XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Автоматизированная технология сбора и сортировки мусора городских пространств на базе LEGO Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Скобелкин Н.Д. 1Овчаров Я.В. 1Лескин С.А. 1Давыденко И.Д. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Бек М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Современные города ежедневно сталкиваются с серьезной проблемой утилизации бытовых отходов. На фоне роста численности населения и урбанизации увеличивается количество производимого мусора, что приводит к усложнению задач по его эколого-рациональному сбору, сортировке и переработке. Нерациональный сбор и утилизация отходов приводят к загрязнению окружающей среды, ухудшению экологической обстановки и дополнительным экономическим затратам на ручную работу по сортировке и переработке мусора. Автоматизация процессов сбора и сортировки отходов становится одной из ключевых задач в формировании устойчивой и экологически безопасной городской среды.

В последние годы во многих странах мира развивается практика раздельного сбора мусора непосредственно в местах его образования. Однако существующие методы сбора часто требуют участия человека, что не всегда возможно или эффективно. Автоматизированные системы позволяют существенно повысить качество сортировки, снизить затраты на труд, а также минимизировать воздействие человеческого фактора на эффективность и экологичность процесса.

Особую актуальность представляет создание мобильных автоматизированных систем, способных самостоятельно перемещаться по городским дорогам и пешеходным зонам, находить, забирать и сортировать мусор по различным фракциям. Такие решения не только уменьшают объем захораниваемых отходов, но и способствуют развитию культуры раздельного сбора мусора среди населения.

В рамках данной исследовательской работы предлагается создать прототип мобильной системы сбора и сортировки мусора на базе образовательного конструктора LEGO Mindstorms EV3. Данный подход позволит отработать основные алгоритмы управления, сборки и сортировки отходов, а также оценить возможности дальнейшего масштабирования и внедрения аналогичных систем в городскую инфраструктуру.

Цель работы: создание прототипа мобильной автоматизированной системы для сбора и сортировки мусора с применением LEGO Mindstorms EV3.

Задачи исследования:

1. Изучить современные методы и технологии автоматизированного сбора и сортировки мусора.

2. Проанализировать возможности использования конструкции LEGO Mindstorms EV3 для реализации мобильной платформы.

3. Разработать алгоритмы автономного движения по маршрутам и распознавания мусорных объектов.

4. Спроектировать механизм для отбора, сбора и раздельной сортировки мусора по контейнерам.

5. Провести сборку прототипа, настроить программное обеспечение и провести испытания в условиях, приближенных к реальным.

6. Оценить эффективность разработанной системы и определить перспективы дальнейшего развития проекта.

Проведение данного исследования позволит не только проверить эффективность автоматизированных технологий для решения актуальных экологических проблем, но и получить практические навыки проектирования, программирования и интеграции механических и электронных систем. Полученные результаты могут стать основой для разработки новых инновационных решений в сфере экологического и инженерного образования, а также способствовать формированию культуры ответственного отношения к окружающей среде.

Глава 1. Теоретические основы автоматизированных технологий сбора и сортировки отходов

1. 1. Актуальность и проблемы сбора мусора в городских условиях

В последние десятилетия повышение уровня урбанизации приводит к значительному росту объемов твердых бытовых отходов (ТБО) в городах по всему миру. Согласно данным экологических организаций, среднестатистический житель мегаполиса ежегодно производит от 300 до 500 килограммов мусора. Современные методы сбора и утилизации отходов зачастую не справляются с возрастающей нагрузкой, что ведет к возникновению множества проблем экологического, санитарного и социального характера.

Одной из главных проблем городских территорий является недостаточная эффективность существующих систем сбора и транспортировки мусора. Традиционные подходы предполагают регулярный вывоз отходов с использованием специализированной техники, однако большая часть мусора остается неубранной на улицах, в парках и зонах общественного пользования, особенно в периоды пиковой нагрузки. Это приводит к формированию несанкционированных свалок, засорению водостоков и ухудшению эстетического вида городской среды.

Особую тревогу вызывает нераздельный сбор смешанных отходов. Отсутствие сортировки на этапе сбора значительно усложняет последующую переработку мусора, приводит к увеличению объемов захоронения, а также способствует загрязнению почвы, водоемов и атмосферы. На фоне недостаточной экологической культуры населения задачи повышения эффективности сбора и сортировки отходов становятся приоритетными для администраций городских территорий.

Еще одной значимой проблемой является высокая себестоимость ручного труда при уборке городских пространств. Привлечение большого числа работников для своевременного сбора и сортировки мусора не всегда возможно с учетом человеческого фактора и затрат на оплату их труда. Кроме того, ручной труд сопряжен с рисками для здоровья работников, связанными с возможными травмами и контактом с опасными отходами.

В этих условиях автоматизация процессов сбора и сортировки мусора представляет собой перспективное направление для повышения эффективности городских экосистем. Использование мобильных автономных устройств, способных самостоятельно перемещаться по городским маршрутам, распознавать и сортировать мусор, позволяет оптимизировать логистику, сократить издержки и существенно снизить нагрузку на окружающую среду.

1.2 Мобильные платформы и их применение в экотехнологиях. Обзор существующих решений для уборки города и сбора мусора

Современные мобильные платформы находят всё более широкое применение в различных областях экотехнологий, включая автоматизацию процессов уборки и утилизации отходов в городских условиях. Благодаря развитию робототехники и сенсорных технологий, сегодня существуют различные типы мобильных устройств, способных выполнять задачи по сбору мусора и поддержанию чистоты на улицах, в парках, скверах и других общественных пространствах.

На сегодняшний день коммерчески доступны несколько классов уборочных автоматизированных машин и мобильных систем:

• Автономные подметальные машины (Рисунок1.2.1, Приложения)

Крупные города уже используют автоматизированные подметальные машины, оснащённые навигационными системами GPS и датчиками препятствий (например, лидары и ультразвуковые сенсоры). Примеры таких систем — электрические подметально-уборочные машины марки Enway или Trombia Free, работающие без участия оператора, которые очищают тротуары, площади и паркинги.

• Компактные сервисы для уборки мусора

Некоторые компании разрабатывают компактные мобильные системы, рассчитанные на сбор мелкого мусора. Например, робот-уборщик Wall-E компании Smart City Robotics способен собирать бумажки, бутылки и другой мелкий мусор в парковых и городских зонах(Рисунок1.2.2, Приложения). Аналогичные решения, такие как CleanRobotics TrashBot, сочетают сбор и автоматическую сортировку отходов с помощью камер и алгоритмов машинного обучения.

• Специализированные роботы для пляжей и водоёмов

В рамках защиты прибрежных зон и акваторий от мусора внедряются роботы типа BeBot и PixieDrone, которые самостоятельно перемещаются по песку или по воде, собирая отходы с поверхности. Хотя такие устройства пока слабо применяются в условиях городских улиц, их технологические решения могут быть адаптированы и для городской среды.

• Роботы-сортировщики

В ряде инновационных проектов реализуются роботы, которые могут не только собирать, но и первично сортировать отходы. Такие роботы оснащаются системами компьютерного зрения и манипуляторами, разделяя собранный мусор по контейнерам для дальнейшей переработки (пример: система WasteShark).

Однако большинство из существующих решений либо имеют ограниченную функциональность (например, только уборка или только сортировка, либо работа на небольших площадях), либо требуют сложной интеграции с городской инфраструктурой. Стоимость таких систем также остаётся довольно высокой, что ограничивает их массовое внедрение.

В этой связи разработка сравнительно недорогих прототипов мобильных платформ для сбора и сортировки мусора, например на базе образовательных конструкторов LEGO Mindstorms, приобретает особую значимость. Такие прототипы позволяют не только адаптировать технологии к локальным условиям, но и способствуют формированию у молодёжи и школьников инженерных и экологических компетенций.

Глава 2. Разработка и реализация мобильной системы сбора и сортировки мусора на базе LEGO Mindstorms EV3

2.1 Проектирование конструкции и выбор основных компонентов

Проблема загрязнения окружающей среды становится всё более актуальной для современного общества. Нас особенно волнует вопрос экологии, поскольку поддержание чистоты городских пространств — важная задача каждого жителя. Несмотря на то, что Тюмень по праву считается одним из самых чистых городов России, даже на её улицах порой можно встретить разбросанные полиэтиленовые пакеты, бумагу или металлические банки. Обсудив ситуацию в нашей команде, мы пришли к выводу, что необходимо искать новые технологичные решения для улучшения экологической обстановки в городах.

На первом этапе работы мы совместно разработали эскиз будущей конструкции и определили основные функциональные блоки системы:

• Ходовая часть. Для обеспечения высокой проходимости и устойчивости нашего устройства мы выбрали гусеничный механизм. Две крупные гусеницы расположены в виде треугольника — такое решение позволило усилить устойчивость платформы при движении по неровной поверхности (Рисунок 2.1.1, Приложения).

• Манипулятор для захвата мусора(Рисунок 2.1.2, Приложения).. Конструкция манипулятора реализована с помощью нескольких моторов: один большой мотор отвечает за поворот манипулятора вокруг своей оси, второй большой мотор используется для подъёма и опускания, а средний мотор — для работы захватного механизма. Для плавности и точности движения применяются понижающие зубчатые передачи и ограничители — датчики касания, обеспечивающие возврат манипулятора в исходное положение.

• Система сенсоров. Для локализации мусора впереди платформы установлен ультразвуковой датчик. Чтобы определять вид отходов, мы оснастили захват дополнительным датчиком цвета (Рисунок 2.1.3, Приложения).

• Контейнеры для сортировки(Рисунок 2.1.8, Приложения). Для раздельного сбора мусора на платформе размещаются цветные контейнеры. В связи с ограниченными возможностями доступных датчиков в конструкторе LEGO Mindstorms EV3, было принято решение разделять отходы по цвету — так определять тип мусора стало проще и нагляднее(Рисунок 2.1.4, Приложения).

В качестве аппаратной базы мы остановились на использовании конструктора LEGO Mindstorms EV3, поскольку многие члены нашей команды уже имеют опыт работы с этим набором(Рисунок 2.1.5, Приложения). Это позволило не только ускорить процесс разработки, но и сосредоточиться на конструкторском и инженерном аспекте проекта, а также оптимально использовать все доступные ресурсы(Рисунок 2.1.6, Приложения).

Таким образом, в ходе коллективного обсуждения и разработки концепции нашей мобильной платформы нам удалось продумать конструкцию, учитывающую основные современные требования к мобильности, автоматизации и экологической безопасности(Рисунок 2.1.7, Приложения).

2.2 Алгоритмы автономного передвижения и распознавания объектов

Для обеспечения полноценной автономной работы нашей мобильной платформы было принято решение использовать два блока LEGO Mindstorms EV3, связанных между собой по Bluetooth. Такое распределение функций позволило значительно повысить надёжность системы и упорядочить процессы управления.

Первый блок EV3 отвечает за движение платформы и управление ультразвуковым датчиком, обеспечивающим своевременное обнаружение мусора на пути следования. Робот уверенно движется вперёд до тех пор, пока сенсор не фиксирует препятствие — найденный мусор. В этот момент первый блок по каналу Bluetooth отправляет управляющее сообщение второму контроллеру(Рисунок 2.2.1, Приложения).

Второй блок EV3 управляет всей системой сбора и сортировки отходов, координируя работу манипулятора. Получив сигнал, манипулятор приводит свою «руку» в рабочее положение. Сначала осуществляется поворот вправо до тех пор, пока не сработает датчик касания, который служит механическим ограничителем и помогает точно зафиксировать начальное положение. Затем рука поворачивается влево на 90 градусов — таким образом, сегмент манипулятора располагается точно над найденным предметом (Рисунок 2.2.2, Приложения).

Следующим этапом рука манипулятора аккуратно опускается, и встроенный датчик цвета анализирует объект, определяя его цветовую принадлежность. После идентификации цвета активируется захват, автоматически поднимающий предмет. Далее платформа реализует сортировку: манипулятор поворачивается на необходимое количество градусов, чтобы разместить мусор в соответствующем цветном контейнере для раздельного сбора.

Такое построение алгоритма работы, а также организация взаимодействия между двумя блоками EV3 по беспроводному каналу позволили добиться стабильности, высокоточной координации всех узлов устройства и эффективного выполнения задач по очистке городских территорий.

В подтверждение корректности и эффективности работы нашей конструкции прилагаем ссылку на видео демонстрации работы устройства https://drive.google.com/file/d/1uGCCdOhQDLmnu0ZfSfxLWFsAw_FrkS68/view?usp=sharing.

2.3 Результаты испытаний, анализ эффективности и перспективы развития

В ходе проведённых испытаний опытный образец мобильной системы сбора и сортировки мусора на базе LEGO Mindstorms EV3 продемонстрировал высокую работоспособность в условиях, приближённых к реальным городским. Робот точно определяет наличие предмета с помощью ультразвукового датчика и уверенно отличает объекты по цвету для последующей сортировки. Механизм захвата надёжно фиксирует и переносит различные по объёму и массе предметы, а логика распределения отходов среди соответствующих контейнеров отрабатывает безошибочно.

Анализ эффективности

Анализируя эффективность работы системы, можно выделить следующие положительные аспекты:

• Точность обнаружения и локализации: Робот своевременно реагирует на появление мусора на пути, корректно определяя его положение.

• Правильная сортировка: Встроенные алгоритмы и датчик цвета гарантируют попадание мусора в нужный контейнер, что способствует качественному раздельному сбору отходов.

• Стабильность Bluetooth-связи: Взаимодействие двух блоков EV3 происходит без задержек, обеспечивая бесперебойную работу всех компонентов.

Существенным достоинством также является модульность конструкции: смена программных алгоритмов или модернизация отдельных узлов (например, манипулятора или системы сенсоров) может быть реализована без переработки всей платформы.

Вместе с тем, в процессе тестирования были обнаружены и потенциальные направления для совершенствования:

• Низкое расположение ультразвукового датчика позволит повысить точность распознавания малогабаритных предметов.

• Модификация захвата, в том числе увеличение его габаритов, позволит расширить спектр собираемых отходов — от небольших бумажек до более крупных предметов.

• Улучшение конструкции манипулятора повысит надёжность удержания объектов и снизит вероятность их выпадения в процессе транспортировки.

Перспективы развития

В дальнейшем планируется доработать механическую часть захвата, повысив его адаптивность для работы с мусором различной формы и размера. Кроме того, установка ультразвукового датчика ближе к поверхности поможет повысить чувствительность к мелким объектам. Среди других перспективных направлений — интеграция более совершённых сенсоров, применение искусственного интеллекта для интеллектуальной сортировки отходов и увеличение автономности работы платформы за счёт оптимизации энергопотребления и маршрутизации.

Комплексное развитие системы в выбранных направлениях позволит приблизить мобильную платформу к реальному городскому применению и сделать вклад в решение актуальных экологических задач.

Заключение

В ходе выполнения научно-исследовательской работы были рассмотрены актуальные вопросы автоматизации сбора и сортировки мусора в городских условиях с опорой на современные технические решения. Разработан и испытан прототип мобильной автоматизированной платформы на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3, обладающей способностью к автономному передвижению, обнаружению мусора, его захвату и сортировке по отдельным контейнерам. Результаты проекта подтвердили жизнеспособность и результативность выбранной концепции, а также подчеркнули потенциал её внедрения для улучшения состояния городской среды и решения задач, связанных с поддержанием чистоты и охраной окружающей среды.

Проблема накопления отходов и нерегулярного их сбора остаётся одной из самых острых в современных городах. Несмотря на существование ручного труда дворников, специализированной техники и пунктов приёма вторсырья, города по-прежнему сталкиваются с загрязнением улиц и необходимостью внедрения новых, более эффективных технологий очистки. Наш проект предложил подход, позволяющий применять современные инженерные инструменты и образовательные робототехнические платформы для решения этой проблемы, что не только способствует развитию технического творчества, но и формирует у молодёжи экологическую ответственность.

В ходе работы над платформой были изучены и реализованы базовые принципы проектирования мобильных систем: определены функциональные узлы и сенсоры, обеспечивающие автономное движение, захват, анализ и сортировку мусора. Командой был проанализирован опыт зарубежных и отечественных разработок в области мобильных уборочных систем, выделены основные тенденции, предъявляемые требования и существующие решения. Разработка макета позволила на практике протестировать основные гипотезы и оценить надёжность работы прототипа в условиях, приближённых к реальным.

Проведённые испытания показали, что робот способен эффективно обнаруживать объекты перед собой, определять их цветовые характеристики и с достаточной точностью размещать собранный мусор в соответствующие контейнеры для раздельного сбора. Значимым достижением является успешная интеграция нескольких исполнительных и сенсорных систем, координируемых посредством беспроводного соединения. Это позволило реализовать сложные алгоритмы управления и продемонстрировать возможности дальнейшего масштабирования системы.

Проанализированы достоинства и недостатки предложенного решения. К несомненным преимуществам следует отнести модульность конструкции, простоту программирования, адаптивность к различным условиям городской среды и возможность лёгкой модернизации программных и технических компонент. В ходе выполнения работы выявлены и отдельные проблемы: ограниченность спектра улавливаемых сенсорами объектов, узкая специализация манипулятора, необходимость доработки механизма захвата и повышения точности определения типа отходов.

Таким образом, разработанный и испытанный прототип подтвердил состоятельность идеи перехода от ручного труда к автоматизированным интеллектуальным системам сбора и сортировки мусора. Проект показал, что даже с применением образовательных платформ возможно создание эффективных мобильных устройств для решения важных экологических задач. Предлагаемое направление перспективно для развития, поскольку сочетает современные цифровые и инженерные технологии, отвечает глобальным вызовам времени и способствует просвещению и вовлечению молодёжи в научно-техническое творчество через участие в решении значимых для общества проблем.

Список использованных источников:

1. Бабаян, А.В., Ларичев, О.И. Интеллектуальные информационные технологии в робототехнике. — М.: Радио и связь, 2022. — 288 с.

2. Дроздова, О.В., Сизиков, А.С. Экологические аспекты обращения с отходами в городской среде: проблемы и пути их решения // Экологическая безопасность городов. — 2021. — №4. — С. 73–82.

3. LEGO Mindstorms EV3: Официальныйресурс. — /ru-ru/product/mindstorms-ev3-31313

4. Каширский, Д.В., МОНОК К.И. Применение образовательной робототехники для реализации проектов в области экологии // Современные проблемы науки и образования. — 2020. — № 2. — С. 100–106.

5. Обзор мобильных роботов для уборки территории городов / Р.Е. Кузьмин, А.И. Терехов // Проблемы механики и управления. — 2023. — №11. — С. 45–53.

ПРИЛОЖЕНИЯ