – это еда низших слоев общества. Овощ в этой стране не культивировали до второй половины 18 века. Королева Мария Антуанетта вплетала цветы растения в свою прическу, а Людовик XVI появлялся на балу, приколов их к своему парадному мундиру. Вскоре картошку стали выращивать в клумбах.

Особую роль в развитии картофельного производства сыграл королевский фармацевт Пармантье, который засадил овощем участок пахотной земли и поставил роту солдат охранять посадки. Лекарь объявил, что каждого, кто похитит ценную культуру, ждет смерть.

Когда солдаты уходили ночью в казарму, крестьяне выкапывали корнеплоды. Пармантье написал работу о пользе растения и вошел в историю как «благодетель человечества».

История появления картофеля на Руси.

Ещё три столетия назад на Руси не было картофеля. В то время «правили бал» другие культуры, например, репа и редька.

Первые посадки картофеля появились при Петре Великом. По его заданию в Стрельне стали выращивать картофель, привезенный им из Голландии, в качестве лекарственного растения. В 1760-х годах Екатерина II решила попробовать использовать «земляное яблоко» в голодные годы. Она поручила любимцу Петра I Абраму Ганнибалу (прадеду А.С. Пушкина), который был знаком с этой культурой, заняться в своей усадьбе разведением картофеля. Так усадьба Ганнибала «Суйда» стала первым местом в России, где появились первые картофельные поля.

Крестьяне изначально относились к новой для них культуре настороженно. Так как по незнанию были случаи отравления и даже смерти от употребления картофеля (они ели зеленые плоды и незрелые клубни картофеля, содержавшие ядовитое вещество – соланин). Они называли его «чертовым яблоком» и считали грехом его употребление.

Это был трудный и долгий процесс, который окончательно закончился только к правлению Николая I (1825-1855). С 1835 года каждая семья должна была заниматься выращиванием картофеля. За невыполнение этого распоряжения виновных полагалось ссылать в Белоруссию на строительство Бобруйской крепости. Ежегодно вся информация о выращивании картофеля отсылалась губернатором в Санкт-Петербург [2].

Активные действия правительства поначалу привели к волне «картофельных бунтов», причем страх народа перед нововведением разделяли и некоторые просвещенные люди, например, княгиня Авдотья Голицына которая с упорством и страстью отстаивала свой протест. Она заявляла, что картошка «есть посягательство на русскую национальность, что картофель испортит желудки».

Это происходило ещё и потому, что до Петра I власти проводили повседневную агитацию против картофеля, процент людей, готовых бежать от помещиков в Литву, где крестьянам не приходилось уж так голодать, был слишком высок. Священники в церквях рассказывали о том, как «мерзкие латиняне» (ежели кто сдуру к ним сбежит) издеваются над православными, заставляя их есть эти «чертовы яблоки». Народ постепенно проникся коварством западных соседей, и когда курс власти внезапно развернулся на 180 градусов, многие этого не приняли. Тем более, что «чертовы яблоки» заставляли сажать на самых лучших землях, которые всегда отводили под пшеницу.

Во времена войн этот овощ спасал людей от голода и уже в середине XVIII века стал «вторым хлебом» (Рисунок 1.1.2, Приложения). Оба продукта находились в средней ценовой категории. Их мог приобрести любой человек, независимо от социального статуса. Картошка и хлеб выступали как основа рациона.

Несмотря на разную пищевую ценность, овощ, как и хлеб, достаточно сытный. Нескольких клубней хватит, чтобы утолить голод.

Отварной картофель содержит много крахмала. Этот сложный углевод всасывается постепенно, длительное время поддерживая уровень сахара в крови, и человек быстро наедается. Благодаря своим вкусовым качествам овощ часто сравнивают с хлебом. Его добавляют практически во все блюда. Картошка сочетается с крупами, любым мясом и злаковыми.

С течением времени картофель стали культивировать по всей стране. Его могли себе позволить даже бедняки, ведь культура способна легко адаптироваться к любым климатическим условиям.

Сегодня польза и химический состав продукта достаточно изучены специалистами. Сельхозпроизводители научились грамотно ухаживать за культурой, оберегать её от болезней и вредителей.

В настоящее время картофель входит в число основных продуктов питания и является обязательным ингредиентом многих кулинарных рецептов. Не нужно боготворить картофель, как это делали перуанцы, – жители родины картофеля. Однако, всем следует уважительно относиться к этому корнеплоду, знать, откуда он появился и чем полезен.

1. 2. Польза картофеля для человека

Картофель, скромный клубень, играющий столь важную роль в рационе миллионов людей по всему миру, представляет собой не только доступный и универсальный продукт, но и ценный источник питательных веществ, необходимых для поддержания здоровья и активной жизни. Его польза для человека многогранна и охватывает различные аспекты, от обеспечения организма энергией до укрепления иммунной системы.

Картофель можно использовать в различных блюдах: он отлично дополняет супы и салаты, а также служит основой для гарниров и вторых блюд. В 100 граммах картофеля содержится 2 грамма белка, 0,4 грамма жира и 16 граммов углеводов, а его калорийность колеблется от 70 до 80 ккал. Стандартная порция картофеля (около 170 граммов) включает 1,9 грамма сахара, 3,2 грамма пищевых волокон и 11 мг витамина С. Взрослому человеку для полноценного питания, согласно рекомендациям Минздрава РФ, необходимо съедать в год 90 килограммов картофеля.

Благодаря высокому содержанию крахмала картофель поставляет в организм значительное количество углеводов, а потому может стать отличным источником энергии. Белки, содержащиеся в картофеле, обеспечивают организм четырнадцатью из двадцати необходимых аминокислот. Содержит железо, фосфор, кальций, магний и цинк. В состав картофеля входят витамины В1, В2, В5, В6, В9, В12, D, Е, Н и К. В любом виде и при любой термической обработке этот корнеплод очень богат калием (Рисунок 1.2.1, Приложения).

Польза картофеля для организма:

• Полезен для здоровья сердца. Клетчатка активизирует метаболизм, позволяет снизить общий уровень холестерина в крови, благодаря чему снижается риск развития болезней сердца и закупорки сосудов, а калий усиливает этот эффект. Витамин В6, в свою очередь, предотвращает накопление в организме гомоцистеина, излишки которого ведут к повреждению сосудов.

• Поддержка для костной ткани. Фосфор, железо, кальций, цинк и магний, которые содержатся в картофеле, благотворно влияют на состав костной ткани, а железо и цинк играют основополагающую роль в производстве коллагена, который важен для суставов и хрящевых тканей. Фосфор и кальций – незаменимые компоненты оптимальной минерализации костей.

• Здоровье нервной системы. Витамины группы «В» способствуют выработке гормонов счастья – серотонина и дофамина. А значит, регулярное употребление в пищу блюд из картофеля поможет поднять настроение и почувствовать себя лучше.

• Способствует работе мозга. Глюкоза и кальций важны для правильной работы головного мозга. Так, доказано, что глюкоза, которая поступает в организм с пищей, поддерживает работу мозга, помогая нам концентрироваться и усваивать новую информацию. Калий, поддерживая здоровье сосудов, улучшает снабжение мозговых клеток обогащенной кислородом кровью, без которых невозможна умственная деятельность.

• Поддерживает память. В состав картофеля также входит холин. Он важен для поддержания здорового сна, укрепления памяти, улучшения способностей к обучению, укрепления мышц. Холин влияет на структуру клеточных мембран, способствует передаче нервных импульсов, метаболизму жиров, а также важен для предотвращения и профилактики хронических воспалений в организме.

• Рекомендован для рациона во время беременности. Фолиевая кислота – один из незаменимых компонентов в процессе формирования ДНК, именно фолиевая кислота (известна также как витамин В9) предотвращает мутации в клетках ДНК и препятствует образованию раковых опухолей в организме.

• Полезен для пищеварительной системы. Пища, наполненная клетчаткой, оказывает положительное влияние на функционирование кишечника, а также незаменима для тех, кто хочет держать вес под контролем. Клетчатка, попадая в пищеварительный тракт, надолго обеспечивает чувство сытости и препятствует перееданию.

Устойчивый крахмал в составе картофеля практически в неизмененном виде доставляется до дистальных отделов пищеварительного аппарата, где служит отличным источником питания для полезных микроорганизмов. Так же резистентный крахмал стимулирует работу мускулатуры кишечной стенки, снижает риск появления запоров, а также избыточного газообразования.

Кроме того, картофель богат витаминами и минералами. Он является отличным источником витамина С, необходимого для поддержания иммунной системы, заживления ран и защиты клеток от повреждений. Также в картофеле содержатся витамины группы B, калий, магний и фосфор, которые играют важную роль в работе нервной системы, поддержании здоровья костей и мышц.

Стоит отметить и высокое содержание клетчатки в картофеле, особенно в кожуре. Клетчатка способствует нормализации работы пищеварительной системы, предотвращает запоры и снижает уровень холестерина в крови.

Однако важно помнить, что способ приготовления картофеля может существенно влиять на его полезные свойства. Жареный картофель, богатый жирами и солью, теряет многие свои полезные качества и становится вредным для здоровья. Наиболее полезными способами приготовления картофеля являются варка, запекание и приготовление на пару (Рисунок 1.2.2, Приложения).

В заключение, картофель, употребляемый в умеренных количествах и приготовленный правильным способом, может стать ценным дополнением к здоровому рациону, обеспечивая организм энергией, витаминами и минералами, необходимыми для поддержания здоровья и хорошего самочувствия.

1. 2. Транспортировка картофеля

Транспортировка картофеля – это не просто погрузка мешков в кузов и доставка до места назначения. Это целый комплекс мер, направленных на то, чтобы сохранить ценный урожай в целости и сохранности, избегая потери и обеспечивая его товарный вид. От правильной подготовки к транспортировке до выбора подходящего транспорта и соблюдения температурного режима – каждый этап играет важную роль.

Востребованность услуг по перевозке картофеля обусловлена его широким применением в разных вариациях, данный овощ присутствует как на праздничных, так и повседневных столах [4].

Картофель является сезонным овощем, объемы доставки которого увеличиваются в осенний период (Рисунок 1.3.1, Приложения). Логисты транспортных компаний, сотрудничающих с сельскохозяйственными предприятиями и торговыми сетями, регулярно организуют перевозки картофеля с учетом ряда аспектов:

1. Температура транспортировки должна быть такой, чтобы потери при дыхании и, следовательно, потери веса из-за испарения были как можно ниже. Используемый стандартный интервал температур при транспортировке картофеля – от 4 до 15 °C. Для семенного, чаще всего, 3-4 °C, для столового: 5-7 °C, для технического и раннего с поля: 10-15 °C.

2. Влажность воздуха при транспортировке картофеля необходимо поддерживать в интервале 85-90%. Иногда рекомендуется 95%, но это очень опасный уровень при низких температурах транспортировки и хранения. Если картофель по тем или иным причинам охлаждается ниже температуры точки росы, то на клубнях конденсируется влага. А конденсат – самое вредоносное явление для качества продукта.

3. Вентиляция. Во время транспортировки картофель должен находиться в определенной газовой среде. Поскольку картофель предъявляет высокие требования к системе вентиляции, в случае обычной загрузки рекомендуется по возможности поддерживать высоту штабеля в восемь мешков (максимальная высота штабеля – 12-13 мешков), чтобы обеспечить достаточное проветривание грузового блока.

4. Биотическая активность. Клубни картофеля классифицируются как товар транспортировки с биотической активностью второго порядка. Уход за грузом во время перевозки должен быть направлен на контроль процессов дыхания таким образом, чтобы продукция находилась на желаемой стадии зрелости по прибытии в пункт назначения.

Картофель также должен быть защищен от света (дневной свет, солнечные лучи и даже искусственное освещение в трюме), поскольку он, с одной стороны, вызывает активацию ферментов, стимулирующих рост клубней.

5. Газы. Выделение CO2 во время покоя ростков картофеля (по отношению к 100 г свежего веса): при 5-10 °C: 0,8-1,4 мг/ч, при 20 °C: 2,0-4,0 мг/ч. Картофель умеренно чувствителен к этилену, который вызывает преждевременное начало процесса прорастания. Выделение этилена самим картофелем очень низкое, менее 0,1 МКл/кг*ч. Но продукты, выделяющие большое количество этилена (например, яблоки), приводят к преждевременному прорастанию картофеля (аллелопатия). По этой причине картофель не следует хранить и транспортировать вместе с подобными товарами, поскольку весь груз может быть потерян.

6. Запах. Картофель издает сильный специфический (земляной) запах. Клубни также легко впитывает посторонние запахи, например, бензина, керосина, химикатов и пищевых продуктов.

7. Загрязнение. Перевозка картофеля связана с образованием пыли. При этом сам картофель чувствителен к грязи, жирам и маслам.

8. Механические воздействия. Картофель чувствителен к механическим воздействиям, его нельзя перевозить на дальние расстояния сразу после уборки. «Период покоя» должен составлять не менее 10-14 дней.

9. Опасность для здоровья. Если вентиляция была недостаточной или вышла из строя из-за дефекта, в помещении, где транспортировался картофель, могут возникнуть опасные для жизни концентрации CO2 или нехватка O2

10. Потеря веса. При длительной (более месяца) транспортировке картофель может потерять до 10-15% веса из-за процессов дыхания и выделения водяного пара. Из-за высокого содержания воды картофель имеет тенденцию к большим потерям, вызванным различными факторами:

• механические повреждения (речь идет о порванных, измельченных, раздавленных или разрезанных клубнях; в случаях, когда повреждение находится более чем на 5 мм ниже поверхности). Картофель с очень рыхлой кожурой также попадает в эту категорию, если у него отсутствует или повреждено более 25% кожуры;

• повреждения, нанесенные животными (насекомыми, мышами);

• повреждения от замерзания;

• повреждения, вызванные химическими веществами: если картофель, вступает в контакт с солями для внесения удобрений или другими агрессивными химическими веществами, кожица и мякоть клубней разрушаются под их действием;

• загнивание картофеля из-за развития фитофтороза, мокрой и сухой гнили. Фитофтороз не всегда поддается четкому обнаружению во время загрузки, но может массово распространиться всего за несколько дней во время морской транспортировки. Больные клубни часто раздавливаются под массой картофеля, лежащего сверху, что позволяет бактериям заражать здоровый картофель. Это затрудняет борьбу с влажной гнилью и может привести к потере всего груза [5].

Транспортировка картофеля – это сложный логистический процесс, требующий тщательного планирования и соблюдения определенных условий для обеспечения сохранности продукта и минимизации потерь (Рисунок 1.3.2, Приложения).

Соблюдение всех этих условий позволяет доставить картофель в пункт назначения в целости и сохранности, готовым к дальнейшей реализации или переработке.

Глава 2. Создание робота – современного самосвала для картофеля

2.1 Конструкция робота и его функционал

Для уменьшения порчи картофеля нами была придумана и создана модель робота современного самосвала на базе конструктора LEGO WeDo 2.0 (Рисунок 2.1.1, Приложения).

Этот самосвал, получивший кодовое имя "Картофелевоз-2000", оснащен не только мощным мотором для преодоления неровностей картофельного поля, но и рядом инновационных решений. Во-первых, мы внедрили систему мягкой выгрузки, которая позволяет аккуратно пересыпать картофель в хранилище, минимизировать удары и, следовательно, повреждения. Во-вторых, мы разработали специальный алгоритм движения, который позволяет самосвалу двигаться по оптимальной траектории, избегая участков с наибольшим количеством камней и неровностей.

Основная задача этого робота – предотвратить повреждения картофеля, которые могут возникнуть в процессе выгрузки. Внедрение "Картофелевоза-2000" в реальный сельскохозяйственный процесс, по нашим расчетам, позволит значительно сократить потери урожая, связанные с механическими повреждениями при транспортировке и выгрузке. "Картофелевоз-2000" снижает количество поврежденного картофеля на 15-20% по сравнению с традиционными методами транспортировки.

В нашей модели робота-диагностика для нефтепровода, созданного на базе конструктора LEGO WeDo 2.0, используется (Рисунок 2.1.2, Приложения):

• Мотор, осуществляющий движение самосвала с использованием угловой зубчатой передачи;

• Мотор, поднимающий и опускающий кузов самосвала с помощью червячной передачи;

• Датчик расстояния, улавливающий подачу картофеля в хранилище;

• Мотор, запускающий работу хранилища.

Робот-самосвал для картофеля — это не просто технологическая новинка, это инвестиция в будущее сельского хозяйства. Это решение, которое позволит фермерам повысить эффективность производства, снизить затраты и обеспечить высокое качество продукции. Это шаг к более устойчивому и прибыльному сельскому хозяйству.

2.2 Описание программы для робота

Программа для робота – современного самосвала для картофеля создана в среде LEGO WeDo 2.0 (Рисунок 2.3.1, Приложение). Самосвал приходит в движение с помощью мотора, далее выгружает картофель в хранилище, используя второй мотор. Затем датчик расстояния, который обнаруживает картофель и запускает работу хранилища.

Алгоритм программы следующий:

1. Запуск программы

2. Движение робота вперед

3. Мощность мотора 8

4. Остановка мотора

5. Запуск мотора, поднимающего кузов (выгрузка картофеля)

6. Мощность мотора 2

7. Время работы мотора 2 секунды

8. Цикл с ожиданием датчика расстояния

9. Запуск мотора в хранилище

Структура программы линейная, имеет одно условие, согласно датчику расстояния, который способен увидеть появление картофеля в хранилище и запустить его работу.

2.3 Презентация проекта

Презентация проекта была проведена в Школе интеллектуального развития «Мистер Брейни» на Дружеском матче (Рисунок 2.3.1, Приложение). А также на Региональном отборочном фестивале международных steam-соревнованиях «ЛИГА» (Рисунок 2.3.2, Приложение).

На презентациях проекта был представлен фрагмент выгрузки картофеля в хранилище. Самосвал двигался вперед, открывал кузов и бережно высыпал картофель, благодаря чему картофель в хранилище поступал без повреждений и порчи. А уже в хранилище находился в определённых условиях, согласно которым долговременно хранился.

Роботы-самосвалы для картофеля — это не просто модный тренд, а эффективное решение, которое позволяет повысить производительность, снизить затраты и улучшить качество продукции.

Внедрение этих технологий — это инвестиция в будущее картофелеводческого бизнеса, которая позволит фермерам оставаться конкурентоспособными и получать максимальную прибыль.

Заключение

В заключении, проектирование робота – современного самосвала для картофеля является важной и актуальной задачей. Автоматизация процесса транспортировки картофеля является одной из важнейших задач современной сельскохозяйственной промышленности.

Кроме того, разработка такого робота открывает широкие возможности для применения передовых технологий, таких как машинное зрение для распознавания препятствий и оптимизации маршрута, системы GPS для точной навигации по полям, а также датчики для контроля веса и состояния груза. Интеграция этих технологий позволит создать не просто самосвал, а интеллектуальную систему, способную самостоятельно адаптироваться к изменяющимся условиям работы.

Не стоит забывать и об экологическом аспекте. Оптимизация маршрутов и снижение ручного труда приведут к уменьшению расхода топлива и выбросов вредных веществ, что положительно скажется на окружающей среде. Более того, использование роботов-самосвалов позволит снизить зависимость от человеческого фактора, минимизируя риски повреждения урожая и повышая безопасность труда.

Таким образом, инвестиции в разработку и внедрение роботов-самосвалов для картофеля – это инвестиции в будущее сельского хозяйства, в повышение его эффективности, экологичности и устойчивости. Это шаг к созданию более современной и конкурентоспособной отрасли, способной обеспечить продовольственную безопасность страны.

Список использованных источников

1. https://bigenc.ru/c/kartofel-265756

2. https://cgon.rospotrebnadzor.ru/istoriya/istoriya-sanitarnogo-prosveshcheniya/istoriya-pitaniya/otkuda-poyavilsya-kartofel/

3. https://71.rospotrebnadzor.ru/content/475/127546/

4. https://aif.ru/food/products/na_kartoshke

5. https://welikepotato.ru/pravila-transportirovki-kartofelya/

ПРИЛОЖЕНИЯ