XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Способы перемешивания зерна и возможности их улучшения при помощи конструктора Lego Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Самедов Д.И. 1Асламин В.Н. 1Антипов Я.М. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Бек М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Хранение зерна после сбора является важным этапом в технологическом цикле сельскохозяйственного производства, определяющим качество продукции и экономическую эффективность хозяйства. Одним из ключевых аспектов хранения является обеспечение сохранности зерна, его равномерного распределения и предотвращения застаивания, что способствует минимизации потерь и поддержанию высокого качества зерновых культур.

В немеханизированных зернохранилищах основным способом перемешивания зерна является ручной труд. Такие склады обычно используются в небольших хозяйствах или фермерских хозяйствах, где объемы хранения относительно малы, либо в случаях, когда отсутствуют необходимые финансовые средства на приобретение автоматизированных или механизированных систем. Ручное перемешивание предполагает физическую работу работников, которые вручную перемещают зерно с помощью лопат, граблей или других инструментов. Этот процесс занимает много времени, требует значительных физических усилий и не обеспечивает равномерности перемешивания, что негативно сказывается на качестве зерна и его сохранности.

Кроме того, ручное перемешивание подвержено человеческим ошибкам, что может привести к неполной перемешке или неправильному распределению зерна внутри склада. В результате возникают застаивания, развитие плесени, ухудшение качества зерна и увеличение потерь. Также такой труд увеличивает затраты времени и ресурсов на обслуживание склада, особенно при необходимости регулярных перемешиваний. В условиях растущих требований к сохранности и качеству продукции такие недостатки становятся особенно очевидными.

Поэтому появляется необходимость в разработке и внедрении автоматизированных или механизированных систем перемешивания, которые могли бы обеспечить более эффективное, быстрое и равномерное перемешивание зерна, снизить затраты труда и повысить качество хранения. В условиях ограниченного финансирования и небольших объемов хранения такие системы должны быть максимально простыми и доступными, что делает актуальной разработка недорогих и мобильных решений на базе современных робототехнических технологий.

Целью данной работы является создание малого мобильного робота на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3, который благодаря специальной конструкции колес будет способен эффективно перемешивать зерно в немеханизированных зерноскладах.

Задачи исследования:

1. Анализ существующих решений и литературы

2. Разработка технических требований к роботу

3. Конструирование прототипа робота

4. Разработка и программирование алгоритма перемешивания

5. Экспериментальные испытания и оценка эффективности

6. Формулировка рекомендаций и выводов

При оформлении проекта и создании программы мы руководствовались

учебными пособиями по образовательной робототехнике.

Глава 1. Анализ современных решений для перемешивания зерна и мобильных роботов

1. 1. Методы перемешивания зерна на складах

Перемешивание зерна на складах является одной из ключевых операций технологического процесса хранения сельскохозяйственной продукции. Оно способствует поддержанию равномерного качества зерна, предотвращает его слёживание, самосогревание, а также снижает риск поражения вредителями и болезнями. Особенно важно постоянно обеспечивать однородность физических свойств и влажности зерновой массы при долговременном хранении больших партий продукции.

Основные задачи перемешивания зерна

• Гомогенизация партии: Смешивание отдельных фракций зерна разного качества, влажности и температуры для выравнивания характеристик.

• Профилактика самосогревания: Удаление локальных зон повышенной влажности и температуры, что предотвращает порчу продукта.

• Предотвращение слёживания: Обеспечение сыпучести зерновой массы для дальнейших технологических операций и сохранения качества.

• Снижение риска поражения вредителями: За счёт разбивания очагов заражения и затруднения их развития.

Классификация методов перемешивания зерна

Существуют различные методы перемешивания зерна, выбор которых определяется масштабом хозяйства, технической оснащённостью склада, а также характеристиками самой зерновой массы. К основным методам относятся механические, ручные, воздушные, а также комбинированные способы.

1. Механические методы перемешивания.

Наиболее прогрессивными и эффективными являются механические способы перемешивания зерна с применением различного оборудования:

• Перегрузка транспортёрами (шнековыми, ленточными, скребковыми):

Этот способ заключается в переброске зерна с помощью транспортёров из одной части склада в другую либо при перевозке между складами (Рисунок 1.1.1, Приложения). При каждой перегрузке зерновая масса естественным образом перемешивается, уменьшается разница по влажности, температуре, засорённости. Особенно эффективны скребковые транспортёры, позволяющие перемещать большие объёмы зерна за короткое время.

• Использование зерноразбрасывателей:

На некоторых складах применяют специальное оборудование — стационарные или мобильные зерноразбрасыватели(Рисунок 1.1.2, Приложения), которые предназначены для равномерного распределения зерна по складу. При этом происходит выравнивание зернового слоя и качественное перемешивание разных партий, поступающих в хранилище.

• Зерноперегружатели и ковшовые элеваторы:

Специализированные машины (зерноперегружатели), работающие по принципу ковшового подъёма и сбрасывания, позволяют эффективно перемешивать и транспортировать зерно внутри склада или между складами(Рисунок 1.1.3, Приложения).

2. Ручные методы перемешивания

Использование лопат и другого инвентаря:

На небольших складах, а также при работе с малыми объёмами, допустимо перемешивать зерно вручную при помощи лопат, вил или специального инвентаря. Такой способ обеспечивает частичное перемешивание, но он весьма трудоёмкий и не даёт высокой однородности. Чаще всего ручные методы используются для локального устранения проблем (например, при обнаружении очагов самосогревания).

3. Перемешивание при помощи воздушного потока

Аэрация зерна через системы вентиляции:

В современном зернохранилище широко применяют аэрацию — продувание зерновой массы воздухом через специально обустроенные воздуховоды, проложенные в толще хранимого зерна (Рисунок 1.1.5, Приложения). При подаче воздуха возникает турбулентное движение частиц, что способствует их перемешиванию и одновременному охлаждению зерновой массы. Метод особенно эффективен для мелкозернистых культур и при сравнительно небольших слоях насыпи.

4. Перемешивание при досушке зерна

Использование зерносушилок:

Во время сушки зерна в шахтных и колонковых зерносушилках происходит его постоянное перемешивание благодаря загрузке, транспортировке и выгрузке. Это позволяет достигать единых показателей влажности и температуры всей партии.

5. Метод послойного пересыпания (переукладки)

Формирование насыпей из снятых слоёв:

Один из простых, но трудоёмких способов — снятие зерна послойно с одной зоны склада и укладка его в другую часть или на другой склад, формируя новые насыпи. При этом зерновая масса смешивается по слоям, выравнивается температура и влажность всей партии.

Практические аспекты применения перемешивания зерна

В зависимости от объема зерна, типа склада, наличия механизации и климатических условий, интенсивность и частота перемешивания могут существенно варьироваться. В крупных хозяйствах предпочтение отдаётся механизированным и автоматизированным методам, позволяющим обрабатывать большие объёмы с минимальными затратами труда. В небольших хозяйствах ручное вмешательство остаётся актуальным, хотя и сопровождается большей трудоёмкостью. Особое внимание уделяется правильному чередованию методов для повышения эффективности процессов хранения и сохранения качества зерна.

1. 2. Современные мобильные роботы в сельском хозяйстве

В последние годы мобильные роботы активно внедряются в сельское хозяйство, значительно повышая его эффективность и автоматизируя трудоёмкие процессы. Их основная задача — выполнение операций, связанных с обработкой почвы, посадкой, уходом за растениями, сбором урожая и мониторингом состояния полей.

Ключевые направления применения:

1. Автоматизированный посев и обработка почвы

Современные роботизированные тракторы и сеялки способны работать автономно, осуществляя подготовку и обработку полей без участия человека(Рисунок 1.2.1, Приложения). Это позволяет повысить производительность и снизить затраты на топливо и рабочую силу.

2. Мониторинг и диагностика

Мобильные роботы, оснащённые камерами и сенсорами, используются для мониторинга состояния растений, выявления признаков болезней, вредителей или нехватки питательных веществ. Такие системы позволяют своевременно принимать меры для повышения урожайности.

3. Прецизионное земледелие

Роботы обеспечивают точное внесение удобрений и средств защиты растений только в нужных местах, что сокращает расход материалов и уменьшает негативное воздействие на окружающую среду.

4. Сбор урожая

Автоматические комбайны и специализированные роботы для уборки ягод, фруктов и овощей способны работать круглосуточно, минимизируя потери и повреждения продукции(Рисунок 1.2.2, Приложения).

5. Уход за растениями

Существует большой класс роботов для прополки, полива и ухода за посадками. Благодаря использованию ИИ они отличают культурные растения от сорняков и могут работать даже на небольших семейных фермах.

Внедрение мобильных роботов позволяет не только повысить продуктивность сельского хозяйства, но и решать проблему нехватки рабочей силы, делать производство более экологичным и устойчивым. Ожидается, что в ближайшие годы масштабы их применения будут только расти, обеспечивая новые возможности автоматизации отрасли.

Глава 2. Разработка мобильного робота для перемешивания зерна

2.1. Выбор и обоснование конструкции колес и рамы

В качестве основы конструкции выбран набор LEGO Mindstorms EV3 — модульная, легко модифицируемая система с возможностями автоматизации, позволяющая быстро создавать и изменять экспериментальные образцы мобильных роботов.

В отличие от классических винтовых колес, в данной разработке для движения и одновременного перемешивания зерна используются колеса с установленными по окружности лопастями(Рисунок 2.1.1, Приложения), изготовленными из ковшей LEGO City (обычно применяемых в качестве ковшей для экскаваторов). В процессе вращения эти лопасти захватывают и перемещают зерно, обеспечивая движение робота вперед или назад и одновременно интенсивно перемешивая зерновую массу в рабочей зоне. Такое решение сочетает функции транспортировки и перемешивания без необходимости установки отдельных механизмов.

Лопастная конструкция колес: ковши закрепляются по боковой поверхности колеса с таким расчетом, чтобы при вращении они загребали зерно перед собой и перебрасывали его назад(Рисунок 2.1.2, Приложения).

Эффективное перемешивание: благодаря форме и расположению ковшей при каждом обороте колес зерно поднимается, перемешивается и разбрасывается, что улучшает аэрацию и способствует выравниванию температуры/влажности в толще.

Продвижение по сыпучей среде: «загребающее» действие лопастей помогает преодолевать сопротивление зерна, придавая роботу дополнительную тягу и устойчивость.

Приводная и сенсорная система (Рисунок 2.1.3, Приложения):

• Два больших мотора EV3 приводят в движение задние колеса, на которые установлены лопасти-ковши. Это обеспечивает мощное поступательное движение и лучшее перемешивание зерна по всей ширине работы задней части платформы.

• Один средний мотор EV3 приводит в движение передние колеса, позволяя менять направление движения и выполнять повороты для охвата всей рабочей площади.

• Два датчика касания установлены спереди и сзади рамы: они позволяют обнаруживать столкновения со стенками емкости и выполнять автоматическую смену направления движения, предотвращая застревание робота.

Рама выполнена модульно из стандартных элементов LEGO Mindstorms, что повышает жесткость конструкции и позволяет быстро дорабатывать устройство для других экспериментальных задач. Моторы и вся электроника размещены для оптимального баланса массы, что предотвращает опрокидывание и увеличивает надежность перемещения по зерну(Рисунок 2.1.4, Приложения).

Использование колес с лопастями из ковшей экскаватора LEGO City позволило реализовать оригинальную и эффективную схему перемещения и перемешивания зерна одновременно, повысив производительность процесса без усложнения конструкции. Применение стандартных LEGO моторов и датчиков обеспечивает автономное и безопасное функционирование робота, а модульная рама облегчает обслуживание и возможную модернизацию.

2.2. Система управления и программное обеспечение

Программа для управления роботом была разработана в специализированном программном обеспечении Lego Mindstorms. Весь процесс функционирования построен на принципах многозадачности, что позволяет одновременно выполнять несколько действий без ущерба для производительности и надежности работы устройства.

Основные задачи программы включают одновременное управление движением робота, а также синхронизированную работу большого и среднего моторов. Большие моторы отвечают за основное передвижение робота вперёд, назад или повороты, тогда как средний мотор чаще всего используется для выполнения вспомогательных действий, таких как управление манипулятором или выполнением других функций в зависимости от конкретной задачи.

Важной частью системы управления является постоянный мониторинг состояния датчиков касания, которые служат для определения столкновений с препятствиями или срабатывания при достижении определённых объектов. Для этого в программе реализован специальный параллельный поток, который регулярно анализирует сигналы с сенсоров. Как только датчик касания фиксирует препятствие или объект, программа тут же инициирует выполнение заранее прописанных сценариев: остановка моторов, подача звукового сигнала или изменение траектории движения.

Такой подход обеспечивает высокую отзывчивость робота в условиях быстро меняющейся среды и делает его работу более эффективной и безопасной. Благодаря использованию возможностей многозадачности, робот способен одновременно и двигаться, и выполнять сложные логические проверки, что расширяет его функционал и позволяет использовать в различных образовательных и исследовательских проектах.

Глава 3. Экспериментальная проверка и анализ эффективности робота

3.1 Результаты экспериментов

В ходе эксперимента был собран короб из картона и прозрачного пластика. Внутрь этого короба было помещено зерно слоем высотой 15 см. После этого был запущен робот для проверки его способности перемешивать и перемещать зерно.

Робот успешно справился с задачей перемешивания и перемещения зерна. Перемешивание происходило равномерно по всей площади насыпи. В процессе работы обнаружена необходимость доработки конструкции: оси, на которых фиксировались передние колёса, потребовали дополнительного укрепления из-за возрастающей нагрузки. Также было отмечено, что для повышения плавности перемещения робота внутри короба пришлось незначительно сместить датчики касания. После корректировки датчиков движение робота стало более контролируемым и менее подверженным застреванию.

Механизм передвижения робота и система перемешивания показали свою работоспособность в условиях испытаний. В процессе эксплуатации выявлены конструктивные недостатки, требующие доработки, такие как усиление осей и перенастройка реакций датчиков касания. В дальнейшем рекомендуются испытания с увеличенной массой и/или другими сыпучими материалами, а также оптимизация положения датчиков для дальнейшего повышения надёжности и эффективности работы конструкции.

Заключение

В ходе проведённой работы была создана и протестирована опытная конструкция робота для перемешивания и перемещения сыпучих материалов, таких как зерно, в условиях ограниченного пространства зернохранилища. Эксперименты показали, что робот эффективно выполняет поставленные задачи: обеспечивает равномерное перемешивание зерновой массы слоем 15 см и способен свободно передвигаться по всей поверхности насыпи. В процессе испытаний выявились некоторые конструктивные нюансы — потребовалось усилить оси передних колёс и скорректировать расположение датчиков касания, чтобы повысить плавность движения. Эти улучшения были успешно реализованы и не потребовали значительных затрат.

Основное преимущество данной разработки — её возможность применения в тех условиях, где крупногабаритное или дорогое оборудование использовать невозможно. Благодаря компактности и простоте конструкцию робота можно легко адаптировать для работы в небольших зернохранилищах, на фермах и в других схожих объектах. Это делает робота надёжным и доступным помощником, особенно для малых хозяйств с ограниченным бюджетом.

Важно, что внедрение такой технологии не требует серьёзного изменения конструкции для тиражирования. В будущем планируется разработка понятной инструкции по сборке и эксплуатации, что позволит каждому владельцу небольшого зернохранилища самостоятельно собрать робота из доступных материалов.

Проведённое исследование подтвердило эффективность предложенного решения. Применение такого робота позволит значительно облегчить ручной труд, повысить эффективность работы и качество хранения зерна, а также снизить физические и временные затраты работников. Дальнейшее развитие проекта будет способствовать расширению автоматизации в малых сельскохозяйственных предприятиях.

Список использованных источников:

1. Глотов В. И., Беляев С. А. «Автоматизация хранения и переработки зерна: современные решения и перспективы», — Техника и оборудование для села, 2021, №3, с. 45-48.

2. J. Nielsen, M. Sørensen, “Robotics in agriculture and food processing: Current trends and future perspectives”, Computers and Electronics in Agriculture, 2022, Vol. 199, Article 107123.

3. ГОСТ 26791-2016. Хранение зерна. Общие требования.

4. Захаров В. П., Муравьёв Р. Г. «Применение мобильных роботов для обслуживания сельскохозяйственных предприятий», — Сельскохозяйственная техника, 2020, №2, с. 32-36.

5. Сайт «АгроИнновации.ру»: https://agroinnovations.ru/robotizatsiya-hraneniya-zerna (дата обращения: 01.06.2025).

6. Robotic grain storage assistants: practical applications [Электронныйресурс] // Robotics in Farming. — 2023. — URL: https://roboticsinfarming.org/grain-storage-robots

ПРИЛОЖЕНИЯ