XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Глава 1. Общие сведения

1. 1. Капуста как сельскохозяйственная культура

Капуста — одна из наиболее распространённых овощных культур во всём мире, включая Россию (Рисунок 1.1.1, Приложение). Она ценится благодаря своей пищевой ценности, доступности и универсальности применения в кулинарии. Кочанная капуста является основой многих блюд русской кухни, таких как щи, борщ, голубцы и салаты.

Культивирование капусты имеет древние корни и насчитывает тысячи лет. Первые письменные свидетельства относятся ещё к временам античности, когда капуста была известна древним грекам и римлянам как ценный продукт питания и лекарственное растение. Однако родиной культурной капусты считается территория современной Европы — Центральная Европа и Средиземноморье.

Первые упоминания о капусте в русской культуре датируются IX–X веками. Культура быстро распространилась благодаря своим полезным свойствам и способности сохранять свежесть долгое время даже зимой. Уже в Киевской Руси выращивание капусты стало частью повседневной жизни крестьянских хозяйств. Она служила основой рациона многих семей и широко использовалась в народной медицине.

В мире существует множество видов капусты, среди которых наиболее распространены следующие:

Белокочанная капуста: традиционный вид, распространенный повсеместно. Используется преимущественно для приготовления блюд, консервирования и квашения.

Цветная капуста: отличается нежностью вкуса и чаще употребляется в вареном виде.

Брокколи: обладает высокими пищевыми качествами и используется в кулинарии и диетическом питании.

Краснокочанная капуста: богата антиоксидантами и витаминами группы B.

Пекинская капуста: популярна в азиатской кухне и применяется в салатах и супах.

Капуста относится к семейству крестоцветных (Brassicaceae). Это двулетнее растение, которое формирует плотный кочан во второй год вегетации. Растение холодостойкое, предпочитает умеренные климатические условия и плодородные почвы. Оно требует регулярного полива и подкормки удобрениями, особенно азотистыми.

Для успешного роста капусты важно выбрать подходящий участок с хорошо дренированной почвой, богатой органическими веществами. Почва должна быть нейтральной или слабощелочной реакции. Перед посадкой рекомендуется провести глубокую перекопку земли с внесением органических удобрений (перегной, компост).

Семена высевают весной, когда почва прогреется до +8...+10°C. Семена заглубляют на глубину около 1 см. После появления всходов проводят прореживание растений, оставляя расстояние между ними примерно 30–40 см. Регулярный полив и рыхление почвы способствуют активному росту листьев и формированию плотного кочана.

При борьбе с заболевания и вредителями рекомендуются профилактические меры: соблюдение агротехники, применение инсектицидов и фунгицидов, своевременное удаление больных растений. Основные болезни капусты включают:

Кила капусты;

Мозаика капусты;

Капустная моль;

Капустная белянка.

Таким образом, капуста представляет собой важную сельскохозяйственную культуру, обладающую высокой пищевой ценностью и лечебными свойствами. Правильное выращивание и употребление капусты в пищу обеспечивает организм необходимыми элементами и укрепляет здоровье растущего поколения.

1. 2. Традиционные и современные методы сбора капусты

Сроки сбора капусты зависят от сорта и сроков посадки, а также от погодных условий.

Ранние сорта убирают примерно через 60–80 дней с момента высадки рассады в грунт. Кочаны образуются уже в июне, они некрупные и достаточно рыхлые. Такая капуста не хранится, её используют для салатов.

Урожай среднеспелой капусты собирают через 120–140 дней. Кочаны имеют среднюю плотность, хранится она максимум 3 месяца. Основной урожай собирают, начиная с 15 сентября, как правило, одним днём.

Среднепоздние и поздние сорта белокочанной капусты созревают за 155–178 дней. В средней полосе России эти сорта начинают убирать в первой декаде октября и до середины ноября. Но если осень дождливая, то собирают урожай раньше, иначе кочаны потрескаются от влаги.

Сбор урожая капусты относится к числу ключевых процессов в сельском хозяйстве, играющих важную роль в обеспечении продовольственной безопасности страны. За долгие годы сложилось два главных направления: традиционные и современные методы. Каждый из них имеет свои плюсы и минусы, зависящие от множества факторов, таких как размер хозяйства, финансовые возможности и региональные особенности.

Традиционные методы сбора капусты

Традиционно капуста собирается вручную, что обусловлено историей земледелия и сохранением старых традиций ведения хозяйства. Эти методы подразумевают активную физическую вовлеченность работника и следование вековым правилам (Рисунок 1.2.1, Приложение).

Особенности традиционных методов:

Прямая индивидуальная деятельность – работник сам оценивает готовность кочана, выбирает подходящий инструмент и проводит уборку.

Минимальные инвестиции – нет необходимости закупать дорогостоящую технику или специальное оборудование.

Гибкость – возможность регулировать интенсивность и продолжительность работы в зависимости от обстоятельств.

Однако традиционные методы обладают существенными недостатками:

Высокая физическая нагрузка на работника.

Ограниченная производительность одного сотрудника.

Необходимость набора большого числа временных работников.

Большая вероятность повреждений кочанов и снижение качества продукции.

Современные методы сбора капусты

Современные методы основаны на применении специализированных механизмов и цифровых технологий, облегчающих и ускоряющих процесс уборки. Одним из примеров является механический сбор, при котором применяются технические устройства для облегчения труда.

Виды современной техники:

Комбайны – специальные агрегаты, предназначенные для одновременного выполнения нескольких функций, таких как обрезка кочанов, очистка от лишней зелени и подготовка к транспортировке (Рисунок 1.2.2, Приложение).

Самоходные машины – предназначены для массового сбора больших площадей и экономии времени.

Роботизированные системы – совмещают элементы цифровой аналитики и автоматического управления, повышающие точность и безопасность.

Современные методы отличаются такими преимуществами:

• Значительное увеличение производительности труда.

• Минимизация физического участия человека.

• Более высокое качество обработанного материала.

• Экономия ресурсов и финансов.

Вместе с тем существуют некоторые ограничения и сложности:

• Большие начальные вложения в приобретение техники.

• Необходимость постоянного технического обслуживания и ремонта.

• Возможные поломки и неисправности, снижающие темп работы.

И традиционные, и современные методы сборки капусты находят свое применение в сельском хозяйстве. Решение о выборе конкретного подхода зависит от размеров хозяйства, экономических возможностей и региональных особенностей. Комбинированные стратегии, сочетающие оба метода, могут стать оптимальным вариантом для большинства предприятий, позволяя сочетать высокую производительность и экономичность.

1. 2. Проблемы, возникающие при сборке капусты

Сбор урожая капусты является важным этапом в производстве сельскохозяйственной продукции, оказывающим существенное влияние на итоговое качество и количество полученного продукта. Однако этот процесс сопряжен с целым рядом серьезных проблем, которые создают значительные препятствия для эффективной работы:

1. Риск повреждения урожая. При уборке капусты велика вероятность повреждения плодов. Причиной этому могут служить: неправильная техника съёма кочанов, грубый захват и падение плодов при переносе, нарушение целостности верхушечных листьев, что приводит к утрате товарного вида и скоротечной порче.

2. Трудоемкость и низкий уровень механизации. Сбор капусты — физически тяжёлый и долгий процесс, особенно если выполняется вручную. Наличие высокоэффективных механических приспособлений ограничено финансовыми возможностями и техническими условиями хозяйства, что создаёт серьёзные проблемы с привлечением и удержанием квалифицированных работников.

3. Организационные сложности. Проблемы возникают и на организационном уровне:

• Сложность синхронизации времени начала уборки и готовности урожая,

• Необходимость координации действий большого числа работников,

• Логистические трудности с организацией транспортировки и хранения собранного урожая.

4. Погода и климатические условия. Неблагоприятные погодные условия могут серьёзно осложнить процесс сборки капусты:

• Дожди и повышенная влажность ведут к загниванию и потере массы продукции,

• Мороз и резкое похолодание отрицательно сказываются на качестве и сроках хранения,

• Сухая жаркая погода может вызвать высыхание верхних слоев кочанов и ухудшение товарного вида.

5. Болезни и вредители. Заболевания растений и поражение насекомыми-вредителями способны нанести значительный ущерб будущему урожаю. Сбор поражённой капусты ведёт к ещё большим проблемам при хранении и продаже.

6. Инфраструктурные ограничения. Недостаточная развитость инфраструктуры хранения и транспортировки оказывает негативное влияние на сохранение качества капусты после сбора. Отсутствуют подходящие склады с регулируемой температурой и вентиляцией, что ведет к повышенному уровню потерь из-за гниения и высыхания. Стандарты перевозки зачастую нарушаются, что дополнительно усугубляет ситуацию.

Для преодоления перечисленных трудностей целесообразно внедрять новые технологии и методы, такие как:

• Применение специализированной техники для механизированного сбора.

• Разработка стандартов сортировки и маркировки продукции.

• Создание централизованных пунктов приема и предпродажной подготовки.

• Проведение образовательных мероприятий для повышения квалификации работников.

Данные меры позволят уменьшить долю испорченных товаров, снизить производственные издержки и сделать отрасль более привлекательной для инвесторов и предпринимателей.

Глава 2. Экскурсия на агрофирму КРиММ

В ходе изучения темы автоматизации процессов сборки в сельском хозяйстве мы получили уникальную возможность познакомиться с производством капусты от этапа выращивания до финальной стадии отправки потребителю. Организованная экскурсия позволила детям увидеть все основные этапы производственного процесса агрофирмы «КРиММ» в Тюменской области (Рисунок 2.1, Приложение).

Экскурсия началась с общего знакомства с территорией агрофирмы, расположившейся в живописном месте села Упорово. Далее мы направились на объекты непосредственной обработки и хранения продукции. Мы посетили производственный цех, где специалисты демонстрировали процесс предварительной сортировки капусты. Сотрудники подробно рассказали, каким критериям соответствует качественная продукция и почему важен строгий контроль над каждой партией. Особое внимание было уделено разъяснению разницы между внешним видом здоровой и дефектной капусты.

Затем мы перешли в помещение упаковки, где наблюдали процесс подготовки овощей к отправке. Нам показали различные типы тары и пояснили, почему именно такая упаковка предпочтительна для транспортировки капусты.

Следующим пунктом стал осмотр помещений для хранения овощей. Мы узнали, что температурные и влажностные условия для поддержания свежести продукции играют одну из главных ролей. Специалисты объяснили важность поддержания заданных параметров и последствий нарушения режима хранения.

Также мы увидели стеллажи, заполненные готовыми к отгрузке товарами, и поняли значимость правильной организации хранения для стабильного функционирования всей цепочки поставок.

Завершающий этап экскурсии включал экскурсию по транспортным средствам и объектам транспортной инфраструктуры агрофирмы. Нам рассказали, какими способами компания организует доставку продукции покупателям, познакомились с особенностями грузовых автомобилей и специализированной тарой для безопасной перевозки.

Полученные впечатления позволили расширить представления о процессах, происходящих внутри крупного агрохозяйства, и задуматься о будущем развитии отечественных аграрных отраслей.

Глава 3. Модель проекта по автоматизированной сборке капусты на базе конструктора LeGo WeDo 2.0

3.1. Конструкция, функционал и механические передачи

После подробного изучение темы, у нашей команды возникло несколько решений, каждое из которых представляло собой уникальный подход к автоматизации процесса сборки. Одним из вариантов была разработка роботизированной руки, способной распознавать зрелые кочаны капусты и аккуратно срезать их, минимизируя повреждения. Так же была идея – создать дрон-сборщик капусты, который при помощи датчиков видит зрелую капусту и бережно транспортирует ее к месту хранения.

Мы с командой нарисовали несколько эскизов и перешли к созданию своего проекта (Рисунок 3.1.1, Приложение). Проект мы создали с помощью конструктора lego city, а также для его автоматизации мы использовали механические передачи, датчики и моторы из наборов LeGo WeDo 2.0.

Наш проект условно разделен на две части: автоматизированный робот-сборщик и конвейерная лента (Рисунок 3.1.2, Приложение). Робот-сборщик представляет собой сельскохозяйственную машину с тележкой и механизмом, способным аккуратно срезать кочаны и укладывать их в тележку (Рисунок 3.1.3, Приложение).

После мы приступили к созданию конвейерной ленты, по которой собранная капуста переносится в хранилище (Рисунок 3.1.4, Приложение). Хранилище оснащено датчиками, контролирующими температуру, влажность и свет (Рисунок 3.1.5, Приложение). 

Также мы собрали ветровые мельницы для выработки электричества и водонапорную башню для полива урожая. Модель трактор с прицепом помогает в процессе сборки урожая.

Для того, чтобы сделать наш проект подвижным, мы приступили к созданию механических передач. У каждой модели есть свой функционал и механические передачи. Разберем каждую модель по отдельности.

Таблица 1 – Предназначение и механические передачи проекта

№	Модели	Предназначение	Механизмы и датчики
1	Робот-сборщик	Робот срезает капусту и аккуратно укладывает ее в тележку. С помощью датчика расстояния происходит остановка машины.	Датчик расстояния,  угловая зубчатая передача с коническим колесом, перекрёстная ременная передача
2	Конвейерная лента	Передает собранную капусту в хранилище. С помощью датчика наклона осуществляется включение и выключение конвейера.	Датчик наклона, червячная передача

3.3. Программный код

После того, как мы завершили конструирование нашего проекта, мы приступили к созданию программы.

Первая программа отвечает за движение первого мотора (робот-сборщик). Автономный робот-сборщик начинает свою работу, вращая мотор по часовой стрелке с мощностью 5. Он следует этому движению, пока датчик расстояния не обнаружит хранилище. В этот момент робот передаёт сообщение конвейерной ленте, как эстафетную палочку (Рисунок 3.2.1, Приложение).

Вторая программа отвечает за работу второго мотора (конвейерной лента). Конвейерная лента, получив сообщение от первой программы, ожидает сигнала от датчика наклона, который должен находиться в положении «носом вверх». И только после этого начинает вращаться второй мотор по часовой стрелке в течение 10 секунд. В этот момент конвейерная лента работает и передает капусту в хранилище (Рисунок 3.2.2, Приложение).

Заключение

В результате нашей работы мы:

1. Нашли информацию о сельскохозяйственной культуре – капусте;

2. Рассмотрели традиционные методы сбора капусты и их недостатки;

3. Изучили проблемы, возникающие в процессе сборки капусты;

4. Создали проект по автоматизированную сбору капусты из конструктора LeGo WeDo 2.0;

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

Для нашего проекта мы использовали конструктор из наборов Lego WeDo 2.0 и Lego City. В нашей работе использовались прсотые механизмы: ось, рычаг, шкив; сложные механические передачи: зубчатая угловая передача с коническим колесом, червячная передача, перекрестная ременная передача. Для запуска проекты мы создали программу в среде программирования Lego WeDo 2.0, одновременно подключая к компьютеру 2 коммутатора, 2 мотора, 1 датчик наклона и 1 датчик расстояния.

Мы считаем, что наш проект – это отличный вариант решения проблемы тяжелого ручного труда при сборке капусты.

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.

4. Семенов Ю.М. Роботы и автоматизация в сельском хозяйстве // Информационный бюллетень Минсельхоза РФ. № 4, 2023 г.

Интернет-источники:

5. https://azbyka.ru/garden/kapusta-kak-sobrat-i-sohranit-urozhaj/

6. https://sad-torg.ru/blog/sovety-pokupatelyam/kogda-i-kak-pravilno-sobirat-urozhay-kapusty-ekspertnye-rekomendatsii/

7. https://www.kp.ru/family/sad-i-ogorod/uborka-kapusty/