Автоматизированная система укладки в ящики и транспортировка по монорельсу на базе конструкторского набота Lego WeDo 2.0.»

XXV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Автоматизированная система укладки в ящики и транспортировка по монорельсу на базе конструкторского набота Lego WeDo 2.0.»

Куликов Д.С. 1Синцов Д.А. 1Спасенков Р.Е. 1Новоселов В.В. 1
1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни
Фрибус К.Р. 1
1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение

Эффективность сельскохозяйственного производства во многом определяется уровнем автоматизации технологических процессов. Укладка, транспортировка и хранение картофеля являются трудоемкими и затратными операциями, особенно актуальными в условиях дефицита рабочей силы и необходимости повышения производительности. Традиционные методы, основанные на ручном труде, характеризуются низкой скоростью обработки, высокой зависимостью от погодных условий и значительными потерями урожая. Поэтому разработка автоматизированных систем для решения этих задач является актуальной научно-технической проблемой.

Работа посвящена исследованию возможностей создания автоматизированной системы укладки и транспортировки картофеля на базе конструкторского набора LEGO WeDo 2.0. Цель работы – разработка и тестирование функциональной модели, демонстрирующей принципы автоматизации данных процессов с использованием доступных и сравнительно недорогих технологий. В рамках работы будут решены следующие задачи: анализ существующих методов укладки, транспортировки и хранения картофеля; определение потребностей в автоматизации; проектирование и конструирование модели автоматизированной системы; разработка алгоритма управления и программирование модели; тестирование и оценка эффективности разработанной системы.

Работа состоит из введения, двух глав и заключения. В первой главе рассматриваются проблемы традиционных методов укладки и транспортировки картофеля, а также анализируются существующие решения и потребности в автоматизации. Во второй главе описывается процесс проектирования, конструирования и программирования разработанной модели автоматизированной системы.

Цель: разработать и оценить эффективность прототипа автоматизированной системы укладки и транспортировки картофеля на базе конструктора LEGO WeDo 2.0.

Задачи:

1.Проанализировать и сравнить традиционные методы укладки, транспортировки и хранения картофеля

2.Определить потребности в автоматизации, обосновать необходимость автоматизации процессов укладки

3.Разработать конструкцию модели автоматизированной системы, используя элементы конструктора LEGO WeDo 2.0.

4.Разработать алгоритмы управления и программное обеспечение для автоматизированной системы.

Глава 1 Проблемы традиционных методов укладки и транспортировки картофеля

    1. Существующие решения укладки, транспортировки и хранения

Картофель является одним из ключевых продуктов питания в России. Кроме того, рынок картофеля является одним из наиболее прибыльных, так как урожайность картофеля может в два раза превышать урожайность других сельскохозяйственных культур [1]

Однако в сфере картофелеводства, как и других сферах, возникают сложности при сборе, транспортировке и хранении картофеля, которые приводят в результате к снижению качества и объемов при реализации, а, соответственно, и повышению цены продукта. Именно такая ситуация произошла в 2025 году: запасы отечественного картофеля к маю закончились, что привело к росту цен [2] Приложение 1, Изображение 1.

Для повышения эффективности сбора, транспортировки и хранения урожая в производство необходимо внедрять автоматизированные системы управления. Данные системы позволяют снизить риски повреждения и порчи картофеля, что приводит к повышению доходности предприятия и, как следствие, развитию сферы картофелеводства в целом.

В настоящее время некоторые фермерские хозяйства используют высокоточные системы посадки, автоматизированный контроль влажности. Применение дронов, сенсорных датчиков и спутникового мониторинга снижает затраты, повышает контроль над условиями произрастания, сбора и хранения.

Эффективный сбор урожая может обеспечить применение новых картофелеуборочных комбайнов, оснащенных системами автоматического управления, которые позволяют эффективно и бережно убирать картофель, учитывая глубину «копания» и минимизируя потери. Также многие комбайны имеют функции сортировки и упаковки картофеля [3].

Хранение картофеля требует устройства специальных хранилищ, способных обеспечить сохранность клубней на протяжении всего сезона. Любое нарушение температурного режима и уровня влажности на разных этапах может привести к ухудшению вкусовых качеств продукции и значительной утрате массы.

Все основные причины потерь связаны с нарушением режима проветривания, температурных и влажностных параметров атмосферы в хранилище.

Обеспечить поддержание и изменение данных параметров на различных этапах хранение сегодня можно только с помощью автоматизированных комплексных систем вентиляции для овощехранилищ.

Хранение картофеля в хранилище можно разделить на несколько основных этапов, которые требуют поддержания различного температурно-влажностного режима. Обеспечить необходимую для различных этапов хранения температуру и влажность при помощи естественной вентиляции невозможно. Оптимальным решением считается применение систем автоматической вентиляции модульного типа [4].

Один из крупнейших холдингов России по производству семенного картофеля и овощей открытого грунта с общей посевной площадью более 26 тысяч гектаров расположен в Тюменской области – агрофирма Кримм. В основу деятельности предприятия положены принципы специализации и концентрации, реализации достижений научно – технического прогресса, конкурентоспособности экономических и качественных показателей производимой продукции.

Агрофирма эффективно использует новейшие модели специализированной техники и оборудования, что обеспечивает стабильное получение высоких урожаем даже в сложные годы [5], Приложение 1, Изображение 2

Таким образом, внедрение автоматизированных систем управления имеет неоспоримые преимущества:

  1. Увеличивается производительность предприятия.

  2. Снижается часть затрат и издержек на сбор, транспортировку и хранение картофеля.

  3. Предприятие не зависит от человеческого фактора, работает без простоев и имеет стабильно высокую отгрузку на пике в сезон [6].

При этом важно отметить и негативные аспекты, которые препятствуют внедрению автоматизированных систем управления в сфере картофелеводства:

  1. Внедрение цифровых технологий требует инвестиций. Однако, в долгосрочной перспективе они окупаются за счет повышения эффективности производства.

  2. Не все технологии доступны для всех хозяйств. Выбор технологий зависит от размера хозяйства, финансовых возможностей и других факторов.

  3. Важную роль играет человеческий фактор. Технологии — это инструмент, и их эффективность зависит от того, насколько грамотно они используются [7].

    1. Потребности в автоматизации процессов укладки и транспортировки

Анализ традиционных методов укладки, транспортировки и хранения картофеля с первого параграфа выявил ряд существенных недостатков, обуславливающих острую потребность в автоматизации этих процессов.

Ручной труд характеризуется низкой производительностью, высокой зависимостью от человеческого фактора и, как следствие, значительными потерями урожая из-за механических повреждений клубней.

Высокие трудозатраты приводят к увеличению себестоимости продукции и снижению конкурентоспособности сельскохозяйственных предприятий. Кроме того, сезонность работ и дефицит квалифицированной рабочей силы создают дополнительные сложности.

Автоматизация позволит существенно повысить скорость и эффективность операций, уменьшить потери при уборке и транспортировке, снизить влияние человеческого фактора на качество продукции и обеспечить более стабильный и предсказуемый урожай.

Переход к автоматизированным системам также способствует улучшению условий труда и снижению риска получения травм работниками. Таким образом, потребность в автоматизации процессов укладки и транспортировки картофеля диктуется экономическими соображениями, стремлением к повышению качества продукции и улучшению условий труда, а также необходимостью повышения конкурентоспособности сельскохозяйственного сектора.

Глава 2. Разработка автоматизированной системы укладки и транспортировки

2.1. Проектирование модели с использованием Lego WeDo 2.0

Вооружившись знаниями по робототехнике, наша команда разработала несколько вариантов решений, нацеленных на бережную укладку и хранение картофеля.

Мы рассмотрели:

- роботизированные системы сортировки и укладки;

- роботов-манипуляторов с захватом: для аккуратной укладки клубней, избегая сильного давления и ударов;

- мобильных роботов с системой послойной укладки.

Самым оригинальным решением была автоматизированная система укладки в ящики и транспортировки по монорельсу.

Наше решение состоит из следующих этапов:

- очистка и бережная разгрузка: после сбора урожая картофель с помощью конвейера проходит этап очистки от земли и мусора. Затем он аккуратно перемещается в специально разработанные ящики. В модели используется датчик наклона, червячная и зубчатая передача.

Роботизированная транспортировка: заполненные ящики захватывает робот-монорельс и бережно перевозит их в хранилище, укладывая ящики в хранилище, оптимизируя использование пространства и сводя к минимуму вероятность повреждения картофеля. В Модели используется зубчатая механическая передача и датчик расстояния.

Чтобы картошка оставалась вкусной и полезной, мы разработали специальный автоматический прибор. Когда температура идеальная -4 градуса и картошке комфортно, он сигнализирует нам зелёным светом. Если же температура начинает меняться и картошке становится холодно или жарко, загорается красный огонёк. В модели используется червячная и реечная механическая передача.

Как только температура в хранилище начинает изменяться, сразу срабатывает вентиляция, чтобы освежить воздух. А ещё у нас есть специальные панели, которые мы можем открывать и закрывать, чтобы картошка получала достаточно света, как будто мы включаем и выключаем для неё лампочку. В модели используется кулачковая механическая передача, ременная и зубчатая передача.

В нашем проекте используется оборудование из конструкторского набора LEGO WeDo 2.0, включающего 3 смарт-хаба, 4 мотора, а также 2 датчика (расстояния и наклона) Приложение 2, Изображение 1-4

 2.2. Программирование и управление автоматизированной системой

Программный код для управления укладчиком и его взаимодействия с монорельсом мы разработали в среде WeDo 2.0. Программа запускается после того, как датчик наклона зафиксирует положение «носом вверх». Датчик посылает сигнал мотору конвейера. Конвейер вращается против часовой стрелки с мощностью 3 в течение 15 секунд, после чего мотор останавливается.

Далее конвейер посылает сигнал мотору монорельса, монорельс едет по часовой стрелке. На носу монорельса установлен датчик расстояния, при приближении препятствия датчик подает сигнал смартхабу, который передает сигнал в мотор монорельса, чтобы мотор остановился. Смартхаб запрограммирован так, что монорельс после остановки возвращается на исходную позицию.

В момент, когда монорельс остановился, смартхаб монорельса посылает сигнал в смартхаб измерения температуры и вентиляции в помещении хранилища. Смартхаб подает сигнал в мотор измерения температуры, после того как температура измерена, сигнал передается мотору вентиляции. Мотор включается и работает, пока температура не прийдет в норму. После этого опять срабатывает мотор температуры, температура измеряется.

Логика работы программы в целом:

  1. Укладчик определяет наклон и активирует конвейер.

  2. Конвейер перемещает объект в течение 15 секунд.

  3. Конвейер запускает движение монорельса.

  4. Монорельс движется до обнаружения препятствия.

  5. Монорельс останавливается и возвращается на исходную позицию.

  6. После остановки монорельса запускается система контроля температуры и вентиляции: измерение температуры, включение вентиляции, повторное измерение температуры (цикл повторяется до достижения нормы).

Заключение

В ходе данной работы была разработана и исследована автоматизированная система укладки и транспортировки картофеля на базе конструкторского набора LEGO WeDo 2.0. Проведенный анализ традиционных методов выявил их существенные недостатки: низкую производительность, высокие трудозатраты, значительные потери урожая и зависимость от человеческого фактора. Эти недостатки подтвердили актуальность поиска решений для автоматизации данных процессов.

Разработанная модель продемонстрировала принципиальную возможность автоматизации укладки и транспортировки картофеля с использованием доступных и сравнительно недорогих технологий. В рамках работы были успешно решены задачи проектирования механической части системы, а также разработано и оттестировано программное обеспечение, обеспечивающее координированную работу всех компонентов.

Несмотря на то, что представленная модель является прототипом и имеет ряд ограничений, связанных с использованием LEGO WeDo 2.0, результаты исследования показали перспективность данного направления. Разработанная система может служить основой для дальнейших разработок, направленных на создание более совершенных и масштабируемых автоматизированных решений для сельскохозяйственного производства.

Полученные результаты подтверждают потенциал применения доступных образовательных платформ, таких как LEGO WeDo 2.0, для решения практических задач в сельском хозяйстве и развитии инновационных решений в агроинженерии.

Список использованных источников

  1. Лукиных М.И., Чугунова О.В., Заворохина Н.В., Рынок картофеля и оценка качества различных сортов картофеля при их кулинарной обработке // Технологии пищевой и перерабатывающей промышленности АПК-продукты здорового питания. – 2023. – №4. – С. 176 – 183

  2. Электронный источник- Выпуск от 15.05.2025, часть https://tv.rbc.ru/archive/den/6825d8e42ae5964928690981

  3. Современные технологии выращивания картофеля: инновационные методы для высокой урожайности // https://www.tveragroprom.com/blog/sovremennye-tehnologii-vyrashhivaniya-kartofelya-innovaczionnye-metody-dlya-vysokoj-urozhajnosti/

  4. Технология длительного хранения картофеля в овощехранилищах// https://skladovoy.ru/usloviya-i-sposoby-xranenie-kartofelya-na-skladax.html

  5. Электронный источник- https://krimm.ru/

  6. Электронный источник- «Как может выглядеть полностью автоматизированное сельхозпредприятие по выращиванию картофеля?» http://potatoveg.ru/ogorodnik/kak-mozhet-vyglyadet-polnostyu-avtomatizirovannoe-selxozpredpriyatie-po-vyrashhivaniyu-kartofelya.html

  7. Электронный источник- «Современные технологии выращивания картофеля: инновационные методы для высокой урожайности» https://www.tveragroprom.com/blog/sovremennye-tehnologii-vyrashhivaniya-kartofelya-innovaczionnye-metody-dlya-vysokoj-urozhajnosti/

Приложение 1

Изображение 1. Продажи картофеля в России

Изображение 2. Автоматизированный сбор урожая, агрофирма Кримм

Приложение 2

Изображение 1- Smart hub lego wedo 2.0

Изображение 2- Мотор lego wedo 2.0

Изображение 3- Датчик движения lego wedo 2.0

Изображение 4- Датчик наклона lego wedo 2.0

Просмотров работы: 18