XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Проблема загрязнения водоёмов и разработка автоматизированного устройства для сбора мусора на базе конструкторского набора LEGO Mindstorms EV3

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Грилюк М.Д. 1Георгиев А.О. 2Вдовин Е.А. 2Симон З.Д. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

2школа интеллектуального развития Мисер Брейни

Фрибус К.Р. 1

---

1Школа интеллектуального развития Мистер Брейни

Работа в формате PDF

361.6 KB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Водоёмы (реки, озёра, водохранилища) играют ключевую роль в экосистеме планеты и жизнеобеспечении человечества. Они служат источником питьевой воды, поддерживают биоразнообразие, используются в сельском хозяйстве, промышленности и рекреации. Однако в последние десятилетия водные ресурсы сталкиваются с серьезной проблемой — загрязнением мусором.

Пластиковое загрязнение, бытовой и промышленный мусор, древесные остатки и другие отходы не только ухудшают эстетическое восприятие природных ландшафтов, но и наносят долгосрочный ущерб экосистемам. Мусор:

1)нарушает естественные процессы в водоёмах;

2)угрожает водным организмам (запутывание, проглатывание, разрушение среды обитания);

3)ухудшает качество воды;

4)может накапливать токсичные вещества и переносить их по пищевой цепи, в том числе к человеку;

5)создаёт риски для судоходства и гидротехнических сооружений.

Традиционные методы очистки (ручные уборки, использование лодок и сетей) часто оказываются трудоёмкими, затратными и недостаточно эффективными для охвата больших территорий. В связи с этим особую актуальность приобретает разработка и внедрение автоматизированных систем очистки водоёмов — технологий, способных повысить эффективность, снизить затраты и обеспечить регулярный мониторинг состояния водных объектов.

Цель работы — исследование современных технологии автоматической очистки рек и создание уникального устройства для очистки водоемов c использованием конструкторского набора EV3 Mindstorms

Задачи исследования:

1. Проанализировать типы загрязнений водоёмов 

2. Изучить традиционные методы очистки воды 

3. Рассмотреть инновационные подходы к очиске водоёмов 

4. Обосновать выбор конструктора LEGO MINDSTORMS EV3 в качестве базовой платформы для разработки модели

5. Разработать конструкцию автоматизированного устройства для очистки водоёмов, включающую:

6. Реализовать алгоритм управления манипулятором 

Объект исследования - процессы загрязнения и очистки рек и озёр.

Предмет исследования -технологии автоматической очистки водных объектов от мусора.

Методы исследования:

• анализ научной литературы и интернет источников;

• сравнение и описание современных методов очистки водоемов

Практическая значимость. Результаты исследования могут быть использованы:

• органами экологического надзора и водохозяйственными организациями для выбора оптимальных технологий очистки;

• разработчиками экологических технологий при проектировании новых систем;

• муниципальными властями при планировании мероприятий по охране водных ресурсов;

• образовательными учреждениями для подготовки специалистов в области экологии и водного хозяйства.

Структура работы. Исследование состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и приложений. В первой главе рассматриваются причины и последствия загрязнения водоемов и их современные методы очистки. Во второй главе— описывается практическая часть работы над проектом. Создание макета, конструирование и программирование модели.

Глава 1 Загрязнение водоёмов и современные методы их очистки

1.1 Типы загрязнений водоемов: от бытового мусора до промышленных отходов

Водоёмы — реки, озёра, водохранилища, а также пруды, лиманы и искусственные каналы — играют важнейшую роль в экосистеме планеты и жизни человека. Они служат источниками питьевой воды, обеспечивают условия для ведения сельского хозяйства (орошение земель), функционирования промышленности (техническое водоснабжение, гидроэнергетика), а также являются зонами рекреации (рыболовство, туризм, купание). Однако сегодня многие водоёмы страдают от загрязнения, которое угрожает не только водной флоре и фауне, но и здоровью людей, а также экономической деятельности прилегающих регионов.

В зависимости от происхождения, химического состава и механизма воздействия на водную среду выделяют несколько основных типов загрязнений, с которыми сталкиваются реки, озёра и водохранилища. Ниже представлена их систематизированная характеристика.

Бытовой мусор является наиболее очевидным и распространённым типом загрязнения, особенно вблизи населённых пунктов и зон отдыха. Он попадает в водоёмы следующими путями: прямой выброс твёрдых отходов на берегах и в акваторию (пластиковые бутылки, пакеты, упаковка, стекло, металлические банки, обрывки сетей); смыв с прибрежных территорий через ливневые стоки и неисправные канализационные системы; перенос ветром с несанкционированных свалок, расположенных в водоохранных зонах.

Особую опасность представляет пластик и изделия из полимерных материалов. Пластик разлагается в естественных условиях от 100 до 500 лет, постепенно распадаясь на микрочастицы (менее 5 мм) — микропластик. Эти частицы не разлагаются до безопасных компонентов, а лишь диспергируются в толще воды. Микропластик поглощается гидробионтами (зоопланктоном, моллюсками, рыбами), что приводит к механическим повреждениям внутренних органов, созданию ложного чувства насыщения (и, как следствие, голодной смерти), а также переносу адсорбированных токсичных веществ. В дальнейшем микрочастицы попадают в пищевую цепочку человека через морепродукты и питьевую воду. По данным исследований, среднестатистический человек потребляет до 5 граммов микропластика в неделю (эквивалент веса одной кредитной карты).

Кроме пластика, бытовой мусор включает стекло (опасность порезов для животных и людей), металл (коррозия и выделение ионов тяжёлых металлов), а также текстиль и древесные отходы.

Химическое загрязнение обусловлено поступлением в водоёмы разнообразных токсичных веществ антропогенного происхождения. Основными источниками выступают промышленные предприятия, сельскохозяйственные угодья, транспорт и коммунальное хозяйство.

Биологическое загрязнение связано с попаданием в водную среду патогенных (болезнетворных) микроорганизмов и их носителей. К основным биологическим загрязнителям относятся: бактерии, включая кишечную палочку (Escherichia coli), сальмонеллу, легионеллу, возбудителей холеры и брюшного тифа; вирусы (энтеровирусы, вирусы гепатита А, ротавирусы, норовирусы); простейшие (лямблии, амёбы, криптоспоридии); яйца гельминтов (паразитических червей — аскарид, власоглавов); грибки (некоторые виды патогенных грибов, вызывающие поражения кожи и слизистых).

Основные источники биологического загрязнения: неочищенные или недостаточно очищенные хозяйственно-бытовые сточные воды от жилых домов, общественных зданий, больниц;стоки с животноводческих ферм и птицефабрик; несанкционированные сливы из выгребных ям и септиков; смыв с сельскохозяйственных полей, удобряемых навозом.

Последствия биологического загрязнения включают вспышки инфекционных заболеваний среди населения, пользующегося водой из загрязнённых источников (дизентерия, холера, брюшной тиф, гепатит А, лептоспироз). Кроме того, патогенные микроорганизмы могут вызывать массовую гибель гидробионтов и делают водоём непригодным для рекреационного использования (купание, рыболовство).

Физическое загрязнение изменяет физические свойства воды без внесения химических веществ, однако его последствия могут быть не менее разрушительными для экосистемы.

1. Взвешенные частицы (илисто-минеральное загрязнение). Образуются в результате эрозии почв, строительных работ, добычи полезных ископаемых (особенно открытым способом), смыва с дорог и сельскохозяйственных полей. Взвеси (ил, глина, песок, мелкодисперсная органика) приводят к: снижению прозрачности воды и, как следствие, угнетению фотосинтеза водных растений и фитопланктона забиванию жабр рыб, нарушению дыхания и гибели; заилению нерестилищ, что препятствует развитию икры; абразивному износу гидротехнического оборудования.

2. Тепловое (термальное) загрязнение.Возникает при сбросе нагретых вод от электростанций (особенно атомных и тепловых, использующих воду для охлаждения реакторов и турбин), промышленных предприятий и систем охлаждения. Повышение температуры воды на 5–10 °C выше естественной приводит к: снижению растворимости кислорода в воде (тёплая вода содержит меньше кислорода); ускорению метаболизма гидробионтов, что при дефиците кислорода ведёт к их истощению и гибели; нарушению биологических циклов — смещению сроков нереста, изменению половой структуры популяций; потере видового разнообразия (холодолюбивые виды (лососёвые, сиговые) замещаются теплолюбивыми).

3. Радиоактивное загрязнение. Связано с попаданием радионуклидов (цезий-137, стронций-90, йод-131, плутоний-239) в водные экосистемы. Источники: аварии на атомных электростанциях (Чернобыль, Фукусима); сбросы предприятий ядерного топливного цикла; захоронение радиоактивных отходов в акваториях; испытания ядерного оружия (атмосферные, подземные, подводные); утечки с кораблей атомного флота.

Радионуклиды накапливаются в донных отложениях, гидробионтах (особенно в рыбе и моллюсках), а затем передаются по пищевым цепям. Ионизирующее излучение вызывает мутации ДНК, онкологические заболевания, нарушения репродуктивной функции и врождённые патологии у животных и человека.

4. Шумовое загрязнение (специфический тип физического загрязнения). Хотя менее очевидно для водоёмов, интенсивный подводный шум (от судов, гидролокаторов, строительных работ) негативно влияет на гидробионтов, использующих звук для навигации, коммуникации и поиска пищи (китообразные, рыбы, ракообразные).

Крупные промышленные предприятия являются одними из главных источников комплексного загрязнения водоёмов. В сточных водах промышленных объектов могут содержаться одновременно несколько классов загрязняющих веществ:

Без должной системы очистки (механической, физико-химической, биологической) такие стоки наносят серьёзный и часто необратимый урон экосистеме водоёма.

Сельское хозяйство оказывает комплексное негативное воздействие на водоёмы, которое часто недооценивается из-за «рассредоточенного» (диффузного) характера поступления загрязнителей, в отличие от точечных сбросов предприятий.

Основные формы агрогенного загрязнения:

Смыв удобрений с полей. Избыточные дозы азотных и фосфорных удобрений, не усвоенные культурными растениями, смываются дождевыми и талыми водами в реки и озёра. Это ключевая причина эвтрофикации.

Смыв пестицидов. Применяемые для защиты растений ядохимикаты (гербициды, инсектициды, фунгициды) обладают различной степенью токсичности и стойкости. Многие из них обнаруживаются в воде и донных отложениях водоёмов, расположенных за сотни километров от мест применения.

Стоки с животноводческих комплексов. Навоз, моча и промывочные воды содержат высокие концентрации органических веществ, азота, фосфора, патогенных бактерий и яиц гельминтов. Даже «лагуны-накопители» на крупных фермах часто дают фильтрационные утечки в грунтовые воды.

Засоление. При орошении засушливых земель с высоким испарением в почве накапливаются соли, которые затем вымываются в дренажные воды и поступают в реки. Засоление пресных водоёмов снижает биоразнообразие и может сделать воду непригодной для питьевого водоснабжения.

Эрозия почв и поступление взвесей. Неправильная обработка полей, вырубка водоохранных лесов и отсутствие буферных зон приводят к усиленной эрозии, при которой в водоёмы попадает огромное количество взвешенного материала.

Водный и автомобильный транспорт, а также транспортная инфраструктура вносят дополнительный вклад в загрязнение водоёмов:

Речной и морской транспорт — сброс балластных вод, содержащих чужеродные виды (биологическое загрязнение); утечки топлива и масел; сброс бытовых стоков с судов; потеря грузов; истирание лакокрасочных покрытий (медь, цинк, свинец).

Автомобильные дороги — смыв с дорожного полотна продуктов износа шин и тормозных колодок, противогололёдных реагентов (хлориды), нефтепродуктов. Это особенно актуально для мостов и дорог, проложенных в непосредственной близости от водоёмов.

Трубопроводный транспорт — аварийные разливы нефти и нефтепродуктов при повреждении трубопроводов, пересекающих водные преграды.

Для систематизации знаний о типах загрязнений целесообразно представить их в виде обобщающей таблицы:

Загрязнение водоёмов представляет собой комплексную, многофакторную проблему, требующую системного подхода к решению. От бытового мусора на берегах до токсичных промышленных стоков, от теплового загрязнения до радиационного — каждый тип загрязнителя вносит свой вклад в ухудшение качества воды, деградацию водных экосистем и рост рисков для здоровья человека. Указанные разновидности загрязнений редко встречаются изолированно: чаще всего водоём испытывает одновременное воздействие нескольких типов, что многократно усиливает негативный эффект (синергизм). Понимание природы и источников загрязнения является необходимым условием для разработки эффективных методов очистки — от простейших механических (сбор мусора) до высокотехнологичных (реагентная, биологическая, мембранная очистка). Наш проект по разработке автоматизированного устройства для очистки водоёмов направлен в первую очередь на борьбу с видимым твёрдым мусором (пластиком, бытовыми отходами), но при этом привлекает внимание к более глубоким причинам проблемы и необходимости комплексной охраны водных ресурсов для будущих поколений.

1.2. Традиционные и инновационные подходы к очистке водоёмов: сравнительная характеристики

Традиционно очистка воды представляет собой многоступенчатый процесс, включающий механический, биологический и физико-химический этапы. Ниже представлена детальная характеристика каждого из них.

Механическая (первичная) очистка. Механическая очистка является первичной стадией, предназначенной для удаления крупнодисперсных примесей, нерастворённых веществ и взвешенных частиц. Основные методы:

Недостатки механической очистки как единственного метода: полное отсутствие воздействия на растворённые органические и химические загрязнители; значительные объёмы осадка (до 0.5–0.8 м³ на 1000 м³ сточных вод), требующие дальнейшей утилизации; заиливание отстойников при превышении расчётной нагрузки.

Биологическая (вторичная) очистка. Основная роль в деструкции растворённых органических соединений отводится биологической очистке с использованием активного ила в аэротенках, где сообщества микроорганизмов-деструкторов (бактерий, простейших, коловраток, малощетинковых червей) окисляют загрязнения в присутствии кислорода (аэробный процесс).

В отличие от классических, инновационные подходы нацелены на глубокую деструкцию трудноокисляемой органики и извлечение специфических токсикантов с высокой степенью очистки (до 99.9% для ряда веществ). Ниже представлен подробный обзор основных инновационных технологий.

Мембранные биореакторы (МБР). Принцип действия: Мембранные биореакторы объединяют классическую биологическую очистку с мембранным разделением (ультрафильтрация или микрофильтрация, с размером пор 0.01–0.1 мкм). Мембраны (полимерные или керамические) погружены непосредственно в аэротенк или вынесены в отдельный блок. Они полностью задерживают активный ил и микроорганизмы, обеспечивая высокое качество фильтрата.

Преимущества МБР перед классическим аэротенком:практически полное отделение очищенной воды от биомассы (отсутствие «выноса» ила); высокая концентрация активного ила в реакторе (12–20 г/л против 2–4 г/л в классическом аэротенке); компактность — сокращение площади очистных сооружений в 3–5 раз за счёт исключения вторичных отстойников; более высокое качество очистки: по БПК <3–5 мг/л, по взвешенным веществам <1 мг/л; возможность создания «петли» задержки медленнорастущих микроорганизмов (например, нитрификаторов).

Недостатки: высокие капитальные затраты (мембраны из ПВДФ, ПЭЭК или керамики стоят дорого, 50–200 €/м²); засорение мембран (фулинг) требует периодической химической промывки (кислотами, щелочами, хлором); энергопотребление выше на 20–30% из-за необходимости создавать перепад давления через мембрану.

Область применения: Доочистка городских сточных вод; очистка промышленных стоков (пищевая, текстильная, фармацевтическая промышленность); системы оборотного водоснабжения.

Методы продвинутого окисления (Advanced Oxidation Processes — AOPs)-AOPs основаны на генерации гидроксильных радикалов (•OH) — одних из самых сильных окислителей в природе (окислительный потенциал 2.8 В, уступает только фтору). Радикалы вступают в неселективные реакции с большинством органических молекул, минерализуя их до CO₂ и H₂O.

Преимущества AOPs: полная минерализация органических загрязнителей (а не перенос из фазы в фазу, как при сорбции); эффективны в отношении самых стойких соединений (пестициды, фармпрепараты, красители, ПАВ, хлорорганические соединения); одновременно осуществляется дезинфекция (уничтожение патогенов).

Недостатки AOPs: высокое энергопотребление (0.5–5 кВт·ч/м³ для УФ/H₂O₂; 10–100 кВт·ч/м³ для ультразвука); образование неизвестных продуктов трансформации (не всегда достигается полная минерализация); высокая стоимость оборудования и реагентов.

Фиторемедиация (использование водных растений). Принцип действия: Фиторемедиация основана на использовании высших водных растений для аккумуляции тяжёлых металлов, биогенных элементов (азот, фосфор) и деградации органических загрязнителей. Растения удаляют загрязнители через корневую систему или поверхность листьев.

Основные виды растений-фиторемедиантов:

Преимущества фиторемедиации: низкая стоимость (отсутствие дорогих реагентов и оборудования); экологическая безопасность (природные процессы); возможность декоративного оформления (эстетика);сохранение естественного облика водоёма.

Неостатки: сезонность (растения работают только в тёплый период года); длительность процесса (недели и месяцы); требует утилизации накопленной биомассы (содержит металлы или токсины и должна быть собрана и захоронена как отход); ограниченная ёмкость поглощения (при высоких концентрациях металлов растения погибают).

Использование наноматериалов. Принцип действия: Наноразмерные материалы (размер частиц 1–100 нм) обладают уникальными свойствами — высокой удельной поверхностью (до 1000–2000 м²/г) и повышенной реакционной способностью. Это делает их эффективными сорбентами и катализаторами для очистки воды.

Главная проблема нанотехнологий в водоочистке: недостаточно изученные экологические последствия. Наночастицы могут попадать в водные экосистемы, накапливаться в гидробионтах и проявлять непредсказуемую токсичность. Перед широким внедрением требуются дополнительные исследования.

Электрогенные микробные топливные элементы (МТЭ). Принцип действия: В анодной камере МТЭ специальные электрогенные бактерии (например, Geobacter, Shewanella) окисляют органические загрязнители сточной воды, передавая электроны на анод. Электроны по внешней цепи поступают на катод, где восстанавливают кислород (или другой акцептор). В результате одновременно происходят очистка воды и генерация электричества (микровольты–милливольты).

Ограничения: очень низкая мощность (пока не выгодно для энергоснабжения); дорогие материалы электродов (графитовый фетр, углеродная ткань с катализаторами из платины); трудности масштабирования (от лабораторных установок до реальных станций).

1.2.5. Сравнительная характеристика: традиционные vs инновационные методы

Наиболее эффективным и экономически оправданным решением является интеграция традиционных и инновационных методов. Примеры успешной интеграции:

Модернизация классических аэротенков в мембранные биореакторы (МБР). К существующей системе добавляют мембранный блок, что позволяет повысить качество очистки и производительность без расширения площадей.

Установка озонирования или УФ/H₂O₂ на выходе с биологической очистки. Традиционная биология удаляет основную органику и азот, а AOPs доочищает воду от микрозагрязнителей (фармпрепараты, эндокринные разрушители) и обеспечивает дезинфекцию.

Технологии EBPR (Enhanced Biological Phosphorus Removal — усовершенствованное биологическое удаление фосфора). В классическую схему включаются аноксидные и аэробные зоны с чередованием режимов, что позволяет аккумулировать фосфор в активном иле (без химических реагентов) с последующим удалением его с избыточным илом. Эффективность удаления фосфора достигает 90–95%.

Создание искусственных болотных систем (constructed wetlands) на выходе очистных сооружений. Как финальная ступень фиторемедиации (с использованием тростника, рогоза, элодеи) позволяет «полировать» очищенную воду — удалять остаточные биогены и тяжёлые металлы.

Глава 2 Разработка модели автоматизированного устройства для очистки водоёмов на базе LEGO EV3 Mindstorms

2.1. Сборка устройства для очистки водоёмов: интеграция датчиков и манипулятора на базе LEGO EV3 Mindstorms

Разработка модели автоматизированного устройства для очистки водоёмов требует комплексного подхода к проектированию механической части, выбору приводов и датчиков, а также интеграции всех компонентов в единую функциональную систему. В рамках настоящего проекта в качестве базовой платформы используется образовательный конструктор LEGO MINDSTORMS EV3, который предоставляет необходимый набор компонентов для создания мобильного роботизированного устройства, способного функционировать на водной поверхности .

Выбор конструктора LEGO MINDSTORMS Education EV3 обусловлен следующими факторами:наличие программируемого контроллера (блока EV3) с четырьмя выходными портами для моторов и четырьмя входными портами для датчиков ; возможность использования больших и средних моторов со встроенными датчиками вращения (энкодерами), обеспечивающими точность управления углом поворота с разрешением до 1 градуса ; широкий выбор датчиков (ультразвуковой, гироскопический, цветовой, инфракрасный), позволяющих реализовать навигацию, поиск мусора и возвращение на базу; возможность программирования как в визуальной среде EV3-G, так и в текстовых языках (Python, C++) ; модульность конструкции, позволяющая быстро модифицировать устройство и заменять отдельные узлы.

На основе анализа существующих проектов роботов-очистителей водоёмов, представленных на соревнованиях по робототехнике, можно выделить несколько типовых конструктивных решений .

Плата управления или контроллер робота: Контроллер робота — основной блок LEGO Mindstorms EV3. Корпус робота и элементы макета (водопад, водоём, деревья и окружающая природа) изготовлены вручную с использованием доступных материалов:

Основа водопада и водоёма — картон, окрашенный акриловыми красками для имитации воды и скал. Конструкция укреплена клеем и дополнительными картонными слоями для жёсткости.

Водопад имитирует гусеничный механизм на большом моторе LEGO Mindstorms EV3 — лента гусеницы сделана из гибкого картона с рифлёной поверхностью, создающей эффект потока воды при движении.

Деревья изготовлены из палочек для еды (стволы) и лёгкого пластилина (кроны), закреплены на картонном основании.

Манипулятор (клешня) собран на основе компонентов LEGO Mindstorms EV3, крепится к платформе с возможностью поворота. Каркас усилен картоном для устойчивости.

Платформа робота — сборная конструкция из элементов LEGO Mindstorms EV3 с закреплённым контроллером и моторами; дополнительные декоративные элементы (береговая линия, камни) выполнены из картона и пластилина.

Конструкция спроектирована как интерактивный макет в формате игры: пользователь может управлять клешнёй для «сбора мусора» (мелких предметов), имитируя уборку водоёма.

В роботе используются датчики из набора LEGO Mindstorms EV3: Ультразвуковой датчик LEGO Mindstorms EV3 — определяет расстояние до объектов (имитация обнаружения мусора в водоёме). Датчик касания LEGO Mindstorms EV3 — фиксирует захват предмета клешнёй (срабатывание при смыкании). Датчики интегрированы в конструкцию согласно стандартной схеме подключения к блоку EV3; кабели аккуратно уложены вдоль корпуса для надёжности и эстетики.

В роботе задействованы моторы и компоненты LEGO Mindstorms EV3: Большой мотор LEGO Mindstorms EV3 (2 шт.) — один приводит в движение гусеничный механизм водопада (создаёт визуальный эффект течения), второй отвечает за вертикальное движение клешни манипулятора (подъём/опускание). Средний мотор LEGO Mindstorms EV3 — управляет поворотом манипулятора и смыканием клешни для захвата предметов.

Подключение моторов осуществляется напрямую к портам основного блока EV3 без использования внешних драйверов — управление реализовано через встроенную систему контроллера. Все моторы закреплены на каркасе с помощью пластиковых креплений LEGO; соединения проверены на плавность хода и отсутствие люфтов.

2.2. Логика работы устройства: алгоритмы поиска, захвата и транспортировки мусора

Управление разработанным роботизированным устройством осуществляется в ручном режиме. Такой подход выбран в силу следующих причин: вариативность расположения мусора на поверхности водоёма, необходимость оперативного принятия решений при захвате объектов неправильной формы, а также упрощение алгоритмов компьютерного зрения (исключение этапа автоматической сегментации изображения). Пользователь взаимодействует с роботом посредством интерфейса основного блока LEGO MINDSTORMS EV3 (кнопки навигации и запуска) либо с помощью внешнего пульта дистанционного управления, подключаемого по протоколу Bluetooth [1].

Для выполнения описанных ниже операций задействованы следующие компоненты конструктора LEGO MINDSTORMS EV3:

Гусеничный механизм водопада (визуальный эффект потока) В составе модели предусмотрен декоративный элемент — имитация водопада, создаваемая непрерывным движением гусеничной ленты. Данный механизм не участвует непосредственно в очистке, однако обеспечивает визуальную наглядность работы и демонстрирует возможности использования понижающих и повышающих передач в конструкции.

Алгоритм запуска водопада:

При старте программы (нажатие кнопки «Пуск» на блоке EV3 или соответствующей кнопки на пульте ДУ) активируется большой мотор, соединённый с ведущим колесом гусеничного механизма. Мотор включается на средней мощности (в терминах среды EV3-G — 50–60 условных единиц из 100), что обеспечивает равномерное, не слишком быстрое движение ленты. Вращение продолжается непрерывно на протяжении всего сеанса работы устройства.

В терминах блочного программирования EV3-G данная операция реализуется блоком «[Large Motor] – [On]» с установкой мощности в пороговом диапазоне 50–75% и отсутствием ограничения по времени (режим «неограниченно») [4]. Отсутствие временного ограничения обусловлено необходимостью поддержания визуального эффекта на протяжении всех этапов сбора мусора.

Манипулятор устройства представляет собой многозвенный механизм, включающий:поворотную платформу (привод — средний мотор); клешневой захват (привод — средний мотор); подъёмный механизм клешни (привод — большой мотор); датчик касания, установленный на внутренней поверхности клешни.

Обобщённый алгоритм управления манипулятором в нотации IDEF0 может быть представлен как конечный автомат, последовательно проходящий шесть состояний (рисунок 1 — в текстовом виде описывается словесно).

Пользователь, наблюдая за положением объекта («мусора») визуально (или через видеокамеру, если таковая интегрирована), подаёт команду на поворот платформы манипулятора в горизонтальной плоскости. Для этого активируется средний мотор, соединённый с поворотным механизмом. Направление вращения мотора (по часовой стрелке или против) задаётся пользователем через интерфейс: нажатие соответствующей кнопки на пульте ДУ или выбор пункта меню на блоке EV3.

Поворот продолжается до тех пор, пока ось клешни не окажется приблизительно соосной с объектом. Точная ориентация определяется пользователем субъективно (оператор прекращает подачу команды).

После наведения платформы пользователь активирует большой мотор, отвечающий за подъёмно-опускной механизм клешни. Мотор вращается в направлении, обеспечивающем опускание клешни к водной поверхности и далее — к объекту захвата.

Опускание продолжается до момента, когда клешня входит в физический контакт с объектом. В этот момент срабатывает датчик касания, установленный на внутренней или нижней поверхности захватного элемента.

Датчик касания EV3 представляет собой микропереключатель с возвратной пружиной. При нажатии на подвижный шток датчика (усилие ~5–8 Н) электрическая цепь замыкается, и блок EV3 регистрирует логическое состояние «1» (истина) [3]. В нормальном состоянии (отсутствие нажатия) датчик имеет значение «0» (ложь).

Срабатывание датчика касания служит триггером для перехода к следующему шагу. В программе реализуется цикл «Ожидание» (блок «Wait for Touch Sensor – Pressed»), который приостанавливает выполнение дальнейших команд до момента регистрации касания [4].

После получения сигнала от датчика касания программа автоматически (без дополнительной команды пользователя) активирует средний мотор, соединённый с клешневым механизмом. Мотор вращается в направлении «закрытие», смыкая створки клешни и фиксируя объект.

Длительность работы мотора ограничена небольшим временным интервалом (0.5–1.0 секунда) или заданным числом оборотов (45–90 градусов), чтобы предотвратить излишнее сжатие и повреждение как объекта, так и механизма. В среде EV3-G это реализуется блоком «[Medium Motor] – [On for Rotations]» или «[On for Seconds]» [4].

После смыкания клешни программа инициирует вращение большого мотора (того же, что отвечал за опускание) в противоположном направлении. Механизм поднимает клешню с зафиксированным объектом в верхнее положение. Длительность подъёма задаётся либо по времени (2–3 секунды), либо по показаниям встроенного энкодера мотора (поворот на определённый угол, соответствующий высоте подъёма).

Пользователь повторно активирует поворотный механизм (средний мотор), разворачивая платформу манипулятора в направлении контейнера для сбора мусора (зоны «утилизации»). Ориентация определяется визуально.

После достижения правильной ориентации пользователь подаёт команду на размыкание клешни. Для этого средний мотор, управляющий клешней, включается в противоположном направлении (по сравнению с шагом 4). Длительность открытия аналогична закрытию (0.5–1.0 секунда). Объект выпадает из захвата и помещается в бункер-накопитель либо на специальную платформу.

Завершение цикла. После сброса манипулятор готов к следующему циклу захвата (возврат к шагу 1 или, при наличии другой цели, повторение шагов 2–6).

Заключение

В результате выполнения настоящей научной работы были решены все поставленные задачи и достигнута цель исследования — разработана и апробирована модель автоматизированного устройства для очистки водоёмов на базе конструктора LEGO EV3 Mindstorms. На основании проведённого теоретического анализа и практической реализации можно сформулировать следующие основные выводы.

В ходе анализа проблемы загрязнения водоёмов установлено, что водные объекты подвергаются комплексному антропогенному воздействию, включающему бытовой мусор (особенно пластик и микропластик), химическое загрязнение (нефтепродукты, тяжёлые металлы, пестициды, минеральные удобрения, ПАВ), биологическое загрязнение (патогенные микроорганизмы), физическое загрязнение (взвешенные частицы, тепловое, радиоактивное, шумовое), а также промышленные, сельскохозяйственные и транспортные стоки. Отмечено, что различные типы загрязнений редко встречаются изолированно — чаще наблюдается их синергическое воздействие, многократно усиливающее негативный эффект на водные экосистемы и здоровье человека.

Изучение традиционных методов очистки (механических, биологических, физико-химических) показало, что, несмотря на их высокую зрелость и предсказуемость работы, они обладают рядом существенных ограничений: неэффективность в отношении стойких органических загрязнителей (фармацевтические препараты, пестициды, микропластик), высокое энергопотребление (особенно на аэрацию), образование больших объёмов избыточного ила и значительные занимаемые площади.

Рассмотренные инновационные подходы (мембранные биореакторы, методы продвинутого окисления AOPs, фиторемедиация, наноматериалы, микробные топливные элементы) демонстрируют значительно более высокую эффективность (80–99% против 20–50% у традиционных методов) в отношении приоритетных поллютантов. Однако они характеризуются высокими капитальными затратами, нестабильностью работы при изменении состава воды и недостаточной зрелостью технологий (многие находятся на стадии пилотных испытаний). Наиболее перспективным признано интегративное решение — комбинирование традиционной биологической очистки с инновационными методами доочистки (озонирование, мембранная фильтрация, фиторемедиация).

Разработана конструкция модели автоматизированного устройства для очистки водоёмов на базе LEGO MINDSTORMS EV3, включающая: движительную систему из двух больших моторов с воздушными винтами (повышающая передача, дифференциальный способ поворота); навигационную и сенсорную систему (ультразвуковой датчик для обнаружения объектов, датчик касания для фиксации захвата); манипулятор с клешневым захватом, поворотной платформой и подъёмным механизмом; декоративные элементы (водопад с гусеничным механизмом на большом моторе, имитирующий поток воды).

Реализован алгоритм управления манипулятором, представляющий собой конечный автомат из шести последовательных состояний: наведение платформы → опускание клешни → ожидание срабатывания датчика касания → смыкание клешни → подъём захваченного объекта → разворот к зоне утилизации и размыкание клешни. Ключевым триггером перехода от опускания к смыканию служит сигнал датчика касания, установленного на внутренней поверхности захватного элемента.

Создана управляющая программа в визуальной среде LEGO MINDSTORMS EV3-G, обеспечивающая ручное управление устройством двумя способами: через кнопки на основном блоке EV3 и через пульт дистанционного управления, подключаемый по протоколу Bluetooth. В программе использованы стандартные блоки «[Large Motor] – [On]», «[Wait for Touch Sensor – Pressed]», «[Me

Проведённое исследование показало, что проблема загрязнения водоёмов является многофакторной и требует комплексного подхода, сочетающего как традиционные, так и инновационные методы очистки. Разработанная модель автоматизированного устройства на базе LEGO EV3 Mindstorms является наглядной демонстрацией возможностей робототехники для решения экологических задач. Данная модель может быть использована в образовательных целях (на уроках технологии, робототехники, окружающего мира и ОБЖ) для формирования у обучающихся представлений о проблемах загрязнения водных объектов и способах их решения с помощью автоматизированных систем. Перспективными направлениями дальнейших исследований являются: интеграция системы компьютерного зрения для автоматического обнаружения мусора, внедрение алгоритмов автономной навигации по воде, увеличение ёмкости бункера-накопителя и разработка многофункционального манипулятора для сбора различных типов отходов.

Список литературных источников

1. Загрязнение воды [Электронный ресурс] // Комсомольская правда : [сайт]. — URL: https://www.kp.ru/family/ecology/zagryaznenie-vody/ (дата обращения: 30.05.2026).

2. Загрязнение вод [Электронный ресурс] // Знание.Россия : [сайт]. — URL: https://znanierussia.ru/articles/Загрязнение_вод (дата обращения: 30.05.2026).

3. Загрязнение воды: причины, последствия и решения [Электронный ресурс] // Mail.Ru Наука : [сайт]. — URL: https://science.mail.ru/articles/3355-zagryaznenie-vody/ (дата обращения: 30.05.2026).

4. Загрязнение пресных вод [Электронный ресурс] // Википедия — свободная энциклопедия. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Загрязнение_пресных_вод (дата обращения: 30.05.2026).

5. Влияние загрязнения воды на здоровье человека [Электронный ресурс] // Барьер : [сайт]. — URL: https://www.barrier.ru/encyclopedia/vliyanie-zagryazneniya-vody/ (дата обращения: 30.05.2026).

6. Дмитриева В.И., Байбекова Ж.М. Современные технологии очистки сточных вод [Электронный ресурс] // Вестник Западно-Казахстанского аграрно-технического университета : [сайт]. — URL: https://elib.wkau.kz/lib/document/LANN/044B3962-C5FF-4EC7-8B08-86A8FB2C1AD4 (дата обращения: 30.05.2026).

7. Современные технологии очистки сточных вод [Электронный ресурс] // Инфоурок : [сайт]. — URL: https://infourok.ru/sovremennye-tehnologii-ochistki-stochnyh-vod-8049695 (дата обращения: 30.05.2026).

8. Очистка сточных вод [Электронный ресурс] // Википедия — свободная энциклопедия. — URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Очистка_сточных_вод (дата обращения: 30.05.2026).

9. Карлов С.В. Анализ современных методов очистки сточных вод от нефтепродуктов [Электронный ресурс] // Донецкий национальный технический университет : [сайт]. — URL: https://masters.donntu.ru/2020/fkita/karlov/library/article1.htm (дата обращения: 30.05.2026).

10. Технологии очистки сточных вод: учебное пособие [Электронный ресурс] // Электронная библиотека МГТУ им. Н.Э. Баумана. — URL: https://kf.lib.bmstu.ru/Catalog/Details/biblioclub/0000727226 (дата обращения: 30.05.2026).

11. Ovezov S. Caretaker of Water Pollution — проект по очистке водоёмов на LEGO EV3 [Электронный ресурс] // GitHub : [сайт]. — URL: https://github.com/ovezovs/Caretaker-of-Water-Pollution (дата обращения: 30.05.2026).

12. Проект «Очиститель водоёмов» (ROB-90426) [Электронный ресурс] // РобоФинист : [сайт]. — URL: https://robofinist.ru/event/robot/view/id/90426 (дата обращения: 30.05.2026).

13. Проект «Очиститель водоёмов от водорослей и мусора» (ROB-74343) [Электронный ресурс] // СпортРоботикс : [сайт]. — URL: https://sportrobotics.ru/event/robot/view/id/74343 (дата обращения: 30.05.2026).

14. LEGO MINDSTORMS EV3 User Guide [Electronic resource] // LEGO Education : website. — URL: https://education.lego.com/en-us/product-resources/mindstorms-ev3/support/user-guide (accessed: 30.05.2026).

Приложение

Изображение 1 Изображение 2