IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Роботизированный мусорщик
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Аннотация
Проблема мусора в лесах и парках является одной из самых актуальных на нашей планете. Одна из основных проблем это – загрязнение лесов. Лесопарковая зона любого города воспринимается как место для отдыха, а потому регулярно после людей остаются следы их пребывания: пластиковые банки; полиэтиленовые пакетики; одноразовая посуда. Все это встречается как по отдельности, так и лежит целыми кучами в лесу. Сбор и утилизация этого мусора является актуальной проблемой.
Цель работы: создать сборщик мусора из набора LEGO Ev3 с использованием дополнительных материалов.
Задачи
Изучить литературу по данному вопросу.
Подобрать детали LEGO Ev3 и дополнительные материалы для создания робота. Сконструировать робота из деталей LEGO Ev3.
Научиться программировать в TRIK STUDIO. Написать программу для робота по сбору мусору.
Протестировать и отладить робота по сбору мусора.
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 роботизированного мусорщика, который поможет убрать мусор в лесах и парках, то в лесах и парках мусора станет меньше.
Объект исследования: процесс конструирования и программирования.
Предмет исследования: конструирование и программирование роботизированного мусорщика.
Новизна: Роботизированных мусорщиков для уборки леса и парков пока нет, есть роботы-сортировщики мусора, есть «умные» урны, есть дворники и мусоровозы, которые убирают улицы, также есть роботы-пловцы для очистки рек. Между тем загрязнение лесов и парков актуальная проблема, люди не могут справится с этой проблемой самостоятельно. А мой роботизированный мусорщик может решить эту проблему. Робот по сбору мусора ездит на гусеницах, и поэтому он может добраться до самых труднодоступных мест.
Практическая значимость состоит в том, что роботизированный мусорщик может быть использован в реальной жизни.
Актуальность: Мусор шагает за человеком по пятам. И не оставлять отходов — невозможно. Люди не всегда убирают за собой мусор, поэтому проблема сбора мусора роботом актуальна.
Функционал роботизированного мусорщика: поиск и сбор мусора в лесах и парках.
Роботизированный мусорщик состоит из робота на основе деталей LEGOEV3 и дополнительных материалов.
Создание роботизированного мусорщика предусматривает следующие этапы:
Конструирование системы с помощью LEGO EV3
Для конструирования роботизированного мусорщика я использовал:
|
Модуль EV3 |
|
|
Сервомоторбольшой EV3 |
|
|
Сервомоторсредний EV3 |
|
|
Датчик цветаEV3 |
|
|
Ультразвуковой датчик |
|
|
Детали лего EV3: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. |
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. Гусеничные звенья |
|
Кабель |
Робот совершает движение с помощью больших сервомоторов, 2 шт. Для езды по лесам и паркам использовал не колеса, а на гусеницы, чтобы роботизированный мусорщик смог добраться до самых труднодоступных мест. Для движения по линии использовал датчики цвета (2шт). Ультразвуковой датчик нужен для того, чтобы робот смог увидеть мусор. Из деталей лего сконструировал телегу для мусора и механизм, чтоб задвигать мусор в телегу.
Сконструированного роботизированного мусорщика можно посмотреть в приложении 1
ПрограммированиеTRIK-studio.
Программирую я на TRIK Studio, т.к. это интуитивно понятная среда программирования, позволяет программировать роботов с помощью последовательности блоков. Для меня программирование с TRIK Studio становится простым и увлекательным.
Принцип работы роботизированного мусорщика.
Робот едет по линии, видит с помощью ультразвукового датчика мусор, останавливается. Задвигает мусор в телегу, едет дальше, пока не обнаружит еще мусор. Приезжает в мусороперерабатывающий завод.
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.
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:
Остальную часть программы можно увидеть в приложении 2
Тестирование, корректировкаавтономной системы полива растений и присмотра за животными.
После того как я сконструировал роботизированного мусорщика, написал программу, решил произвести тестирование робота.
Во время тестирования обнаружил следующие недочеты: 1) я запустил систему, но робот по линии не поехал, он наоборот уходил от линии; 2) робот не видел мусор, проезжал мимо. Все недочеты устранены.
Заключение
В процессе исследования я выполнил следующие задачи:
Изучил информацию о роботизированных мусорщиках, сконструировал робота из подобранных деталей LEGO и дополнительных материалов, написал программу. После тестирования и исправления недочетов, проверил в действии своего роботизированного мусорщика.
Учитывая основные этапы, разработал роботизированного мусорщика.
Для конструирования моделей использовал набор LEGOEv3.
При программировании проекта использовал блок «моторы вперед», «датчик цвета», «ультразвуковой датчик», «мощность мотора», «мотор стоп», «условие», «цикл».
После проверки роботизированного мусорщика в действии, я подтвердил гипотезу исследования: если создать роботизированного мусорщика, который поможет убрать мусор в лесах и парках, то в лесах и парках мусора станет меньше.
Данная работа направлена на решение актуальной проблемы – уборки мусора в лесах и парках. Таким образом, выбранная тема является актуальной. Результаты могут быть использованы в реальной жизни.
План исследования
Первый этап: подготовительный (сентябрь 2019-октябрь 2020 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 2020 г.)
Изучение литературы, интернет-источников по данной проблеме;
Изучение робототехники, легоконструирования, программирования на трикстудио;
Создание роботизированного мусорщика (робота).
Программирование.
Третий этап: итогово – аналитический (апрель 2020г.)
1.Обобщение работы по реализации проекта.
Итогом данной исследовательской работы является сконструированный и спрограммированный роботизированный мусорщик.
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