Губернаторский Физико-Математический Лицей №30

Инженерный робототехнический центр ГФМЛ 30

УМНАЯ КОРМУШКА ДЛЯ ДОМАШНИХ ЖИВОТНЫХ

Автор: Петров Леонид Сергеевич

Руководитель работы: Лузина Екатерина Павловна

Санкт-Петербург

2017

Актуальность проблемы

Перед многими владельцам животных, держащими более, чем одного питомца, зачастую встаёт проблема того, что разные животные нуждаются в различных кормах, и еда, нужная и полезная для одного питомца, может быть чрезвычайно вредна для другого, ведь, например, своя диета бывает у толстых, старых и больных животных. А хозяевам, которые не постоянно находятся дома, что вполне нормально, бывает очень трудно уследить за тем, какой корм ест каждый из питомцев. Эту проблему нужно решить, и решение есть: создать робота-кормушку, способного избавить владельцев животных от лишних хлопот.

Цель работы

Цель работы – создать «умную» кормушку для домашних животных – кошек или маленьких собак. Устройство рассчитано на 3 – 4 миски. Одного пополнения хватает примерно на день или два, ведь в миску нельзя положить больше корма, чем в неё помещается, а на огромные миски кормушка не рассчитана. Кормление должно происходит следующим образом: животное подходит к устройству, считывается RFID-метка с брелка у него на ошейнике, и выдвигается нужная миска.

Устройство

Безусловно, схожие приспособления уже есть на рынке, и у них есть различные преимущества, но у данной модели есть ряд  важных качеств:

1. RFID-сканер расположен внизу, а не на вершине арки, что увеличивает вероятность взаимодействия брелка со считывателем.
2. RFID-метки выигрывают у многих своих конкурентов своей невысокой ценой, безопасностью,  и если животное и сломает прочный носитель метки, то ничего страшного не произойдёт.
3. Также  RFID-метки компактны и удобны для использования. Тем более, они бывают различных цветов, и их сложно перепутать.

Корпус решено было изготовить из фанеры, как наиболее экологичного, прочного и дешевого материала. По форме корпус представляет собой коробку формы параллелепипеда/куба, с квадратным основанием. В стенке (1) сделано отверстие в виде полукруга.

Рис.1 Общий вид кормушки и расположение сканера – под рис

И в середине углубления, в нижней его части, закреплён RFID-сканер. Чтобы устройством можно было пользоваться, у животных должны быть ошейники, на которых должны быть закреплены в нижней части специальные брелоки. Когда кошка/собака наклоняется к миске, брелок на ошейнике оказывается в непосредственной близости от сканера, который считывает метку на расстоянии до 2 см. Считав метку, поступает команда мотору повернуться и остаться в определённом положении, тем самым выдвинув нужную миску вперёд. В планы также входит сделать антенну, чтобы увеличить расстояние считывания метки сканером.

Рис. 2 Модуль считывания RFID метки и схема внутреннего устройства кормушки.

Внутри коробки расположен закреплённый сервопривод сугломвращения 180о. На нём расположен диск – тоже из фанеры, на нём –миски. Для того, чтобы диск не заваливался в сторону, снизу он облеплен скотчем, скользящим лучше дерева, и по углам коробки стоят подпорки-опоры из того же материала. Они полые, поэтому в них зафиксирован микроконтроллер Arduino Uno, кабелем соединённый с питанием. От микроконтроллера идут провода к сканеру и сервомотору.

Принципиальная блок-схема программы:

Животное подходит к кормушке

Реализация устройства

Сначала как материал корпуса был выбран картон, и была сделана пробная модель. Мотор должен был быть в состоянии поворачивать массу диска, четырёх мисок и четырёх порций корма. Все величины были взяты с запасом. m = pфанерыпr2h + 4(mмиски + mкорма), где p–плотность фанеры, приблизительно равная 700кг/м3, или же 0,7 г/см3; п – число пи; r–радиус диска с мисками, примерно равный диаметру миски – 20 см; h–высота диска – около 0,5 см; массу миски возьмём 100г, а массу корма в ней – 250г. Итак, m = 0,7 * 3,14 * * 400  * 0,5 + 4 * 350 = 439,6 + 1400 = 1839,6г, то есть около 2кг. С опорой на эти вычисления была подобрана нужная модель как? У мотора характеристика не масса миски а вращательный момент. Далее начало беспокоить то, что диск, первоначально сделанный из картона, не только заваливался в сторону, но и гнулся. Поэтому было решено заменить картон на более прочный материал – фанеру и сделать подпорки по углам коробки. Но тут возникла новая трудность: некуда было девать микроконтроллер. Эта проблема была решена: подпорки сделали полыми, и микроконтроллер было решено закрепить в одной из них, проделав предварительно небольшие отверстия для проводов.

Но самой главной проблемой было размещение RFID-сканера. Изначально был немного другой вариант конструкции, в котором сканер должен был быть размещён не на нижней части выемки, а на самом верху арки, которая по плану должна была возвышаться над этой выемкой в форме дуги. Но эта конструкция имела много недостатков. Во-первых, арку было сложно сделать прочной. Во-вторых, брелоки пришлось бы закреплять не под шеей животного, а на ней, сверху, где-то между лопаток, но в этом случае брелоки бы сползали вниз вместе с ошейником. В-третьих, все животные разного размера, и при нахождении считывателя вверху взаимодействия с брелоком может не произойти. Поэтому этот вариант конструкции был забракован, и заменён на вышеописанный, где животное, наклоняясь к миске, всё-таки подносит брелок к сканеру.

Результат

Был реализован проект «умной» кормушки для небольших домашних животных. Основной материал модели – фанера, угол поворота диска с мисками – 180о, вращающий миски сервопривод способен приводить в движение грузы массой до 2-х кг гарантированно. Реализованное устройство рассчитано на 3 - 4 миски, это зависит от их размера,  RFID-сканер закреплён таким образом, что с ним взаимодействует брелок, закреплённый на нижней части ошейника, под шеей животного, тогда, когда питомец наклоняется к миске. Вращение мисок происходит плавно, чтобы животные не пугались.

Дальнейшее развитие

Автором планируется дальнейшее совершенствование устройства в частности, добавить антенну, для увеличения ареала действия RFID-сканера,  и счётчик количества перекусов каждого из животных с выводом показаний на блоки четырёх семисегментных индикаторов, также планируется добавить автоматическое пополнение мисок из большого бака и автоматический заказ корма в интернет-магазине, когда бак пустеет.