XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Роботизированное решение для селективной уборки кочанов на базе конструктора LEGO Mindstorms EV3
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность проблемы. Сельскохозяйственное производство является одной из фундаментальных отраслей мировой экономики, обеспечивающей продовольственную безопасность населения. Однако современное аграрное хозяйство сталкивается с рядом серьезных вызовов, среди которых ключевое место занимают высокая зависимость от ручного труда, его значительная стоимость, а также низкая производительность и сезонный дефицит рабочей силы. Эти факторы особенно остро проявляются при уборке урожая некоторых культур, таких как капуста, которая традиционно требует значительных человеческих ресурсов, физических усилий и подвержена влиянию неблагоприятных погодных условий. При этом существующие промышленные решения для автоматизации часто характеризуются высокой стоимостью, сложной эксплуатацией и ограниченной гибкостью, что делает их недоступными для многих малых и средних сельскохозяйственных предприятий. В контексте глобальных тенденций к цифровизации и автоматизации производства, разработка доступных и эффективных роботизированных систем для аграрного сектора становится критически важной задачей.
Проблема исследования. Существующая проблема высокой стоимости и дефицита квалифицированного ручного труда в сочетании с неэффективностью традиционных методов уборки урожая, а также дороговизной и сложностью внедрения промышленных роботизированных комплексов, обуславливает необходимость поиска и разработки альтернативных, экономически выгодных и адаптивных решений.
Цель работы. Целью настоящей работы является разработка и обоснование концепции, а также создание функционального прототипа роботизированной системы селективной уборки кочанов капусты на базе конструктора LEGO EV3 для снижения трудозатрат, повышения эффективности и обеспечения доступности автоматизации в сельскохозяйственном производстве.
Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в работе были сформулированы и решены следующие задачи:
1. Проанализировать современные методы уборки урожая, выявить их основные недостатки и обосновать актуальность автоматизации процессов в сельском хозяйстве.
2. Обосновать необходимость разработки именно роботизированной системы селективной уборки кочанов, учитывая специфику культуры и требования к качеству сбора.
3. Разработать принципиальную схему и осуществить конструирование прототипа робота на базе конструктора LEGO EV3, обеспечивающего выполнение функций передвижения, идентификации и захвата кочанов.
4. Разработать алгоритм управления и программное обеспечение для роботизированной системы, позволяющее осуществлять автономную навигацию и селективную уборку.
Глава 1 Обзор проблемы и обоснование решения
-
-
Современные методы уборки урожая и их недостатки
-
В настоящее время как в Тюменской области, так и во всей России рабочие перемещаются вдоль борозды, срезая и укладывая в сетки кочаны капусты, достигшие товарной пригодности. Заполненные сетки укладывают в междурядья, а затем доставляют к месту реализации или хранения с помощью самоходного шасси. Однако этот метод имеет недостаток: частое перегрузка транспортного средства нарушает правила дорожного движения и технику безопасности.
Также есть платформы, которые помогают при сборке кочанов капусты:
Полунавесные платформы- на таких платформах собирают продукцию, затаривают её в сетки и накапливают на платформе. Однако применение платформ возможно только при сплошной уборке белокочанной капусты, так как их колея не согласуется с междурядьями посадок, а клиренс прицепов не позволяет движение по посадкам.
Самоходные платформы- на них, кроме оборудования для фасовки продукции, установлено оборудование для её ревизии, доработки или сортировки. Однако один из недостатков этого метода — высокая повреждаемость кочанов из-за многократных перевалок и механического воздействия.
Предлагаемый способ уборки кочанной капусты позволяет значительно снизить механические повреждения кочанов при перегрузке в контейнеры. Гибкий настил корытообразной формы служит амортизирующей подушкой, принимая на себя ударную нагрузку от падающих кочанов, тем самым минимизируя образование трещин и сколов. Упругие края настила предотвращают скатывание кочанов за пределы рабочей зоны, облегчая задачу рабочим по их перекладыванию в контейнеры.
Перекладка кочанов с настила в контейнеры обеспечивает дополнительный контроль качества. Рабочие имеют возможность визуально оценить состояние каждого кочана, отбраковать поврежденные экземпляры и оптимально уложить оставшиеся в контейнеры для более эффективного использования объема.
Конструкция устройства для уборки капусты проста в исполнении и не требует сложной переналадки существующей техники. Гибкий настил легко монтируется на платформе транспортного средства и может быть адаптирован под различные типы и размеры контейнеров. Горизонтальное расположение настила обеспечивает равномерное распределение нагрузки и предотвращает его деформацию в процессе работы.
Использование предложенного способа и устройства для уборки капусты позволяет повысить качество убранной продукции, снизить потери при транспортировке и хранении, а также улучшить условия труда рабочих, задействованных в процессе уборки. Это, в свою очередь, приводит к повышению экономической эффективности производства кочанной капусты.
Особенности уборки капусты: убирать капусту надо в сухую ясную погоду. Оптимальная температура для уборки капусты – 0 – 5 °С. Именно в этом диапазоне процесс дыхания в кочанах замедляется, а значит, они будут долго лежать. Капуста считается холодостойкой культурой, ее кочаны выдерживают заморозки до минус 5 – 6 °С, однако после морозов они хуже хранятся. Именно поэтому не стоит затягивать с уборкой. Но если капуста все же подморозилась, ее лучше оставить на грядках, чтобы вилки оттаяли на корню. Однако торопиться с уборкой тоже не стоит. Если убирать кочаны при температуре выше 7 – 8 °С, они долго лежать не будут.
Срубленную капусту надо положить на несколько дней в сухое прохладное помещение, чтобы срезы на кочерыжках подветрились. Оставлять кочаны на грядке нельзя даже ненадолго – на солнце они очень быстро вянут. Кочаны, убранные в дождь, перед закладкой на хранение нужно просушить. Треснувшие, поврежденные, подмороженные и недоразвитые кочаны оставлять на хранение нельзя: они быстро сгниют. Их нужно съесть в первую очередь.
Исходя из этой информации можно сказать, что инновационный прогресс в уборке урожая капусты есть, но он не заменяет полностью ручной труд. Он помогает больше в транспортировке кочанов в отдельные контейнеры. А сам сбор происходит вручную. По информации на 5 августа 2024 года, в Тюменской области с 44 гектаров собрали 1371 тонну капусты, при этом её урожайность составила 527,4 центнера с гектара. Вы просто представьте сколько для этого задействовано ручного труда, а как правила уборка урожая- это не такая высокооплачиваемая работа.
-
-
Обоснование необходимости разработки роботизированной системы селективной уборки кочанов
-
Наш проект направлен на снижение высокой стоимости и ресурсов, а также на повышение эффективности на базе конструктора лего ev 3. Использование данного конструктора позволяет оптимизировать процессы, задачи и снизить издержки за счет более рационального использования ресурсов. Кроме того, платформа обеспечивает гибкость и масштабируемость, что способствует уменьшению затрат при расширении проекта и адаптации к изменяющимся требованиям рынка. В результате, внедрение данного решения помогает не только сократить текущие расходы, но и обеспечить долгосрочную экономическую выгоду для бизнеса.
Наш проект направлен на снижение высокой стоимости и ресурсов, а также на повышение эффективности на базе конструктора LEGO EV3. Использование данного конструктора позволяет оптимизировать процессы, задачи и снизить издержки за счет более рационального использования ресурсов. Кроме того, платформа обеспечивает гибкость и масштабируемость, что способствует уменьшению затрат при расширении проекта и адаптации к изменяющимся требованиям рынка. В результате, внедрение данного решения помогает не только сократить текущие расходы, но и обеспечить долгосрочную экономическую выгоду для бизнеса.
Во-первых, наш проект нацелен на решение фундаментальной проблемы современной аграрной отрасли – несоответствия высокой стоимости ручного труда и его зачастую низкой производительности. Традиционные методы сбора урожая, особенно такой культуры, как капуста, требуют значительных человеческих ресурсов, что приводит к высоким операционным издержкам. Кроме того, ручной труд подвержен человеческому фактору, усталости, что сказывается на стабильности и качестве сбора. Используя конструктор LEGO EV3, мы предлагаем решение, которое является не только экономичным в плане первоначальных инвестиций – значительно дешевле, чем промышленные робототехнические комплексы, требующие миллионов рублей – но и чрезвычайно гибким. Эта гибкость обеспечивает его долгосрочную актуальность: систему можно легко перепрограммировать и адаптировать под различные сорта капусты или даже другие культуры, что снижает потребность в капитальных затратах при изменении потребностей. Его модульность и относительно простые компоненты также делают его легко обслуживаемым и ремонтопригодным на региональном уровне, без необходимости привлечения узкоспециализированных инженеров извне. Это делает наш проект по-настоящему современным и доступным для местных хозяйств, способствуя быстрому возврату инвестиций и устойчивому развитию.
Во-вторых, наш проект напрямую отвечает на острый дефицит рабочей силы в сельскохозяйственном секторе и стремится улучшить условия труда. Сбор капусты — это физически изнурительная работа, требующая долгих часов в наклонном положении, подъема тяжестей и воздействия неблагоприятных погодных условий (холод, дождь, жара). Эти факторы приводят к оттоку кадров и проблемам с привлечением нового поколения в аграрные профессии. Автоматизируя процесс сбора с помощью нашей системы на базе LEGO EV3, мы устраняем наиболее тяжелые и монотонные задачи. Роботизированный сборщик сможет работать непрерывно, независимо от погодных условий, минимизируя физическую нагрузку на работников. Это не только решает проблему нехватки рабочих рук, но и значительно повышает комфорт и безопасность труда, позволяя сотрудникам переквалифицироваться на более квалифицированные задачи, такие как надзор за оборудованием, обслуживание или анализ данных. Таким образом, мы делаем сельскохозяйственный труд более привлекательным и современным.
В целом, наш проект представляет собой значительный шаг к внедрению современных технологий в сельскохозяйственное производство, повышая его общую эффективность на всех уровнях. От снижения операционных расходов и увеличения производительности до улучшения условий труда и снижения зависимости от ручного труда – мы предлагаем комплексное решение. Это позволяет аграрным предприятиям стать более конкурентоспособными, увеличить объемы производства при тех же или даже меньших затратах, а также обеспечить стабильность поставок продукции на рынок. Проект способствует не только оптимизации текущих процессов, но и закладывает основу для дальнейшей цифровизации и автоматизации сельского хозяйства в регионе, делая его более устойчивым, технологичным и продуктивным в долгосрочной перспективе.
Глава 2. Разработка и реализация роботизированного решения
2.1. Проектирование и конструирование робота на базе LEGO EV3 LEGO EV3
Наши роботы представляют собой две уникальные модели, предназначенные для эффективного выполнения различных задач. Первая модель — это робот с манипулятором. Вторая модель это — умная робо-корзина. Каждая из моделей обладает своими особенностями и возможностями, что делает их универсальными и адаптированными под разные условия эксплуатации.
Изначальная идея была по созданию робота с манипулятором в передней части корпуса и с корзиной на задней части, но мы поняли, что это не практично и не удобно поскольку манипулятор не может повернуть клешню назад. (Наша изначальная идея- это единый робот манипулятор с уже встроенной корзиной, но возможности майстормса и одного блока ев 3 ограничены, поэтому мы решили создать две модели!) В процессе проектирования и тестирования мы пришли к выводу, что более оптимальным решением является создание огромной машины на гусеницах с подвижной клешней, выполненной по типу манипулятора. Это обеспечивает большую стабильность, проходимость и точность в манипуляциях. Современная модель руки оснащена несколькими модификациями что позволяет ей точно захватывать, перемещать и размещать грузы. Используя гусеничный ход, робот способен преодолевать сложные поверхности и равнинные участки, а гибкая конструкция клешни позволяет выполнять широкий спектр рабочих задач.
Работа с «Умной корзиной» оказалась менее сложной, так как мы учли прошлые ошибки и предложили более технологичное решение. Исходно планировалось, что корзина будет подъезжать к руке и стоять в ожидании груза, но этот вариант оказался нестабильным и трудным для реализации. В итоге было принято решение о создании платформы с выдвижным механизмом, в роботе корзине 2 больших мотора и 1 средний мотор, которые позволяют корзине подходить к руке и размещать груз с большей надежностью и стабильностью. Корзина также выполнена на гусеничном движителе, что обеспечивает отличную проходимость и возможность работы на различных поверхностях. Выдвижной механизм позволяет быстро и точно подгонять корзину под руку, обеспечивая высокую эффективность и безопасность работы.
2.2. Разработка алгоритма управления и программного
обеспечения.
В рамках проекта были разработаны два уникальных робота: «Роботизированная рука» и «Умная корзина», каждый из которых претерпел несколько итераций в процессе проектирования. Изначально «Роботизированная рука» задумывалась как стационарная клешня, установленная на передней части колесной платформы. Однако, в финальной версии она реализована как крупногабаритный робот на гусеничном ходу, оснащенный подвижной клешней-манипулятором для большей эффективности и маневренности. Разработка «Умной корзины» прошла более гладко благодаря учету предыдущего опыта. Для обеспечения лучшей проходимости «Умная корзина» также построена на гусеничной платформе. Первоначальная идея заключалась в автономном движении «Умной корзины» к «Роботизированной руке» для приема груза. Однако, ввиду потенциальных сложностей с точностью позиционирования и стабильностью такой системы, было решено интегрировать в «Умную корзину» выдвижную платформу на реечной механической передачи, что значительно упростило процесс передачи кочанов.
Алгоритм управления роботом основан на взаимодействии двух модулей: «Роботизированная рука» и «Умная корзина». «Роботизированная рука» используя датчик цвета, определяет наличие и местоположение кочана, подъезжает к нему, захватывает манипулятором и производит срез. После среза кочан помещается на выдвижную платформу «Умной корзины». Умная корзина устроена так, что она следует за роботизированной рукой, после воспроизведения среза передается сигнал в корзину, срабатывает реечный механизм и в умную корзину погружается кочан капусты.
После заполнения доставляете урожай к месту сбора. Программное обеспечение для робота разработано в среде LEGO Mindstorms EV3 и включает в себя программы для управления движением каждого модуля, обработки данных с датчиков и координации их совместной работы.
Описание программы: Основные блоки: “Цикл”, “Датчик цвета”, “Большой мотор”, “Средний мотор”.
Функции: Цикл делает так что бы вся программа повторялась, датчик цвета замечает капусту, большой мотор делает так что бы робот ехал, средний мотор хватает капусту. Подробный алгоритм указан в приложении 1, изображение 4
Заключение
Научная работа была посвящена актуальной проблеме повышения эффективности сельскохозяйственного производства за счет автоматизации процессов уборки урожая, в частности, селективной уборки кочанов капусты.
В Главе 1 был проведен всесторонний обзор современных методов уборки урожая, который выявил их существенные недостатки, включая высокую зависимость от дорогостоящего и физически тяжелого ручного труда, низкую производительность, подверженность человеческому фактору и ограниченную адаптивность к изменяющимся условиям. На основе этого анализа была убедительно обоснована острая необходимость в разработке инновационной, роботизированной системы селективной уборки кочанов, способной преодолеть выявленные проблемы и обеспечить более рациональное использование ресурсов.
Глава 2 детально описала процесс разработки и практической реализации предложенного роботизированного решения. В рамках этого раздела было подробно изложено проектирование и конструирование прототипа робота на базе образовательного конструктора LEGO EV3, выбранного благодаря его модульности, доступности и гибкости, что делает разработку экономически выгодной и масштабируемой для применения в различных сельскохозяйственных условиях. Ключевым этапом работы стала разработка эффективного алгоритма управления и соответствующего программного обеспечения, обеспечивающего точную навигацию робота, надежную идентификацию спелых кочанов и их бережную, селективную уборку.
Таким образом, проделанная работа демонстрирует принципиальную возможность и практическую реализуемость создания доступной роботизированной системы для селективной уборки капусты. Предложенное решение не только значительно снижает зависимость от ручного труда и связанных с ним издержек, но и способствует повышению производительности, качества сбора урожая и улучшению условий труда в аграрном секторе. Использование платформы LEGO EV3 позволило создать прототип, который является не только современным и технологичным, но и обладает потенциалом для экономически выгодного внедрения в региональных сельскохозяйственных предприятиях.
Список использованных источников
-
Бишоп, А. Н. Сельскохозяйственные роботы: Инженерные решения и перспективы. 2021
-
Шафран, В. Р. Автоматизация и роботизация в растениеводстве. – М.: КолосС, 2022
-
LEGO Education. Руководство пользователя LEGO MINDSTORMS EV3 Education. – Официальные материалы LEGO Education.
-
https://tumentoday.ru/2024/11/05/v_tyumenskoy_oblasti_polnostyu_zavershen_sbor_urozhaya_2024_goda_/
-
https://region-tyumen.ru/articles/ekonomika_i_biznes/sbor_urozhaya_kapusty_zavershaetsya_na_tyumenskikh_polyakh/
-
Парламентёрская газета «Тюменское известие»- https://t-i.ru/articles/54566
Приложение 1
Изображение 1-2 -Фотография проекта
Изображение 4- Алгоритм программ