Мобильный Эко-Дом Будущего

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

Мобильный Эко-Дом Будущего

Дарий В.А. 1Евдокимов Н.А. 1Нестеров М.Р. 1Умец З.И. 1
1АНОО "Президентский Лицей "Сириус"
Попова Е.Е. 1
1АНОО "Президентский Лицей "Сириус"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

Введение.

Проект "Мобильный Эко-Дом Будущего" крайне актуален, отвечая глобальным вызовам экологической устойчивости и растущей потребности в мобильном, гибком жилье. Ориентированный на снижение негативного воздействия на окружающую среду, он интегрирует возобновляемые источники энергии, сад на крыше и роботизированные системы для оптимизации потребления и ухода. Это решение жилищных проблем в регионах с ограниченными ресурсами и при чрезвычайных ситуациях.

Проект является прекрасной STEM-платформой, развивающей навыки в механике, электронике, программировании, экологии и строительстве. Он стимулирует инновационные решения в области мобильного и устойчивого жилья, автоматизации и внедрения ИИ, открывая широкие возможности для дальнейших исследований и разработок, формируя видение будущего гармоничного сосуществования человека и природы с использованием передовых технологий.

Цель проекта —. разработать прототип мобильного экологически устойчивого дома будущего, демонстрирующего возможности использования робототехники и возобновляемых источников энергии для комфортной и автономной жизни.

Задачи:

- Изучить виды автодомов, их конструкцию и внутреннее наполнение, безопасность и наличие габаритных огней;

- Рассмотреть энергию ветра как альтернативный источник электрической энергии;

- Рассмотреть возможность расположение сада на крыше транспортного средства;

- Рассмотреть механические передачи для построения модели из конструктора образовательного набора LEGO «Первые механизмы» и набора «Аврора Robotics "Первые механизмы 2.0"»;

- Создать модель «Мобильный Эко-Дом Будущего», установить моторы, запустить и отладить работу механизмов;

- Провести демонстрацию работы модели

Глава 1 Автодом: свобода и комфорт в путешествии

    1. Автодом и его виды

Автодом — это дом на колёсах, который сделан на базе автомобиля. На нём можно путешествовать везде, где есть дороги.  

Автодом похож на большую машину, но внутри него комфортно обустроенное пространство для жилья. Чаще всего в автодоме есть всё для комфортного проживания во время путешествия: газовая плита, газовое отопление, холодильник, туалет, душ, кондиционер, свет, мебель.  

Даже самая небольшая модель автодома может быть оборудована телевизором, спутниковой антенной, кофе-машиной, навесами для велосипедов и многим другим. Прототипом домов на колёсах и их начальным вариантом являются передвижные повозки древних людей (Приложение, Рисунок 1.1.1), которые вели кочевой образ жизни и занимались скотоводством, в том числе и разведением лошадей.

Виды автодомов представлены на Рисунке 1.1.2 Приложения:

Интегрированный автодом. Главное отличие — уникальный дизайн. В таких моделях кабина полностью интегрируется в жилое пространство

Альковный автодом. Имеет альков над кабиной, где размещается спальное место. Такая компоновка позволяет обеспечить больше свободного пространства в жилой части.

Полуинтегрированный автодом.  Здесь также есть альков, но он более аэродинамичный, что снижает расход топлива. Альков в основном используется для хранения вещей. Такие автодома строятся на стандартных шасси, что делает их манёвренными.

Кастенваген. Это высокий микроавтобус, предназначенный для коротких летних поездок. Он не имеет усиленной теплоизоляции и других элементов для долгосрочного проживания. Жилой прицеп. Это самый комфортный тип дома на колёсах. Он популярен среди тех, кто предпочитает стационарный отдых с редкими перемещениями. Жилые прицепы могут быть различного размера — от небольших с кроватью и кухней до более крупных с несколькими комнатами. Прицеп-палатка. Это компактный и недорогой тип прицепа. Его можно буксировать легковыми автомобилями, а для управления достаточно прав категории B. Современные модели можно быстро развернуть, что делает их удобными для хранения и эксплуатации.

Жилой модуль для пикапа. Этот прицеп крепится к пикапу, что даёт большую мобильность. Модуль можно снять с пикапа, а сам пикап использовать как обычный автомобиль. Такой кемпер популярен среди любителей активного отдыха и поездок по бездорожью.

    1. Комфорт на колесах: внутреннее пространство и оборудование

Дом на колесах должен быть оборудован всем необходимым для бытового комфорта, так как в нем проводят много времени во время путешествия.

Автодом необходимо оборудовать (Приложение, Рисунок 1.2.1):

1. Кухня с плитой, холодильником и мойкой

2. Туалет, душ, умывальник

3. Обеденная зона

4. Удобные спальные места

Кроме того, в автодоме должно быть отопление и горячая вода, запас питьевой воды, газа, емкости для отработанных вод.

Все это позволит сделать путешествие в автодоме комфортным и удобным.

    1. Габаритные огни и безопасность на маршруте

Габаритные сигнальные огни на транспорте нужны для визуального обозначения размеров транспортного средства (Приложение, Рисунок 1.3.1). Они помогают другим участникам дорожного движения понять, где находится автомобиль, и избежать столкновения в условиях плохой видимости.

Огни позволяют:

  • Определить положение автомобиля — белый свет означает, что машина расположена к наблюдателю передней частью, красный — что он подъезжает к транспортному средству сзади.

  • Определить расстояние до автомобиля — если огонёк сливается в одну точку, значит, машина находится далеко, если разделился на два — она приближается.

Мощности габаритных огней недостаточно, чтобы освещать проезжую часть, но они делают транспорт более заметным.

Некоторые виды габаритных огней и их назначение:

  • Передние (подфарники, парковочные лампы) — обозначают, что автомобиль расположен навстречу движению. Всегда белого цвета

  • Задние — информируют, что машина стоит по ходу движения. Всегда красные.

  • Боковые — обозначают размеры автомобиля для наблюдателей, движущихся сбоку. Как правило, жёлтые или оранжевые.

  • Верхние габаритные огни (габариты) нужны, чтобы обозначить размеры транспортного средства для других участников дорожного движения в условиях плохой видимости. Это особенно актуально для высоких транспортных средств — автобусов, грузовиков, спецтехники, — ширина которых превышает 2,1 метра. Верхние габариты позволяют увидеть полный размер машины, что важно при остановке, стоянке или движении в тоннеле.

Глава 2 Эко-Дом на колесах: самообеспечение и устойчивость

2.1 Ветрогенераторы: преобразование ветра в энергию

Ветрогенератор — это устройство, которое превращает энергию ветра в электричество (Приложение, Рисунок 2.1.1). Обычно их ставят на полях или в море (из-за больших размеров), но учёные работают над тем, чтобы использовать их на машинах, кораблях и даже велосипедах!

Когда транспорт движется, мимо него проходит воздух — это и есть ветер. Ветрогенератор ловит этот ветер и вырабатывает электричество. Оно может питать фары, музыку или даже помогать двигателю, чтобы машина тратила меньше бензина.

Примеры транспорта с ветрогенераторами (Приложение, Рисунок 2.1.2):

1. Электромобили — некоторые машины заряжают батареи с помощью маленьких ветряков на крыше.

2. Корабли — на палубе ставят ветрогенераторы, чтобы экономить топливо.

3. Велосипеды — есть модели с маленькой турбиной, которая заряжает фонарик.

Использование ветрогенераторов помогает уменьшить загрязнение воздуха, потому что машины и корабли меньше сжигают топлива. Это важно для защиты нашей планеты! Учёные работают над тем, чтобы ветрогенераторы стали ещё мощнее и удобнее. Может быть, скоро все машины будут использовать энергию ветра!

2.2 Сад на крыше: производство продуктов и улучшение экологии

Идея сада на крыше автомобиля, хоть и кажется футуристичной, несет в себе значительный потенциал для улучшения экологической обстановки в городах. Озеленение крыш автомобилей, особенно в масштабах города, может существенно увеличить площади зеленых насаждений, которые играют ключевую роль в очищении воздуха от вредных выбросов, таких как оксиды азота и твердые частицы. Растения поглощают углекислый газ в процессе фотосинтеза, тем самым способствуя сокращению парникового эффекта и уменьшая углеродный след транспортных средств. Это особенно актуально в условиях интенсивного автомобильного движения в мегаполисах.

Однако реализация такого проекта сопряжена с рядом технических и практических сложностей. Необходимо разработать легкие и прочные конструкции крыш, способные выдерживать вес растений, почвы и системы орошения, при этом не перегружая автомобиль и не снижая его безопасности. Система полива должна быть автономной и эффективной, использовать минимальное количество воды и быть защищенной от повреждений во время движения. Выбор растений также имеет решающее значение: они должны быть устойчивыми к экстремальным температурам, вибрации и недостатку питательных веществ. Нужно учесть и эстетический аспект, чтобы сад на крыше не только выполнял экологические функции, но и выглядел привлекательно.

Варианты современных разработок (Приложение, Рисунок 2.2.1):

1. Автобус с садом на крыше

2. Необычный концепт AI:ME с садом на крыше

В целом, проект "сад на крыше автомобиля" требует комплексного подхода, объединяющего усилия инженеров, ботаников, дизайнеров и производителей автомобилей. Необходимо провести обширные исследования и испытания, чтобы определить оптимальные параметры конструкции, выбрать подходящие виды растений и разработать эффективную систему управления. Однако, несмотря на сложность реализации, потенциальная польза для окружающей среды делает эту идею заслуживающей внимания и дальнейшего развития. Возможно, в будущем озелененные автомобили станут обычным явлением в городском ландшафте, внося свой вклад в создание более чистой и здоровой среды.

Глава 3 Создание модели «Мобильный Эко-Дом Будущего»

3.1 Примеры механизмов для построения моделей проекта из LEGO конструктора

На занятиях по робототехнике мы изучили простые и сложные механизмы, научились их применять в различных моделях.

Перед началом конструирования модели «Мобильный Эко-Дом Будущего» мы повторили основные механизмы (Приложение, Рисунок 3.1.1) и рассмотрели возможность их использования в нашем проекте:

  • Рычаг и система рычагов (для увеличения силы, перемещения предмета, создания равновесия)

  • Зубчатая передача: повышающая (увеличения скорости вращения), понижающая (уменьшения скорости вращения), равнозначная (для передачи движения без изменения скорости), угловая (для изменения плоскости вращения), зубчатая передача с 1 и несколькими промежуточными шестернями

  • Червячная передача (для увеличения силы, прочности, уменьшение скорости)

  • Шатунный механизм (для превращения вращательного движения в поступательное)

3.2 Конструкция робота

Мы сконструировали уникальный дом на колёсах, воплотив в жизнь идею экологически чистого и самодостаточного передвижного жилища. Процесс создания робота представлен на Рисунок 3.2.1 Приложения. Двигатель, установленный в основании колесной базы, обеспечивает полный привод посредством двух равнозначных зубчатых передачи с промежуточной шестернёй, распределяя крутящий момент на все 4 колеса. Конструкция включает в себя комфортабельную кабину водителя, просторный жилой модуль неожиданный, но важный элемент – зелёный сад на крыше. Все механизмы представлены на Рисунке 3.2.2 Приложения.

Два ветрогенератора, размещённые в передней части автомобиля, обеспечивают дополнительное электроснабжение. Для демонстрации их вращения используется механизм с повышающей зубчатой передачей с несколькими промежуточными шестернями, приводимой в движение дополнительным мотором – это эффектное решение имитирует работу ветрогенераторов при любом ветре. Габаритные огни, стильно расположенные на крыше, также приводятся в движение от этого же дополнительного мотора через угловую повышающую зубчатую передачу.

Наш эко-дом – это пример устойчивого образа жизни. Итоговый вид модели представлен на Рисунке 3.2.3 Приложения. Ветрогенераторы обеспечивают автономное электроснабжение, а крышный сад – источник свежих продуктов питания. Благодаря продуманной конструкции и экологически чистым технологиям, наш дом на колёса позволяет путешествовать, наслаждаясь комфортом и одновременно заботясь об окружающей среде, создавая условия для самообеспечения во время путешествий.

3.3 Демонстрация проекта

Представьте: солнечный день, счастливая семья садится в свой невероятный мобильный эко-дом будущего! Вы – водитель этого удивительного транспортного средства, управляете им из комфортабельной кабины, в то время как ваши близкие наслаждаются просторным и функциональным жилым модулем. На стоянке вас ждёт собственный урожай с крыши – зелёный оазис посреди путешествия! А в движении? На большой скорости, мощные ветрогенераторы, словно крылатые гиганты, ловят потоки ветра, заряжая дополнительные аккумуляторы и обеспечивая дом чистой энергией!

Сердцем нашей модели служит мощный двигатель Aurora Robotics «Первые механизмы 2.0», ветрогенераторы приводятся в действие средним мотором из набора Лига Исследований +. Это не просто дом на колёсах – это симбиоз комфорта, устойчивости и технологического совершенства. Это новый уровень путешествий, где гармония с природой и высочайший уровень технологий идут рука об руку.

Разработанный эко-дом представляет собой революционный подход к мобильному проживанию. Он демонстрирует возможности интеграции возобновляемых источников энергии в транспортные средства, обеспечивая самодостаточность и минимизируя экологический след. Использование передовых технологий в сочетании с эргономичным дизайном открывает новые перспективы для комфортного и экологически ответственного путешествия. Этот проект доказывает, что будущее мобильных домов может быть ярким, устойчивым и невероятно функциональным.

Мы представили наш проект родителям, друзьям и ученикам АНОО «Президентский Лицей «Сириус» (Рисунок 3.3.1 Приложения). Все механизмы работают слаженно!

Заключение

В нашем проекте "Мобильный Эко-Дом Будущего" мы изучили, как можно создать удобный и экологически чистый дом на колесах.

Разные виды автодомов: мы посмотрели на разные типы автодомов и поняли, как они устроены. Это помогло нам понять, как сделать наш дом безопасным и удобным.

Энергия ветра: мы узнали, что ветер может помочь нам получать электричество. Это очень важно, чтобы наш дом мог работать без вреда для природы. Мы придумали, как поставить ветрогенераторы на наш автодом.

Сад на крыше: идея сделать сад на крыше нашего дома очень понравилась! Это не только красиво, но и помогает очищать воздух и делать дом уютнее.

Изучение механизмов: с помощью наборов LEGO мы научились, как работают разные механизмы. Это помогло нам создать механизмы, которые будут работать в нашем доме.

Создание модели: мы собрали модель нашего "Мобильного Эко-Дома Будущего". Установили моторы и отладили работу всех механизмов.

Демонстрация работы модели: Мы показали, как наша модель функционирует, и она отлично справилась со всеми задачами! Все идеи, которые мы придумали, сработали.

Таким образом, мы не только научились многому новому, но и создали что-то удивительное вместе. Этот проект показал нам, как технологии и забота о природе могут сочетаться для создания комфортной жизни. Мы гордимся тем, что смогли реализовать все наши идеи и надеемся, что в будущем сможем усовершенствовать нашу модель!

Модель демонстрирует эффективное применение простых механизмов и механических передач, что делает её ценным учебным пособием для занятий по робототехнике.

Список литературы и интернет-источников

Список литературы

1. Исогава, Й. Большая книга идей LEGO Technic. Техника и изобретения: Йошихито Исогава. / Й. Исогава // Эксмо. – 2021.

2. Филиппов, С.А. Уроки робототехники. Конструкция. Движение. Управление. / С.А. Филиппов // Лаборатория знаний. – 2017.

Интернет-источники

3. https://camper-ural.ru/company/articles/osobennosti-i-osnashchenie-doma-na-kolesakh-spalnye-mesta-kukhnya-sanuzel-i-drugie-udobstva

4. https://rg.ru/2016/12/22/v-madride-poiaviatsia-avtobusy-s-sadami-na-kryshe-za-25-tysiachi-evro.html

5. https://ren.tv/news/v-mire/415270-audi-pokazala-ekologichnuiu-model-avto-s-sadom-na-kryshe

Приложение

Рисунок 1.1.1 Прототипом дома на колёсах – передвижная повозка людей, которые вели кочевой образ жизни

Интегрированный автодом Альковный автодом

Полуинтегрированный автодом Кастенваген

Жилой прицеп Прицеп-палатка

Жилой модуль для пикапа

Рисунок 1.1.2 Автодом и его виды

Рисунок 1.2.1 Комплектация автодома

Рисунок 1.3.1 Пример расположения габоритных огней

 

Рисунок 2.1.1 Ветрогенератор

Рисунок 2.1.2 Примеры транспорта с ветрогенераторами

Автобус с садом на крыше

концепт AI:ME с садом на крыше

Рисунок 2.2.1 Сад на крыше транспортного средства - варианты современных разработок

Рычаг Система рычагов

Зубчатая передача: понижающая, равнозначная, равнозначная с одной промежуточной шестерней, повышающая с несколькими промежуточными шестернями, угловая

Червячная передача Шатунный механизм

Рисунок 3.1.1 Виды механических передач

Рисунок 3.2.1 Процесс конструирования робота

Рисунок 3.2.2 Механизмы:, зубчатая равнозначная передача с промежуточной шестерней, повышающая зубчатая передача с несколькими промежуточными шестернями, угловая повышающая зубчатая передача.

Рисунок 3.2.3 Проект на базе конструкторов LEGO  Первые механизмы 9656, Аврора Robotics "Первые механизмы 2.0", Лига Исследований+
Мобильный Эко-Дом Будущего

Рисунок 3.3.1 Презентация проекта

Просмотров работы: 15