ЭКО-бот
проект (11 класс)

Содержание

ВВЕДЕНИЕ3

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ4

ЭКОЛОГИЯ

Анализ степени загрязнения водоемов в районе Марьино4

Существующие методы очистки водоемов5

РОБОТОТЕХНИКА

Роботы на службе у человека 6

Краткий обзор существующих устройств по очистке водоемов7

Цель и задачи8

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ9

Робот-прототип. Описание9

Основные составляющие робота10

Алгоритм работы11

ЗАКЛЮЧЕНИЕ11

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ12

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день перед человечеством очень остро стоит вопрос об охране и защите окружающей среды от загрязнений. Влияние человека на окружающую среду неоспоримо и очевидно. Надо честно себе признаться, что весь негатив, который наблюдается в природе, происходит "благодаря" человеку. Людям свойственно любые свои проблемы решать, невзирая, иногда, на возможные последствия для окружающей среды.

В наше время без использования роботов сложно поспеть за прогрессом. Но к сожалению, технический прогресс ведет к тому, что под угрозой находятся природные ресурсы.

Поэтому, с моей точки зрения, было бы справедливо привлечь прогресс, т.е. роботов для спасения окружающей среды.

В современном обществе идет активное внедрение роботов в нашу жизнь, они заменяют очень многие процессы: робот - игрушка, робот - сиделка, робот - нянечка, робот - домработница, робот ˗ пылесос и т.д. Робототехника входит в тройку наиболее перспективных направлений техники и технологии. Сферы применения роботов различны: медицина, строительство, геодезия, метеорология, космос и т.д.

Специалисты, обладающие знаниями в этой области, сильно востребованы и вопрос внедрения робототехники в учебный процесс начиная с начальной школы актуален. Если ребенок интересуется этим с самого младшего возраста, он может открыть для себя новый удивительный мир, и в будущем, возможно, свяжет свою профессиональную деятельность с робототехникой.

Цель проекта:

создание портативного робота-чистильщика для малых водоёмов с минимальными затратами ресурсов.

Для достижения этой цели мы поставили перед собой следующие задачи:

1. Спроектировать вариант построения будущего робота
2. Собрать модель робота-чистильщика
3. Создать алгоритм действий робота
4. Отладить программу
5. Отладить работу робота-чистильщика
6. Отработать навыки управления роботом
7. Провести предварительные испытания с использованием подручных средств

Предмет исследования:

конструктор со средой программирования LEGO MINDSTORMS NXT.

Гипотеза: ЭКО бот предназначен для очистки малых водоёмов с минимальными затратами ресурсов.

Ожидаемые результаты:

• умение конструировать различные модели роботов,
• разработка алгоритма действия робота,
• отработка навыков управления роботом.

Методы реализации проекта:

1. Объяснительно-иллюстративный – предъявление информации различными способами (объяснение, рассказ, беседа, инструктаж, демонстрация, работа с литературой и др);

2. Эвристический – метод творческой деятельности (создание творческих моделей и т.д.);

3. Проблемный - постановка проблемы и самостоятельный поиск её решения;

4. Программированный - набор операций, которые необходимо выполнить в ходе выполнения практических работ (компьютерный практикум);

5. Репродуктивный - воспроизводство знаний и способов деятельности (собирание моделей и конструкций по образцу, упражнения по аналогу);

6. Частично-поисковый - решение проблемных задач с помощью педагога;

7. Поисковый - самостоятельное решение проблем.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

ЭКОЛОГИЯ

Анализ степени загрязнения водоемов в Республике Мордовия

На территории Республики Мордовия имеется 1525 водотоков общей протяженностью 9250 км. Большую часть из них (95,5%) составляют самые малые и мельчайшие реки, за которыми необходим тщательный контроль экологического состояния. Они находящихся в плачевном состоянии из-за загрязнения бытовым мусором. Коммунальные службы редко очищают и приводят в порядок пруды и прибрежную часть рек, которые, в результате, становятся источником распространения неприятных запахов.

Организация постоянного мониторинга качественных и количественных характеристик состава природных вод имеет большое значение для экологии. Одним из главных факторов изменения качества природных вод является их загрязнение.

Громадное влияние на чистоту поверхностных вод оказывают стоки с полей, содержащие в своем составе различные ядохимикаты, удобрения, а также бытовой мусор и навоз.

Наиболее распространенными загрязняющими веществами поверхностных вод остаются нефтепродукты, фенолы, легкоокисляемые органические вещества, соединения металлов, аммонийный и нитридный азот. Основным источником загрязнения являются сточные воды различных производств, предприятий сельского и коммунального хозяйства, поверхностный сток.

Многие предприятия городов не всегда должным образом обращают внимание на создание и соблюдение водоохранных мероприятий, что приводит к неблагоприятным последствиям водной среды, то есть в зонах крупных промышленных центров, поступление с поверхностным стоком и сточными водами большого количества загрязняющих веществ. Еще одним немало важным фактором загрязнения является нарушение режима хозяйственной деятельности в водоохранных зонах и попадание в водотоки органических и минеральных загрязнении, а также смыва почвы в результате водной эрозии. Также нельзя пройти мимо размеры бытовых городских стоков, которые подобно промышленным, сбрасываются в канализацию.

В случае превышения нормы допустимой хотя бы по одному из трех показателей вредности: санитарно-токсикологическому, общесанитарному или органолептическому, вода считается загрязненной.

По данным Государственного экологического надзора Министерства лесного, охотничьего хозяйства и природопользования Республики Мордовия экологическая ситуация водных объектов в республике Мордовия за последние 3 года оценивается как достаточно стабильная, без ухудшения. Но отмечается ухудшение состояния поверхностных вод г.о. Саранск. Особенно это касается реки Инсар, которая подвержена интенсивному антропогенному воздействию. Характерными загрязняющими веществами являются соединения азота (нитритные, нитратные и аммонийные), легкоокисляемые органические вещества, нефтепродукты, трудноокисляемые органические вещества, медь. Дальнейшее увеличение перечисленных загрязнителей может вызывать эвтрофикацию водоемов, особенно это касается озер и прудов, для которых характерна небольшая скорость движения воды.

Так по сравнению с 2018 годом в 2019 году отмечается ухудшение состояния вод р. Инсар как до г. Саранска, так и после: в пункте г. Саранск (7 км выше города), качество воды р. Инсар по сравнению с 2018 г. также улучшилось и соответствовало 3 классу разряду «Б» очень загрязненных вод (УКИЗВ2016 – 4,00; УКИЗВ2017 – 3,36); ниже г. Саранска по сравнению с фоновым створом ухудшилась (УКИЗВ – 4,16) и соответствовала 4 классу разряду «А» грязных вод.

Но также водоёмы и реки загрязняются бытовым мусором, сбрасываемым людьми в водоемы.

Мы задумались над решением этой проблемы и изучил информацию по этому вопросу в интернете.

Существующие методы очистки водоемов

Сначала мы исследовали, какие существуют методы очистки водоёмов.

Как оказалось, существует несколько таких методов:

• механическая очистка позволяет избавиться от посторонних предметов;
• ультрафиолетовое (УФ) излучение тормозит рост микроорганизмов и водорослей;
• биологический метод позволяет удерживать биогенный состав водоема на должном уровне, тем самым, не оставляя бактериям и микроорганизмам шансов на выживание;
• физико-химический метод очистки также обеспечивает постоянство химического состава воды.

В ходе исследования использовался метод физико-химических показателей. Несмотря на то, что для вод рыбохозяйственного назначения органолептические показатели не нормируются, все же их повышенные значения свидетельствуют о загрязнении воды. Поэтому в ходе работы нами были проведены следующие органолептические исследования: визуальная оценка цвета, прозрачности и интенсивности запаха; определение градуса цветности метод фотометрического определения с применением хром-кобальтовой шкалы.

Физико-химический анализ воды проводился по наиболее приоритетным показателям, определяющих качество и эколого-гигиеническую безопасность воды:

- карбонатная жесткость (кислотно-основное титрование),

- общая жесткость (комплекснометрическое титрование),

- значение pH (потенциометрическое определение),

- сухой остаток,

- окисляемость,

- наличие растворенных ионов (количественный анализ) [5, с. 38-53].

Результаты исследования и их обсуждение. В ходе данного исследования было получено представление о состоянии водных ресурсов г.о. Саранск. Результаты исследования приведены в таблице.

Примечания: белой заливкой показаны данные проб отобранных в январе, серой заливкой – в мае, темно-серой заливкой – в сентябре; полужирным выделены показатели, превышающие ПДК (норму); курсивом – показатели, которые сильно отличаются от таковых в предыдущих пробах.

РОБОТОТЕХНИКА

Роботы на службе у человека

Робототехника совершенствуется с каждым годом все больше и больше. В начале ХХI века высокотехнологический процесс предоставляет возможность все чаще задействовать новых роботов в таких областях, как оборона, освоение космоса, развлечения, общественная безопасность, медицина и т.д. На сегодняшний день существует целый ряд видов деятельности человека, которые считаются опасными для жизни, поэтому будем надеяться, что робототехника сможет в будущем взять это на себя. Ниже мы предоставляем вашему вниманию варианты использования роботов в опасных условиях:

• Франция. Вело, Буш-дю-Рон. Многофункциональная пожарная система MVF-5, разработанная компанией Dok-Ing в автоматическом режиме поливает горящий автомобиль.
• Робот SWAT, небольшое, похожее на танк дистанционно управляемое транспортное средство, разработанное компанией Howe & Howe Technologies может служить щитом для бойцов подразделения SWAT и сотрудников экстренных служб во время противостояний с вооруженными преступниками.
• Швейцария. Женева. Робот-проводник, помогающий добраться до туалета, банкомата, комнаты утерянного багажа и других важных пунктов в Международном аэропорту Женевы.
• По словам разработчиков новый робот Toshiba способен проводить исследовательские и восстановительные работы на аварийной АЭС «Фукусима-1».
• Робот, предназначенный для изучения руин, работает на территории Храма Кетцалькоатля возле Пирамиды Солнца в городе Теотиуакан в 60-тм километрах к северу от Мехико.
• Робот модели LEMUR разрабатывается NASA в качестве ремонтного робота для оборудования в открытом космосе.
• Робот-спасатель токийского управления пожарной безопасности загружает на себя "жертву" в ходе антитеррористических учений.
• Робот-охранник Т-34 с дистанционным управлением обездвиживает "злоумышленника". Робот передает оператору видеоизображение, и может управляться с помощью мобильного телефона.
• Роботы модели ATHLETE разрабатываются NASA для использования на Луне, где они будут перемещаться на колесах по ровной поверхности и "шагать" на пересеченной местности.

Краткий обзор существующих устройств по очистке водоемов

Мы занялись поиском информации о том, создавал ли кто-нибудь ранее роботов-чистильщиков.

Например, мы выяснили, что этим вопросом, в свое время, заинтересовались ученые Московского института микробиологии имени М.Ломоносова. Молодые кибернетики-изобретатели разработали уникальных роботов-фильтров, предназначенных для очистки загрязненных водоемов от мусора, нефтесодержащих отходов, бактерий и разного рода паразитов.

Как оказалось, роботы для очистки водоёмов уже существуют и активно используются, но, или они слишком громоздкие и используются для очистки больших поверхностей воды (моря, океаны) от нефтяных пятен.  Или, в случае компактной реализации, являются сложными и неоправданно дорогостоящими для выполнения регулярных чисток малых водоемов в парках и на улицах города. И, к сожалению, они не выполняют функцию механической очистки водоемов от мелкого бытового мусора и тины.

В результате исследования я также выяснил, что существует очень мало компактных и мобильных роботов-чистильщиков, а существующие являются сложными и неоправданно дорогостоящими для выполнения регулярных чисток малых водоемов в парках и на улицах города.

Цель и задачи

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Робот-прототип. Описание

Используемые ресурсы

Для создания робота мы использовали наборы конструктора LEGO - «Базовый набор «Mindstorms EV3».

Программа для управления роботом создавалась в среде программирования «LEGO Mindstorms EV3 Home Edition».

Описание робота

Робот представляет собой манипулятор, установленный на платформе, поддерживаемой на воде двумя поплавками. Передвигается по поверхности воды робот при помощи пары гребных колес, расположенных по обе стороны нашего робота. Управление роботом осуществляется дистанционно со смартфона или планшета по беспроводному интерфейсу передачи данных Bluetooth  при помощи программных продуктов компании «LEGO System»: «Commander» или «EV3 Commander».

Описание работы.

Сначала идёт подготовка к запуску (сборка робота, включение блоков управления, подключение гаджетов управления). Затем робот устанавливается на воду, доплывает до определённого места на водной поверхности и собирает с помощью движущейся ленты, плавающий в воде мусор (тина, водоросли, мелкий хлам и т.д.). Собор мусора осуществляется в специальную ёмкость. Далее он подплывает к берегу и специально обученные люди очищают этот отсек, выбрасывая мусор в контейнер или в специально отведённое для этого место.

Основные составляющие робота

Робот состоит из трёх основных частей:

• движущаяся лента,
• два гребных колеса,
• платформа из пенопласта на поплавках

Гребные колёса

Гребные колёса платформы, отвечающие за её передвижение, работают от процессорного блока.

Колёса приводятся в движение двумя большими моторами. Вид гребных колес.

Интересный факт: Колесо состоит из четырёх частей, три из которых – красные, а одна – чёрная. Это сделано для измерения количества оборотов.

Платформа

В качестве платформы был использован кусок пенопласта, а в качестве поплавков - две пустые пластиковые бутылки объемом 2 литра

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Для того, чтобы выполнить цель своего проекта мы ознакомились с книгами по программированию и конструированию роботов, которые и помогли нам успешно выполнить поставленные ранее задачи.

Результатом проделанной работы стала функционирующая модель робота-чистильщика для использования на малых водоемах.

В перспективе запланировано создание автономного робота (эксплуатация которого не потребует постоянного участия человека) и испытания его в полевых условиях.

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ

Книги:

1. Офсяницкая Л. Ю.; Офсяницкий Д. Н.; Офсяницкий А. Д.  «Курс программирования робота  Lego Mindstorms EV3 в среде EV3:  основные подходы, практические примеры, секреты мастерства» - Челябинск: ИП Мякотин И.В., 2014 – 204 с.
2. Неймарк А.М. «Роботы на службе человека» - Ленинград: Наука, 1982 – 103 с.

Интернет-источники:

https://ru.wikipedia.org/ -  Сайт Википедия

http://www.nftn.ru/blog/unikalnye_roboty_filtry/2014-12-10-1360

http://fb.ru/article/37424/vliyanie-cheloveka-na-okrujayuschuyu-sredu

http://fb.ru/article/211767/ochistka-vodoema-pri-pomoschi-razlichnyih-metodov

http://inmsk.ru/news/20130722/366942534.html

http://www.bugaga.ru/interesting/1146716612-roboty-na-sluzhbe-cheloveku.html

http://pixanews.com/hi-tech/roboty-na-sluzhbe-cheloveka.html

ПРИЛОЖЕНИЕ  

К РЕФЕРАТУ

Рис. 1.  Вид робота-чистильщика

Рис. 2.  Демонстрация работы робота-чистильщика

Рис. 3.  Вид манипулятора

Рис. 4.  Гребные колеса

Рис. 5.  Алгоритм работы программы робота