«ОХОТНИК ЗА ИГРУШКАМИ»: РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ПОИСКА РАЗБРОСАННЫХ ИГРУШЕК (на базе LEGO WeDo 2.0)

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

Личный портфель

«ОХОТНИК ЗА ИГРУШКАМИ»: РАДИОЛОКАЦИОННАЯ СТАНЦИЯ ДЛЯ ПОИСКА РАЗБРОСАННЫХ ИГРУШЕК (на базе LEGO WeDo 2.0)

Каширин П.А. 1
1МБОУ "Симферопольская академическая гимназия"
Звонарёва О.В. 1
1МБОУ "Симферопольская академическая гимназия"
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Диплом школьникаСвидетельство руководителя
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

У меня есть младшая сестра. Она очень любит играть со своими игрушками, но совсем не любит убирать их перед сном. Родители, когда заходят в комнату, в темноте часто наступают на игрушки, спотыкаются, больно ударяются. Потом ругают и сестру, и меня. Я подумал, что пора решить эту ситуацию кардинально.

Цель работы: создать мобильную радиолокационную станцию кругового обзора для поиска разбросанных игрушек.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

    1. Познакомиться со существующими радиолокационными станциями.

    2. Изучить возможности конструктора LegoWeDo 2.0.

    3. Собрать собственную станцию.

Методы исследования:

1. Изучение литературы по данной теме.

2. Конструирование.

3. Программирование.

4. Формулирование выводов.

Объект исследования: мобильная радиолокационная станция кругового обзора. Предмет исследования: оповещение о препятствиях на полу в тёмном помещении. Гипотеза: на базе конструктора LegoWeDo 2.0 можно спроектировать такую станцию, которая в темноте с помощью световых сигналов будет предупреждать об игрушках на полу.

Актуальность исследования: уверен, что часто дети забывают убирать игрушки с пола после игр, поэтому данное изобретение будет популярно во многих семьях. Кроме этого, при дальнейшей доработке результаты исследования могут быть использованы в качестве вспомогательных средств для передвижения слепых и слабовидящих людей.

Практическая значимость исследования: данный материал можно использовать на уроках информатики, в быту.

Раздел 1. Моё знакомство с радиолокационными системами

    1. Что такое радиолокационная машина

Когда мне исполнилось 5 лет, крёстный подарил большую радиолокационную машину. Мне стало интересно, что это за машина такая особенная. Ведь у неё не было ни пушки, ни крыльев, а только большая антенна. Я стал узнавать, зачем нужна такая большая антенна и почему эти машины так ценятся в армии.

Первым делом попросил папу рассказать мне о радиолокационных машинах. Затем посмотрел научно-популярные фильмы про существующие отечественные радиолокационные станции, а также про перспективные разработки оборонно-промышленного комплекса нашей Родины [3, 4].

Итак, радиолокационная станция – это радиотехническая система, которая позволяет обнаружить воздушные, морские и наземные объекты, а также определить их дальность и скорость [1]. На рисунке 1 представлено фото моей первой радиолокационной машины.

Рисунок 1 – Игрушечная радиолокационная машина фирмы Полесье

    1. Радиолокационные системы в Крыму

С семьей мы любим путешествовать по Крыму. И я обратил внимание, что часто мне попадаются радиолокационные системы.

К огда мы были на экскурсиях в Балаклаве и в Севастополе, нам рассказывали про современные комплексы, а также про историю использования радиолокатора во время Великой отечественной войны.

Р исунок 2, 3 – На экскурсии в Севастополе

Рисунок 4 – На экскурсии в Балаклаве

В научно-развлекательном центре в Алуште экскурсовод поведал о космических полетах и радионавигации, а с Центральной набережной хорошо виден радиотелескоп РТ-22.

Рисунок 5 – На экскурсии в Алуште

На горе Ай-Петри видел «белые грибочки» – оказывается, это тоже радиолокационные станции.

Рисунок 6 – Радиолокационная система на горе Ай-Петри

Проезжая по трассе «Таврида», заметил замаскированную радиолокационную станцию.

Рисунок 7 – Радиолокационная система у трассы «Таврида»

Кроме этого, мне нравится ходить к папе на работу. Каждый раз, посещая Физико-технический институт, я захожу в лабораторию антенн и систем СВЧ. Там я узнал про современные радиолокационные комплексы и активные фазированные антенные решетки.

Рисунок 8, 9 – На экскурсии в Физтехе

Таким образом, практически в каждом уголке Крыма используются радиолокационные системы.

Раздел 2. Конструирование прототипа радиолокационной станции

Я начал собирать мобильную радиолокационную станцию кругового обзора из конструктора LegoWeDo 2.0, предварительно ознакомившись с инструкциями и рекомендациями [5, 6].

Мне понадобились:

– мотор электрический – 2 шт;

– смартхаб – 3 шт;

– датчик движения – 3 шт;

– датчик наклона – 1 шт.

На случай непредвиденных ситуаций, а также для того, чтобы сбалансировать свою модель при горизонтальном расположении двигателя, я установил запасные элементы:

– смартхаб – 1 шт

– электрический моторчик – 2 шт.

    1. Модель с вертикальным двигателем поворота башни

Радиолокационная станция должна обеспечивать автоматический поиск игрушек, разбросанных на поверхности пола. Поэтому станция будет состоять из двух частей:

  1. активная вращающаяся часть, отвечающая за обнаружение игрушек,

  2. подвижная платформа, на которую будет устанавливаться вращающаяся часть и которая обеспечит перемещение станции.

Для организации постоянного кругового обзора необходимо, чтобы платформа была развязана с активной частью и не соединялась с ней проводами. В качестве «антенной» активной части возьму два смартхаба и три оптических датчика движения. Увеличенное количество датчиков необходимо, чтобы расширить зону обзора. Но у каждого смартхаба только два разъема для подключения внешних датчиков, поэтому буду использовать несколько смартхабов.

Для организации подвижной и достаточно тяжелой поворотной части понадобится устойчивая платформа. Будем использовать платформу на шести колесах.

Для организации движения было принято решение использовать одну ведущую ось на жестком неразрезанном валу. Ведущая ось будет задней. Для соединения оси с мотором использую зубчатую передачу. Размер ведущей шестеренки, расположенной на шкиве двигателя, выбран таким же, как размер шестеренки на оси колес. Это даёт возможность более гибко использовать возможности программного управления скоростью вращения колёс. От ременной передачи откажемся в связи с её недолговечностью, а также ненадежностью, связанной с проскальзыванием ремня на колесе.

Опишу алгоритм работы станции. После включения станция начинает своё движение. Когда на пути движения станции или в радиусе 15 сантиметров от неё обнаруживается предмет, станция останавливается, указывая направление предмета синими лампами смартхаба и издает характерный звуковой сигнал «Внимание!».

Данный алгоритм особенно эффективен при выключенном свете и позволяет пройти ночью по комнате, не наступив на игрушки не включая свет.

Внешний вид радиолокационной станции см. рис. 9-13.

Р ис. 9-13 — внешний вид радиолокационной станции

В процессе опытной эксплуатации модели столкнулись со следующими проблемами:

  1. Высокое расположение активного поворотного устройства создает дополнительную мачтовость. Это уменьшает устойчивость платформы.

  2. При длительной эксплуатации раскачка активной головки приводит к выходу её из строя – она отсоединяется из пазов лего-мотора.

  3. Высота активной поворотной головки не позволяет найти маленькие предметы.

  4. Расположение активной головки посередине платформы улучшает устойчивость, но из-за длины корпуса уменьшает расстояние, на котором может быть обнаружена игрушка примерно на 30%.

Все перечисленные недостатки заставили меня искать пути решения проблемы.

    1. Модель с горизонтальным двигателем поворота башни

Чтобы решить проблемы, описанные в разделе 2.2, было принято решение опустить активную головку ниже. Я развернул двигатель на 90 градусов и применил коронное зубчатое колесо. Благодаря такому решению удалось обнаруживать игрушки меньшего размера.

Чтобы эффективнее использовать оптические датчики, дальность действия которых ограничена, я переместил активную поворотную головку впереди корпуса. Так появилось пространство в задней части модели. В этом пространстве можно разместить запасной смартхаб и два мотора – на случай выхода из строя какого-либо из активных элементов.

В нешний вид новой радиолокационной станции – см. рис. 14.

 

Рис. 14 — Внешний вид новой радиолокационной станции

Таким образом, именно модель с горизонтальным двигателем поворота башни показала большую эффективность, чем модель с вертикальным двигателем поворота башни, и смогла выполнить поставленные перед ней задачи.

Раздел 3. Программирование прототипа радиолокационной станции

Опишу среду разработки LegoWeDo 2.0.

Рис. 15 — Алгоритм работы программы

На рис. 15 мы видим среду разработки LegoWeDo 2.0.

На белой, рабочей области посередине экрана, – две программы.

Желтый блок с зеленым треугольником отвечает за начало работы программы.

Следующий блок – с пиктограммой двигателя и спидометра – отвечает за скорость работы двигателя, который связан зубчатой передачей с задней осью нашей платформы. Цифра 4 означает, что он будет ехать со скоростью равной 4/10 от своей максимальной.

Следующий блок – с пиктограммой двигателя и спидометра – отвечает за скорость работы двигателя, который связан коронной зубчатой передачей с нашей активной поворотной головой. Скорость выбрана эмпирическим методом. Цифра 1 означает, что он будет ехать со скорость равной 1/10 от своей максимальной.

Следующий блок – с пиктограммой песочных часов – отвечает за ожидания до наступления определенного события. В нашем случае – сигнала с датчика движения расположенного под часами. После срабатывания датчика алгоритм продолжается, и программа переходит к следующему блоку – моторчику с крестиком. Данный блок отвечает за остановку всех двигателей. После остановки двигателей установлен блок мелодии. В нашем случае это мелодия под номером 5 – это внимание (сирена).

Затем блок цикла. Блок цикла отвечает за бесконечные повторения программы внутри цикла.

В процессе эксплуатации было принято решение использовать датчик наклона. Это связано с тем, что родителям сложно объяснить алгоритм работы программы, тонкости и нюансы запуска радиолокационной станции. Поэтому пришлось сделать интуитивно понятный для взрослых запуск радиолокационной машины. Я создал алгоритм, который позволяет всё время держать радиолокационную систему в режиме ожидания. Когда необходимо её запустить, родителям достаточно просто наклонить её в любую сторону. Это движение активирует станцию и запустит все системы.

Усовершенствованный алгоритм представлен на рис. 16.

Рис. 16 — Алгоритм работы обновлённой программы

Опишу алгоритм работы программы.

Желтый блок с зелёным треугольником отвечает за начало работы программы. После – программа переходит в режим ожидания и ждет сигнала от датчика наклона. Как только срабатывает датчик наклона, алгоритм переходит к следующему шагу и раздаётся звуковой сигнал. После запускается работа цикла, в котором включаются последовательно два мотора: мотор, отвечающий за движение, и мотор, отвечающий за вращение активной головной части. Движение происходит до тех пор, пока на датчик движения не поступит сигнал об обнаружении игрушки. После того как данный сигнал получен, все моторы останавливаются. Головная часть показывает, где находится игрушка. Раздаётся звуковой сигнал. После цикл повторяется. Машина снова начинает своё движение, а головная часть – своё вращение до тех пор, пока не будет найдена новая игрушка на пути следования.

Был проведён ряд испытаний, которые показали, что созданная малогабаритная, мобильная радиолокационная станция по поиску мягких игрушек уверенно работает.

ВЫВОДЫ

Начиная с 1930х годов, развитие радиолокационных систем в нашей стране не прекращается. Я узнал, что радиолокация может быть использована как в военных, так и в мирных целях.

В ходе работы я нашёл ответы на все поставленные вопросы, сумел сконструировать и запрограммировать мобильную радиолокационную станцию по поиску мягких игрушек. Провел испытания. Выявил, что модель с горизонтальным расположением двигателя показала лучшие технические характеристики как по устойчивости, так и по максимальному расстоянию от обнаруживаемой игрушки до прототипа станции. Блочное программирование интуитивно понятно, доступно для написания многих проектов, в том числе радиолокационной станции.

Таким образом, я считаю, что цель и задачи, поставленные мной в начале работы, достигнуты. Гипотеза исследования полностью подтвердилась: можно спроектировать такую станцию, которая в темноте с помощью световых и звуковых сигналов будет предупреждать об игрушках на полу.

Добавлю, что доработка и усовершенствование станции продолжается. Перспективой исследования может стать возможность станции не только обнаруживать, то и убирать игрушки.

В текущий момент вижу два варианта развития:

  1. создание робота-ассистента, который будет собирать игрушки;

  2. внедрение нескольких рычагов на базу радиолокационной станции, которые смогут захватывать игрушки.

Второй вариант проще в реализации, однако не является универсальным. Количество игрушек у моей сестры стремительно растет, и моё устройство может просто не справится со своими задачами, так как не будет хватать места для погрузки игрушек. Поэтому мои поисковые решения продолжаются.

Сейчас же, я надеюсь, моё изобретение будет способствовать тому, что и в нашем доме воцарится порядок и мир.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

      1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиолокационная_станция

      2. https://rostec.ru

      3. https://rutube.ru/

      4. https://www.youtube.com/.

      5. https://www.prorobot.ru/lego/wedo2.php#vv

      6. https://education.lego.com/en-us/product-resources/wedo-2/downloads/building-instructions/

Просмотров работы: 27