XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Роботизированное устройство для сбора мусора в водоемах базе конструктора LEGO MINDSTORMS EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мальцев Р.В. 1Савлуков Ю.М. 1Пашковский М.В. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Нагорная П.Н. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

747.7 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Проблема загрязнения водных ресурсов является одной из наиболее острых экологических проблем современности. Пластиковые бутылки, полиэтиленовые пакеты и прочий антропогенный мусор, попадая в реки, озера и прибрежные зоны морей, наносят непоправимый ущерб экосистемам, приводят к гибели гидробионтов и ухудшают качество воды.

Традиционные методы очистки водоемов (сетями, сачками или вручную) часто малоэффективны, трудоемки или опасны для человека, особенно при сборе мусора в труднодоступных местах или на поверхности с тонким льдом.

В связи с этим актуальной задачей является поиск нестандартных и доступных технических решений, позволяющих автоматизировать процесс сбора плавающего мусора. Одним из перспективных направлений в образовательной и любительской робототехнике является использование программируемых конструкторов, таких как LEGO MINDSTORMS EV3.

Целью нашего исследования является создание роботизированного устройства для сбора мусора в водоемах базе конструктора LEGO MINDSTORMS EV3.

Основные задачи нашего исследования включают:

1. Изучение видов и источников загрязнения водоемов;

2. Анализ методов очистки природных и сточных вод;

3. Создание роботизированного устройства для сбора мусора в водоемах;

4. Программирование устройства;

Гипотеза: Внедрение роботизированных систем для очистки водоёмов приведет к комплексному улучшению состояния водных экосистем. Предполагается, что это положительно скажется как на качестве воды, так и на численности и здоровье популяций рыб.

Глава 1. Основная информация о загрязнении водоемов

1. 1. Виды и источники загрязнения водоемов

Проблема загрязнения водоемов на сегодняшний день является одной из наиболее острых в сфере экологии. Гидросфера — это тонкая оболочка Земли, и ее загрязнение происходит в десятки раз быстрее, чем естественное самоочищение океанов, морей, рек и озер. В результате хозяйственной деятельности человека ежегодно в водные объекты попадают миллионы тонн химических соединений, нефтепродуктов, тяжелых металлов и органических отходов [1].

Для того чтобы эффективно бороться с загрязнением, необходимо понимать, какие существуют виды загрязнений воды. Экологи разделяют их на несколько основных категорий по природе воздействия (Рисунок 1.1.1, Приложение).

Первый и наиболее масштабный вид — химическое загрязнение. Оно составляет около 70-80% от общего объема антропогенного воздействия (Рисунок 1.1.2, Приложение). Сюда входят попадание в воду минеральных солей (например, сульфатов и хлоридов), кислот, щелочей, а также токсичных металлов (ртуть, свинец, кадмий, цинк, хром). Особняком стоят синтетические поверхностно-активные вещества (СПАВ), входящие в состав стиральных порошков и моющих средств. Даже в малых концентрациях СПАВ разрушают защитную пленку воды и угнетают планктон.

Второй вид — органическое (биологическое) загрязнение. Оно возникает из-за попадания в водоемы растительных остатков, фекалий сточных вод, остатков кормов с ферм или целлюлозы с заводов. Парадокс заключается в том, что органические вещества служат пищей для бактерий. При их избытке микроорганизмы начинают бурно размножаться, потребляя растворенный в воде кислород. Наступает гипоксия (кислородное голодание), из-за которой массово гибнут рыбы и моллюски.

Третий вид — тепловое загрязнение. Хотя вода не меняет свой химический состав, сброс подогретой воды от атомных и тепловых электростанций (АЭС и ТЭС) резко меняет среду обитания. Повышение температуры даже на 3–5 градусов ускоряет метаболизм водных обитателей, сокращает сроки нереста и часто приводит к так называемому «цветению воды» — бурному росту сине-зеленых водорослей, которые выделяют токсины.

Четвертый, визуально самый заметный вид — механическое загрязнение. Это мусор, пластик, взвешенные частицы грунта, строительный мусор и ил. Такие частицы не вступают в химические реакции, но увеличивают мутность воды, что препятствует проникновению солнечного света. В результате фотосинтез водных растений снижается, а дно покрывается слоем отходов, уничтожая нерестилища. Перейдем к рассмотрению конкретных источников загрязнения. Условно их можно разделить на три большие группы: промышленные стоки, сельскохозяйственные смывы и бытовые воды. Начнем с самого агрессивного фактора — промышленности.

Источники загрязнений водоёмов.

Промышленность — лидер по объему токсичных сбросов. Металлургические заводы насыщают воду ионами тяжелых металлов (свинец, цинк, медь), фенолами и цианидами. Химическая промышленность поставляет в водоемы сложные органические соединения, пестициды, многие из которых являются канцерогенами. Нефтехимия и нефтедобыча — источник одного из самых опасных загрязнителей: нефти и нефтепродуктов. Одна тонна нефти способна покрыть тонкой пленкой 12 квадратных километров водной поверхности. Эта пленка блокирует газообмен между водой и атмосферой, убивает птиц и приводит к гибели прибрежных экосистем. Целлюлозно-бумажные комбинаты сбрасывают огромное количество взвешенных волокон и сульфидных соединений, которые при разложении выделяют сероводород и метан [1].

Второй по значимости, а в последние десятилетия и по масштабам, источник — сельское хозяйство. Оно является основным поставщиком так называемого диффузного (рассеянного) загрязнения. В отличие от заводской трубы, отходы с полей смываются по всей площади дождями и талыми водами. Рассмотрим три главных компонента сельскохозяйственного стока:

Удобрения (нитраты и фосфаты). При избытке азота и фосфора возникает эвтрофикация — «цветение» воды. Водоросли разрастаются, затем отмирают и гниют, вызывая замор рыбы. Кроме того, нитраты опасны для человека (вызывают метгемоглобинемию).

Пестициды. Гербициды и инсектициды, применяемые для уничтожения сорняков и вредителей, часто оказываются устойчивыми к разложению и накапливаются в тканях водных животных.

Отходы животноводства. Крупные свинокомплексы и птицефабрики производят навозных стоков, сопоставимых по объему с городскими канализационными сбросами. Попадая в реки, навоз вызывает вспышки кишечных инфекций (сальмонеллез, лептоспироз) и удушье водной фауны.

Третья группа источников — коммунально-бытовые сточные воды. Это сливы из городских канализаций, воды от прачечных, столовых, больниц и ливневки с городских улиц. Главная опасность бытовых стоков — патогенная микрофлора (вирусы гепатита, холерный вибрион, яйца гельминтов) и органические остатки (белки, жиры, углеводы). Несмотря на работу очистных сооружений, во многих городах, особенно в развивающихся странах, значительная часть стоков сбрасывается без очистки. Также в ливневых водах содержатся высокие концентрации взвесей, масел, соли (которой посыпают дороги зимой) и продуктов износа автомобильных шин (содержащих цинк и канцерогенные углеводороды).

Отдельно стоит выделить водный транспорт. Суда сбрасывают за борт не только хозяйственно-бытовые воды, но и льяльные (трюмные) воды, насыщенные мазутом. Аварии танкеров, перевозящих нефть, приводят к экологическим катастрофам регионального масштаба. Однако даже обычные прогулочные катера наносят вред механическим загрязнением (мусор) и шумовым воздействием, отпугивающим рыбу.

Последствия загрязнения для человека и природы

Комплексное воздействие всех перечисленных источников приводит к необратимым изменениям:

• Дефицит питьевой воды. Даже при обилии воды в реке 70% запасов пресной воды на планете непригодны для питья без дорогостоящей очистки.

• Заболевания. Употребление загрязненной воды вызывает брюшной тиф, холеру, гепатит А, а также накопление тяжелых металлов в костях и почках (болезнь Минамата).

• Деградация экосистем. Замена ценных видов рыб (лосось, осетр) на малоценных сорняков (ротан, карась), исчезновение коралловых рифов из-за седиментации и токсинов.

• Экономический ущерб. Закрытие пляжей, потеря уловов, затраты на очистку воды в промышленности.

Решение проблемы требует комплексного подхода: совершенствования очистных сооружений (внедрение замкнутых циклов водоснабжения на заводах), перехода на точное земледелие (минимизация удобрений) и жесткого контроля за сбросом балластных вод судами [2]. Только баланс между хозяйственной деятельностью и емкостью экосистем способен сохранить гидросферу для будущих поколений.

1. 2. Методы очистки природных и сточных вод

Очистка воды — это комплекс технологических процессов, направленных на удаление из воды загрязнителей: взвешенных частиц, коллоидов, растворенных солей, органических соединений, бактерий и вирусов. Различают очистку природных вод (из рек, озер, скважин) для последующего питьевого водоснабжения и очистку сточных вод (бытовых, промышленных, ливневых) перед их сбросом в водоем или повторным использованием [3].

Все методы очистки делятся на четыре большие группы: физические (механические), химические, физико-химические и биологические (Рисунок 1.2.1, Приложение).

Механическая очистка — это первый барьер, который преодолевает загрязненная вода. На этом этапе из воды извлекают нерастворенные минеральные и органические примеси: песок, глину, окалину, волокна, пластик, жир.

Основные методы и сооружения:

• Решетки и сита. Устанавливаются на входе в очистные сооружения. Это набор параллельных стержней (зазор обычно 5–16 мм), которые задерживают крупный мусор: тряпки, бумагу, остатки пищи, пластиковые бутылки. Задержанные отходы удаляются механическими граблями и сжигаются или вывозятся на полигоны. (Рисунок 1.2.2, Приложение).

• Песколовки. Это резервуары, в которых скорость потока воды искусственно замедляется. Под действием силы тяжести тяжелые минеральные частицы (песок, шлак, битое стекло) выпадают в осадок, а легкая органика остается во взвешенном состоянии. Песколовки защищают последующее оборудование от абразивного износа.

• Отстойники. Бывают горизонтальными, вертикальными и радиальными. Принцип тот же — гравитационное осаждение, но для более мелких частиц. Время отстаивания составляет от 1,5 до 4 часов. В отстойниках выпадает до 50-60% взвешенных веществ. Осадок (сырой ил) удаляется скребковыми механизмами.

• Фильтрование. Вода пропускается через пористую перегородку. Для природной воды это медленные (через песок) или скорые (через антрацит, песок, гравий) фильтры. Сточную воду дополнительно фильтруют через маленькие сита (ячейки до 0,5 мм) или барабанные сетки.

Для удаления плавающих примесей (масла, жира, нефтепродукты, смолы) используют жироловки и нефтеловушки. Вода проходит через резервуар, где легкие вещества всплывают на поверхность и сгребаются специальными скребками в сборные лотки. Эффективность удаления нефтепродуктов на этом этапе — до 90%.

После того как мы выловили весь крупный мусор (палки, тряпки, пластик), в воде все еще остается «невидимая глазу» грязь: растворенные яды, мыльные пленки, мелкий ил и опасные бактерии. Чтобы убрать их, в ход идут три мощных метода: химический, физический и биологический [3].

Химический метод.

В воду добавляют специальные порошки или жидкости — реагенты. Они вступают в реакцию с загрязнением и обезвреживают его.

Нейтрализация. Если вода кислая (как уксус) или щелочная (как отбеливатель), в неё добавляют противоположное вещество. В результате получается нейтральная вода. Это как смешать соду с уксусом, чтобы «погасить» их действие.

Коагуляция (Очищение облачками). Это самый важный процесс для мутной речной воды. В воду сыплют соль алюминия. Представьте, что мелкие частицы глины — это люди с положительными зарядами, а отталкиваются друг от друга. «Лекарство» снимает этот заряд, и частицы слипаются в крупные хлопья, похожие на снег. Они быстро тонут на дно, увлекая за собой муть. Многие загрязнения (например, коллоидные частицы, придающие воде мутность и цветность) слишком малы для эффективного удаления механической фильтрацией.

Коагуляция – это процесс дестабилизации этих частиц путем добавления химических реагентов (коагулянтов), таких как сульфат алюминия или хлорид железа. В результате частицы теряют заряд и начинают слипаться. Особую эффективность очистки от загрязнений коллоидного характера приносит применение именно этого метода [3].

Окисление (Сжигание без огня). Используют газ озон (тот самый, что пахнет свежестью после грозы). Озон — очень сильный окислитель. Он просто «сжигает» бактерии и яды прямо в воде, превращая их в безвредные газ и воду.

Физико-химический метод (Уловки с пузырьками и магнитами).

Эти методы помогают вытащить то, что не тонет и не растворяется.

Флотация (Ловушка для пузырьков). Снизу в воду подают мельчайшие пузырьки воздуха. Жир, масло, нефтепродукты и мыльная пена — они гидрофобны (боятся воды). Как маленькие утята, они цепляются за пузырьки и быстро всплывают наверх. На поверхности образуется грязная пена, которую легко снять скребком [4].

Сорбция (Чистящий уголь). Самый популярный метод. Представьте, что активированный уголь — это губка. Только впитывает он не воду, а молекулы ядов, запахов и бензина. Когда вода проходит через угольный фильтр, грязь прилипает к угольку и остается в нем.

Биологический метод (Работа бактерий).

Это сердце любой городской канализации. Мы не вывозим грязную воду на свалку, а кормим ею специально обученных микробов.

Главная идея: Микробы голодные. Органические отходы (фекалии, остатки еды) для них — вкусный обед. Поедая отходы, они очищают воду.

Аэротенк (Аквариум с микробами). Это огромный бетонный бак (длиной 50-100 метров).

Туда закачивают сточную воду и добавляют «активный ил» — это масса, кишащая бактериями и инфузориями.

Как это работает: За 6-12 часов бактерии съедают всю органическую грязь, превращая её в углекислый газ и воду. Сами бактерии при этом размножаются и растут.

Биофильтр (Горка с пленкой). Вода стекает тонким слоем сверху вниз по камням, покрытым липкой бактериальной пленкой. Когда вода касается камней, микробы тут же «съедают» из неё грязь.

1. 2. Очисткаконкретных типов водоемов

Очистка конкретных типов водоемов, таких как пруды, озера, реки или водохранилища, требует учета их размеров, глубины, степени загрязнения и экологических особенностей.

Таблица 1.3.1 Сравнительный анализ методов и особенностей отчистки различных типов водоёмов

Выбор метода очистки водоема — это не вопрос эффективности «в целом», а вопрос выживания экосистемы. То, что спасет небольшой пруд, разрушит реку, а метод, идеальный для очистки дна карьера, окажется бесполезным в болоте. Игнорирование типа водоема — главная причина того, что многие восстановительные работы приводят к еще более плачевным результатам, чем само загрязнение.

Глава 2. Создание роботизированного устройства для сбора мусора в водоемах базе конструктора LEGO MINDSTORMS EV3

2.1 Конструкция робота и его функционал

В целях улучшения качества водоемов, поддержанию здоровья рыбной популяции и оздоровлению окружающей среды нами была разработана и создана модель роботизированного устройства, предназначенного для очистки водных объектов (Рисунок 2.1.1, Приложения).

Разработанное роботизированное устройство для очистки воды представляет собой автономную электромеханическую систему, собранную на базе образовательного конструктора LEGO MINDSTORMS EV3. Выбор данной платформы обусловлен её модульностью, достаточной точностью позиционирования и возможностью быстрого прототипирования механизмов.

Основная задача робота — механическо-физическая очистка поверхности воды от плавающего мусора, биоплёнки или мелких взвешенных частиц. Устройство сконструировано по принципу катамарана или плавающей платформы: центральный блок управления и модуль очистки расположены на плавучей основе, обеспечивающей устойчивость за счёт низкого центра тяжести и широкой колеи поплавков.

Функционально робот решает три ключевые задачи: навигация по заданной акватории с уклонением от препятствий, захват и удержание загрязнителя, а также его транспортировка в зону сбора. Движение осуществляется за счёт двух независимых средних моторов EV3.

Для точного определения момента столкновения с неподвижными объектами (камни, стенки бассейна, трубопроводы) или динамическими помехами служат два датчика цвета. Они установлены в передней части клешней (Рисунок 2.1.2, Приложения).

Центральное место в конструкции занимает модуль очистки. Он представляет собой захватный механизм типа «клешни», шарнирно закреплённый на поворотной консоли. Особенностью данного узла является применение угловой зубчатой передачи (Рисунок 2.1.3, Приложения).

Угловая передача применена по двум причинам: во-первых, она позволяет передать крутящий момент от вала среднего мотора, расположенного вертикально (внутри корпуса), к горизонтальной оси вращения клешней; во-вторых, она обеспечивает высокое передаточное отношение и самоторможение в статическом положении.

Это значит, что после смыкания клешней вокруг куска мусора (например, листа, пакета или водорослей) механизм не разожмётся под действием силы тяжести или гидродинамического сопротивления воды. Клешни снабжены губками с резиновыми накладками и дренажными прорезями — это позволяет удерживать мусор, одновременно выпуская избыток воды, что снижает массу транспортируемого груза.

В завершающей стадии цикла очистки робот транспортирует захваченный мусор к стационарному сборщику — контейнеру с наклонной плоскостью или сетчатой платформе. При достижении зоны сброса включается реверсивная последовательность: клешни разжимаются, и мусор под действием силы тяжести падает в приёмный отсек. Далее робот выполняет разворот и отправляется на повторный заход.

Важной особенностью программного управления является ведение счётчика успешных захватов и таймера работы. Если в течение заданного интервала времени датчики цвета не зафиксировали встречи с крупными объектами, а мотор клешней не испытывал сопротивления (нет мусора), робот переходит в режим поиска нового сектора.

Таким образом, конструкция на базе EV3 с двумя средними моторами, двумя датчиками касания и угловой зубчатой передачей в клешнях создаёт эффективное и программируемое устройство для автономной очистки воды на ограниченных акваториях.

2.2 Описание программы для робота

Программная реализация работы роботизированного устройства для очистки воды выполнена в среде программирования LEGO MINDSTORMS EV3 (Рисунок 3.1.1, Приложения). Программа построена по принципу конечного автомата с тремя основными состояниями: «Поиск мусора», «Захват» и «Разгрузка».

Управление осуществляется в реальном времени на основе сигналов от двух датчиков цвета (установленных в передней части корпуса, оптические оси направлены вниз-вперёд на поверхность воды), двух средних моторов, управляющих клешнями, и центральной кнопки модуля EV3 (кнопка «ОК»), используемой в качестве триггера ручной разгрузки.

Алгоритм работы.

После запуска программы инициируются все порты: датчики цвета подключаются к портам 1 и 2 (режим «Отражённый свет»), средние моторы клешней — к портам A и D (синхронизированный режим).

Первым этапом робот переходит в режим «Поиск мусора»: Робот движется прямолинейно до тех пор, пока хотя бы один из датчиков цвета не зафиксирует изменение отражающей способности, соответствующее присутствию постороннего предмета (мусора).

В среде EV3 это реализуется блоком «Ожидание» в режиме «Сравнение с порогом» (значение отражённого света падает ниже 10% при попадании на тёмный лист или поднимается выше 80% при обнаружении белого пенопласта.

Этап захвата: активация двух средних моторов (порты A и D), управляющих угловой зубчатой передачей клешней. Моторам задаётся синхронное вращение на определённый угол — 70 градусов. Скорость вращения не превышает 30% от максимума, чтобы обеспечить плавное и плотное смыкание клешней вокруг мусора без его раздавливания или выталкивания.

После завершения поворота моторы автоматически блокируются (режим удержания), так как в конструкции используется угловая зубчатая передача с самоторможением. Это исключает самостоятельное разжатие клешней при транспортировке.

После захвата робот переходит в режим «Транспортировка» и движется в заданную точку сброса.

Процедура разгрузки по нажатию кнопки. Разгрузка мусора в контейнер инициируется вручную. В данной реализации используется прямое взаимодействие оператора с центральной кнопкой модуля EV3. Программа на основном цикле содержит блок «Кнопка» в режиме «Ожидание нажатия». Как только центральная кнопка нажата, происходит реверсивное вращение средних моторов клешней на угол, симметричный углу захвата.

Таким образом, программа, реализованная в среде LEGO MINDSTORMS EV3, обеспечивает полностью автономный цикл «обнаружение — захват — транспортировка — разгрузка по кнопке». Использование двух датчиков цвета позволяет локализовать мусор в передней полусфере, а привязка процедуры разгрузки к центральной кнопке делает управление интуитивно понятным для оператора, исключая необходимость в дополнительных пультах или беспроводных модулях.

Заключение

В ходе выполнения работы было разработано и описано роботизированное устройство для очистки воды, созданное на базе образовательного конструктора LEGO MINDSTORMS EV3. Актуальность такой разработки обусловлена необходимостью автоматизации процесса удаления плавающего мусора из небольших замкнутых водоёмов, технических резервуаров, лабораторных отстойников и акваторий с ограниченным доступом для человека. Предложенная конструкция сочетает в себе простоту сборки, модульность и достаточную функциональность для решения поставленной задачи.

Роботизированное устройство можно считать работоспособным прототипом. Оно наглядно демонстрирует, как на базе стандартного образовательного конструктора с минимальным набором датчиков (два датчика цвета), двух средних моторов и одного программного модуля можно создать эффективную автоматическую систему для сбора плавающего мусора. Использование угловой зубчатой передачи в приводе клешней является удачным инженерным решением, повышающим компактность и надёжность захвата.

Таким образом, цель работы — создание функционального и программируемого робота для очистки воды на базе EV3 — достигнута. Разработанное устройство может быть рекомендовано для использования в учебных проектах по робототехнике, экологическом мониторинге малых водоёмов, а также в качестве основы для дальнейших научно-исследовательских и конструкторских разработок в области автономных водных роботов-уборщиков.

Список использованных источников

1. https://science.mail.ru/articles/3355-zagryaznenie-vody/

2. https://ru.ruwiki.ru/wiki/Загрязнение_водной_среды

3. https://www.ekodar.ru/filter/water-wiki/o-filtrah/sposoby-ochistki-vody-metody-tekhnologii-vybor/

4. https://bwater.ru/stati/obzor-sovremennyh-tehnologij-filtraczii-vody/

ПРИЛОЖЕНИЯ