XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Город будущего «Энергоград»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Чепух А.Д. 1Хурамшин Д.В. 1Степанов Н.Е. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Филинова А.В. 1

---

1Школа интеллектуально развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

1.5 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Современный мир стремительно меняется. Каждый год появляются новые технологии, которые делают нашу жизнь удобнее, безопаснее и интереснее. Учёные и инженеры всего мира работают над созданием «умных городов» — таких мест, где энергия добывается из возобновляемых источников, транспорт передвигается без водителей, а все процессы автоматизированы и не наносят вреда природе. Нам эта тема показалась очень увлекательной. Мы решили не просто узнать об умных городах из книг и интернета, но и попробовать самим создать действующую модель такого города с помощью конструктора Lego Mindstorms.

Актуальность нашей работы заключается в том, что вопросы экологии и энергосбережения сегодня волнуют всех. Традиционные источники энергии (уголь, нефть, газ) загрязняют окружающую среду и когда-нибудь закончатся. Поэтому человечество ищет новые, чистые способы получения электричества — от солнца, ветра, воды. Также важно научиться накапливать полученную энергию и разумно её использовать. Электромобили постепенно вытесняют обычные машины с бензиновыми двигателями, а значит, в городах будущего появятся автоматические зарядные станции. Наша модель позволяет наглядно продемонстрировать, как могут работать все эти системы вместе.

Цель нашей работы — создать действующую модель фрагмента города будущего, в которой будут представлены основные элементы умной энергосистемы.

Для достижения этой цели мы поставили перед собой следующие задачи:

1. Изучить литературу и интернет-источники по теме «Умный город», возобновляемые источники энергии и электромобили.

2. Сконструировать из Lego Mindstorms четыре основных объекта: вышку с движущимися солнечными панелями, шариковый конвейер (генератор накопления энергии), станцию электрозаправки с датчиком касания и световым сигналом, а также электромобиль, способный двигаться по чёрной линии.

3. Разработать программы для каждого объекта в среде Lego Mindstorms EV3, обеспечивающие их автоматическую работу и взаимодействие друг с другом.

4. Провести испытание модели, проверить, насколько корректно работают все алгоритмы и механизмы.

Созданная модель может быть использована на уроках окружающего мира, технологии и информатики для демонстрации принципов работы альтернативной энергетики и автоматизированных систем. Кроме того, работа над проектом помогла нам лучше понять, как устроены современные технологии и как они помогут человечеству в будущем.

Глава 1. Теоретическая часть. Энергия и транспорт в городе будущего

1.1. Концепция «Умного города» (Smart City): что это такое и какие задачи решает

Когда мы говорим о городе будущего, мы представляем себе высокие небоскрёбы, летающие автомобили и роботов вокруг. Но на самом деле учёные и инженеры вкладывают в это понятие другой смысл. «Умный город» (или Smart City) — это город, в котором современные технологии помогают сделать жизнь людей удобной, безопасной и заботливой по отношению к природе [1].

Представьте, что в городе сами собой зажигаются фонари, когда рядом идёт человек, и гаснут, когда никого нет — так экономится электроэнергия. Или представьте, что мусорные баки сами сообщают, что они переполнены, и диспетчерская отправляет за ними специальную машину, чтобы мусор не лежал на улицах. Всё это — элементы умного города [1].

В разных уголках России школьники уже сейчас пробуют создавать модели таких городов. Например, во Всероссийском детском центре «Океан» ребята из 28 регионов построили макет «Города будущего», в котором курсировал умный транспорт, работало умное освещение, а роботы доставляли товары из магазинов [1]. Один из участников этой смены, Игорь Коншин из Ярославской области, даже был выбран мэром этого игрушечного города! Он рассказывал, что в их проекте дома реагировали на температуру вокруг: если воздух становился теплее, цветные лампочки меняли цвет [1].

Какие же задачи решает умный город? Их несколько:

Экология. Город будущего старается не загрязнять природу. В нём используют чистую энергию солнца и ветра, высаживают растения на крышах домов, делают воздух чище [2].

Безопасность. Умные камеры следят за порядком, а специальные датчики могут предупредить об опасности, например, о пожаре или наводнении [6].

Удобство. В умном городе можно оплатить покупку или проезд одним касанием телефона, войти в подъезд, посмотрев в камеру (это называется биометрией), и не тратить время в очередях [10].

Доступность для всех. В таком городе продумано всё, чтобы людям с ограниченными возможностями было легко передвигаться, учиться и работать [4].

1.2. Возобновляемые источники энергии

Откуда люди берут энергию? Раньше её получали в основном от сжигания угля, нефти и газа. Но эти запасы когда-нибудь закончатся. И ещё они очень загрязняют природу. Поэтому учёные придумали использовать возобновляемые источники энергии [2].

Что значит «возобновляемые»? Это такие источники, которые не могут закончиться. Солнце светит каждый день, ветер дует постоянно, вода течёт в реках. Эту энергию можно превращать в электричество, и природа от этого не страдает [2].

Есть несколько видов возобновляемой энергии:

• Солнечная энергия (солнечные панели)

• Ветровая энергия (ветрогенераторы)

• Энергия воды (гидроэлектростанции)

• Энергия земли (геотермальные станции)

• Энергия волн и приливов

В своём проекте я использовал два вида: солнечную энергию и энергию ветра.

1.2.1. Солнечная энергия и принципы работы солнечных панелей

Солнечная энергия — самая доступная и безопасная. Солнечные панели устанавливают на крышах домов, на специальных станциях и даже на космических кораблях! [3](Рисунок 1.2.1.1, Приложения)

Как же работает солнечная панель? Внутри неё есть специальные пластинки из полупроводникового материала (чаще всего из кремния). Когда солнечный свет попадает на эти пластинки, он выбивает из атомов электроны. Электроны начинают двигаться — и возникает электрический ток. Это называется фотоэффектом [3].

Очень важно, под каким углом падает солнечный свет на панель. Лучше всего, когда лучи падают прямо, под прямым углом. Именно поэтому солнечные панели часто устанавливают на поворотных механизмах, чтобы они в течение дня поворачивались вслед за солнцем. Так они собирают больше энергии [8].

Солнечную энергию уже вовсю используют в разных местах. Например, в Приморском крае в детском саду №127 установили солнечные коллекторы, которые нагревают воду для малышей. Раньше там не было горячей воды, стояли старые титаны, а теперь горячей воды сколько хочешь — и природа не загрязняется [3].

А в Тернопольской области есть школа, которая полностью обеспечивает себя электричеством от солнечных панелей. Эта школа не зависит от перебоев с электричеством, экономит деньги и предотвращает выбросы углекислого газа — до 50 тонн в год! [7] Представляете, 50 тонн грязи не попадает в воздух!

1.2.2. Генератор для накопления энергии, использование его в ночное время

Солнечные панели отлично работают днём, когда светит солнце. Но что происходит вечером? Солнце садится, и выработка электроэнергии прекращается. Однако потребность в электричестве никуда не исчезает: нам нужно освещение, работа холодильников, зарядка телефонов и многие другие приборы. Как же быть? Именно здесь на помощь приходят накопители энергии [2].

Принцип накопления энергии знаком каждому из нас. Когда мы заряжаем телефон или ноутбук, мы пользуемся аккумулятором — устройством, которое запасает электричество и отдаёт его тогда, когда нужно [4]. Аккумуляторы отличаются от обычных батареек тем, что их можно перезаряжать многократно. Самый известный пример — свинцовый аккумулятор в автомобиле [4].

В современной энергетике используются огромные аккумуляторные системы, способные запасать электричество для целых городов. Учёные постоянно ищут новые способы хранения энергии. Например, в Великобритании строят необычное хранилище: избыток электроэнергии от ветряных станций используется для сжатия воздуха при температуре -196°C. Когда нужно получить электричество обратно, воздух нагревают [7].

Интересно, что в реальной жизни накопление энергии решает не только проблему ночного времени. В Африке, например, компания «Soma Bags» производит рюкзаки с солнечными батареями [3][8]. Дети по дороге в школу заряжают встроенный аккумулятор, а вечером используют эту энергию для освещения, чтобы читать книги — ведь во многих деревнях Танзании просто нет электричества [8]. Один день на солнце даёт до 8 часов света вечером [3].

Таким образом, накопление энергии — это ключевая технология для «зелёной» энергетики. Без неё солнечные и ветровые станции не могли бы обеспечивать нас электричеством круглосуточно.

1.3.2. Как устроены зарядные станции и системы автоматической оплаты (связь)

Чтобы электромобили могли ездить, нужны зарядные станции. Они бывают разной мощности. Есть медленные зарядки — на ночь, а есть быстрые — можно зарядиться за полчаса, как телефон [5].

В умном городе зарядные станции должны быть везде: на парковках, у магазинов, во дворах. И они должны быть удобными. Например, ты подъезжаешь, а станция сама определяет твою машину, сама берёт оплату с твоего счёта и начинает зарядку [4].

У каждой машины есть свой номер или специальный чип. Когда машина подъезжает к станции, они обмениваются сигналами. Станция спрашивает: «Кто приехал?» Машина отвечает. Станция проверяет, есть ли деньги на счету, и если всё хорошо — включает зарядку. После зарядки деньги списываются автоматически.

1.3. Электромобили и зарядная инфраструктура

Электромобили — это машины, которые ездят не на бензине, а на электричестве. У них вместо бензобака — аккумуляторы, а вместо двигателя внутреннего сгорания — электромотор.(Рисунок 1.3.1, Приложения)

1.3.1. Преимущества электротранспорта перед традиционным

Почему электромобили лучше обычных машин? Давайте сравним.

Обычная машина:

• Заправляется бензином или дизелем

• Выхлопные газы загрязняют воздух (особенно в городах это плохо)

• Двигатель шумный

• Нужно регулярно менять масло, фильтры, свечи

• Бензин дорожает, и запасы нефти когда-нибудь кончатся

Электромобиль:

• Заряжается электричеством (можно даже от солнечных панелей)

• Нет выхлопных газов — воздух чистый

• Почти бесшумный

• Очень мало деталей, которые нужно обслуживать

• Электричество можно получать из возобновляемых источников

Компания Toyota даже создала концепт детского электромобиля под названием Kids Mobi. Это маленькая капсула на одного ребёнка ростом до 130 см. У неё вообще нет водителя — машина едет сама, управляемая искусственным интеллектом. Камеры и датчики следят за дорогой, а специальный голосовой помощник общается с ребёнком во время поездки, рассказывает истории и играет [4]. Представляете, можно отправить ребёнка в школу, и машина сама его довезёт! Правда, пока это только эксперимент, и такие автомобили ещё не выпускают серийно [9].

Глава 2. Практическая часть. Моделирование элементов города будущего

2.1. Материалы и оборудование

Для создания модели города будущего нами был использован следующий набор материалов и оборудования:

• конструктор Lego Mindstorms EV3 (базовый набор 45544);

• дополнительные детали из других наборов Lego;

• персональный компьютер с установленной средой программирования Lego Mindstorms EV3;

• поле для робототехнических соревнований;

В состав проекта входят: два программируемых блока(микрокомпьютера), два больших сервомотора, два средних сервомотора, датчики цвета и касания, а также множество балок, шестерён, осей и соединительных элементов. Это позволило нам реализовать все запланированные конструкции.

2.2. Этапы конструирования объектов

2.2.1. Вышка с движущимися солнечными панелями

При разработке вышки мы стремились смоделировать работу автоматизированной солнечной электростанции, где панели поворачиваются вслед за солнцем. Для обеспечения устойчивости мы собрали основание из красных балок, образующих прочную башню. (Рисунок 2.2.1.1, Приложения) На верхней части башни закрепили средний мотор, поскольку он обладает компактными размерами и позволяет точно управлять углом поворота.

К мотору была присоединена ось с средней конической шестернёй, которая передавала вращение на два больших шарнира, закреплённых на поворотной платформе. Такая передача уменьшает скорость вращения и обеспечивает плавность хода. На платформе мы установили черные пластины, имитирующие фотоэлектрические панели. Чтобы придать конструкции сходство с реальными солнечными батареями, панели были расположены под наклоном. (Рисунок 2.2.1.2, Приложения). Особое внимание мы уделили прокладке провода: он проходит внутри башни, чтобы не мешать вращению и не создавать натяжения при движении.

2.2.2. Накопление энергии и генератор (шариковый конвейер)

В качестве модели генератора, накапливающего и хранящего энергию, мы использовали шариковый конвейер. Это устройство было создано по образцу промышленных конвейерных систем, которые применяются на заводах и фабриках для перемещения грузов. В нашем проекте конвейер выполняет символическую роль: он демонстрирует принцип циркуляции и накопления энергии, подобно тому, как аккумуляторные батареи запасают электричество днём и отдают его ночью.(Рисунок 2.2.2.1, Приложения)

Конструкция шарикового конвейера состоит из двух основных частей:

• Жёлоб, по которому шарик скатывается под действием силы тяжести. Жёлоб мы собрали из длинных балок с бортиками, чтобы шарик не выпадал при движении. Угол наклона был подобран опытным путём: шарик должен скатываться плавно, без остановок, но и не слишком быстро, чтобы механизм успевал его захватывать.(Рисунок 2.2.2.2, Приложения)

• Роботизированная рука, которая возвращает шарик из нижней точки жёлоба обратно наверх. Рука приводится в движение большим мотором и оснащена захватом, специально спроектированным для удержания шарика. Захват выполнен в виде двух изогнутых балок, которые смыкаются вокруг шарика и надёжно фиксируют его во время подъёма. (Рисунок 2.2.2.3, Приложения)

Принцип работы конвейера заключается в непрерывном повторении цикла:

1. Шарик, скатившись по жёлобу, оказывается в нижней точке, где его ожидает роботизированная рука.

2. Датчик цвета, настроенный на распознавание шарика, подаёт сигнал, и рука активируется: захват смыкается, мотор поднимает руку вверх.

3. Рука переносит шарик к верхнему концу жёлоба.

4. Шарик падает в начало жёлоба и снова скатывается вниз.

5. Цикл повторяется снова и снова.

• Таким образом, собранный нами робот может непрерывно «катать» шарик, имитируя процесс накопления и высвобождения энергии. Мы установили датчик цвета, направленный вверх для определения внешнего освещения. .(Рисунок 2.2.2.4, Приложения) В дневное время (когда активно солнце) конвейер отключается, а ночью включается и работает без остановки, символизируя использование запасённой энергии. Такое решение позволило нам наглядно показать, как в умном городе могут сочетаться разные источники энергии: солнечные панели работают днём, а накопленная энергия (в виде движущегося шарика) используется ночью для работы заправочной станции и других нужд.

2.2.3. Станция электрозаправки

Заправочная станция спроектирована как автоматический терминал, способный распознать прибытие электромобиля. В качестве сенсора мы применили датчик касания, поскольку его использование упрощает программирование и даёт надёжный сигнал.(Рисунок 2.2.3.1, Приложения)

Конструктивно станция представляет собой П-образную арку, под которую должен заезжать автомобиль. На одной из опор арки закреплён датчик касания. Когда электромобиль въезжает в арку, он нажимает на рычаг, датчик срабатывает, и блок управления получает команду о начале процесса зарядки. Провода от датчика аккуратно уложены в специальные каналы внутри конструкции.

2.2.4. Модель электромобиля

Электромобиль является центральным подвижным элементом нашей модели. Его основой служит программируемый блок EV3, выполняющий функции бортового компьютера. К блоку мы присоединили два больших сервомотора, каждый из которых приводит во вращение одно из передних колёс. (Рисунок 2.2.4.1, Приложения)

Задняя часть автомобиля опирается на свободно вращающееся маленькое колесо, обеспечивающее устойчивость трёхколёсной платформы. Снизу, в передней части, закреплён датчик цвета, ориентированный на дорожное покрытие. Именно этот датчик отвечает за отслеживание чёрной линии маршрута.

Колёса выбраны большого диаметра с резиновыми шинами для лучшего сцепления с поверхностью игрового поля. В передней части автомобиля мы установили бампер, для более легкого контакта с датчиком касания заправочной станции. (Рисунок 2.2.4.2, Приложения)

При сборке мы старались минимизировать лишние детали, чтобы снизить массу автомобиля и обеспечить уверенное движение.

2.3. Программирование и алгоритмы

Управление всеми стационарными объектами города – вышкой с солнечными панелями, шариковым конвейером (генератором накопления энергии) и станцией электрозаправки – осуществляется одним программируемым блоком EV3. На этом блоке установлен датчик цвета, направленный вверх; он измеряет уровень освещённости окружающей среды. В зависимости от полученных значений блок автоматически выбирает режим работы: «день» (светло) или «ночь» (темно). Основной алгоритм построен как бесконечный цикл с ветвлением по условию.

2.3.1. Общий алгоритм управления стационарными объектами

Программа реализована следующим образом(Рисунок 2.3.1.1, Приложкния):

1. Датчик цвета считывает текущее значение освещённости (в процентах от максимального).

2. Если значение превышает установленный порог (имитация дневного света), вызывается подпрограмма «День».

3. Если значение ниже порога (имитация ночи), вызывается подпрограмма «Ночь».
   Пороговое значение 10 подобрано экспериментально, чтобы обеспечить стабильное переключение при искусственном освещении в помещении. В подпрограммах реализованы все необходимые алгоритмы работы устройств.

2.3.2. Подпрограмма «День» – работа солнечных панелей

В дневном режиме активна только вышка с солнечными панелями. Шариковый конвейер и станция электрозаправки в это время отключены (их моторы не вращаются, датчики не опрашиваются), что символизирует приоритет солнечной энергии как основного источника в светлое время суток.

Для имитации слежения за солнцем средний мотор, управляющий поворотом панелей, работает по следующему циклу:

1. поворот на 250 градусов по часовой стрелке;

2. поворот на 250 градусов против часовой стрелки;

Цикл повторяется непрерывно, пока активно дневное время. Панели совершают плавные колебания, визуально напоминающие движение трекера за солнцем.

2.3.3. Подпрограмма «Ночь» – работа шарикового конвейера (генератора) и станции заправки

С наступлением «ночи» программа переключается на ночной режим. В этом режиме сначала работает шариковый конвейер, выполняющий роль генератора накопления энергии, а затем, после накопления достаточного количества «энергии» (10 циклов), включается станция электрозаправки, которая ожидает подъезда электромобиля и реагирует на нажатие датчика касания.

Работа шарикового конвейера (генератора)

Конвейер представляет собой замкнутую систему: шарик скатывается по наклонному жёлобу вниз, после чего роботизированная рука возвращает его в исходное верхнее положение. Программа управления конвейером построена с использованием следующих элементов и параметров(Рисунок 2.3.3.1, Приложения):

• Датчик контроля положения шарика. В нижней точке жёлоба установлен датчик цвета, направленный на место остановки шарика. Пороговое значение обнаружения шарика задано равным 30. Если значение отражённого света ниже этого порога, программа определяет, что шарик находится на месте и готов к захвату.

• Привод руки. Для подъёма и перемещения шарика используется большой мотор. Мощность мотора установлена на 30%, что обеспечивает плавное и надёжное движение захвата. Время подъёма руки из нижнего положения в верхнее составляет 100 градусов

• Счётчик циклов. В программе используется переменная-счётчик (обозначим её как a). После каждого успешного цикла (захват – подъём – сброс – возврат) значение переменной умножаетмся на 100. Начальное значение счётчика – 0. Таким образом, на экран выводятся числа (100, 200, 300…1500), которые имитируют количество энергии накопленной генератором.

• Условие перехода к заправке. Блок сравнения проверяет, достигло ли значение счётчика заданного числа циклов, равного 15. Как только a становится равным 1500, программа выходит из цикла работы конвейера и переходит к активации станции электрозаправки. Активация станции электрозаправки

После завершения 15 циклов конвейера станция электрозаправки включается. Программа станции построена с использованием нескольких последовательных блоков, обеспечивающих световую индикацию, ожидание автомобиля и имитацию процесса зарядки. На скриншоте видны следующие блоки с параметрами(Рисунок 2.3.3.2, Приложения):

1. Блок звука с параметром «Motor idle»
   Этот блок отвечает за воспроизведения звука работающего генератора

2. Блок экран с параметром «Start Bar»
   Данный блок, вероятно, отвечает за включение анимации на экране, имитируя заряд автомобиля.

3. Блок «Thumbs up» с параметрами 100, 0, 5.
   Этот блок отвечает за отображение на экране блока EV3 символа «Thumbs up» (большой палец вверх), что означает готовность станции к обслуживанию.

После включения светового сигнала станция переходит в режим ожидания автомобиля. Датчик касания с рычагом установлен под аркой таким образом, что при въезде электромобиль нажимает на него. Программа непрерывно опрашивает состояние датчика касания. Как только датчик срабатывает, начинается процесс имитации зарядки: на экране отображается анимация заполнения шкалы заряда.

2.3.4. Программа электромобиля

Электромобиль оснащён собственным программируемым блоком, который управляет движением по чёрной линии. Программа составлена с использованием математических вычислений для точного следования по трассе и включает дополнительную логику остановки при обнаружении светового сигнала от станции.

Движение по линии

Для движения по чёрной линии мы применили алгоритм, основанный на показаниях датчика цвета, направленного вниз. В программе используются следующие параметры:

• пороговое значение яркости – 50 (разделение чёрного и белого);

• мощности моторов при поворотах: один мотор получает мощность 20%, другой – 5%, что обеспечивает плавную коррекцию траектории;

• в алгоритме задействованы математические блоки, выполняющие операции (a – b) × c, что позволяет гибко настраивать чувствительность регулятора.

В цикле на 10 секунд, программа считывает значение датчика цвета и сравнивает его с порогом. Если значение выше порога (белый фон), автомобиль поворачивает налево (правый мотор мощнее), если ниже (чёрная линия) – поворачивает направо (левый мотор мощнее). Благодаря этому автомобиль уверенно следует по линии, совершая небольшие зигзаги.

Заключение

В ходе выполнения научно-исследовательской работы мы достигли поставленной цели: создали действующую модель фрагмента города будущего на базе конструктора Lego Mindstorms EV3. В модели представлены основные элементы умной энергосистемы: выработка энергии (солнечные панели на поворотной вышке), её накопление (шариковый конвейер, имитирующий аккумулятор) и потребитель энергии (электромобиль, заряжающийся на автоматической станции).

Все задачи, поставленные в начале работы, выполнены:

• Изучена литература по теме «Умный город», возобновляемые источники энергии и электромобили.

• Сконструированы четыре основных объекта: вышка с подвижными солнечными панелями, шариковый конвейер, станция электрозаправки с датчиком касания и световым сигналом, электромобиль с датчиком цвета.

• Разработаны программы, обеспечивающие автоматическую работу: днём работают солнечные панели, ночью включается конвейер, который после 15 циклов активирует станцию. Электромобиль движется по линии, а при обнаружении светового сигнала останавливается, имитируя зарядку.

Работа над проектом дала нам новые знания и навыки: мы научились анализировать информацию, конструировать, программировать, проводить эксперименты и исправлять ошибки. Мы поняли важность экологии и необходимость перехода на возобновляемые источники энергии.

Наша модель может использоваться на уроках окружающего мира, технологии и информатики для демонстрации принципов альтернативной энергетики и автоматизированных систем. В дальнейшем мы планируем развивать проект: добавить новые элементы (например, ветрогенератор) и усложнить сценарии взаимодействия.

Список использованных источников

1. ВДЦ «Океан». «Энергия старта»: участники познакомились с лабораторией «РусГидро» на территории ВДЦ «Океан», 2021.

2. Дюма-Руа С., Манийе С. Зелёная планета. Возобновляемые источники энергии. — Москва: Пешком в историю, 2021.

3. Новости Владивостока и Приморского края — Вести: Приморье. Солнечная энергия спасет детский сад в приморской глубинке, 2019.

4. Алтапресс. Миру показали детский электромобиль от Toyota, 2025.

5. Overclockers.ru. Обзор зарядных устройств Ugreen Nexode UNO 65W, 2025.

6. НТВ. Маленьких петербуржцев научат безопасности с помощью квестов, 2025.

7. ТСН.ua. В Украине появилась первая энергонезависимая школа от Glossary Eco Foundation, 2025.

8. ВДЦ «Океан». Лаборатория «РусГидро»: практические занятия по энергетике, 2021.

9. iXBT Live. Toyota показала автономный электромобиль Mobi для перевозки детей без сопровождения взрослых, 2025.

10. Официальный сайт города Лобня. В Лобне запускают проект «Умный город», 2025.

Приложения