Незнайка в современном Солнечном городе

IX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Незнайка в современном Солнечном городе

Лазарев С.Ю. 1Симоненко М.Д. 1
1МАОУ "Школа №30" г. Ростов-на-Дону
Лазарев Ю.В. 1
1Центр дополнительного образования "Умная Школа"
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Летом мы прочитали книгу «Незнайка в Солнечном городе». В 1958 году Николай Носов предсказал появление многих изобретений, которые сейчас существуют: робот-пылесос, робот-утюг, ультразвук против вредителей, 3D-видео, дистанционное управление сельхозтехникой, мультимедиаплейер. Чего-то сейчас пока еще нет – например, воздушные дома.

В главе 18 описывается полностью автоматический автомобиль, который ездит по городу по Навигатору. Как он мог это написать в 1958 году?

Нас впечатлила идея создания автомобиля, движущегося в городе самостоятельно. Мы решили реализовать такой проект: создать модель самоуправляемого автомобиля и поэкспериментровать с его возможностями. То есть мы решили немного заглянуть в будущее и построить маленькую модель того, что нас будет ждать.

Что же мы хотели сделать?

1 Создать «машину», которая сможет ездить и вперед, и назад, а также поворачивать в любую сторону

2 Пока мы еще маленькие и не можем сделать, чтобы машина ездила сама – поэтому надо создать механизм управления такой машинкой. Мы выбрали в качестве такого механизма джойстик

3 Создать умный гараж, который будет автоматически открывать двери при подъезжании нашей машины и автоматически закрывать двери тогда, когда машина въехала в наш гараж

Сначала задача нам показалась несложной, но в итоге для реализации этого проекта нам пришлось сделать 4 (ЧЕТЫРЕ!!!) робота

Актуальность нашего проекта:

Мы живем в быстро меняющемся мире. Технологии стремительно развиваются и направлены на то, чтобы помочь человеку в освобождении его от рутинных, однотипных операций. В этом человечеству помогает новая прикладная наука «робототехника»

Цель проекта:

Мы будем жить в мире роботов, поэтому мы хотим

изучить новую отрасль науки: робототехника

узнать ее историю, философию

исследовать возможности мобильного робота и проблемы, с которыми он может столкнуться

Задачипроекта «Незнайка в современном Солнечном городе»

Разработать мобильного робота

Узнать принципы работы мобильного робота

Понять: какие проблемы могут возникнуть при проектировании робототехнических проектов и как они решаются разработчиками

Гипотеза:

Для того, чтобы заниматься робототехникой, надо обладать знаниями в разных областях науки: математике, физике, информатике, инженерии.

Основная часть

Теоретическая часть

Место робототехники в современном мире.

Если мы спросим жителя небольшого города, например, Таганрога или Новочеркасска, и даже города крупнее, такого как Ростов-на-Дону, в умном ли городе он живет, скорее всего, человек улыбнется и пожмет плечами в ответ. А тем временем технологии в нашей жизни появляются каждый день. Роботы перестали быть фантастикой. Но если в произведениях писателей-фантастов роботы представляются в виде человека с функциями «сверх человека», в современном мире роботы – это технические устройства с определенными функциями.

Всего лишь несколько десятков лет назад обычные люди даже не могли представить, что фантастические романы отчасти станут реалиями быта современного человека.

Уже сейчас:

роботы делают трудоемкие хирургические операции,

в Париже и Дубай ездят поезда метро без водителя,

в компании Amazon роботы разгружают почтовые склады.

В 2020 году людям уже доступны все преимущества «умных» домов, а у многих дома есть робот-пылесос.

По мере развития технологий применение робототехники начинает распространяться и в других областях: сельском хозяйстве, логистике, медицине и других. В 2020 году роботы уже внедрены во многие сферы деятельности человека. Они дополняют или заменяют труд человека как в опасных видах деятельности, так и в повседневной жизни.

Уже сегодня в «Атласе новых профессий Сколково» мы встречаем профессии, связанные именно с робототехникой, которые будут востребованы в ближайшем будущем. Многие из них будут являться частью медицины, например, специалист по программированию диагностических, лечебных и хирургических роботов, IT- генетик, специалист по киберпротезированию.

Робототехника – синтез точных наук

Термин «робототехника» (robotics) впервые используется в печати в романе А.Азимова «Лжец» в 1941 году. В настоящее время робототехника – это сложная прикладная наука.

Под управлением роботом понимается решение комплекса задач, связанных с:

Разработкой и адаптацией робота;

программированием движений;

синтезом системы управления и её программного обеспечения.

Робототехника включает в себя такие дисциплины, как электроника, механика, информатика и радиотехника. Изучение робототехники в рамках различных дисциплин позволяет решать важные задачи. Например, в курсе математики – это реализация основных математических операций, геометрические задачи, решение уравнений. В рамках физики возможно изучение законов механики, оптики, волн. В курсе технологии - конструирование роботов, как по инструкциям, так и произвольно. Изучение робототехники в курсе информатики – программирование, основы логики и логические основы компьютера.

Практическая часть

Условия задачи.В последнее время в мире очень многие компании и люди занимаются проблемой беспилотного транспорта. Активно разрабатываются и тестируются автомобили, способные передвигаться без участия человека. В США они уже используются.

Важность этой задачи показывает несколько фактов.

Использование самоуправляемых автомобилей позволило сократить количество аварий на дороге.

Уже был случай, когда машина с системой автопилота Tesla доставила своего хозяина в больницу, когда у него случился сердечный приступ.

Внедрение системы самоуправляемых автомобилей могло бы решить очень актуальную для нашего города проблему пробок. Ведь такие автомобили не перегораживали перекрестки или могли выбирать путь с наименее загруженными дорогами.

Нас заинтересовала эта задача и мы решили построить модель и исследовать проблемы, которые могут стоять перед разработчиками.

Этапы проекта

1. Создать «машину», которая сможет ездить и вперед, и назад, а также поворачивать в любую сторону

2. Это первый наш проект, поэтому возникли трудности в создании полностью самостоятельной машины. Мы решили, что надо создать механизм управления таким транспортом. Мы выбрали в качестве такого механизма джойстик.

3. Создать умный гараж, который будет автоматически открывать двери при подъезде нашей машины и автоматически закрывать двери тогда, когда машина въехала в наш гараж

4. Задокументировать наш проект, создав инженерные листы на каждую модель

Реализация проекта

В ходе проекта мы разбили проект на этапы: разработали и запрограммировали 4-х роботов:

Автомобиль-беспилотник

Система управления автомобилем (используем джойстик)

Ворота с датчиком, которые будут автоматически открываться, когда будет подъезжать автомобиль

Система управления воротами

Для реализации нашего проекта нам пришлось провести несколько экспериментов.

Также, чтобы учесть все особенности нашего проекта, мы решили вести инженерные листы на каждую модель. (Приложения I-IV)

ЭТАП №1. Проектирование и конструирование машины, которая будет ездить вперед и назад и поворачивать во все стороны.

К онструктивная особенность: модель с двумя моторами.

Проблема №1: оказалось, что построить машину с одним мотором, которая будет поворачивать почти невозможно.

Решение: мы сделали модель с двумя моторами, в этом случае колеса могут двигаться по-разному и автомобиль может повернуть.

Эксперимент №1: Проведение нескольких заездов автомобиля с разными вариантами конструкции, чтобы выбрать самую устойчивую и хорошо ездящую

Проблема№2: мы подключили моторы напрямую к колесам и модель получается слишком широкой и не может въехать даже в большой «гараж».

Р ешение: мы использовали зубчатую передачу и передавали вращение мотора на колеса под прямым углом.

Далее необходимо написать программу по движению машины.

Проблема: моделью можно управлять не на любой скорости.

Эксперимент №2: проведение нескольких заездов автомобиля с изменение мощности мотора в программе

Решение: в ходе экспериментов оказалось, что только на самой малой мощности моторов можно управлять нашей моделью.

Подробное описание модели мы отразили в инженерном листе (приложение I)

ЭТАП №2. Проектирование и конструирование системы управления автомобилем.

К онструктивная особенность: использование датчика-гироскопа.

Как мы говорили ранее, мы выбрали джойстик в качестве механизма управления нашим автомобилем. Пришлось серьезно подумать над тем, как сделать так, чтобы наш беспилотный автомобиль мог управляться во всех направлениях –вперед, назад, вправо и влево. В ходе проектирования нам понадобилось использовать датчик-гироскоп. Он должен был определять: изменился ли угол наклона в пространстве и передавать сигнал нашей программе. (О! это же надо понимать математику!)

Эксперимент №3. Проведение серии экспериментов с датчиком-гироскопом с целью выяснить, какие он передает числовые параметры.

Т акже необходимо написать программу, в которой один робот будет управлять другим.

Проблема: При программировании мы не учли остановку.

Решение: Нам пришлось добавить еще одну команду, которая останавливала наш автомобиль, даже когда джойстик был в покое

Подробное описание модели мы отразили в инженерном листе (приложение II)

ЭТАП №3. Проектирование системы управления воротами.

С истему управления воротами мы решили сделать из двух датчиков расстояния: когда срабатывал первый датчик (значит машина подъехала) –этот робот давал команду открыть ворота, а когда срабатывал второй (значит машина уже заехала внутрь) –закрыть ворота.

К онструктивная особенность: использование датчика-расстояния

Мы разобрались как работает датчик расстояния: он посылает волну, и, когда она возвращается обратно, вычисляет расстояние до предмета исходя из времени, за которое вернулся сигнал. О! это же физика!

Эксперимент №4. Проведение нескольких испытаний с целью определить на каком расстоянии датчик «разглядит» подъезжающий автомобиль.

Подробное описание модели мы отразили в инженерном листе (приложение IV)

ЭТАП № 4. Проектирование и конструирование ворот умного гаража, которые будут автоматически открывать створки, когда подъезжает наш автомобиль.

Э ксперимент № 5: Используя разные передачи в конструкции, выяснить какая необходима передача, чтобы вращались обе створки ворот.

Проблема: в результате эксперимента стало понятно, что не любая передача подходит.

Решение: Мы приняли решение не использовать зубчатую передачу, так как она слишком длинная.

К онструктивная особенность: мы установили 2 мотора –по одному на каждую створку и наткнулись на следующую проблему: моторы надо вращать в разные стороны. Также пришлось усложнять программу, чтобы моторы вращались одновременно.

В результате работы над всеми частями проекта и решения возникших проблем, наш проект заработал, и мы смогли получить тот результат, на который рассчитывали и достигли целей проекта.

Подробное описание модели мы отразили в инженерном листе (приложение III)

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Мы погрузились в мир робототехники и почувствовали себя настоящими учеными. Ведь в ходе работы нам пришлось решать возникающие проблемы, проводить эксперименты, принимать правильные решения и делать выводы из того, что мы получили.

В ходе реализации проекта нам пришлось много экспериментировать и применять знания и опыт из различных областей:

Математики (например, угол наклона, угол поворота),

Физики (например, мощность, траектория, волна, скорость)

Информатики (программа, команды, операции, оператор ветвления)

Получается, робототехника, действительно, использует знания из многих точных наук и объединяет их во что-то новое.

Перед нами осталось еще много нерешенных задач: как сделать чтобы робот различал препятствия и быстро менял траекторию движения, как заменить джойстик на полноценный блок управления, как сделать, чтобы автомобиль различал знаки дорожного движения, но все они решаемы. Мы уверены, что все их можно решить.

Также наш проект можно расширять: разрабатывать другие управляемые здания и автономные транспортные средства.

Еще мы поняли, что это очень ответственно: задавать программу для роботов, ведь можно заложить неправильную программу и получить плачевный результат, когда робот поведет себя в городе ошибочно, что приведет к разрушениям или даже жертвам.

Но это очень интересный процесс: исследование и разработка роботов. Надеемся, что в будущей профессии мы будем использовать новые знания.

Наше предложение:

Как можно больше ребят обучать робототехнике, и они станут востребованными в будущем и выберут интересную профессию.

Список литературы:

Николай Носов: Незнайка в Солнечном городе; – Москва, Издательство «Эсмодетство», 2018. - 280 с.;

Йошихито Исогава: Большая книга идей LEGO Technic. Машины и механизмы; [пер. с англ. Обручева О.В.]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2017. - 328 с.;

LEGO Книга идей: новая жизнь старых деталей: 181 удивительный механизм и устройство; [пер. с англ. А. Аревшатян]. – Москва, Издательство «Эсмо», 2015. - 200 с.;

Корягин А.В, Образовательная робототехника Lego WeDo. Сборник методических рекомендаций и практикумов – ДМК-Пресс, 2016. – 252 с

Атлас новых профессий «Сколково»

Электронный ресурс www.hi-news.ru

Электронный ресурс www.neuronus.com

Электронный ресурс www.robotrends.ru

Электронный ресурс www.ru.wikipedia.org

Приложение. Инженерный лист №1. Машинка Незнайки

Название модели: Машина Незнайки

Изображения робота:

Описание конструкции робота

№ п/п

Схема

Перечень деталей

Описание

1

 

Смартхаб

Моторы
Балки

Машинка управляется смартхабом, подключенным по Bluetooth к компьютеру. Команды со смартхаба подаются на моторы

2

 

Конические зубчатые шестеренки

Данная конструкция с параллельной установкой двигателей позволяет изменить угол вращения с мотора, тем самым существенно уменьшить габаритные размеры машины

3

 

Втулки

Штифты

Балки

Оси

Колеса 37x18мм

Выбранный вариант диаметра колес обеспечивает низкий центр тяжести робота. Боковые балки с отверстиями позволяют соединить осями колеса и конические зубчатые шестеренки

4

 

Балки

Пластины

Кирпичики

Боковые балки обеспечивают прочность конструкции. Пластины и кирпичики позволяют соединить основные блоки между собой

5

 

Рамная пластина

Круглое основание

Данный узел обеспечивает заднюю точку опоры для робота и не позволяет цепляться остальным элементам конструкции за поверхность

Блок-схема алгоритма управления роботом

Программный код выполнен в среде Lego WeDo2

Приложение. Инженерный лист №2. Джойстик

Название модели: Джойстик

Изображения робота:

Описание конструкции робота

№ п/п

Схема

Перечень деталей

Описание

1

 

Смартхаб

Пластины

Балки

Штифты

Робот управляется смартхабом, подключенным по Bluetooth к компьютеру. К смартхабу подключен датчик гироскоп

2

 

Балки

Балки с основанием

Штифты

Данный узел позволяет верхней части конструкции (содержащей датчик гироскоп) выполнять наклоны в направлении вперед-назад

3

 

Балки

Балки с основанием

Штифты

Данный узел позволяет верхней части конструкции (содержащей датчик гироскоп) выполнять наклоны в направлении вправо-влево

4

 

Датчик гироскоп

Пластины

Декоративные элементы

Положение датчика гироскоп передается смартхабом в виде команд для робота-машинки

Блок-схема алгоритма управления роботом

Программный код выполнен в среде Lego WeDo2

Приложение. Инженерный лист №3. Створки гаража

Название модели: Ворота гаража

Изображения робота:

Описание конструкции робота

№ п/п

Схема

Перечень деталей

Описание

1

 

Смартхаб

Моторы Пластины

Балки

Штифты

Оси

Машинка управляется смартхабом, подключенным по Bluetooth к компьютеру. Команды со смартхаба подаются на моторы

2

 

Шестеренки разного размера

Оси

Втулки

Каждый мотор подключен к понижающей передаче зубчатых шестеренок (ведущая-малая, ведомая – большая). Это позволяет медленно открывать створки

3

 

Пластины

Закругленные кирпичики

Двойные створки ворот выполнены таким образом, чтобы машинка наших габаритов могла заехать внутрь

4

 

Балки

Оси

Пластины

Балка с поперечным отверстием

Использование балок с поперечным отверстием позволяет передать вращение мотора на створки ворот

5

 

Балки

Декоративные элементы

Декоративные элементы огораживают внутреннюю часть гаража

Блок-схема алгоритма управления роботом

Программный код выполнен в среде Lego WeDo2

Приложение. Инженерный лист №4. Система управления воротами

Название модели: Система управления воротами

Изображения робота:

Описание конструкции робота

№ п/п

Схема

Перечень деталей

Описание

1

 

Смартхаб

Пластины

Балки

Робот управляется смартхабом, подключенным по Bluetooth к компьютеру. К смартхабу подключены два датчика расстояния

2

 

Балки

Датчик расстояния

Данный узел позволяет определить момент когда автомобиль подъедет к гаражу чтобы дать команду воротам на открытие

3

 

Балки

Датчик расстояния

Данный узел позволяет определить момент когда автомобиль въедет внутрь гаража чтобы дать команду воротам на закрытие

Блок-схема алгоритма управления роботом

Программный код выполнен в среде Lego WeDo2

Просмотров работы: 13