XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка модели мобильного робототехнического комплекса для ликвидации чрезвычайных ситуаций природного характера на базе Lego Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Земсков З.Д. 1Пискулин Ф.М. 1Лескин С.А. 1Гурьянов О.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Бек М.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

­­­­­­­­Введение

В последние десятилетия наблюдается устойчивая тенденция к увеличению количества и масштабов чрезвычайных ситуаций (ЧС) природного характера, таких как лесные пожары и катастрофические наводнения. Традиционные методы борьбы с этими явлениями зачастую связаны с высоким риском для жизни и здоровья людей-спасателей, а также требуют значительных временных и трудовых затрат. Например, ручное возведение дамб из мешков с песком при паводках или доставка огнетушащих веществ в очаг лесного пожара являются крайне опасными и трудоемкими процессами.

В связи с этим, особую актуальность приобретает разработка специализированных робототехнических средств, способных автономно или дистанционно выполнять задачи по доставке и укладке защитных материалов. Применение наземных роботов на гусеничном ходу позволяет решить проблему проходимости в условиях труднопроходимой местности (лесные завалы, заболоченные берега) и обеспечить безопасность личного состава МЧС. Использование программируемой логики дает возможность быстро адаптировать поведение робота под конкретный тип угрозы, что повышает эффективность его применения.

Цель: Проектирование и моделирование робототехнического комплекса из конструктора Lego Mindstorms EV3 на гусеничном шасси для применения при чрезвычайных ситуациях, связанных с затоплениями и возгораниями.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ существующих типов роботов для МЧС и обосновать выбор оптимального шасси и типа доставляемого груза для тушения пожаров и борьбы с наводнениями.

2. Разработать общую компоновочную схему робота, включая систему для транспортировки и сброса прямоугольных грузов (мешков с песком или огнетушащих брикетов).

3. Создать алгоритмическую базу для функционирования робота в двух режимах («Пожар» и «Наводнение») и реализовать систему управления на базе визуальной среды программирования (Scratch).

4. Разработать программный макет мобильного приложения для выбора режима работы и дистанционного управления роботом.

Глава 1. Теоретические основы применения робототехники в чрезвычайных ситуациях

1. 1. Характеристика чрезвычайных ситуаций природного характера и сложность их ликвидации человеком

Чрезвычайные ситуации природного характера, такие как наводнения (Рисунок 1.1.1, ПРИЛОЖЕНИЯ) и лесные пожары (Рисунок 1.1.2, ПРИЛОЖЕНИЯ), представляют собой одну из наиболее серьезных угроз для безопасности населения и инфраструктуры. Ежегодно в мире регистрируются тысячи подобных происшествий, наносящих колоссальный экономический ущерб и уносящих человеческие жизни.

Наводнения относятся к наиболее распространенным природным катастрофам. При борьбе с паводками ключевой задачей является оперативное возведение временных защитных сооружений — дамб. Традиционно для этого используются мешки с песком, вес которых может достигать 25–30 кг. Работы по их укладке ведутся в условиях быстро прибывающей воды, размытого грунта и угрозы внезапного прорыва потока. Человек, выполняющий такие работы, подвергается риску утопления, переохлаждения и физического переутомления. Кроме того, существует проблема доступа к месту прорыва: тяжелая техника не всегда может подъехать, а ручная доставка мешков на большие расстояния малоэффективна. Особую опасность представляют работы на гидротехнических сооружениях, где скорость течения может достигать 7 м/сек, что делает невозможным привлечение водолазов (допустимая скорость — до 2 м/сек) [2] .

Лесные пожары характеризуются высокой температурой, задымлением и стремительным распространением огня. Тушение пожаров традиционными методами требует присутствия человека в эпицентре событий. Пожарные работают в условиях экстремальных тепловых нагрузок, токсичного задымления и риска внезапного изменения направления ветра, которое может отрезать пути отхода. Существенными недостатками традиционных систем пожаротушения, таких как спринклерные установки, являются высокая инерционность срабатывания и низкая адресность подачи огнетушащего вещества . При тушении лесных пожаров с воздуха вода часто испаряется, не достигая очага горения, особенно в условиях высокой температуры и ветра.

Таким образом, ключевой проблемой при ликвидации последствий наводнений и пожаров является необходимость присутствия человека в зоне непосредственной опасности (Рисунок 1.1.3, ПРИЛОЖЕНИЯ), что связано с высокими рисками для его жизни и здоровья, а также физическими ограничениями скорости и эффективности работ. Решением данной проблемы становится внедрение робототехнических средств, способных заменить человека в опасных зонах [1].

1. 2. Обзор существующих робототехнических средств для ликвидации ЧС

Современный рынок предлагает ряд роботизированных комплексов, разработанных специально для работы в условиях пожаров и при гидротехнических работах.

Роботы для пожаротушения. Китайская компания Unitree Robotics представила специализированную версию четвероногого робота (Рисунок 1.2.1, ПРИЛОЖЕНИЯ) Unitree B2 (Fire Fighting Version). Модель оснащена водяным насосом, подающим струю на 60 метров с расходом 40 литров в секунду. Робот имеет систему охлаждения корпуса, защиту от влаги и пыли, способен передвигаться по лестницам до 45 градусов и преодолевать препятствия высотой до 40 см. В 2025 году два таких робота поступили на вооружение пожарных в городе Циндао [5].

Другой пример – гусеничный пожарный робот CITIC RXR M40D, представленный на российском рынке в 2024 году (Рисунок 1.2.2, ПРИЛОЖЕНИЯ). Компактная машина длиной 110 см на огнеупорных гусеницах имеет расход воды 40 л/с, дальность струи 60 м, автономность до 10 часов и радиус управления до 1 км. Робот успешно прошел испытания на учениях МЧС России в Ногинском спасательном центре [4].

Роботы для работ на воде и под водой. Итальянская компания GEROTTO FEDERICO SRL разработала подводный телеуправляемый аппарат The Bull для вакуумной очистки ила и мусора в затопленных средах (Рисунок 1.2.3, ПРИЛОЖЕНИЯ). Робот оснащен землесосным насосом, камерами и опциональными резиновыми гусеницами, позволяя работать там, где присутствие человека невозможно [6].

В России ведется проект «Океанматик» – комплекс техники для диагностики гидротехнических сооружений [7]. Особый интерес представляет гибридный подводный аппарат, способный плавать и ползать по поверхности на гусеницах. Специальные движители прижимают корпус к поверхности с усилием до 100 кг/м², позволяя работать на вертикальных стенках при течении до 3 м/с.

МЧС России совместно с производителями разработало беспилотный надводный комплекс «Калан» [8], заменяющий водолазов при опасных подводных работах. Комплекс оснащен эхолотом, гидролокатором и измерителем скорости звука.

1. 3. Анализ существующих систем: преимущества и ограничения

Проведенный обзор позволяет разделить существующие робототехнические системы на два основных класса: наземные роботы для пожаротушения и подводные (надводные) аппараты для работ на акваториях.

Сравнение с традиционными методами показывает существенные преимущества роботов. Роботизированные установки с инфракрасными сканерами обнаруживают возгорание за 12–15 секунд, тогда как спринклерным системам требуется 3–5 минут. Роботы обеспечивают адресную подачу огнетушащего вещества непосредственно в очаг, в отличие от спринклеров, заливающих большие площади с колоссальным расходом воды. При тушении на большой высоте роботы подают компактную струю, сохраняющую энергию, тогда как капли из спринклеров испаряются, не достигая цели. Время ликвидации возгорания роботами составляет 1,5–2 минуты против длительного тушения традиционными системами.

Однако анализ применимости для решения поставленной задачи показывает, что ни одна из рассмотренных систем не решает её комплексно. Пожарные роботы ориентированы на тушение водой или пеной и требуют подключения к водоисточникам, что неприемлемо для автономной доставки огнетушащих материалов в труднодоступные районы лесных пожаров. Подводные аппараты предназначены для диагностики и очистки, но не для строительства дамб из мешков с песком и не могут оперировать на границе воды и суши. Ни одна система не обладает универсальностью, позволяющей переключаться между режимами «пожар» и «наводнение» путем смены типа полезной нагрузки.

Глава 2. Проектирование конструкции робота для действий в чрезвычайных ситуациях

2.1. Выбор и обоснование конструктивных решений для передвижения робота

При проектировании робота для действий в чрезвычайных ситуациях ключевым требованием является обеспечение надежности, проходимости и маневренности в различных средах. На основе анализа, проведенного в первой главе, установлено, что робот должен одинаково эффективно функционировать как в условиях подтопления и размокшего грунта (при наводнениях), так и на пересеченной местности с препятствиями (при лесных пожарах). Данные требования определили выбор типа шасси и базовой платформы.

В качестве базовой платформы выбран образовательный конструктор Lego Mindstorms EV3. Данный выбор обусловлен возможностью быстрого создания функционального прототипа, наличием всех необходимых механических элементов и совместимостью со средой программирования Scratch, которая используется для разработки системы управления. Модульность конструктора обеспечивает простоту модернизации и ремонтопригодность, что важно при моделировании работы в экстремальных условиях.

Движение робота осуществляется двумя большими моторами Lego EV3, каждый из которых приводит ведущее колесо одной из двух гусениц(Рисунок 2.1.2, ПРИЛОЖЕНИЯ).. Большие моторы выбраны благодаря высокому крутящему моменту, необходимому для перемещения груженого робота по тяжелому грунту и преодоления подъемов (Рисунок 2.1.1, ПРИЛОЖЕНИЯ).

Независимое управление левым и правым моторами позволяет реализовать так называемый танковый разворот (поворот за счет разности скоростей гусениц). Это дает три способа маневрирования: движение вперед/назад (оба мотора вращаются в одном направлении), разворот на месте (моторы вращаются в противоположных направлениях) для изменения направления в ограниченном пространстве, и плавный поворот по дуге (разная скорость моторов) для объезда препятствий. Такая схема не требует сложных рулевых механизмов, повышает надежность и упрощает управление.

Таким образом, выбранная конструкция ходовой части полностью соответствует условиям эксплуатации: гусеничное шасси с двумя независимыми моторами обеспечивает проходимость при наводнениях и маневренность в условиях лесных пожаров, а платформа Lego EV3 позволяет реализовать проект с минимальными затратами.

2.2. Механизм сброса полезной нагрузки

Для выполнения основных задач робота – выгрузки мешков с песком при наводнении и сброса огнетушащих брикетов при лесных пожарах – разработан специализированный механизм сброса, приводящийся в действие средним мотором Lego EV3. Выбор среднего мотора обусловлен его компактными размерами и более высокой скоростью вращения по сравнению с большими моторами, что важно для быстрого срабатывания механизма выталкивания при сохранении достаточного усилия для проталкивания грузов.

Конструкция узла сброса представляет собой наклонную плоскость (грузовой отсек), закрепленную на корпусе робота(Рисунок 2.2.1, ПРИЛОЖЕНИЯ). Брикеты или мешки с песком, имеющие прямоугольную форму, укладываются в этот отсек стопкой. Под действием силы тяжести они постоянно стремятся сместиться вниз по наклонной поверхности к выходному отверстию (Рисунок 2.2.2, ПРИЛОЖЕНИЯ).. Однако самопроизвольного падения не происходит благодаря специальному удерживающему механизму (упору) на выходе, который фиксирует нижний груз до момента подачи команды.

Управление сбросом осуществляется средним мотором, на вал которого установлен кулачковый механизм (релейный элемент) (Рисунок 2.2.3, ПРИЛОЖЕНИЯ). При подаче сигнала от программы мотор совершает определенное число оборотов, приводя в движение толкатель. Толкатель выдвигается и сбрасывает нижний брикет или мешок с наклонной плоскости, после чего возвращается в исходное положение. В этот момент следующий груз под действием гравитации автоматически перемещается на место сброшенного, и механизм готов к повторению цикла.

Важной особенностью разработанной конструкции является возможность регулировки количества сбрасываемых за один цикл грузов. Путем настройки угла поворота среднего мотора и конфигурации толкателя можно реализовать режим поштучного сброса (по одному брикету) или сброса по два мешка одновременно. Это позволяет адаптировать работу робота под конкретную задачу: при тушении пожара может потребоваться более интенсивная подача брикетов, а при строительстве дамбы – точная поштучная укладка. Данное техническое решение обеспечивает простоту, надежность и функциональную гибкость механизма при минимальных затратах ресурсов.

2.3. Механизм захвата для расчистки пути

Для обеспечения беспрепятственного движения робота к очагу чрезвычайной ситуации в передней части корпуса установлен механизм захвата. Он предназначен для расчистки пути от небольших препятствий: веток, камней, мусора, которые могут заблокировать гусеничную платформу как в условиях лесного пожара, так и в зоне наводнения.

Привод механизма осуществляется средним мотором Lego EV3, который обеспечивает достаточное усилие при компактных размерах. Мотор расположен непосредственно в передней части робота, что исключает потери мощности в передающих элементах (Рисунок 2.3.1, ПРИЛОЖЕНИЯ).

Ключевой особенностью захвата является применение червячной передачи (Рисунок 2.3.2, ПРИЛОЖЕНИЯ). Она обеспечивает высокое передаточное число, позволяя развивать значительное усилие на губках захвата. Благодаря свойству самоторможения червячной пары захват остается в фиксированном положении даже при отключении питания, что исключает случайное выпадение удерживаемого предмета.

Алгоритм работы интегрирован в систему управления. При движении датчики сканируют пространство перед роботом. При обнаружении препятствия программа оценивает его габариты. Небольшие объекты захватываются и перемещаются в сторону, после чего робот продолжает движение. Если препятствие оказывается непреодолимым для захвата (крупное дерево, стена здания), робот идентифицирует его как стационарное и объезжает, используя функции маневрирования.

Такое решение позволяет роботу действовать автономно, не требуя постоянного вмешательства оператора для расчистки пути, что критически важно в условиях чрезвычайной ситуации.

2.4. Сенсорная система робота

Для автономного функционирования робот оснащен датчиками, обеспечивающими восприятие окружающей обстановки. Сенсорная система решает две задачи: обнаружение препятствий и идентификацию очагов возгорания.

В передней части робота установлен ультразвуковой датчик Lego EV3. Он измеряет расстояние до объектов, позволяя обнаруживать препятствия на пути. Ультразвуковой датчик устойчив к световым помехам, что важно при задымлении или в пасмурную погоду (Рисунок 2.4.1, ПРИЛОЖЕНИЯ).

По бокам робота расположены два датчика цвета, работающие в режиме измерения яркости внешнего освещения (Рисунок 2.4.2, ПРИЛОЖЕНИЯ).. В этом режиме они фиксируют интенсивность света, поступающего извне, что идеально подходит для обнаружения открытого пламени. При лесном пожаре датчики улавливают свечение очага возгорания. При достижении пороговой яркости робот идентифицирует объект как пожар и инициирует сброс огнетушащих брикетов.

Глава 3. Разработка программного обеспечения для управления роботом

Программное обеспечение для управления роботом разработано в среде визуального программирования Scratch 3 [9]. Данная среда выбрана благодаря наглядности, простоте отладки и наличию расширения для работы с Lego Mindstorms EV3, что позволяет непосредственно управлять моторами и считывать показания датчиков.

При запуске программы на экране появляется стартовый экран с приветствием: «Здравствуйте! Что случилось?» (Рисунок 3.1, ПРИЛОЖЕНИЯ). Пользователю предлагается выбрать тип чрезвычайной ситуации путем нажатия на одну из двух графических иконок: «Наводнение» или «Лесной пожар». В зависимости от выбора загружается соответствующий алгоритм поведения, определяющий логику движения, взаимодействие с датчиками и порядок сброса грузов.

Режим «Наводнение». При выборе этой иконки робот начинает движение вперед, одновременно контролируя пространство перед собой ультразвуковым датчиком (Рисунок 3.2, ПРИЛОЖЕНИЯ). При обнаружении препятствия программа принимает решение: объехать его или убрать с помощью захвата. Параллельно с движением программа отслеживает пройденное расстояние с помощью энкодеров моторов. Через каждые заданное количество оборотов (равномерные промежутки) подается команда на средний мотор механизма сброса, и один мешок с песком выталкивается на грунт (Рисунок 3.3, ПРИЛОЖЕНИЯ). Таким образом достигается равномерная выкладка мешков для строительства дамбы.

Режим «Лесной пожар». В этом режиме робот также движется вперед и объезжает препятствия, но дополнительно постоянно сканирует местность с помощью двух датчиков цвета, работающих в режиме измерения яркости внешнего освещения (Рисунок 3.4, ПРИЛОЖЕНИЯ). Датчики фиксируют интенсивность света от возможного очага возгорания. Когда один из датчиков показывает значение выше заданного порога, программа определяет направление на источник огня. Робот поворачивает в сторону наиболее яркого датчика и начинает движение к очагу, постоянно корректируя курс. Приблизившись на достаточное расстояние, робот останавливается и сбрасывает огнетушащие брикеты с порошком непосредственно в зону горения.

Таким образом, разработанное программное обеспечение обеспечивает автономное выполнение роботом задач в двух режимах, соответствующих различным типам чрезвычайных ситуаций. Интуитивный интерфейс позволяет оператору быстро адаптировать поведение робота под конкретную задачу без перепрограммирования, а встроенные алгоритмы обнаружения препятствий и очагов возгорания обеспечивают эффективность работы в реальных условиях.

Заключение

В ходе выполнения данной курсовой работы была достигнута поставленная цель: разработана модель робота на гусеничном ходу, способного действовать в чрезвычайных ситуациях природного характера, а именно при наводнениях и лесных пожарах. В процессе работы был проведен анализ существующих чрезвычайных ситуаций и робототехнических средств, который подтвердил актуальность создания универсального устройства, способного решать две разные задачи. На основе этого анализа разработана конструкция робота на базе Lego Mindstorms EV3: обоснован выбор гусеничного шасси с независимым приводом моторов для обеспечения высокой проходимости и маневренности (танковый разворот), спроектирован механизм сброса прямоугольных грузов с использованием среднего мотора и наклонной плоскости, позволяющий дозированно выкладывать мешки с песком или огнетушащие брикеты, создан захват на червячной передаче для расчистки пути от препятствий, а также подобрана сенсорная система, включающая ультразвуковой датчик для обнаружения препятствий и два датчика цвета в режиме измерения яркости внешнего освещения для обнаружения очагов возгорания. Для управления роботом разработано программное обеспечение в среде Scratch 3 с интуитивным интерфейсом, позволяющим оператору выбрать режим «Наводнение» или «Лесной пожар» нажатием соответствующей иконки. В режиме «Наводнение» реализован алгоритм равномерной выкладки мешков с песком через заданные промежутки для строительства дамбы, а в режиме «Лесной пожар» — алгоритм обнаружения очага возгорания по показаниям датчиков цвета, движения к наиболее яркой точке и сброса огнетушащих брикетов. Разработанная модель может быть использована в качестве наглядного пособия на занятиях по робототехнике для демонстрации принципов проектирования и программирования мобильных роботов, а также послужить основой и идеей для создания полноразмерного прототипа, применимого в реальных подразделениях МЧС.

Список использованных источников:

1. Юбилейный сборник трудов ФГУ ВНИИПО МЧС России / под ред. Н. П. Копылова. – Москва : ВНИИПО, 2007. – 320 с.

2. Филимонов, И. А. Робототехника на аварийно-спасательных работах / И. А. Филимонов, В. П. Юшков, Е. А. Каржавин // Прогрессивные технологии и экономика в машиностроении : сборник трудов VII Всероссийской научно-практической конференции. – Томск : Изд-во ТПУ, 2016. – Т. 2. – С. 529-531.

3. Benedettelli, D. The LEGO MINDSTORMS Robot Inventor Activity Book: A Beginner's Guide to Building and Programming LEGO Robots / D. Benedettelli. – San Francisco : No Starch Press, 2021. – 200 p.

4. Unitree B2 robotic dog gets promoted to a firefighting job with upgraded hardware [Электронныйресурс] // Yanko Design. – 2025. – Режимдоступа: https://www.yankodesign.com/2025/05/09/unitree-b2-robotic-dog-gets-promoted-to-a-firefighting-job-with-upgraded-hardware/ (датаобращения: 27.02.2026).

5. Для тушения пожаров в России будут использовать робота CITIC RXR M40D [Электронный ресурс] // RUБЕЖ. – 2024. – Режим доступа: https://ru-bezh.ru/kompanii-i-ryinki/news/24/06/19/dlya-tusheniya-pozharov-v-rossii-budut-ispolzovat-robota-citic-r (дата обращения: 04.02.2026).

6. The Bull – UUV by GEROTTO FEDERICO SRL [Электронный ресурс] // DirectIndustry. – 2025. – Режим доступа: https://www.directindustry.com/prod/gerotto-federico-srl/product-160679-2802843.html (дата обращения: 03.02.2026).

7. Орлов, В. Механический водолаз: возможности и проблемы подводной робототехники [Электронный ресурс] / В. Орлов // Ритм машиностроения. – 2024. – Режим доступа: https://ritm-magazine.com/ru/public/mehanicheskiy-vodolaz-vozmozhnosti-i-problemy-podvodnoy-robototehniki (дата обращения: 02.02.2026).

8. Титовский, А. Б. Безэкипажный гидрографический комплекс «Калан» / А. Б. Титовский, И. А. Щербаков [Электронный ресурс] // Портал пожарной и промышленной безопасности. – 2025. – Режим доступа: https://portal.edufire37.ru/articles/869 (дата обращения: 05.02.2026).

9. Scratch 3.0 [Электронный ресурс] // Fictionlab Documentation. – 2026. – Режим доступа: https://scratch.mit.edu/ (дата обращения: 02.02.2026).

ПРИЛОЖЕНИЯ