XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка модели автономного гусеничного трактора «СЕВЕР-1» для работы в условиях Арктики

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Белобородова С.И. 1

---

1МБОУ "Физико-математический лицкй № 31 г. Челябинска"

Ловчиков Д.В. 1

---

1Школьный центр тракторного завода ДСТ-УРАЛ

Работа в формате PDF

3.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Информационная карта проекта

2. Идея и общее содержание проекта

Занимаясь в Школе робототехники и программирования RoboEducation, мне очень нравится конструировать, моделировать, программировать, создавать модели по собственному замыслу, в этом я вижу свою будущую профессию.

Идея разработки модели автономного гусеничного трактора сверхмощной проходимости для работы в условиях Арктики возникла не случайно. Зимы у нас на Урале суровые и очень снежные. Не редко из-за сильных снегопадов, буранов и связанных с ними снежных заносов, возникает проблема перемещения людей и автомобильного транспорта по улицам города и пригорода (Рис. 1, 2).

Отсюда возник вопрос – как в условиях вечной мерзлоты, снега, ветра и бездорожья живут и работают люди, какой транспорт им помогает справляться с экстремальными климатическими условиями Крайнего Севера (Рис. 3)?

Арктика – перспективный регион: полярные территории богаты природными ресурсами, в первую очередь, нефтью и газом; через Арктику пролегает Северный морской; оборона северных рубежей России. В связи с этим необходимо разрабатывать оборудование, которое поможет российским военным и ученым осваивать суровые северные просторы [13].

На Севере сегодня есть большое количество добывающих и перерабатывающих полезные ископаемые частных предприятий, нуждающихся в бесперебойной работе.

Одной из самых известных проблем данного региона, является экстремальные климатические условия - низкие температуры воздуха, сильные ветры и наличие ледяного покрова на акватории арктических морей [9], а также отсутствие дорог. Для работы в условиях Крайнего Севера необходима специальная техника.

3. История вопроса и способ решения проблемы

Арктика – физико-географический район земли, примыкающий к Северному полюсу и включающий окраины материков Евразии и Северной Америки, почти весь Северный Ледовитый океан с островами (кроме прибрежных островов Норвегии), а также прилегающие части Атлантического и Тихого океанов. Арктика поделена на пять секторов ответственности между Россией, США, Норвегией, Канадой и Данией[3].

Побережье Арктики - это осколки льда и снежная каша. Для перемещения там необходим специальный транспорт.

Первой советской техникой для работы в условиях Крайнего Севера был полугусеничный НАТИ-В, на основе прототипа НАТИ-3 (Рис. 4), специально приспособленный к климату Заполярья в 1936 году для перевозки грузов экспедиции «Северный полюс-1» полярника Ивана Папанина.

В 50-х годах ставилась задача создания специальных транспортно-технологических машин для освоения месторождений и строительства трубопроводов в Сибири и на Крайнем Севере. Первым образцом был двухгусеничный болотоход «Витязь».

Одной из первых передвижных полярных станций стал «Пингвин», разработанный на основе плавающего танка ПТ-76 в 1957 году. Но, несмотря на большой запас хода, оставалась главная проблема: он был тесным, и в условиях долгой полярной экспедиции ютиться в нем было не удобно.

Тогда в 1958 году появилась на свет «Харьковчанка» - полярный «дом на колесах», созданный на основе артиллерийского тягача АТ-Т. он имел несколько жилых отсеков, столовая, кухня, туалет, рабочие рубки (Рис.5, 6).

Машина имела широкие гусеницы и траки со снегозацепами. Она была герметична и могла пойти в плавь. Даже при заглохшем моторе и нерабочих отопителях, температура внутри за день падала всего на 2-3 градуса.

Следующим этапом стало создание в 1970-х годов четырехгусеничного снегоболотохода БТ361 «Тюмень» (Рис. 7). Эта машина создавалась как альтернатива вездеходу Hasky-8 канадской фирмы Foremost, которая на тот момент была безусловным лидером в этой области. Но позднее экологи выступили против использования гусеничных машин, так как гусеницы повреждают поверхность тундры, и грунт потом восстанавливается годами.

Сейчас ценятся вездеходы «Трэкол» (Рис. 8) и «Ямал», которые используются во всех сферах деятельности в Заполярье. Машины способны работать при температуре до - 45 градусов, имеют отличную проходимость по льду, глубокому снегу, болоту и по воде.

Впрочем, для более серьезных и длительных экспедиций «Трэкол» не годится. Здесь на помощь придет новый продукт предприятия «КамАЗ» - «Арктика» (Рис. 9).

Помимо кабины и кузова, в «Арктике» предусмотрен жилой модуль, в котором в случае непредвиденной ситуации экипаж сможет провести без особых проблем минимум трое суток.

В основу российского шестиколесного автомобиля-амфибии «Бурлак» легла концепция БТР-60 (Рис. 10). У этого аппарата есть гребной винт, с его помощью и благодаря алюминиевому герметичному корпусу «Бурлаку» удается не только держаться на плаву, но и уверенно маневрировать в разломах льда. Оборудованный спальными местами, кухней и умывальником пассажирский отсек рассчитан для экипажа из 4 человек [11].

ГАЗ-3344 - двухзвенный гусеничный снегоболотоход. В первом модуле морозостойкого «проходимца» расположена кабина на 5 человек и моторно-трансмиссионное отделение, второй модуль вмещает 16 человек и может быть переоборудован в командный пункт, техническую мастерскую или медицинский блок. Вездеход способен подниматься на 35-градусный склон, преодолевать траншеи шириной до 3 м, и плавать со скоростью до 6 км/ч.

В октябре 2020 года был представлен новый проект от завода «Урал» - «Арктический автобус» (Рис. 12).

Канадская машина Arktos Craft - это узкоспециальное ТС, предназначенное для спасательно-эвакуационных работ на нефтепромыслах (Рис. 13).

Немецкий тягач CAT Kress Antarctica - скпервездеход используется на антарктической станции Мак-Мердо (США) для доставки грузов, дежурных вахт, бригад, проведения научных исследований и как средство организации экскурсий (Рис. 14).

Электрокар Venturi Antarctica (Монако) - полярный вездеход с нулевым выбросом вредных веществ в атмосферу (Рис. 15).

Существуют многочисленные отечественные самоделки заводского качества изготовления. Современные технологии позволяют каждому нарисовать модели в 3д-редакторе и заказать производство отдельных деталей на фабриках (Лазерная резка, формовка и сгиб листового металла и так далее). Например, на «Авито» можно познакомиться с производителями вездеходов и погрузчиков «Охотец» (Рис. 16), «Мини-погрузчик Bobcat 310», а также снегоболотоходов «Медведь», «Шатун», «Прайм».

Причем, стоимость таких разработок в несколько раз меньше стоимость фабричных изделий (Рис. 17, 18).

Для техники, которой предстоит работать в экстремальных условиях Заполярья, в России разработан арктический ГОСТ. Перевозка пассажиров и грузов должна осуществляться спецтехникой направления Arctic line, то есть сочетать в себе высокую проходимость, маневренность, большую грузоподъемность, усиленную теплоизоляцию и долговечность. Все оборудование должно стабильно работать при температуре -50°С и ниже. Также требования предъявляются и к экологичности машины - они не должны наносить ущерб хрупкой природе Арктики. Следует заметь, в арктическом ГОСТе ничего не сказано об управлении машиной человеком.

Мы сделали вывод, что все перечисленные выше модели, предназначенные для гражданского использования, при всех очевидных достоинствах на наш взгляд, имеют один минус - необходимость присутствия человека для управления транспортным средством непосредственно за рулем машины, что в арктических экстремальных условиях несет определенный риск для жизни и здоровья человека.

Предлагаем решение данной проблемы путем создания прототипа автономного гусеничного трактора «СКВЕР-1».

Свою разработку мы решили начать с небольшой модели, это связано с тем, что у нас нет большого опыта и ограничен бюджет проекта суммой в 5 000 рублей.

В перспективе наш трактор должен усовершенствоваться до модели, сравнимой по размерам с «Охотец», которая будет иметь большую проходимость для преодоления снежных и ледяных торосов, для чистки прилегающей к хозяйствам территории, для перевозки грузов или пассажиров по труднодоступным пересеченным местностям за счет широких гусениц и мощного двигателя.

Наша задача, на данном этапе, это разработка электроники и алгоритмов, а также, создание упрощенной модели для проверки всех систем. Трактор будет управляться при помощи пульта (джостика), либо специальной программы, что сделает наш трактор телеуправляемым.

4. Технологическая часть проекта

4.1. План организации по изготовлению проектируемой модели

Модель

Назначение

История

Форма

Материалы и инструменты

Стоимость

Оформление

4.2. Описание конструкции

Рассмотрим общее устройство нашего прототипа, остановимся на механике и электронике:

- Колесная платформа: прототип имеет колесную платформу с моторами-редукторами, управляемыми с помощью платы Arduino (Рис. 19).

- Датчики-приемники модулированного сигнала: На передней и задней части робота будут установлены датчики, способные принимать сигналы от стационарных маяков. Эти датчики будут обрабатывать сигналы и определять направление и расстояние до маяков для навигации (Рис. 20).

- Сервоприводы для ковша снега: для добавления функционала очистки прототип будет оснащен сервоприводами для управления ковшом снега. Пользователи смогут управлять этими сервоприводами, опуская и поднимая ковш снега. На фотографии представлена возможная модификация, в прототипе мы будем использовать OSBлист, поскольку он не боится контакта со снегом (Рис. 21).

- Ультразвуковые датчики: для предотвращения столкновений с препятствиями робот будет оснащен ультразвуковыми датчиками, позволяющими ему избегать препятствий и автоматически останавливаться (Рис. 22).

В перспективе следует перейти на датчики от парктроников автомобиля, так как они не боятся влаги (Рис. 23).

- Wi-Fi модуль: чтобы управлять роботом, на прототипе будет установлен Wi-Fi модуль, который позволит дистанционно управлять им с помощью мобильного устройства или компьютера (Рис. 24).

Когда мы приступили к созданию нашей платы в EasyEDA, первым шагом было создание электрической схемы. Мы разместили на схеме все необходимые компоненты: микроконтроллер Arduino, коллекторные моторы с редукторами, сервоприводы для управления ковшом снега, датчики-приемники модулированного сигнала для навигации, а также ультразвуковые датчики для избегания препятствий (Рис. 25, 26).

Затем мы начали размещение компонентов на плате. Мы старались расположить компоненты таким образом, чтобы минимизировать длину трассировки и обеспечить удобство монтажа (Рис. 27).

После размещения компонентов мы приступили к маршрутизации трасс. Мы соединили компоненты проводниками, создав дорожки на поверхности платыавто трассировщиком. С помощью инструментов EasyEDA мы осуществили автоматическую и ручную трассировку (Рис. 28).

В процессе проектирования мы также добавили несколько слоев для размещения трасс и размещения компонентов (Рис. 29).

4.3. Проектирование механики

Параллельно с разработкой и созданием электроники мы занимались проектированием и созданием 3д-моделей необходимых деталей. Если выделить ключевые моменты этого этапа мы получим:

• Планирование деталей:

Мы оценили требования для деталей нашего проекта, определив размеры, форму, функциональность и материал.

• Моделирование:

Мы открыли Компас 3D и создали чертеж, определив геометрические параметры детали. Используя инструменты эскиза и операций выдавливания в Компас 3D, мы создали контур детали на выбранной плоскости. Затем мы преобразили этот эскиз в трехмерный объект, используя инструменты экструзии или вращения.

• Добавление деталей и характеристик:

Мы расширили модель, добавив дополнительные элементы, такие как отверстия, вырезы, закругления и другие характеристики, необходимые для завершения детали.

• Проверка на соответствие и создание сборки:

После завершения моделирования отдельных деталей мы начали собирать общую модель.

• Экспорт и сохранение:

Завершив проектирование, мы сохранили деталь в нужном формате для печати.

• 3д-печать и сборка:

Печать всех деталей и сборка (Рис. 30).

4.4. Технические характеристики

Размеры: Длина 150 мм, ширина 110 мм, высота 75 мм.

Материал: пластик PLA, обеспечивающий легкость и прочность детали.

Функциональность: деталь представляет собой базовую часть для установки моторов, сервоприводов и других компонентов.

Отверстия и вырезы: деталь содержит отверстия для крепления коллекторных моторов с редукторами, а также вырезы для установки и крепления сервоприводов для управления ковшом снега.

Эти технические характеристики обеспечивают надежность, простоту использования и эффективную работу нашей детали в рамках нашего проекта.

4.5. Программирование

С помощью сайта remoteXY (Рис. 31) мы установили слайдеры на схему телефона в горизонтальном положении, после чего указали соединение через Wi-Fi. Затем программа нам дала исходный код (Рис. 32), что стало основой для нашего кода который мы позже перенесли в среду программирования Arduino и добавили функции для управления моторами (Рис. 33).

4.6. Трудозатратность проекта и оценка оптимизации производства

Габариты модели: 15*11*7,5 см

Стоимость модели без учета стоимости работы составляет:

По данным на 2024 год МРОТ в России по Челябинской области составляет 19242 рубля, соответственно в час при 40 часовой рабочей неделе человек получает примерно 120 рублей. К сожалению, за работы над проектом я не получала зарплату, поэтому я с чистой совестью потратила оставшиеся 54 рубля на сникерс. Но общее выполнение проекта потребовало примерно 3 месяца или 36 часов. Это эквивалентно 4300 рублей или 80 сникерсам.

Кроме прямых затрат на детали были еще и косвенные: аренда помещения, консультации с педагогом, использование дополнительного оборудования одноклассника Алексея. Оценку стоимости этого мы оставим за рамками данной работы.

По итогам работы мы можем сформулировать несколько предложений для самих себя для следующего этапа:

1. Обязательно соблюдать технику безопасности при пайке и других работах.

2. Тратить больше времени на этап проработки идеи.

3. Рисовать детали в Компас 3Д сразу в виде отдельных деталей и собирать в Сборку.

4. Попробовать другие виды пластика, прочнее PLA.

5. Найти контакты людей, имеющих опыт работы в Арктике или индустриальных партнеров.

6. Изучить вопрос поведения аккумулятор на морозе.

Заключение

Арктика становится центром мировой геополитики. Нашей стране предстоит, опираясь на собственный богатый исторический опыт, используя передовые технологии, радикально модернизировать транспортную инфраструктуру. В районах Севера существует значительное отставание развития транспортного комплекса в технологическом и структурном аспекте. Состояние подвижного состава не способно обеспечить потребности экономики и населения районов Севера [9].

В связи с тем, что в Арктике долгой зимой приходится передвигаться по покрытым глубоким снегом безлюдным просторам, а летом – по болотам и топкой грязи растаявшей тундры. Столбик термометра может надолго застыть на отметке -50°С, а свирепые ветра пронизывают насквозь. Обычные автомобили в таких условиях работать не смогут, нужна особая техника, с повышенной проходимостью, огромным запасом прочности, в идеале - беспилотная, так как любая поломка может обернуться трагедией для человека.

В ходе работы над проектом мы создали прототип автономного трактора «СЕВЕР-1», пригодный для работы в условиях Арктики, который может решить ряд проблем, связанных с эксплуатацией и обслуживанием инфраструктуры Крайнего Севера. Созданный нами функциональный прототип гусеничного трактора, специально спроектированного и изготовленного для эффективной работы в суровых условиях Арктики, будет оснащен специальной легкой, но прочной конструкцией, обеспечивающей оптимальную маневренность и проходимость на снегу и льду, а также системами навигации для точного определения местоположения и безопасного перемещения в пересеченной местности. Трактор будет управляться при помощи пульта (через телефон), что сделает наш трактор телеуправляемым.

На этом наш проект не окончен, в будущем мы планируем работать над усовершенствованием прототипа в целях расширения его возможностей: автономность движения.

Список литературы

1. Атлас океанов. Термины, понятия, справочные таблицы. М.: ГУНК МО СССР, 1980.

2. Гаккель Я. Я. Наука и освоение Арктики. - Л., 1957.

3. Инфраструктура Арктической Зоны РФ: состояние, экономические инструменты развития и приоритетные [Электронный ресурс] https://eee-region.ru/article/4816/

4. Кретов Б.И. Политика России в развитии транспортной системы арктической зоны // Поиск: Политика. Обществоведение. Искусство. Социология. Культура. 2016. № 1(54). С.61-69.

5. Леонов Ю. Исследования Арктики продолжаются // Наука в России. 2008. № 3. С. 104-112.

6. Научный и информационно-аналитический журнал «Арктика. Экономика и технология» [Электронный ресурс] //URL: http://arctica-ac.ru/newstext/54/

7. Основы государственной политики Российской Федерации в Арктике на период до 2020 года и дальнейшую перспективу [Электронный ресурс] http://legalacts.ru/doc/osnovy-gosudarstvennoi-politiki-rossiiskoi-federatsii-v-arktike/

8. Оценка состояния и комплексные проблемы транспортного комплекса РФ // Нормативно-правовые акты URL: https://bazanpa.ru/pravitelstvo-rf-rasporiazhenie-n1734-r-ot22112008-h1246408/strategiia/2/?ysclid=lt05jwqy0587665329 (дата обращения: 05.09.2024).

9. Поручение Правительства РФ от 21 апреля 2016 г. № РД-П16-2680 «О перечне приоритетных проектов, реализуемых на территории Арктической зоны РФ (пункт 3)» Министерство экономического развития РФ 05.2016 № 14605-АЦ/Д29и [Электронный ресурс] // URL: http://arctic.gov.ru

10. Развитие Арктической зоны Российской Федерации // Молодой ученый URL: https://moluch.ru/archive/237/55001/?ysclid=lt05gxf6ub832767855 (дата обращения: 01.09.2024).

11. Романов В.Ю. Особенности и проблемы логистики арктической зоны РС(Я) // Модернизация современного общества: проблемы, пути развития и перспективы. 2015. - № 7. – С. 155-157.

12. Сенкевич Ю., Ревенко М.В. «Малыш о географических открытиях». М: Книга по требованию, 2012.

13. Филипцов В.В., Жуков М.А. Проблемы экономического развития арктической зоны РФ//НЭП – XXI век. Наука. Экономика. Промышленность. – 2026. - № 2. – С. 19-22.

Приложения

Рисунок 1 - г. Челябинск, январь 2024г. Рисунок 2 - Челябинская область, январь 2024г.

Рисунок 3 - Арктика

Рисунок 4 - Вездеход НАТИ-3

Рисунок 5 - Харьковчанка Рисунок 6 - Харьковчанка 2

Рисунок 7 - Снегоболотоход БТ361А-01 «Тюмень» Рисунок 8 - Трэкол

Рисунок 9 - КамАЗ «Арктика» Рисунок 10 — Бурлак

Рисунок 11 - ГАЗ-3344 Арктический спецназ Рисунок 12 - Арктический автобус

Рисунок 13 - Arktos Craft Рисунок 14 - CAT Kress Antarctica

Рисунок 15 - Venturi Antarctica

Рисунок 16 - Охотец

Рисунок 17 - Медведь Рисунок 18 - Bobcat 310

Рисунок 19 – Моторы-редукторы Рисунок 20 – Датчик-приемник сигнала

Рисунок 21 – Сервоприводы Рисунок 22 – Ультразвуковые датчики

Рисунок 23 - Датчики от парктроников автомобиля

Рисунок 24 - Wi-Fi модуль

Рисунок 25 - Микроконтроллер Arduino Рисунок 26 - Электронная схема

Рисунок 27 - Размещение компонентов на плате

Рисунок 28 – Маршрутизация трасс

Рисунок 29 - Дополнительные слои для трассировки и размещения компонентов

Рисунок 30 - Сборка деталей

Рисунок 31 – Програма RemoteXY

Рисунок 32 - Исходный код

Рисунок 33 – Программтрование в среде Arduino

Рисунок 34 - Прототип автономного трактора «Север-1»