XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Изучение методов хранения картофеля и разработка автоматизированной системы складирования на базе LEGO Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Давыдов А.Д. 1Мещерякова П.В. 1Цаур Р.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Бек М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1.1 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Современное сельское хозяйство характеризуется стремительным ростом объемов производства и ужесточением требований к качеству выращиваемой и сохраняемой продукции. Одним из важнейших этапов в технологической цепочке является хранение урожая, в частности – таких массовых культур как картофель. Традиционные методы складирования и хранения картофеля требуют значительных трудозатрат и склонны к человеческому фактору, что существенно увеличивает риск потери качества продукции вследствие несоблюдения температурно-влажностного режима, нарушения условий перемещения продукции и недостаточной оптимизации пространственного размещения контейнеров.

В условиях перехода сельскохозяйственных предприятий на масштабные производства и интеграции с современными логистическими системами именно автоматизация процессов размещения и хранения приобретает критическую значимость. Внедрение автоматизированных систем хранения продукции позволяет повысить эффективность складской логистики, минимизировать простои, снизить расходы на ручной труд и, что особенно важно, – обеспечить сохранность сельскохозяйственных культур в течение продолжительных сроков хранения. Особую актуальность приобретает использование инновационных методов размещения продукции по специализированным контейнерам и стеллажам, что позволяет рационально использовать складские площади и повышать оборачиваемость продукции.

Одним из перспективных направлений автоматизации процессов хранения является применение роботизированных систем и моделей, созданных на базе образовательных и конструкторских платформ, таких как LEGO Mindstorms EV3. Использование таких решений, с одной стороны, позволяет быстро создавать и тестировать прототипы будущих промышленных систем, а с другой — способствует развитию инженерных компетенций студентов и специалистов в области автоматизации и робототехники.

Целью данной курсовой работы является разработка и создание прототипа автоматизированной системы раскладки картофеля по контейнерам с последующим автоматическим размещением контейнеров на гравитационных стеллажах, реализованного на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3.

Для достижения поставленной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Провести анализ современных методов автоматизации процессов хранения сельскохозяйственной продукции, выявить их преимущества и недостатки.

2. Разработать техническое задание к макету автоматизированной системы, включающее перечень функций, необходимых для оптимальной раскладки и перемещения контейнеров с картофелем.

3. Спроектировать конструктивную часть макета на платформе LEGO Mindstorms EV3 с учетом ограничений и возможностей образовательного конструктора.

4. Разработать программное обеспечение для управления работой макета, обеспечить корректную раскладку продукции по контейнерам и их автоматическое размещение на гравитационных стеллажах.

5. Провести тестирование функционирования макета, проанализировать результаты и оценить эффективность выбранных решений.

Реализация данных задач позволит не только продемонстрировать возможности автоматизации складских операций на примере конкретной сельскохозяйственной культуры, но и сформировать базу для дальнейших исследований и внедрения подобных систем в реальное производство.

При оформлении проекта и создании программы мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике.

Глава 1. Биологические и технологические основы хранения картофеля

1.1 Основы биологии картофеля как объекта хранения

Картофель — одна из важнейших сельскохозяйственных культур, отличающаяся сложным строением и особыми требованиями к условиям хранения. Основным объектом складирования и хранения являются клубни, которые, по своей сути, представляют собой утолщённые подземные побеги. Клубень выполняет функцию органа запасания питательных веществ, в первую очередь крахмала, сахаров и воды( Рисунок 1.1.1, Приложения).

Клубни картофеля содержат до 75-80% воды, что напрямую влияет на их восприимчивость к температурным и влажностным условиям окружающей среды. Остальную массу составляют углеводы (до 18-22%), белки, витамины, минеральные вещества и небольшое количество жиров. Важно учитывать, что в картофеле присутствует алкалоид соланин, выполняющий защитную функцию, но при определённых условиях он может накапливаться в опасных для употребления количествах.

Биологической особенностью картофеля является его способность продолжать жизнедеятельность даже после уборки: клубни «дышат», продолжаются процессы обмена веществ, что сопровождается выделением тепла, влаги и углекислого газа. К тому же, клубни могут прорастать, если температура и влажность окружающей среды превышают биологически допустимые параметры хранения.

Высокое содержание воды делает картофель уязвимым для микробиологического разложения и появления болезней — гнили, плесени, фитофтороза. Неправильные условия хранения способствуют развитию патогенных микроорганизмов и ускоряют потерю массы и качества урожая.

Таким образом, биологические особенности картофеля определяют высокую чувствительность данной культуры к внешним условиям хранения и подчеркивают важность соблюдения температурно-влажностного режима, режима вентиляции, аккуратного обращения и бережной транспортировки для минимизации потерь и сохранения пищевой ценности на всём протяжении хранения и реализации.

1.2 Основные методы хранения картофеля

Для длительного сохранения клубней картофеля применяют различные способы хранения, которые отличаются по организации, необходимому оборудованию и условиям хранения. Наиболее распространёнными методами являются хранение навалом, в контейнерах, в траншеях (буртах), а также в специализированных овощных хранилищах.

Хранение картофеля навалом реализуется в специально отведённых помещениях – типовых овощехранилищах, где клубни размещают слоем высотой от 1,5 до 2 метров непосредственно на полу или на специальных настилах. Такой способ хранения требует соблюдения определённых параметров микроклимата: температуры воздуха (в среднем +2...+4°С) и относительной влажности (85–95%). Для предотвращения затухания и развития заболеваний обеспечивается вентиляция и периодическая перевалка клубней. Контроль за состоянием продукции осуществляется выборочно по всему объёму насыпи( Рисунок 1.2.1, Приложения).

Хранение в контейнерах становится всё более актуальным в условиях развития технологий и производства. При этом клубни помещают в специально изготовленные деревянные или пластиковые контейнеры, которые штабелируются внутри хранилища. Такой способ организации упрощает учёт, выдачу и приёмку партий продукции, а также повышает сохранность клубней за счёт лучшей циркуляции воздуха между контейнерами. Контейнеры могут быть разных размеров, что позволяет гибко использовать площадь помещения( Рисунок 1.2.2, Приложения).

Хранение в траншеях или буртах обычно применяется в небольших хозяйствах и при отсутствии капитальных помещений. Траншею небольшой глубины выкапывают на возвышенном и защищённом от подтоплений участке, дно и стенки устилают защитным материалом или соломой, после чего закладывают картофель и тщательно укрывают от холода и влаги слоями утепляющего материала (солома, торф, земля). Такой метод широко используется для кратковременного хранения или резервного запаса продукции вне основного сезона( Рисунок 1.2.3, Приложения).

Хранение в специализированных хранилищах предполагает использование зданий, оснащённых современными системами вентиляции, автоматического поддержания температуры, влажности и газового состава воздуха. Такие хранилища позволяют минимизировать потери урожая при длительном периоде хранения, а также обеспечивают механизацию процессов приёмки, закладки, выгрузки картофеля. Чаще всего подобные сооружения строятся для крупных сельскохозяйственных предприятий и фермерских хозяйств с большими объёмами продукции.

1.3 Применение контейнеров для хранения картофеля: анализ преимуществ и недостатков

Контейнерное хранение картофеля становится всё более востребованным решением в современных хозяйствах благодаря своим многочисленным преимуществам, касающимся логистики, качества продукции и эффективности складских процессов. Суть метода состоит в размещении картофеля в отдельные контейнеры (ящики), которые впоследствии упорядоченно размещают в хранилище. Каждый контейнер представляет собой автономную партию картофеля — это значительно облегчает не только складирование и перевозку, но и учёт продукции.

Преимущества контейнерного хранения (Рисунок 1.3.1, Приложения):

1. Оптимальный воздухообмен и качественный микроклимат.

Пространство между контейнерами обеспечивает свободную циркуляцию воздуха, что способствует поддержанию постоянной температуры и влажности. Такой подход минимизирует риск образования очагов загнивания и развития болезней, позволяя дольше сохранять качество картофеля.

2. Гибкость логистики и учёта.

Использование отдельных контейнеров значительно упрощает процессы выгрузки и транспортировки продукции. Можно быстро и без потерь изымать конкретные партии урожая, вести точный учёт отдельных лотов, оперативно реагировать на изменения спроса или состояния картофеля в каждом контейнере.

3. Снижение травмирования клубней.

В отличие от хранения навалом, при контейнерном способе исключается избыточное давление картофеля в глубине насыпи, что позволяет снизить повреждаемость клубней. Это особенно важно для последующей длительной реализации и переработки продукции.

4. Автоматизация складских процессов.

Контейнерная технология легко сочетается с современными складскими системами: автоматизированной погрузкой, роботизированными перемещателями, учётными системами. Это способствует экономии труда и времени, а также позволяет внедрять инновационные решения (например, системы гравитационных стеллажей).

Недостатки контейнерного хранения:

1. Неравномерность срока хранения.

Существенным недостатком контейнерного подхода является то, что первый загруженный контейнер, как правило, оказывается в самом низу штабеля или на более труднодоступном уровне. При этом следующие партии контейнеров размещают выше или ближе к зоне выгрузки. Это приводит к тому, что первый контейнер зачастую задерживается на складе намного дольше позднее поступивших, что может негативно сказаться на качестве продукции в нём: клубни стареют, повышается риск порчи и биологических изменений.

2. Инвестиционные затраты.

Для внедрения контейнерного способа хранения необходима закупка контейнеров, а также оборудования для их перемещения (погрузчики, краны, автоматизированные линии). Это требует значительных финансовых вложений, которые окупаются не сразу.

3. Потребность в квалифицированном обслуживающем персонале.

Организация и поддержание эффективной системы контейнерного хранения требует подготовленных сотрудников, способных контролировать технологический процесс, следить за состоянием контейнеров, а также обслуживать автоматизированные складские системы.

4. Требования к инфраструктуре.

Не каждое существующее хранилище приспособлено к размещению контейнеров. Иногда требуется модернизация или перепланировка складских помещений, чтобы организовать рациональное расположение ящиков и обеспечить удобство их перемещения.

Контейнерный способ хранения картофеля значительно повышает технологический уровень и эффективность агрокомплекса, позволяет минимизировать потери, улучшить учет и оптимизировать логистику.

Глава 2. Создание макета автоматизированного комплекса хранения картофеля с использованием LEGO Mindstorms EV3

2.1. Разработка конструкции и программного обеспечения макета

В рамках нашего проекта мы создали макет, основной задачей которого является автоматизированная сортировка и раскладка контейнеров с картофелем по гравитационным стеллажам. Данный макет спроектирован с использованием конструктора LEGO Mindstorms EV3 и снабжен собственным программным обеспечением, что позволяет имитировать реальные процессы складирования сельскохозяйственной продукции.

Весь процесс работы макета начинается с конвейерной ленты (Рисунок 2.1.1, Приложения). Мы изготовили её из ткани и прочной клейкой ленты, чтобы она была достаточно гибкой и могла легко перемещать контейнеры. Когда контейнер с картофелем попадает на ленту, первый средний мотор приводит её в движение, направляя контейнер дальше по технологической линии.

Следующим важным элементом конструкции является ножничный механизм. Мы собрали его из двух пластиковых стержней, деталей для червячной передачи, а также картона с утяжелителем и кубиков LEGO, чтобы обеспечить необходимую прочность и надёжную работу. Второй средний мотор через червячную передачу поднимает и опускает этот механизм — таким образом, контейнер плавно поднимается на нужную высоту, совпадающую с уровнем гравитационного стеллажа.

Далее в дело вступает третий средний мотор, который выталкивает контейнер с помощью специального толкателя на стеллаж(Рисунок 2.1.5, Приложения). Сам гравитационный стеллаж выполнен из деревянных палочек, дополнительно укреплённых пластиковыми бортиками и опорами. Благодаря наклонной поверхности стеллажа, контейнер, оказавшись на нём, под действием силы тяжести самостоятельно скатывается вниз и занимает свободную позицию.

В качестве картофеля мы использовали маленькие фигурки из глины. Контейнеры для их хранения сделаны из плотной бумаги, чтобы имитировать реальные условия хранения овощей.

Управление всей системой осуществляется через программу, разработанную нами в среде EV3. Здесь прописаны последовательные команды для включения и выключения моторов, а также для контроля корректного перемещения контейнеров на всех этапах. Процесс автоматизированной загрузки контейнеров с картофелем на гравитационный стеллаж начинается с включения мотора, приводящего в движение конвейерную ленту. Как только контейнер оказывается в зоне действия ультразвукового датчика(Рисунок 2.1.2, Приложения), система определяет его присутствие и автоматически активирует ножничный подъемный механизм(Рисунок 2.1.3, Приложения). Второй средний мотор плавно поднимает платформу с контейнером на необходимую высоту(Рисунок 2.1.4, Приложения), соответствующую ярусу гравитационного стеллажа.

Далее включается третий средний мотор, который с помощью специального толкателя бережно передвигает контейнер с платформы подъемника непосредственно на один из уровней гравитационного стеллажа. Благодаря этому конструкторское решение обеспечивает точную и аккуратную подачу контейнеров.

После этого контейнер под действием силы тяжести автоматически начинает движение вниз по наклонным роликам стеллажа и занимает свободное место на хранение(Рисунок 2.1.6, Приложения). Там он будет находиться вплоть до момента, когда потребуется для дальнейшей реализации. Такой алгоритм работы макета позволяет имитировать принципы современного складского хранения и демонстрирует, как автоматизация делает процессы более надежными и эффективными.
Такой макет помогает лучше понять работу автоматизированных складских систем, а также позволяет на практике реализовать принципы автоматизации, которые используют на настоящих предприятиях по хранению сельскохозяйственной продукции(Рисунок 2.1.7, Приложения).

2.2. Тестирование и анализ результатов

Наш созданный макет пока имеет сравнительно небольшие размеры и реализует автоматизацию процесса складирования картофеля в масштабе лабораторного эксперимента. Это позволяет продемонстрировать принцип работы предлагаемого способа, однако полноценную оценку эффективности и экономической целесообразности можно проводить только на реальных промышленных объектах.

Для понимания практической значимости проекта мы организовали экскурсию на агрофирму «КРИММ», где получили возможность обсудить нашу разработку непосредственно с генеральным директором предприятия(Рисунок 2.2.1, Приложения). Мы подробно рассказали о нашей идее, объяснили этапы работы макета и принцип взаимосвязи всех узлов автоматизации. Руководитель проявил искренний интерес к нашему проекту, задал нам много уточняющих вопросов о конструкции, программном обеспечении и возможностях дальнейшего масштабирования(Рисунок 2.2.2, Приложения). По его словам, подобные автоматизированные системы действительно могут повысить эффективность складских процессов и сделать хранение продукции более удобным.

Однако специалист также отметил и возможные сложности — в первую очередь, высокую стоимость внедрения автоматизированных решений на больших хранилищах. Это может затруднить быструю окупаемость проекта в текущих экономических условиях. Тем не менее, полученная обратная связь показала, что выбранная нами идея заслуживает внимания и имеет перспективы для дальнейшего развития, особенно при снижении стоимости элементов автоматизации и совершенствовании технологии.

Проведенное тестирование макета подтвердило его работоспособность и наглядно продемонстрировало принципы автоматизации перемещения и хранения картофеля в контейнерах. Полученные результаты могут стать хорошей основой для будущих, более масштабных инженерных решений и внедрения инноваций в агропромышленном комплексе.

Заключение

В ходе нашей работы мы поставили и успешно реализовали макет автоматизированной системы контейнерного хранения картофеля с использованием конструктора LEGO Mindstorms EV3. На основании изучения биологических особенностей картофеля и различных способов его хранения мы сделали обоснованный выбор в пользу контейнерного метода как наиболее подходящего для современных складских хозяйств, особенно если речь идет об автоматизации крупных объемов продукции.

В процессе работы особое внимание уделялось конструированию и программированию механизма, который обеспечивает подачу контейнеров с картофелем на конвейерной ленте, их подъем с помощью ножничного механизма и автоматическое размещение на гравитационном стеллаже. Слаженная работа моторов, датчиков и самодельных механизмов позволяет наглядно продемонстрировать весь путь продукта на складе — от момента поступления до сохранения.

Важная особенность разработанного нами макета — реализация на складе принципа FIFO (first in – first out), что означает «первым пришёл — первым ушёл». Такой подход к хранению продукции крайне важен, чтобы обеспечить сохранность качества картофеля и его максимально быструю реализацию. Автоматизация этого принципа позволяет минимизировать человеческий фактор, снизить ошибки при отборе продукции и избежать просрочек, что особенно актуально для хранения скоропортящихся продуктов на больших складах.

Наш макет построен в небольшом масштабе, и эффективность организованной нами системы была оценена преимущественно теоретически. Тем не менее, проект позволил нам освоить основы моделирования промышленных процессов, познакомиться с принципами автоматизации логистики и хранения, развить техническое мышление, научиться работать в команде и искать решения сложных практических задач.

Мы также смогли получить обратную связь от специалистов отрасли во время экскурсии на агрофирму «КРИММ» — наш проект вызвал интерес, и генеральный директор предприятия отметил, что применение подобных технологий на крупных складах перспективно, особенно с точки зрения автоматизации контроля за движением товаров, несмотря на потенциальную высокую стоимость внедрения.

Работа над макетом автоматизированного склада показала нам перспективность автоматизации хранения сельскохозяйственной продукции и то, насколько важен принцип FIFO для эффективной работы складских объектов. Мы уверены, что подобные разработки могут изменить подходы к организации логистических процессов в аграрном секторе. В будущем хотелось бы усовершенствовать макет, расширить его возможности и сделать его максимально приближенным к промышленному образцу, ведь такие проекты могут стать первым шагом к созданию инновационных решений в области хранения и логистики.

Список использованных источников:

1. Васильев, Г. П. Хранение и переработка картофеля / Г. П. Васильев. — М.: Колос, 2008. — 224 с.

2. Бурлаков, В. М. Основы хранения овощей и картофеля / В. М. Бурлаков. — М.: Агропромиздат, 2010. — 187 с.

3. Картофель: технология возделывания, хранения и переработки / Под ред. А. М. Тюрина. — СПб.: Профессия, 2012. — 340 c.

4. Методы хранения картофеля [Электронный ресурс] // ООО «Информационная система Агро XXI». — URL: https://www.agroxxi.ru/ (дата обращения: 05.06.2025).

5. Выращивание и хранение картофеля: современные технологии [Электронный ресурс] // Агрошкола РФ. — URL: https://agroschool.ru/article/kartofel-hranenie (дата обращения: 04.06.2025).

6. Конструктор LEGO Mindstorms EV3 — Официальный сайт // LEGO Mindstorms. — URL: https://www.lego.com/ru-ru/themes/mindstorms (дата обращения: 04.06.2025).

7. Официальный сайт Агрофирмы КРИММ — https://www.krimm.ru/ (дата обращения: 02.06.2024).

8. Растениеводство: Учебное пособие / Под ред. В.А. Золотарева. — М.: Академия, 2015. — 412 с.

9. Курганова М. А. Биологические особенности хранения картофеля. — М.: АгроМИР, 2015. — 96 с.

ПРИЛОЖЕНИЯ