XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Автоматизация на полях: модель «Умный сборщик капусты» на базе конструкторского набора Lego WeDo 2.0.»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Куницин Н.М. 1Леонтюк С.Ю. 1Домрачев П.И. 1Хакимов Л.М. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Фрибус К.Р. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность проблемы автоматизации сельскохозяйственных процессов обусловлена растущим дефицитом рабочей силы, высокой стоимостью ручного труда и необходимостью повышения производительности. Традиционные методы сбора урожая, особенно таких трудоемких культур, как капуста, характеризуются низкой эффективностью и зависимостью от погодных условий. Существующие высокотехнологичные решения часто оказываются экономически недоступными для малых и средних сельскохозяйственных предприятий. Поэтому разработка доступных и эффективных методов автоматизации является важной задачей современной агроинженерии.

Раабота посвящена исследованию возможности применения конструкторского набора LEGO WeDo 2.0 для создания прототипа автоматизированной системы сбора капусты. Целью исследования является разработка и тестирование функциональной модели «Умный сборщик капусты», демонстрирующей принципы автоматизации данного процесса с использованием доступных технологий. В рамках работы решаются следующие задачи: анализ существующих методов сбора капусты и технологий автоматизации; проектирование и конструирование модели «Умный сборщик капусты»; разработка алгоритма управления и программирование модели; тестирование функциональности модели и оценка её эффективности.

Цель: проанализировать существующие методы сбора капусты, выявив их недостатки и обосновав необходимость автоматизации процесса, разработать и реализовать функциональный прототип автоматизированной системы сбора капусты на базе конструкторского набора LEGO WeDo 2.0.

Задачи:

1. Провести сравнительный анализ традиционных методов сбора капусты, учитывая технологический прогресс в смежных областях сельского хозяйства.

2. Изучить современные методы автоматизации сбора урожая, сосредоточившись на технологиях, применимых к уборке капусты.

3. Разработать конструкцию, обеспечивающую выполнение основных функций: захват, перемещение и выгрузка кочанов капусты.

4. Разработать алгоритм управления и программное обеспечение для «Умного сборщика капусты».

Глава 1 Проблемы традиционного сбора капусты

1. 1. Технологический прогресс и традиционные методы сбора

Традиционные методы сбора кочанной капусты, в зависимости от площади возделывания, могут включать в себя разные способы уборки: ручной, частично механизированный (с применением широкозахватного транспортёра) и полностью механизированный (поточный) [1]. Приложение 1, Изображение 1-4

Механизированная уборка капусты начала развиваться в России после 2000 года. Для этого использовали технологии и технические средства, разработанные отечественной наукой ещё в 1980-е годы.

При уборке капусты важно не повредить кочаны, а убрать ее комбайном можно при правильно организованной посадке, чтобы кочаны были прямые и одного размера.

Технологический прогресс в сборе кочанной капусты заключается в использовании специальных машин, которые позволяют механизировать процесс и сократить трудозатраты.

В последнее десятилетие на капустные полях вышли машины отечественных разработчиков. Расскажем о некоторых из них немного подробнее.

- Капусто-уборочный комбайн МКК-1. Агрегат движется по убранной части поля, направляя режущий аппарат по ряду капусты. Лифтёры поднимают и направляют кочаны под прижимной транспортер, где происходит их выравнивание, фиксация и срез. Приложение 2, Изображение 1

- Комбайн КПК-1. Убирает один ряд капусты, возделываемой на междурядьях 70 см, на ровных и профилированных поверхностях. Комбайн производит отбраковку нестандартных мелких кочанов, а частичную доработку выполняет оператор. (Приложение 2. Фото 2)

- Прицепная универсальная платформа ПОУ-2. Предназначена для выборочной и сплошной уборки неодновременно созревающих овощей, в том числе капусты. Состоит из рамы с прицепом, кузова, механизмов подъёма и опрокидывания кузова. Приложение 2, Изображение 3

- Навесной транспортер ТН-12. Предназначен для сплошной уборки белокочанной капусты средне- и позднеспелых сортов, а также выборочной уборки ранних сортов [2]. Приложение 2, Изображение 4

Рассмотрим некоторые технологии уборки белокочанной капусты:

- Двухфазная. Операции срезки и погрузки механизированы и выполняются двумя специальными машинами: уборочной и погрузочной.

- Поточная. Позволяет механизировать не только операцию срезки, но и погрузки, отгрузки и закладки на хранение или реализацию стандартной продукции.

- Щадящая. Кочаны укладывают в контейнеры без загрязнений и повреждений непосредственно на капустоуборочной машине и транспортируют в этих же контейнерах без перевалок до хранилищ.

- Кассетная. Для правильной организации уборки комбайном используют кассетную технологию, когда рассада выращивается в кассетах. Это позволяет обеспечить одинаковое созревание кочанов и упростить настройку техники [3].

По данным на 2021 год в России самый распространенный способ сбора капусты - ручными бригадами с использованием помощи специального капустоуборочного комбайна.

Процесс работы комбайна:

1) Трактор с комбайном двигаются по убранной части поля, направляя режущий аппарат по ряду капусты.

2) Лифтеры режущего аппарата поднимают и направляют кочаны под прижимной транспортер, где происходит их выравнивание, фиксация и срез.

3) Срезанные кочаны и свободные листья направляются на транспортер-обрезчик. Там их отбирают двое рабочих и отправляют дальше по ленте.

4) Вторая группа людей забирает кочаны и отдаёт рабочим, которые стоят около контейнеров и складывают туда капусту [4]. Приложение 3, Изображение 1-2

Рассмотрев способы и технологии сбора белокочанной капусты в России, мы можем сделать выводы, что несмотря на то, что технологии в мире развиваются и совершенствуются, существенного влияния на улучшение механизированного способа сбора капусты, без применения человеческого труда, это не оказало. На сегодняшний момент, капусту в нашей стране продолжают собирать вручную.

Ручная уборка капусты имеет ряд недостатков, среди которых (Приложение 4. Фото 1):

- Трудоёмкость. Уборка капусты — один из самых трудоёмких процессов при возделывании этой культуры, на него приходится до 70% трудозатрат.

- Физические нагрузки. Большой объём уборочных и транспортных работ, часто плохие погодные условия и отсутствие достаточного количества постоянных рабочих делают рациональную организацию труда практически невозможной.

- Низкая производительность. Выработка на одного рабочего при ручной уборке не превышает 280 кг/ч. Нестандартные кочаны и зелёный лист, на долю которых приходится до 40% всего биологического урожая, остаются в поле и не используются.

- Высокая зависимость от человеческого труда. При высокой интенсивности поступления капустного вороха на столы инспекции возникает необходимость уменьшить скорость движения уборочного агрегата, что снижает производительность в целом [1].

1. 2. Современные методы автоматизации сбора капусты

Современные технологии предлагают различные решения для автоматизации процесса сбора капусты. Рассмотрим основные.

Механические комбайны- они предназначены для одновременного выдергивания, резки и укладки капусты в контейнеры. Эти машины значительно ускоряют процесс сбора и уменьшают потребность в ручном труде. Известен и до сих пор применяется способ уборки кочанной капусты, при котором капустоуборочная машина убирает весь биологический урожай и загружает в кузов сопровождающего транспортного средства навалом. Далее капустный ворох доставляют на стационарный пункт доработки и вываливают самосвалом в его приемный бункер. Из приемного бункера ворох капусты порционно подается системой транспортеров на столы доработки, где кочаны вручную сортируются, дорабатываются, а затем закладываются в бурт на хранение с помощью системы транспортеров.

Основной недостаток такого способа уборки капусты — высокая повреждаемость кочанов из-за многократных перевалок и механических воздействий на них при дозированной подаче, распределении по рабочим местам и транспортировке по технологической линии.

В России серийно производятся отечественные механические комбайны для сбора капусты.

Некоторые модели капустоуборочных комбайнов, разработанные в России:

Капустоуборочный комбайн МКК-1 разработан под российские условия, производится серийно и показал себя функциональной и выгодной машиной, так как собираемость товарного урожая капусты составляет до 98%. Способ уборки кочанов заключается в следующем. В работе уборочный агрегат (трактор с комбайном) движется по убранной части поля, направляя режущий аппарат по ряду капусты. Лифтеры режущего аппарата поднимают и направляют кочаны капусты под прижимной транспортер, где осуществляется их выравнивание, фиксация и срез. Срезанные кочаны и свободные листья направляются выносным и прижимным транспортерами на переборочный транспортер-обрезчик. При этом большая часть свободных листьев отделяется от потока вальцевым листоотделителем и сбрасывается на землю. На переборочном транспортере кочаны инспектируют. Рабочие отбирают кочаны с длинными кочерыгами и розеточными листьями и вставляют их в отверстия транспортера-обрезчика, в которых они повторно обрезаются при встрече с пассивным ножом. В результате розеточные листья освобождаются от кочанов, а срезанные кочерыжки скатываются по лотку на землю. Затем кочаны и образовавшиеся свободные листья поступают на прутковый элеватор, где листья снова отсеиваются, а кочаны направляются на отгрузку. Кочаны отгружают капустоуборочной машиной в щадящем режиме: сначала на гибкий мягкий настил корытообразной формы, установленный с помощью специальной стойки на платформе транспортного средства над съемными контейнерами. Рабочие, находясь на платформе, берут кочаны с настила и укладывают в контейнеры, ориентируя кочерыгами в сторону бортов. После наполнения контейнеров транспортное средство отправляют в хранилище, где с помощью вилочного погрузчика груженные кочанами контейнеры заменяют порожними, оставляя гибкий мягкий настил со стойкой на платформе для выполнения следующего цикла работ. Конструкция комбайна позволяет очищать кочаны непосредственно в поле. Кочаны капусты, находящиеся при транспортировании и закладке на хранение в контейнерах, защищены от механических повреждений. К тому же укладка кочанов в контейнеры производится вручную, кочерыгами в сторону бортов, чтобы при транспортировании они не повреждали друг друга.

МКК-2 усовершенствованный и более крупный капустоуборочный комбайн. Принцип работы его остался прежним, но ряд усовершенствований. Грузить кочаны в кузов можно навалом, в отдельные контейнеры и методом бережной укладки. Для обслуживания машины, также в зависимости от потребностей, нужно от 2 до 6 человек.
Малогабаритный капустоуборочный комбайн МКК первой и второй серии, предназначен для уборки капусты белокачанной твердых сортов размером от 10 до 35 см в диаметре, высаженной с междурядьем 70-75 см, и погрузкой в транспортные средства, движущиеся параллельно комбайну.
Многовариантный капустоуборочный комбайн значительно ускорил и облегчил труд аграриев. Весной 2022 года группа ученых инженерного факультета Чувашского государственного аграрного университета получила патент на изобретение, повышающее эффективность механизации уборки капусты: при его использовании в режущем аппарате капустоуборочной машины не накапливается капустная листва. Это достигается благодаря тому, что выносной транспортер режущего аппарата сделали более узким, чем полотно эластичного прижимного транспортера, а его нижний отклоняющий барабан снабдили ребордами, которые не позволяют ленте смещаться [5].

Роботизированные системы

Роботы для сбора капусты разрабатываются с использованием технологий машинного обучения и компьютерного зрения. Они способны определять степень зрелости плодов и аккуратно собирать их без повреждений.

Специалисты из Университета Плимута, Объединенное Королевство, проектируют роботов, манипуляторы которых во-многом повторяют геометрию и анатомические особенности человеческой руки. Новое устройство получило название GummiArm. Шарнирная “рука” может действовать мягко или жестко в зависимости от ситуации. Отделить поспевшие овощи от незрелых системе помогает компьютерное зрение, робот снабжен цифровыми камерами и сенсорами. При необходимости, устройства можно будет переналадить, тогда оно сможет заняться прополкой и применением пестицидов.

Проект получил название ABC (Automated Brassica harvest in Cornwall - система автоматического сбора урожая в Корнуолле).

Новый тренд - не автономность и высокая технологичность отдельных решений, а способность сельскохозяйственной техники, роботов, сенсорных систем и беспилотников работать в составе единой системы, оптимизируя и рационализируя каждое действие. смещаться [6].

Дрон-технологии

Использование дронов для мониторинга полей позволяет фермерам отслеживать состояние капусты и определять оптимальное время для сбора урожая. Дроны могут собирать данные о влажности почвы, состоянии растений и даже о наличии вредителей.

Преимущества:

Дроны фиксируют отклонения в здоровье растений ещё до того, как они станут заметны человеческому глазу.

Экологическая безопасность. Минимизация загрязнения почвы и водоёмов. Локальное распыление удобрений и средств защиты растений снижает негативное воздействие на окружающую среду. [7-8]

Преимущества автоматизации

- Снижение затрат на рабочую силу: Автоматизация позволяет сократить количество работников, необходимых для сбора урожая.

- Увеличение скорости сбора: Механические и роботизированные системы могут работать быстрее, чем люди.

- Повышение качества урожая: Современные технологии позволяют минимизировать повреждения плодов во время сбора.

Глава 2. Создание "Умного сборщика капусты" на базе Lego WeDo 2.0

2.1. Конструкция и функциональность «Умного сборщика капусты»

Представленная модель «Сборщик капусты» представляет собой интегрированную систему, предназначенную для автоматизации процесса уборки урожая капусты. Модель включает в себя несколько функциональных модулей, взаимодействующих для выполнения полного цикла сбора, транспортировки и хранения.

Система сбора урожая: Центральным элементом модели является роботизированный сборщик капусты, собранный на базе конструктора LEGO WeDo 2.0. Сборщик оборудован механизмом срезания кочанов капусты, который, судя по описанию, предполагает отделение кочана и его аккуратное помещение на конвейерную ленту.

Срезанные кочаны капусты попадают на конвейерную ленту, движимую с помощью датчика расстояния.

Система хранения включает в себя склад, состоящий из трех уровней:

Первый уровень предназначен непосредственно для хранения собранной капусты. Можно указать предполагаемую ёмкость склада. На втором уровне- размещена оранжерея. Третий уровень- офис для собраний. Это элемент декорации, однако его наличие указывает на концепцию масштабируемости и возможности развития проекта.

Модель оборудована лифтом, поднимающимся на третий этаж. Управление происходит с помощью датчика наклона, используемого для управления лифтом

В качестве декоративных элементов использованы река и лес. Эти элементы модели дополняют общую концепцию и повышают ее наглядность.

Описание модели «Сборщик капусты» демонстрирует возможность создания интегрированной системы автоматизации сбора урожая на основе относительно простых и доступных технологических решений. Дальнейшая работа может быть направлена на усовершенствование отдельных модулей, повышение точности и эффективности сбора, а также на масштабирование модели для применения в реальных условиях. Необходимо также оценить экономическую эффективность предложенного решения и его потенциал для повышения производительности труда в сельском хозяйстве.

 2.2. Программирование и управление «Умным сборщиком»

Для написания программы мы использовали программное обеспечение WeD0 2.0. Нам понадобились следующие блоки:

- Начало

- Скорость мотора

- Движение мотора налево

- Движение мотора направо

- Датчик расстояния

- Датчик наклона

- Ожидание

- Стоп

- Письмо

- Цикл

Наша программа работает от писем. Когда завершается программа одной части проекта, письмо передаётся дальше. Логика работы устройства и алгоритмы, которые обеспечивают функциональность:

-Робот «сборщик капусты» запускается от блоков: скорость мотора, движение, сбор капусты)

-Конвейер начинает работать, когда датчик расстояния увидел ящик с капустой

-Лифт ждёт датчика наклона, когда датчик стоит в положении носом вверх, лифт едет вверх, когда датчик стоит в прямом положении, лифт останавливается, а когда датчик стоит в положении носом вниз, он едет вниз.

Как проводилось тестирование и отладка программы

1. Первый вариант был- разместить конвейерную ленту у робота сбоку, капуста выпадала. Поэтому пришли к решению перенести ленту в центр

2. Робот не ехал, поэтому провели замену колес и соответственно расположение мотора

3. Робот, к сожалению, все ещё оставался без движения или работал медленно с остановками. Изменили угловую зубчатую передачу и усилили более весомыми деталями

4. Конвейер во время работы не останавливался, мы отлаживали программу и добавляли необходимые блоки ожидания

5. Лифт падал- мы изменили алгоритм программы, а конструкцию лифта укрепили и сделали более стабильной и не разрушимой.

Заключение

Работа была посвящена исследованию актуальной проблемы автоматизации процесса сбора капусты, обусловленной неэффективностью традиционных методов и растущей потребностью в повышении производительности сельскохозяйственного труда. В рамках исследования была разработана и реализована модель «Умного сборщика капусты» на базе конструкторского набора LEGO WeDo 2.0.

В первой главе работы был проведен анализ существующих методов сбора капусты. Анализ показал, что традиционные методы, несмотря на свою простоту, характеризуются низкой производительностью, высокой трудоемкостью и значительной зависимостью от погодных условий и наличия рабочей силы. Изучение современных методов автоматизации выявило наличие дорогостоящих и сложных в реализации решений, доступных преимущественно крупным сельскохозяйственным предприятиям. Этот разрыв между потребностью в автоматизации и доступностью соответствующих технологий подчеркивает актуальность поиска альтернативных, более доступных решений.

Во второй главе была представлена разработанная модель «Умного сборщика капусты». Подробно описаны конструктивные особенности и функциональность созданного прототипа на базе LEGO WeDo 2.0. В рамках данной главы особое внимание уделено выбору конструктивных элементов, обеспечивающих выполнение основных функций: захвата, транспортировки и выгрузки кочанов капусты. Также подробно изложен процесс программирования и управления роботом, включающий в себя алгоритмы навигации, распознавания и манипулирования объектами. При этом важно отметить, что LEGO WeDo 2.0, несмотря на свои образовательные функции, предоставляет достаточный инструментарий для создания работающего прототипа, демонстрирующего основные принципы автоматизированного сбора урожая.

В целом, результаты работы демонстрируют принципиальную возможность создания относительно недорогой и простой в реализации модели автоматизированного сборщика капусты на базе LEGO WeDo 2.0. Несмотря на то, что данная модель является прототипом и требует дальнейшей доработки для применения в реальных условиях, она подтверждает жизнеспособность данного подхода и открывает новые перспективы для автоматизации в сельском хозяйстве, особенно для малых и средних фермерских хозяйств с ограниченным бюджетом.

Список использованных источников

1. Н.В. РОМАНОВСКИЙ; В.И. ШАМОНИН. /Научная работа «Оценка эффективности способов уборки белокачанной капусты», 2003 г.

2. Электронный источник-https://potatosystem.ru/kapustouborochnaya-tehnika-otechestvennogo-proizvodstva/

3. Электронный источникhttps://naukovedenie.ru/PDF/106TVN214.pdf

4. Электронный источник- https://vtomske.ru/news/187440-tomskie-agrarii-vyshli-na-uborku-kapusty-my-posmotreli-kak-ee-sobirayut

5. Электронный источник- https://sdexpert.ru/news/project/otechestvennaya-kapustouborochnaya-tekhnika/

6. Электронный источник- https://robotrends.ru/pub/1813/sborshikam-cvetnoy-kapusty-v-kornuolle-pomogut-roboty?ysclid=mb275fnt2v39429137 Роботизированная система для сбора капусты (https://example.com/cabbage_robot.jpg)

7. Электронный источник- https://rosstip.ru/news/4074-revolyutsiya-na-polyakh-kak-drony-pomogayut-fermeram-uvelichit-urozhajnost

8. Электронный источник- https://rosstip.ru/news/5380-kak-drony-izmenyayut-agrotekhnologii-monitoring-posevov-otsenka-sostoyaniya-rastenij

Приложение 1

Изображение 1 Изображение 2

Изображение 1 Изображение 2

Приложение 2

Изображение 1 Изображение 2

Изображение 1 Изображение 2

Приложение 3

Изображение 1

Изображение 2

Приложение 4

Изображение 1