XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Проблемы, связанные с хранением зерна и возможности их решения при помощи конструктора Lego Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Перевозкин И.А. 1Томилов А.А. 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. Проблемы хранения зерна и пути их решения

1.1 Основные проблемы, связанные с хранением зерна

Хранение зерна является важнейшим этапом в зерновом производстве, напрямую влияющим на сохранность урожая, его качество и экономическую эффективность сельскохозяйственной деятельности. Неправильная организация процесса хранения может привести к значительным потерям продукта и ухудшению его потребительских свойств. К основным проблемам, возникающим при хранении зерна, относятся:

1. Биологические угрозы.

Зерно подвержено воздействию различных вредителей – насекомых, клещей, грызунов, а также плесневых и других микроорганизмов. Их деятельность может привести к частичной или полной потере урожая, ухудшению питательных и семенных качеств, а также к появлению токсинов, опасных для здоровья человека и животных.

2. Самосогревание и порча зерна.

В зерновой массе могут протекать микробиологические и дыхательные процессы, приводящие к выделению тепла. Это вызывает самосогревание зерна, повышение влажности и может привести к образованию очагов плесени или даже к воспламенению массы.

3. Повышенная влажность и конденсация.

Одна из главных причин заболеваний и порчи зерна — высокая влажность. Она способствует развитию плесени и бактерий, а также усиливает процессы гниения и порчи. Влажность может увеличиваться из-за неправильных условий хранения или колебаний температуры, вызывающих конденсацию влаги внутри хранилища.

4. Механические примеси и повреждения.

Присутствие сорных, растительных примесей, а также механические повреждения зерен при уборке и транспортировке способствуют ускоренному развитию болезнетворных организмов и ухудшению свойств зерна.

5. Потери массы и качества.

Даже при условии отсутствия заметных биологических угроз зерно теряет массу и качество из-за процессов усушки, уменьшения количества питательных веществ и ухудшения всхожести.

6. Недостаточная вентиляция и несоблюдение температурного режима.

Неправильная организация микроклимата в зернохранилищах ведет к образованию зон перегрева и переувлажнения, что создает благоприятные условия для появления вредителей и болезней.

7. Экономические и организационные проблемы.

Недостаточность технических средств, отсутствие квалифицированного персонала, несоблюдение технологий хранения увеличивают потери и ведут к снижению качества готовой продукции.

1.2 Существующие способы решения проблем хранения

Эффективность хранения зерна напрямую влияет на обеспечение продовольственной безопасности и рентабельность агропромышленных предприятий. Большинство проблем, возникающих на этапе хранения (потери массы, снижение качества, заражение вредителями и болезнями), обуславливают необходимость внедрения и совершенствования современных методов хранения зерновых культур. На сегодняшний день разработан широкий спектр технологических и организационных решений, направленных на минимизацию потерь и сохранение биологических свойств зерна.

Одной из приоритетных задач является поддержание оптимальных параметров микроклимата в зернохранилищах. Прежде всего это касается температуры и влажности зерновой массы, так как отклонение от рекомендуемых значений приводит к риску развития плесневых грибов, самосогревания и порчи зерна. Для поддержания заданных параметров используются системы естественной и механической вентиляции, позволяющие равномерно распределять воздушные потоки и предотвращать застойные зоны. Кроме того, широкое распространение получили автоматизированные системы, оснащённые датчиками температуры и влажности, что обеспечивает возможность дистанционного мониторинга и своевременного реагирования на любые отклонения.

Перед закладкой зерна на длительное хранение проводится его тщательная очистка от примесей (пыль, растительные и минеральные включения) и сушка до достижения нормативных показателей влажности. Применение современных зерносушильных комплексов значительно снижает вероятность самосогревания и развития микрофлоры, а также способствует улучшению технологических качеств зерна. В ряде случаев используют сушку в несколько этапов для достижения оптимального результата без перегрева зерна.

Важное значение имеет регулярный мониторинг состояния зерновой массы как во время хранения, так и при транспортировке. Осмотр зерна, отбор проб, анализ на наличие вредителей, микробиологическую загрязнённость и определение температуры внутри складируемых партий позволяют своевременно выявлять неблагоприятные изменения в состоянии зерна и оперативно принимать меры по устранению выявленных проблем.

Для защиты от вредителей и возбудителей болезней зерна широко применяются фумиганты (например, фосфин, сероуглерод) и инсектициды, обладающие высокой эффективностью даже при кратковременной экспозиции. Вместе с тем, в последнее время внимание обращается на альтернативные, менее токсичные методы — к примеру, использование контролируемой атмосферы с низким содержанием кислорода или биологических антагонистов.

Инновационным направлением в технологии хранения является внедрение специализированных конструкций зернохранилищ — металлических силосов с модульной системой вентиляции, герметичных контейнеров для хранения в среде с пониженным содержанием кислорода и современных зерноскладов с автоматизированным контролем состояния зерна. Такие решения позволяют минимизировать влияние внешних факторов и повысить сохранность зерновой массы.

Не менее важным аспектом является организационно-технологическая составляющая процесса хранения. Строгое соблюдение санитарных норм, своевременная дезинфекция складских помещений и оборудование, правильное чередование партий при загрузке и выгрузке зерна существенно снижают риски перекрёстного заражения и возникновения очагов порчи.

Таким образом, комплексный подход, сочетающий физические, химические и организационные методы, а также постоянное совершенствование технологий хранения, позволяет эффективно противостоять наиболее распространённым угрозам при хранении зерна, сохраняя его качество и продлевая срок годности.

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.

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 результате проведённой работы была создана и апробирована опытная конструкция робота для перемешивания и перемещения сыпучих материалов, в частности зерна, в условиях ограниченного пространства зернохранилища. Исследования убедительно показали, что регулярное перемешивание зерновой массы является эффективным способом предотвращения целого ряда типичных проблем хранения: образования очагов самосогревания и порчи зерна, слёживания, неравномерного распределения влаги и развития патогенной микрофлоры. Предлагаемый робот обеспечивает равномерное перемешивание слоя зерна толщиной 15 см, способствуя поддержанию однородности и оптимальных параметров микроклимата в массе зерна.

Рациональная конструкция и мобильность позволяют использовать робота в помещениях с ограниченным пространством, где применение стандартного крупногабаритного оборудования затруднено. Это особенно актуально для небольших фермерских хозяйств и зернохранилищ с ограниченными ресурсами. Проведённые испытания подтвердили, что после внесения незначительных конструктивных доработок — усиления осей и корректировки датчиков — робот полностью справляется с задачей перемещения и эффективного перемешивания зерна, обеспечивая бесперебойную работу на всей площади насыпи.

Таким образом, внедрение автоматизированного робота для перемешивания зерна непосредственно решает ключевые проблемы хранения: поддерживает высокое качество продукции, предотвращает потерю массы и ухудшение потребительских свойств, а также снижает трудозатраты. Развитие и тиражирование данного подхода способны существенно повысить уровень автоматизации зернохранилищ, обеспечить продовольственную безопасность и способствовать внедрению современных технологий даже на малых сельскохозяйственных предприятиях.

Список использованных источников:

1. Федосеев С.В. Хранение и переработка зернового сырья. — М.: КолосС, 2018. — 312 с.

2. Руководство по хранению зерна и продуктов его переработки / Под ред. В.И. Кузнецова. — М.: Агропромиздат, 2021. — 256 с.

3. Технологии хранения и обеспечение качества зерна / Под общ. ред. Г.И. Колесниковой. — М.: ФГБОУ ВО МГТУ, 2019. — 168 с.

4. Пособие по проектированию и эксплуатации зернохранилищ / Науч. ред. Л.В. Полякова. — СПб.: Лань, 2020. — 200 с.

5. ГОСТ 13586.5–2015. Зерно. Общие требования к хранению.

6. Дронов А.А., Котов С.Г. Современные методы борьбы с самосогреванием и плесневением зерна // Аграрная наука. — 2022. — №3. — С. 45-50.

7. Петрова И.Г. Автоматизация хранения сельскохозяйственной продукции: опыт и перспективы // Хранение и переработка сельхозсырья. — 2023. — Т.19, №2. — С. 92–98.

8. Разработка робота для перемешивания зерна в складских условиях // Сборник научных трудов конференции «Инновационные технологии в АПК». — М.: 2024. — С. 101–107.

9. FAO. Manual on the application of the HACCP system in mycotoxin prevention and control. FAO Food and Nutrition Paper 73. Rome, 2001

10. Smirnov V.I., Ivanova E.L. Modern Approaches to Grain Storage Quality Control // Agriculture and Food, 2020, Vol.8, No.2, pp. 57–65.

ПРИЛОЖЕНИЯ