XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Energy-комбайн с умным прицепом для сборки картофеля. Модель на базе конструктора LeGo WeDo 2.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бикин Р.Р. 1Земсков З.Д. 1Евстафьев Г.С. 1Китаев Д.П. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Корякина П.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

2.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Картофель является одним из основных продуктов питания для населения Тюменской области. Но картошка, как и другие товары, становится все дороже. Это явление называется инфляция, и оно влияет на жизнь всех людей. Президент России Владимир Владимирович Путин сказал, что снижение инфляции — это первоочередная цель для Российской Федерации. В Тюменской области, где растут вкусные овощи, фермеры стараются собирать урожай быстро и без потерь, но им приходится тратить много денег на топливо для комбайнов и грузовиков, а часть урожая портится и просто выбрасывается. Всё это увеличивает стоимость картошки, а значит, и уровень инфляции.

Поэтому мы решили разработать специальный Energy-комбайн с умным прицепом, который не только собирает картошку, но и сортирует её. Хорошая картошка идёт в магазины, а плохая — не пропадает зря! Её перерабатывают в биотопливо, которое можно использовать для заправки комбайнов и грузовиков, тем самым поможет снизить затраты на сборку и транспортировку картофеля в Тюменском регионе.

Цель исследования: изучение информации об овощных культурах Тюменского региона, разработка специализированной техники с умным прицепом для решения проблемы дорогостоящего процесса сборки картофеля с помощью конструктора LeGo WeDo 2.0.

Задачи исследования:

1. Найти информацию о выращиваемых овощных культурах в Тюменском регионе, подробно изучить овощную культуру – картофель;

2. Рассмотреть способы и специальное оборудование для сборки картофеля;

3. Узнать о проблемах, возникающих во время сборки картофеля в Тюменском регионе;

4. Создать проект с моделью Energy-комбайна с умным прицепом для сборки картофеля;

5. Создать программу, которая позволит наглядно продемонстрировать работу нашего проекта.

В качестве источников информации мы использовали различные сайты. При конструировании движимых частей проекта нам помогли книги и методические пособия о простых и сложных механических передачах, при создании программ мы руководствовались учебными пособиями по образовательной робототехнике.

Глава 1. Общие сведения

1. 1. Картофель – главный овощ Тюменской области

Тюменская область – это большой край, где лето хоть и не очень долгое, но теплое и солнечное. В Тюменской области выращивают много других полезных овощей: картофель, морковь, лук, чеснок, зеленый горошек, капуста, помидоры, огурцы, капуста, перцы, столовая свекла, кабачки, тыква.

Самый главный овощ в Тюменской области – это, конечно же, картошка. Картофель – вид многолетних клубненосных травянистых растений из рода Паслён семейства Паслёновые. Клубни картофеля являются важным пищевым продуктом (Рисунок 1.1.1, Приложение).

Некоторые характеристики растения:

• Может вырастать до одного метра в высоту. 

• Стебель гладкий и ребристый. 

• Листья тёмно-зелёные, состоят из одной конечной доли и нескольких пар боковых долей (от 3 до 7). 

• Цветки бывают белыми, розовыми или фиолетовыми и собираются в щитковидные соцветия на верхушке стебля. 

Картофель играет важную роль в продовольственной безопасности региона. Благодаря высокой урожайности и неприхотливости в уходе, он обеспечивает значительную часть потребностей местного населения в овощах. Кроме того, продукция успешно реализуется за пределы области, что способствует экономическому развитию региона.

Тюменская область отличается суровым климатом, однако местные аграрии научились успешно выращивать картофель в этих условиях. Основные посадки осуществляются в весенние месяцы, когда земля прогревается до необходимой температуры. Особое внимание уделяется выбору сортов, приспособленных к короткому лету и холодной осени. Наиболее распространены среднеспелые и среднепоздние сорта, которые успевают сформировать урожай до наступления холодов.

Сбор урожая обычно происходит в августе-сентябре, когда растения начинают желтеть и опадать. Важно дать картофелю полностью созреть, но не дожидаться появления заморозков, которые могут повредить клубни.

Как же выращивают картофель (Рисунок 1.1.2, Приложение)?

Процесс начинается с подготовки участка: его очищают, разрыхляют и удобряют, чтобы создать идеальные условия для роста.

Затем высеивают семена или клубни — это как посев маленьких волшебных бумерангов, которые через некоторое время превратятся в большие кусты.

На стадии роста важно обеспечить правильный уход: полив, прополку и подкормки, чтобы картофель рос крепким и вкусным.

Когда растение достигает зрелости, наступает время уборки. Выкопка, сортировка и подготовка к хранению.

Сегодня агротехнологии не стоят на месте, и тюменские фермеры активно внедряют современные методы выращивания картофеля. Использование минеральных удобрений, систем капельного орошения и средств защиты растений позволяет получать стабильно высокие урожаи даже в сложных климатических условиях.

Картофель в Тюменской области — это не просто овощ, а важная составляющая часть агропромышленного комплекса региона. Благодаря усилиям местных аграриев, этот корнеплод продолжает оставаться главным продуктом на столах жителей и важным элементом экономики области.

1. 2. Современные способы сборки картофеля

Уборка картофеля и других корнеплодов является важной частью сельскохозяйственных работ, позволяет собирать урожай и готовить почву для следующего сезона. техника, которая помогает справиться со сбором урожая.

Способы уборки картофеля:

1. Сбор урожая картофельными копателями. Копатели копают почвенный слой, частично отделяют клубни от почвы и оставляют их вместе с растительным мусором на поверхности поля.

2. Однофазная очистка картофелеуборочными комбайнами. За один проход комбайн выкапывает клубни, отделяет их от вершин, камней, почвы и загружает их в транспортные средства.

3. Раздельная уборка. Применяется, когда почва влажная. Используют картофелекопатель-валкообразователь, который извлекает клубни из земли и укладывает их в валок, состоящий из 2–6 рядков. После сушки комбайн подбирает валки с поля и транспортирует клубни в пункт сортировки.

4. Комбинированная уборка. Сочетает в себе преимущества как раздельного, так и прямого способа. Сначала осуществляется выкапывание клубней с помощью специального комбайна и их переброска на поверхность земли, а затем происходит их сбор и очистка.

5. Поточная уборка. Для уборки и послеуборочной обработки картофеля используют технологический комплекс машин: комбайн, копатели, самосвальный транспорт, сортировальные машины и пункты, выгрузные транспортеры и переборочные столы, погрузчики, а также машины для уборки ботвы. После уборки картофель разделяют на различные фракции: большие клубни выделяют для пищевой промышленности, средние — для семенного материала, мелкие — для кормовой промышленности или других целей. Повреждённые или больные плоды удаляют и отбраковывают.

6. Перевалочная уборка. Производится по следующей схеме: сбор урожая картофелеуборочными машинами, складирование урожая на поле в виде куч, валков или кагатов для временного хранения, погрузка с очисткой от примесей.

7. Поточно-перевалочная уборка. Сочетает два вышеописанных способа: часть урожая после уборки сразу отправляется в хозяйство, другая часть складируется на перевалочной площадке в поле, благодаря чему рациональнее используются транспортные средства.

Выбор метода сбора картофеля зависит от технологии, почвенно-климатических и погодных условий.

Машинно-тракторные агрегаты – специализированные машины, предназначенные для сбора и очистки урожая корнеплодов. Эти агрегаты включают в себя множество компонентов (ножи, щетки, подборщики) и способны обрабатывать большие объемы за короткое время. Они широко используются в сельском хозяйстве в таких процессах, как уборка свеклы, уборка картофеля с полей и других видах сельскохозяйственных работ.

Трактор – популярный вид техники для уборки картофеля и других корнеплодов. Оснащенные специальным оборудованием, тракторы могут механически отсеивать землю от картофеля и собирать его в одно место. На современных тракторах для уборки картофеля есть возможность настройки скорости работы и глубины прорезывания почвы (Рисунок 1.2.1, Приложение).

Комбайн – высокоэффективная сельскохозяйственная машина, позволяющая быстро и качественно собирать урожай. В зависимости от типа корнеплодов, существует несколько различных видов комбайнов, каждый из которых имеет свои особенности и преимущества (Рисунок 1.2.2, Приложение).

1. 3. Проблемы при сборке картофеля

Во время сбора урожая картофеля возникают следующие проблемы:

1. Повреждение клубней: неправильное использование техники или неправильный режим копки могут повредить картофель, что снижает качество и товарность урожая.

2. Потери урожая: неровности поля, неправильные настройки комбайнов или плохое качество техники могут привести к неполному сбору или потере клубней.

3. Загрязнение и повреждение: при уборке картофель может загрязняться грунтом, камнями и другими посторонними предметами, что усложняет последующую обработку и хранения.

4. Неравномерность сбора: разные условия полей и особенности сорта могут вызвать неравномерный сбор, что требует дополнительной ручной работы.

5. Время в плохую погоду: дождливая погода может осложнить процесс уборки, увеличить повреждения и привести к гниению урожая.

6. Трудности с техникой: поломки и неисправности оборудования замедляют сбор и увеличивают затраты.

Большинство всех вышеперечисленных проблем вытекают в одну большую проблему – дорогостоящий процесс сборки и транспортировки картофеля, впоследствии ведущий к повышению инфляции.

Мы с командой придумали решение проблемы – создали «Energy-комбайн» с умным прицепом, завод по переработке отходов и мелкого картофеля в биотопливо. Данная разработка поможет экономить на топливе, сократить время и минимизировать потери урожая.

Глава 2. Экскурсия как практический метод изучения

2.1. Агрофирма КРиММ в с. Упорово

В рамках изучения нашей темы, нам удалось побывать на экскурсии на агрофирме КРиММ в Тюмени, и у нас была уникальная возможность попасть на производственные объекты (Рисунок 2.1.1, Приложение). Там нас познакомили с современными технологиями хранения и сортировки сельскохозяйственных культур, которые выращиваются в Тюменском регионе.

Агрофирма "КРиММ" использует современную технологию микроклонального размножения картофеля, также известного как клубни из пробирок или меристемное размножение. Этот метод позволяет получать здоровый посадочный материал без вирусных инфекций. Такой подход помогает увеличить выход здорового посадочного материала, улучшить устойчивость растений к болезням и повысить урожайность.

Особенно интересно было наблюдать за процессом сортировки: овощи сортируют по размерам и качеству с помощью автоматизированных линий и современных технологий, чтобы каждая партия соответствовала стандартам.

Так же мы узнали, как тщательно хранят овощи — для этого используют специальные хранилища с контролируемой атмосферой, чтобы сохранить свежесть картофеля, капусты, свеклы и моркови как можно дольше.

Для сбора урожая здесь используют механизированную технику — комбайны, картофелеуборочные машины и грузовики, способные быстро транспортировать собранные овощи на склад.

2.2. Государственный Аграрный Университет Северного Зауралья

Нам удалось попасть на экскурсию в Государственный Аграрный Университет Северного Зауралья.

В начале экскурсии мы посетили лекцию на тему «Основы растениеводства». Нам рассказали, кто такие агрономы и чем занимаются агротехники. Также мы узнали, какие агроклиматические зоны есть в Тюменской области. Они значительно различаются по условиям выращивания сельскохозяйственных культур. Основные из них:

Степная зона — расположена на юге области. Здесь климат сухой и умеренно жаркий с коротким летом и относительно теплой зимой. Это благоприятная зона для выращивания зерновых культур, особенно пшеницы и овса.

Лесостепная зона — занимает промежуточное положение. Характеризуется умеренно континентальным климатом с более выраженными сезонами. Здесь выращивают такие культуры, как картофель, овощи и ягоды.

Лесная зона — находится в северных районах области. Климат более суровый с более коротким вегетационным периодом и большим количеством осадков. В таких условиях успешно выращивают картофель, кормовые культуры и ягодные кустарники.

Также стоит отметить, что на территории области бывают микроклиматические особенности, которые могут влиять на выбор культур и агротехнологий. В целом, разнообразие климатических условий позволяет Тюменской области развивать широкий спектр сельскохозяйственной деятельности, адаптируя технологии под каждый район.

Узнали о классификации факторов, которые влияют на растения и урожай.

Абиотические факторы — это все то, что приходит из внешней среды: климатические условия (температура, влажность, освещение), почвенные характеристики, уровень осадков и наличие минеральных веществ.

Биотические факторы — это "живые" обитатели поля: растения-соседи, вредители, болезни и даже микроорганизмы.

Также мы посетили интересные мастер-классы по определению нитратов в плодоовощной продукции с помощью нетрат-тестера; по определению сельскохозяйственных культур и продукта их переработки (Рисунок 2.2.2, Приложение).

Глава 3. Создание проекта с моделью Energy-комбайн для сборки картофеля на базе конструктора LEGOWeDo 2.0

3.1. Внешний вид проекта

После ознакомления с темой «Богатый урожай» и выявления проблем во время cборки картофеля, мы узнали, что много картошки остаётся в земле, из-за этого растёт цена на картофель, и придумав решение, мы с командой перешли к созданию проекта.

Проект мы создавали с помощью конструктора LeGo City и LeGo Mindstorms, а также для его автоматизации мы использовали механические передачи, датчики и моторы из наборов LeGo WeDo 2.0.

Первая часть – это energy-комбайн с умным прицепом, который рассортировывает картофель на 3 размера, c помощью калибратора, далее картофель поступает на умный прицеп (Рисунок 3.1.1, Приложение).

Вторая часть – это завод по переработке картофеля в биогаз (Рисунок 3.1.2, Приложение).

Также у нас есть дополнительные модели, которые не запускаются от мотора, а именно: склад для хранения картофеля, трактор с прицепом и грузовики для транспортировки картофеля.

После того как картофель попадает на большую конвейерную ленту, он попадает на калибратор, далее картофель рассортировывается на 3 размера, большой отправляется в продуктовые магазины, средний на социальные нужды (детские сады, армия и тд.), а мелкий – на завод по переработке картофеля в биогаз.

Наша разработка energy-комбайн направлена на то, чтобы выполнять свою работу по сбору картофеля, не оставляя картофель в земле, и сортируя картофель и отправляя его на переработку в биотопливо, тем самым уменьшаем стоимость картофеля.

Наш проект поможет: экономить на топливе —использование биотоплива из собственных отходов; сократить время – не нужно ждать, пока привезут топливо, его можно делать прямо в поле, минимизация потерь урожая — вся картошка идёт в дело: хорошую едим, плохую превращаем в топливо (Рисунок 3.1.3, Приложение).

3.2. Механические передачи проекта

Чтобы наш проект был автоматизированным, мы добавили механические передачи, 3 смартхаба, 4 мотора и 2 датчика (датчик наклона и датчик расстояния).

Первый мотор в проекте отвечает за работу energy-комбайна. Он запускает зубчатую понижающую передачу (Рисунок 3.2.1, Приложение). Одновременно с комбайном запускается первая конвейерная лента комбайна, передающая всю картошку на умный прицеп. Конвейерная лента работает при помощи ременной передачи (Рисунок 3.2.2, Приложение).

Второй мотор отвечает за работу умного прицепа комбайна, и именно он запускает цепочку сложных механизмов: ременная передача запускает конвейерную ленту, по которой передается картофель на калибратор (Рисунок 3.2.3, Приложение).

Картофель по конвейеру попадает на калибратор, сортирующий его по размерам. Калибратор работает от конвейера с помощью кривошипно-шатунного механизма (Рисунок 3.2.4, Приложение). При тряске, крупный картофель остается наверху, средний картофель на втором ярусе, мелкий и отходы на нижнем.

Далее картофель поступает на конвейерные ленты по специальным гладким спускам. Работа конвейера начинается по датчику наклона положением носом вверх. Конвейерные ленты запускаются третьим мотором с помощью зубчатой повышающей передачи (Рисунок 3.2.5, Приложение).

Отсортированный картофель попадает на три грузовика. Грузовик с крупным картофелем отправляется наи склад для дальнейшей реализации в магазинах, средний картофель отправляется также на склад для реализации в социально значимых местах (школы, детский сады, армия). Грузовик с мелкой картошкой и отходами уезжает на мини завод по переработке в биотопливо.

Завод начинает свою работу по датчику расстояния, и четвертый мотор запускает несколько сложных механизмов: зубчатую понижающую передачу, зубчатую угловую передачу и ременные передачи. По завершению процесса переработки мелкого картофеля в биотопливо оно идет в использование техники для сбора, транспортировки и хранения картофеля.

3.3. Управление проектом с помощью программного обеспечения WeDo 2.0

После того, как мы завершили строительство нашего проекта, мы приступили к созданию программы в программном обеспечении LeGo WeDo 2.0 (Рисунок 3.2.1, Приложение).

Таблица 1 – Программы для подвижных частей проекта

Заключение

В результате нашей работы над проектом мы успешно выполнили следующие задачи:

1. Нашли информацию о выращиваемых овощных культурах в Тюменском регионе, подробно изучили овощную культуру – картофель;

2. Рассмотрели способы и специальное оборудование для сборки картофеля;

3. Узнали о проблемах, возникающих во время сборки картофеля;

4. Создали модель Energy-комбайна с умным прицепом для сборки картофеля;

5. Создали программу, которая позволила наглядно продемонстрировать работу нашего проекта.

Для нашего проекта мы использовали конструктор из наборов LEGO City, LEGO Mindstorms и LEGO WeDo 2.0. В нашем проекте множество сложных механических передач: зубчатая понижающая передача, зубчатая повышающая передача, угловая зубчатая передача с применением конической шестерни, кривошипно-шатунный механизм, ременная передача, конвейер и рычаг. Для запуска подвижных частей проекта мы установили и подключили 3 смартхаба, 4 мотора, 1 датчик расстояния и 1 датчик наклона, а также написали несколько программ в программном обеспечении LEGO WeDo 2.0.

Мы считаем, что наш проект «Energy-комбайн для сборки картофеля на базе конструктора Lego Wedo 2.0» действительно поможет снизить стоимость сбора и транспортировки картофеля в Тюменском регионе. А так как картошка — это один из самых важных продуктов, её удешевление поможет замедлить рост цен на другие товары. Это напрямую связано с борьбой против инфляции, о которой говорил президент России В.В. Путин.

Список используемой литературы и интернет-источники

1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

2. «LEGOудивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.

3. «LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов»; [пер. с англ. Позина И. В., ред. Волченко Ю. С.].- Эксмодетство, 2019 г.

Интернет-источники:

1. https://krimm.ru/

2. https://gausz.ru/

Приложение