XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Создание действующей модели системы контроля движения и грузоподъёмности подъемного крана с использованием датчиков и платформы Arduino

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лукьяненко К.Е. 1

---

1МОУ «СОШ № 2 г. Зеленокумска»

Соломонова Р.Н. 1

---

1МОУ «СОШ № 2 г. Зеленокумска»

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность. Статистика показывает, что основными причинами аварий башенных и мостовых кранов являются перегрузки, падение груза, механические поломки и столкновения. Контроль параметров движения и грузоподъемности является критически важным для предотвращения инцидентов на строительных площадках и производстве. Современные системы мониторинга кранов (Crane Monitoring Systems) часто дороги и сложны в интеграции. Использование открытой платформы Arduino позволяет создать доступный прототип такой системы для изучения физических принципов ее работы.

Цель работы: Разработать и сконструировать действующую модель подъемного крана, способную автоматически контролировать массу поднимаемого груза и угловые перемещения стрелы, с выводом информации на дисплей и звуковой сигнализацией при наступлении критических режимов.

Задачи исследования:

1. Провести анализ типов датчиков, применимых для измерения веса (тензодатчики) и пространственного положения (акселерометры/гироскопы).

2. Разработать механическую конструкцию модели крана.

3. Создать электрическую схему подключения датчиков к микроконтроллеру Arduino.

4. Написать программное обеспечение для сбора, обработки данных и управления исполнительными механизмами.

5. Экспериментально проверить точность измерений и пороговых срабатываний системы.

Объект исследования: Процессы контроля механических параметров грузоподъемной техники.

Предмет исследования: Методы и средства на базе Arduino для измерения массы и углов наклона.

1. Теоретическая часть

1.1 Физические принципы измерения параметров крана

Для контроля безопасности крана необходимо измерять два ключевых параметра: массу груза и пространственное положение стрелы.

Измерение массы. В основе работы тензодатчика лежит явление тензоэффекта — изменение электрического сопротивления проводника при его механической деформации (растяжении или сжатии). Тензорезисторы наклеиваются на упругий элемент, который деформируется под весом груза. Изменение сопротивления крайне мало, поэтому для его преобразования в измеряемый сигнал используется АЦП (аналого-цифровой преобразователь)- микросхема HX711.

Измерение движения (углов наклона). Для определения углов поворота и наклона стрелы используется акселерометр (например, MPU6050). Он измеряет проекции вектора ускорения свободного падения (g) на оси чувствительности. Зная значения проекций, можно вычислить углы наклона конструкции относительно горизонта.

1.2 Физические основы работы датчиков

Физика тензометрического датчика грузоподъёмности (механика деформаций и электричество)

Принцип действия основан на законе Гука [1, с.89] и изменении электрического сопротивления проводника при деформации.

Механическая часть: Закон Гука и деформация.

На упругий элемент датчика (стальной или алюминиевый брусок специальной формы) действует сила F — вес груза. Под действием силы элемент испытывает упругую деформацию (растяжение или сжатие). В пределах упругости деформация пропорциональна приложенной силе:

, где: механическое напряжение (сила на единицу площади сечения), E — модуль Юнга (модуль упругости) материала элемента, относительная деформация (изменение длины к исходной). Таким образом, Измерив деформацию , можно найти силу F. Преобразование деформации в электрический сигнал: Тензорезистивный эффект. Для измерения малых деформаций (микрометры) на поверхность упругого элемента наклеивается тензорезистор — зигзагообразная фольга из константана или нихрома. Его сопротивление изменяется при деформации: где: — изменение сопротивления, — начальное сопротивление,
— тензочувствительный коэффициент (для металлических тензорезисторов ~2), относительная деформация. Физическая причина: при растяжении проводника меняется его геометрия (увеличивается длина, уменьшается площадь сечения) и кристаллическая структура, что ведёт к росту удельного сопротивления.

Измерение малых изменений сопротивления: Мост Уитстона [3]. Чтобы измерить ничтожные изменения ΔR, тензорезистор включается в одно из плеч мостовой схемы. При отсутствии нагрузки мост уравновешен (выходное напряжение ). При деформации сопротивление меняется, баланс моста нарушается, и на выходе появляется напряжение , пропорциональное , а следовательно, и силе F. Для компенсации температурных влияний используются компенсационные тензорезисторы, включённые в соседние плечи моста, что является примером применения физического принципа симметрии.

Физика ультразвукового датчика движения (динамика волновых процессов). Работа датчика основана на явлении эхолокации и распространения механических волн в упругой среде (воздухе).

Генерация и приём ультразвуковой волны: Пьезоэлектрический эффект (прямой и обратный): Активный элемент датчика — пьезокерамическая пластина. При подаче на неё электрического импульса от Arduino (обратный пъезоэффект) она деформируется, совершая резкие колебания, и генерирует продольную механическую волну с частотой, обычно 40 кГц (ультразвук). При попадании отражённой волны обратно на пластину она деформируется (прямой пьезоэффект), генерируя на своих обкладках электрический сигнал. Распространение и отражение волны: Уравнение для расчёта расстояния: , S — расстояние до объекта (м). - скорость звука в воздухе (м/с). Ключевая зависимость:

где t — температура воздуха в °C. Эта зависимость критична для точности. В условиях подземелья, где температура может быть стабильной, но отличной от лабораторной, её необходимо учитывать при калибровке. — время между излучением и приёмом эхо-сигнала (с). Поглощение и рассеяние звука: Интенсивность ультразвуковой волны убывает с расстоянием из-за молекулярного поглощения (перехода энергии волны во внутреннюю энергию среды) и рассеяния на неоднородностях (пыль, влага). Это определяет максимальную дальность действия датчика.

Определение угла наклона:

Датчик оснащен тремя осями, каждая из которых регистрирует влияние гравитации. Благодаря этому мы можем точно отслеживать позицию стрелы относительно горизонта. Физические ограничения и погрешности:

Физические ограничения и погрешности:

Угол расходимости луча (обычно 15-30°). Датчик «видит» не точку, а конус пространства. Возможны ложные срабатывания от объектов, не находящихся на прямой траектории движения. Характер отражения: Эффективность отражения зависит от акустического импеданса материала и шероховатости поверхности. Мягкие пористые материалы (порода, ткани) поглощают звук, уменьшая дальность.

1.3. Анализ существующих решений

Современная практика подтверждает успешность использования бюджетных компонентов для мониторинга параметров крана. Один из примеров — внедрение ультразвуковых датчиков для позиционирования стрелы, что привело к снижению числа аварий примерно на 30%.

Подобные подходы показывают, что наши инженерные решения вполне конкурентоспособны и эффективны.

2. Практическая часть. Проектирование и конструирование модели

2.1. Разработка механической части

Базовый каркас модели крана выполнен на основе конструктора LEGO Mindstorms EV3. Основными элементами конструкции являются:

Основание крана — устойчивая платформа из крупных деталей LEGO с креплениями для моторов и датчиков

Поворотная платформа — механизм с сервомотором для вращения колонны на 360 градусов

Стрела крана — пластмассовые балки из LEGO

Грузовая лебёдка — система с редуктором и тросом для подъёма груза

Крюковая подвеска — механизм захвата груза с датчиком положения

Расчётные параметры:

Максимальная высота подъёма — 80 см

Радиус действия — 60 см

Грузоподъёмность — до 200 г

2.2. Электронная схема и компоненты

Основная плата управления построена на базе Arduino Uno со следующими компонентами:

Контроллер движения и ориентации: MPU6050 : Измеряетугол наклона

Система взвешивания: Тензодатчик с усилителем HX711

Система позиционирования: Ультразвуковые датчики (2 шт.)

Система безопасности: Датчик освещённости в блоке EV3

Индикация и управление: Тактовая кнопка для сброса показаний

2.3 Принцип работы крана

Основные этапы работы

Подготовка к работе:

• Установка крана на рабочей площадке

• Развертывание всех механизмов

• Калибровка датчиков

• Проверка системы безопасности

Процесс управления

Управление стрелой:

• Горизонтальное перемещение осуществляется сервомотором через редуктор

• Контроль положения через MPU6050

Подъём груза:

• Активация грузовой лебёдки

• Плавное поднятие груза

• Постоянный контроль веса тензодатчиком

Система контроля и безопасности

Датчики в работе:

• Тензодатчик измеряет нагрузку в реальном времени

• MPU6050 отслеживает угол наклона стрелы

• Ультразвуковые датчики контролируют расстояние до объектов

• Датчик освещённости взаимодействует со светодиодом

Алгоритм работы системы

Инициализация:

• Проверка всех датчиков

• Настройка параметров работы

• Калибровка системы

Основной цикл работы:

• Сбор данных с датчиков

• Обработка информации микроконтроллером

• Отображение параметров на LCD

• Контроль критических значений

Аварийная защита:

При критическом значении:

• Включается светодиод

• Датчик освещения улавливает свет и:

• Выключаются моторы

• Издается звуковой сигнал

Взаимодействие компонентов

Электронный блок управления:

• Приём данных от датчиков

• Обработка информации

• Управление моторами

• Взаимодействие с EV3

Исполнительные механизмы:

• Моторы поворота платформы

• Сервоприводы стрелы

• Грузовая лебёдка

Отображение информации

Интерфейс управления:

• Текущий вес груза

• Угол наклона стрелы

• Расстояние до объектов

• Статус системы безопасности

• Предупреждающие сообщения

Завершение работы

Остановка крана:

• Плавное опускание груза

• Отключение системы

• Перевод в транспортное положение

2.4. Разработка программного обеспечения

Программа состоит из ряда шагов:

1. Подключение Библиотек

2. Инициализация всех компонентов.

3. Периодическое получение данных с датчиков.

4. Преобразование данных в удобные метрические значения.

5. Запись результатов на экран и выдача предупредительного сигнала и остановка моторов при критических показаниях.

Код начинается с подключения библиотек: #include "MPU6050.h" подключает библиотеку для работы с датчиком MPU6050 (акселерометр и гироскоп); #include <HX711.h> — для работы с модулем HX711 (преобразователь для тензодатчиков, измеряет вес); #include <Wire.h> — стандартная библиотека Arduino для работы с шиной I²C (используется для MPU6050 и LCD‑дисплея); #include <LiquidCrystal_I2C.h> — библиотека для управления LCD‑дисплеем по шине I²C.

Далее идут объявления констант — номеров пинов подключения: const int HX711_DT = 2; и const int HX711_SCK = 3; задают номера пинов Arduino для модуля HX711 (DT — Data, пин 2; SCK — Clock, пин 3). Затем const int ULTRA1_TRIG = 9;, const int ULTRA1_ECHO = 8; и const int ULTRA2_TRIG = 11;, const int ULTRA2_ECHO = 10; задают номера пинов для двух ультразвуковых датчиков расстояния (первый датчик: TRIG — пин 9, ECHO — пин 8; второй датчик: TRIG — пин 11, ECHO — пин 10). const int LED_PIN = 6; задаёт номер пина для светодиода (пин 6).

Затем создаются объекты устройств: HX711 scale; создаёт объект scale класса HX711 для работы с тензодатчиком; MPU6050 mpu; создаёт объект mpu класса MPU6050 для работы с акселерометром/гироскопом; LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); создаёт объект lcd класса LiquidCrystal_I2C для LCD‑дисплея с адресом на шине I²C 0x27 и размером 16 символов × 2 строки.

Функция setup() выполняет инициализацию: Serial.begin(9600); инициализирует последовательный порт (Serial) со скоростью 9600 бод для отладки и вывода данных на компьютер. Далее scale.begin(HX711_DT, HX711_SCK); инициализирует связь с пинами DT и SCK модуля HX711, scale.set_scale(8480.633789); устанавливает коэффициент преобразования «импульсы → граммы» (калибровка), а scale.tare(); обнуляет показания (учитывает вес тары).

Команды Wire.begin(); и mpu.initialize(); запускают шину I²C и инициализируют датчик MPU6050 соответственно.

С помощью pinMode() устанавливаются режимы пинов для ультразвуковых датчиков: pinMode(ULTRA1_TRIG, OUTPUT);, pinMode(ULTRA1_ECHO, INPUT);, pinMode(ULTRA2_TRIG, OUTPUT); и pinMode(ULTRA2_ECHO, INPUT); (пины TRIG — как выходы для отправки импульса, пины ECHO — как входы для приёма эхо‑сигнала).

Для светодиода выполняются: pinMode(LED_PIN, OUTPUT); (установка пина как выхода) и digitalWrite(LED_PIN, LOW); (выключение светодиода).

Инициализация LCD‑дисплея включает: lcd.init(); (запуск дисплея), lcd.backlight(); (включение подсветки), lcd.print("Init..."); (вывод сообщения «Init…» на 1 секунду), delay(1000); (задержка) и lcd.clear(); (очистка экрана).

Функция loop() реализует основной цикл работы. Сначала измеряется вес: scale.power_up(); пробуждает модуль HX711 из энергосберегающего режима, delay(100); даёт задержку 100 мс для стабилизации, float weight = scale.get_units(); считывает вес в граммах, а weight = max(0, weight); заменяет отрицательные значения на 0 (защита от шумов).

Затем измеряется расстояние первым ультразвуковым датчиком: digitalWrite(ULTRA1_TRIG,LOW);,delayMicroseconds(2);, digitalWrite(ULTRA1_TRIG,HIGH);,delayMicroseconds(10);, digitalWrite(ULTRA1_TRIG, LOW); посылают импульс 10 мкс на TRIG; long duration1 = pulseIn(ULTRA1_ECHO, HIGH); измеряет время прихода эхо‑сигнала (в микросекундах); float distance1 = duration1 > 0 ? duration1 * 0.034 / 2 : -1; переводит время в расстояние (см), используя скорость звука ~340 м/с (0.034 см/мкс), делит на 2 (путь туда‑обратно), а если сигнал не получен — возвращает -1. Аналогично выполняется измерение для второго датчика (distance2).

Далее считываются данные акселерометра: int16_t ax = mpu.getAccelerationX(); получает значение ускорения по оси X (сырые данные), ax = constrain(ax, -16384, 16384); ограничивает значение диапазоном MPU6050 (±16384), float angle = ax / 16384.0; нормализует значение к диапазону [−1;1].

Угол наклона (в градусах) вычисляется так: float tiltAngle; объявляет переменную, затем в зависимости от знака angle выполняется расчёт — если angle < 0, то tiltAngle = 90 - degrees(acos(angle));, иначе tiltAngle = degrees(acos(-angle)) - 90;. Здесь используется арккосинус от нормализованного ускорения, радианы преобразуются в градусы (degrees()), а знак угла корректируется в зависимости от направления наклона.

Светодиод включается при выполнении любого из условий: if (weight > 100 || (distance1 > 0 && distance1 < 6) || (distance2 > 0 && distance2 < 6) || tiltAngle < -8) { digitalWrite(LED_PIN, HIGH); } else { digitalWrite(LED_PIN, LOW); }. Условия: вес >100г, расстояние до препятствия <6см (по любому датчику), угол наклона <−8 (опасный наклон).

Наконец, обновляется отображение на LCD‑дисплее. Первая строка: lcd.setCursor(0, 0);, lcd.print(" ");, lcd.setCursor(0, 0);, lcd.print("Wt:"); очищает и выводит метку «Wt:»; затем, если !isnan(weight), выводится вес с точностью 1 знак после запятой и единицей «г» (lcd.print(weight, 1); lcd.print("g");), иначе — «Err». Аналогично обновляются: вторая строка — расстояние от датчика 1 (D1), третья строка — расстояние от датчика 2 (D2), четвёртая строка — угол наклона (Ang). В конце цикла delay(500); задаёт задержку 500 мс перед следующим циклом.

3. Экспериментальные исследования и результаты

3.1. Методика проведения испытаний

Мы провели серию проверок для подтверждения работоспособности нашего проекта:

- Точность измерения массы груза.

- Способность правильно регистрировать углы наклона.

- Безопасность и оперативность оповещения при нарушении стандартов эксплуатации.

3.2. Результаты и их анализ

Испытания показали хорошие результаты:

Для оценки точности системы было проведено 5 серий измерений массы груза в диапазоне 0–100 г. Каждое значение измерялось 5 раз, результаты усреднялись.

Результаты калибровки тензодатчика:

Рис. 3.1 — Калибровочная зависимость тензодатчика и распределение относительной погрешности измерений массы

Анализ данных показывает, что:

- Максимальная абсолютная погрешность не превысила 2 г;

- Средняя относительная погрешность составила 2,4 %;

- максимальная погрешность измерения массы составляла около 2 %, что приемлемо для учебного образца;

- аккуратность измерений угла наклона удовлетворяла нашим ожиданиям, позволив зафиксировать минимальные отклонения;

- система быстро реагировала на возникающие угрозы, своевременно предупреждая оператора.

Все значения укладываются в допустимые пределы для учебного макета и обеспечивают своевременное срабатывание аварийной защиты.

Заключение

Наш проект позволил нам успешно создать модель автономного подъемного крана с интеллектуальным контролем нагрузки и пространственных параметров. Опыт убедительно доказал эффективность выбранного подхода, демонстрируя простоту реализации и низкие затраты на производство.

Экспериментально подтверждено, что погрешность измерений находится в допустимых пределах для масштабной модели.

Данная работа имеет практическую значимость и может использоваться в качестве наглядного пособия на уроках физики по темам «Механические колебания и волны», «Статика», а также на занятиях по робототехнике.

Список использованных источников и ресурсов

1. Перышкин А. В. Физика. 7 класс: учебник для общеобразовательных организаций /

А. В. Перышкин. — 5-е изд., стереотип. — М. : Дрофа, 2023. — 223 с.

2. Касьянов В. А. Физика. 10 класс: учебник / В. А. Касьянов. — М.: Дрофа, 2022. —

С. 87–92. (Раздел «Механические колебания и волны»).

3. Официальный сайт Arduino.

4. Справочная литература по работе с Arduino.

5. Онлайн-курсы и ресурсы по основам программирования и электроники.

6. Документация производителей датчиков и оборудования.

Приложение