IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Автономная система полива растений и присмотра за животными в домашних условиях
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация
Сегодня поговорим о таких проблемах как, кто приютит кота и кто польет цветы. Если рядом нет людей, которые готовы прийти на помощь, то присмотреть за домом поможет, разработанная мной, автономная система полива растений и присмотра за животными в домашних условиях.
Цель работы: создать автономную систему полива растений и присмотра за животными в домашних условиях из набора LEGOEv3 с использованием дополнительных материалов.
Задачи
Изучить литературу по данному вопросу.
Подобрать детали LEGOEv3 и дополнительные материалы для создания системы. Сконструировать робота из деталей LEGOEv3.
Научиться программировать в TRIK STUDIO. Написать программу для автономной системы полива растений и присмотра за животными.
Протестировать и отладить автономную систему
Методы и приемы, используемые в работе над проектом: изучение литературы, работа в сети Интернет, обобщение и систематизация, ИКТ-технологии, конструирование с помощью деталей LEGO Ev3 и дополнительных материалов, программирование в TRIK STUDIO.
Гипотеза:если создать автономную систему полива растений и присмотра за животными в домашних условиях, то люди спокойно смогут отлучаться из дома на долгое время, например, во время отпуска, не боясь оставить домашних животных и цветы без присмотра.
Объект исследования: процесс конструирования и программирования.
Предмет исследования:конструирование и программирование автономной системы полива растений и присмотра за животными в домашних условиях.
Новизна: есть отдельно кормушки, отдельно системы полива, а я разработал многофункциональную систему, которая может поливать растения и кормить домашних питомцев. Кроме того у уже существующих моделей, много недостатков, например, в автоматизированной кормушке часто застревает корм, или автоматизированная кормушка рассчитана всего на 6 приемов пищи. Моя система исправляет данные недостатки: корм не застревает, можно выбрать размер емкости.
Практическая значимость состоит в том, что автономная система полива растений и присмотра за животными в домашних условиях может быть использована в реальной жизни.
«Автономная система полива растений и присмотра за животными в домашних условиях»
Черняев Григорий Дмитриевич
Россия, Тюменская область, Тюменский район, село Ембаево
МАОУ Ембаевская СОШ им. А. Аширбекова, 6 класс
Научная статья
Сегодня поговорим о таких проблемах как, кто приютит кота и кто польет цветы. Если рядом нет людей, которые готовы прийти на помощь, то присмотреть за домом поможет, разработанная мной, автономная система полива растений и присмотра за животными в домашних условиях.
Изучив тему автоматических кормушек домашних питомцев и систем полива домашних растений, выяснил, что есть отдельно кормушки, отдельно поилки, отдельно системы полива. Выделил минусы, которые можно решить с помощью моей автономной системы полива.
Автокормушка – раздатчик, который через промежуток времени выдает еду порционно.
Минусы:
Работает на батарейках (нет бесперебойной работы, не на долго хватает, часто надо менять батарейки).
Объем сосуда для корма рассчитан не на длительное отсутствие хозяина, а примерно на 1-5 дней.
Проблема с дозатором – при засыпке большого количества корма дозатор часто забивается и перестает работать.
Автопоилка - регулируемая подача воды для домашних питомцев.
Минусы: в одном случае это цена, в другом объем воды, некоторые модели шумно работают, другие работают от батарейки.
Автоматическая система полива комнатных растений – система для полива растений во время отсутствия хозяина. Система может быть установлена на емкость с водой с помощью специального кронштейна или смонтирована прямо на стандартную пластиковую бутылку. Для работы необходимы 4 батарейки ААА.
Минусы:
Работает на батарейках;
Можно настроить режим полива только для одного вида растений, то есть все растения поливаются одинаково. Нельзя, например, один вид растений поливать каждый день, а другой вид растений через день.
Рассчитан на определенное количество растений.
Рассмотрев, какие есть кормушки, какие системы полива растений, я разработал
многофункциональную систему, которая может и поливать растения, и кормить домашних питомцев. Кроме этого постарался избавится от недостатков, которые есть у уже существующих, моделей.
Актуальность: проблема присмотра за животными и за домашними растениями актуальна, так как не всегда есть, кому присмотреть за ними.
Функционал автономной системы полива растений и присмотра за животными в домашних:
1) полив цветов, в зависимости от частоты полива. Например, цветы категории 1 – 1 раз в неделю, цветы категории 2 – 1 раз в две недели.
2) кормление кота – 2 раз в день сухой корм, 1 раз в день вода.
Автономная система полива растений и присмотра за животными в домашних условиях состоит из многофункционального робота на основе деталей LEGOEV3 и дополнительных материалов.
Создание автономной системы полива растений и присмотра за животными в домашних условиях предусматривает следующие этапы:
Конструирование системы с помощью LEGO EV3
Для конструирования автономной системы полива растений и присмотра за животными я использовал:
|
Модуль EV3 |
|
|
Сервомоторбольшой EV3 |
|
|
Сервомоторсредний EV3 |
|
|
Датчик цветаEV3 |
|
|
Детали легоEV3: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. |
1.Зубчатые колеса, цепное колесо 2.Ступица 3. Балки 4. Изогнутые балки, угловые балки 5. Оси 6. Фиксаторы 7. Штифты 8. Втулки 9. Рамы 10. Угловые соединительные штифты |
|
11. |
11. Резиновые ремни |
|
12. |
12. Гусеничные звенья |
|
Кабель |
|
|
Шина, ступица, стальной шарик, шариковый подшипник |
|
|
Бак для воды |
|
|
Емкость для сухого корма кота |
|
Робот совершает движение с помощью больших сервомоторов, 2 шт. – отдельно для каждого колеса. А для того чтобы движение было по линии нужны датчики цвета (2шт). Еще 1 датчик цвета используется при чтении меток растений, чтобы система поняла, какое растение поливать сегодня. При конструировании той части, где полив растений, чтобы вода вытекала из бака, я выбрал подъемный механизм, т.к. нет ни насоса, ни крана. Большой сервомотор
начинает работу, бак поднимается по гусеничной ленте вверх, вода начинает вытекать из гибкой оси.
Бак опущен, система не поливает Бак поднят, система поливает
При конструировании той части, где кормушка, использовал пластиковую бутылку, как емкость для сухого корма. Дно пластиковой бутылки отрезал, вместо дна собрал дверцу из деталей лего, которая открывается и закрывается, при помощи среднего сервомотора.
Закрыта дверца емкости с кормом Открыта дверца емкости с кормом
Сконструированную автономную систему полива растений и присмотра за животными можно посмотреть в приложении I
Программирование TRIKstudio.
Программирую я на TRIK Studio, т.к. это интуитивно понятная среда программирования, позволяет программировать роботов с помощью последовательности блок-схем. Для меня программирование с TRIK Studio становится простым и увлекательным.
Принцип работы автономной системы полива растений и присмотра за животными.
Робот едет по линии, видит перекресток, останавливается. Датчиком цвета считывает метки растений, если метка белая поливает, если черная пропускает.
Доезжает до блюдца кота, наливает воду, доезжает до кормушки, высыпает корм.
Робот осуществляет движение по линии двумя датчиками цвета с использованием пропорционального регулятора (П-регулятора).
Использовал 2 датчика цвета, так как при использовании одного датчика, достаточно часто происходит потеря линии, после чего робот становится неуправляемым.
Использовал П-регулятор, так как при использовании релейных регуляторов приводит к частой потери линии и неэффективному движению вдоль неё.
В пропорциональном регуляторе управляющее воздействие пропорционально отклонению измеряемой величины от нормы (ошибки). Чем больше отклонение - тем больше будет и управляющее воздействие.
Как следует из названия, управляющее воздействие пропорционально отклонению:
u = k*err, где k - коэффициент пропорциональности, а err = (x0-x) - отклонение от нормы (x0 - значение нормы, x - текущее значение).
Зависимость между u и err линейная, а регулятор, работающий по данной формуле, называется пропорциональным линейным регулятором.
При использовании одного датчика света формула примет вид:
u = k*(текущее значение датчика света - значение границы серого).
Опишу, каким образом мы это реализуем в TRIK Studio.
Первое, что необходимо знать роботу – значение “идеальной точки”, расположенной на границе черного и белого.
6
Расположение красной точки на рисунке как раз соответствует этой позиции.
Идеальный вариант расчета – измерить значение черного и белого и взять среднее арифметическое. Сделать это можно вручную. Но минусы видны сразу: в течении даже небольшого времени освещенность может поменяться, и высчитанное значение окажется неверным. Значит, можно заставить это делать робота.
Следующий параметр, участвующий в движении – коэффициент пропорциональности. Чем он больше, тем резче робот реагирует на изменение освещенности. Но слишком большое
значение приведет к “вилянию” робота. Значение подбирается экспериментально индивидуально для каждой конструкции робота. Для моей конструкции – это 1,5.
Последний параметр – базовая мощность моторов. Она влияет на скорость движения робота. Увеличение скорости движения приводит к увеличению времени реагирования робота на изменение освещенности, что может привести к вылету с траектории. Значение тоже подбирается экспериментально. Я взял 50
Логика движения по черной линии такова: измеряется отклонение от идеальной точки. Чем оно больше, тем сильнее робот должен стремиться вернуться к ней.
Для этого высчитываем два числа – значение мощности каждого из моторов В и С по отдельности.
Выглядит так:
7
Остальную часть программы можно увидеть в приложении 2
Тестирование, корректировкаавтономной системы полива растений и присмотра за животными.
После того как я сконструировал автономную систему полива растений и присмотра за животными, написал программу, решил произвести тестирование автономной системы.
Сначала я посмотрел показания датчиков цвета, подкорректировал программу, где надо определить цвет метки растений.
Во время тестирования обнаружил следующие недочеты:
1) я запустил систему, но робот по линии не поехал, он наоборот уходил от линии;
2) вода проливалась мимо;
3) резко открывалась дверца емкости с кормом, все содержимое вываливалось.
Все недочеты устранены.
При программировании автономной системы можно настроить количество цветов, которые нужно поливать, можно установить несколько режимов полива растений, например, поливать 1 раз в два дня/1 раз в день/2 раза в день и т.д., а в магазинах системы полива в основном рассчитаны на не более 10 растений одинакового режима. Также можно регулировать сколько корма насыпать, сколько воды налить домашнему питомцу, увеличить/уменьшить количество приема пищи питомца.
Заключение
В процессе исследования я выполнил следующие задачи:
Изучил информацию о системах полива и автоматических кормушках. Учитывая недостатки уже существующих моделей, сконструировал робота из подобранных деталей LEGO и дополнительных материалов, написал программу на TRIK Studio. После тестирования и исправления недочетов, проверил в действии автономную систему полива растений и присмотра за животными.
Учитывая основные этапы, разработал автономную систему полива растений и присмотра за животными.
Для конструирования моделей использовал набор LEGO Ev3.
При программировании проекта использовал блок «моторы вперед», «датчик цвета», «мощность мотора», «мотор стоп», «подпрограмма», «условие», «цикл».
После проверки автономной системы полива растений и присмотра за животными в действии, я подтвердил гипотезу исследования: если создать автономную систему полива растений и присмотра за животными в домашних условиях, то люди спокойно смогут отлучаться из дома на долгое время, например, во время отпуска, не боясь оставить домашних животных и цветы без присмотра.
Данная работа направлена на решение актуальной проблемы –присмотра за животными и за домашними растениями, если некому присмотреть за ними. Таким образом, выбранная тема является актуальной. Результаты могут быть использованы в реальной жизни.
План исследования
Первый этап: подготовительный (сентябрь 2019-октябрь 2019 г.)
Осознание актуальности проблемы;
Утверждение тематики работы и определение цели, формулирование задач, определение источников информации, планирование способов сбора и анализа информации;
На данном этапе проведена аналитическая работа, доказывающая актуальность темы и поднимаемых проблем. Составлено планирование последующей деятельности.
Второй этап: внедренческий этап (ноябрь 2019 – март 2020г.)
Изучение литературы, интернет-источников по данной проблеме;
Изучение робототехники, легоконструирования, программирования на TRIK Studio;
Создание автономной системы (робота).
Программирование.
Тестирование.
Исправление недочетов, доработка
Третий этап: итогово – аналитический (апрель 2020 г.)
1.Обобщение работы по реализации проекта.
Итогом данной исследовательской работы является сконструированная и спрограммированная автономная система полива растений и присмотра животных в домашних условиях.
Список использованной литературы
1) Конструирование
https://education.lego.com/ru-ru/support/mindstorms-ev3/building-instructions
www.youtube.com
2) Учимся программировать EV3 в TRIK Studio
http://mosmetod.ru/metodicheskoe-prostranstvo/robototekhnika/uchebno-metodicheskie-materialy/lego-konstruirovanie-i-robototekhnika/uchimsya-programmirovat-ev3-v-trik-studio.html
https://www.youtube.com/watch?v=vvnT9bWr7SE
3) TRIK-Studio в примерах и задачах
https://docplayer.ru/70395736-Trik-studio-v-primerah-i-zadachah.html
Приложение 1
Приложение 2
Основная часть
Как выглядит подпрограмма