Для выполнения таких задач в конструкции модели были

Автоматизированная система поиска
и добычи серы в жерле вулкана.
Авторы:
Лазаренко Дмитрий Николаевич
Ларин Семен Евгеньевич
МБОУ гимназия №19
Бабкина Екатерина Альбертовна
МОУ СОШ №30
Научный руководитель:
Бабкин Антон Альбертович
babkin_aa@inbox.ru
Липецк 2015
Оглавление
Наши идеи и следования............................................................................................. 2
Описание проекта ........................................................................................................ 3
Описание модели роботов .......................................................................................... 5
Программирование роботов ..................................................................................... 14
1
Наши идеи и следования
Тематика
данного
проекта
связана
с
выбором
темы
«Роботы
исследователи». По заданию робот должен помогать людям при исследовании
природных ресурсов в опасных и труднодоступных местах.
Опасным становится место, в котором возникает прямая угроза жизни и
здоровью человека. В природе опасным становится место, где возможно
возникновение
явлений
и
процессов,
способных
поражать
людей,
разрушительно действовать на животный и растительный мир, наносить
материальный ущерб.
Вулканы – достаточно частое явления для нашей планеты. На
поверхности Земли около 1300 действующих вулканов, которые периодически
тревожат человека своими извержениями и еще бесчисленное множество
спящих, которые конечно в любой момент могут проснуться. Страх людей
перед вулканами вполне объясним. Опасности, которые несут в себе вулканы,
очень многообразны. Извержения вулканов разрушают дома, сжигают посевы,
уничтожают скот и убивают людей. Количество погибших людей от
деятельности вулканов сравнительно меньше, чем от землетрясений. Однако,
начиная с 1980 года, извержения унесли жизни 30 тысяч человек и жизнь еще
около миллиона человек пострадали.
Однако вулканическая активность не всегда приносит вред. Извержения
порождают газы и горные породы, которые человек использует в своей жизни.
В кратерах вулканов, на склонах вулканических конусов скапливаются
такие полезные ископаемые, как сера, нашатырь и кристаллы борной кислоты,
ртутные минералы. Во многих местах используются как полезные ископаемые
твердые продукты вулканизма — базальтовая лава употребляется для
изготовления изоляционных, литых, и кислотоупорных изделий, а также как
строительный и дорожный материал. Таким образом, уже сейчас грозное
явление наземного вулканизма приносит человечеству значительно больше
пользы, чем вреда.
2
Поэтому деятельность человека распространяется на их добычу, несмотря
на вредные и опасные условия труда.
Уменьшить степень участия человека при проведении работ в опасных
условиях можно, используя дистанционно управляемое оборудование. В связи с
этим весьма актуальным является создание робототехнических комплексов,
предназначенных для проведения работ по добыче полезных ископаемых в
опасных условиях.
В рамках проекта рассматривается разработка моделей роботов,
способных без участия человека исследовать и сортировать природные
ресурсы, добытые в кратере вулкана, доставлять их в безопасное место и
упаковывать в контейнеры, а так же документировать весь процесс.
Цель проекта: моделирование и конструирование роботов, которые
работая совместно, производят поиск, исследуют состав минералов, добытых в
кратере вулкана, сортируют, доставляют в места складирования и упаковывают
в специальные контейнеры.
Описание проекта
На первом этапе мы узнали, какими свойствами обладают минералы,
добываемые в кратере вулкана. В частности, мы изучили свойства серы,
аурипигмента, колорадоита.
 Сера – вещество вулканического происхождения. Жидкая сера вытекает
из недр вулкана. При застывании затвердевает. Сера пожароопасна. С
давних времен сера применялась в составе различных горючих смесей
для военных целей.
Около VIII в. китайцы стали использовать её в
пиротехнических смесях, в частности, в смеси типа пороха. При сгорании
серы в воздух попадает ядовитый газ. Также сера обладает токсичностью.
Когда она попадает в человеческий организм, сразу становятся заметны
3
симптомы отравления сероводородом. Если же сера попала на кожу, то
появляются экземы, при попадании в глаза начинается необратимый
процесс.
 Аурипигмент – кристалл, состоящий из мышьяка и серы. Очень опасен.
Если взять его кристаллы в руки он может выделить ядовитый
токсический порошок мышьяка. Китайцы широко использовали этот
минерал. В растолчённые образцы этого камня опускались стрелы,
которые затем использовались против врагов с целью отравления –
довольно искусный способ бросания камня. Аурипигмент знаменит тем,
что он испускает сильный запах чеснока из-за содержания в нём
мышьяка. Он также может рассыпаться в опасный порошок под
воздействием света.
 Колорадоит - кристаллический минерал, обычно находящийся в
прожилках магмы. Этот минерал представляет собой соединение
теллурида ртути, образующееся при сплаве ртути с теллуром, ещё одним
чрезвычайно токсичным и редким металлом. Поэтому колорадоит
представляет собой двойную токсичную угрозу для тех, кто осмелится
взять его в руки. Сочетание этих двух элементов создает риск серьезных
отравлений при легкомысленном обращении. При нагревании или
химических изменениях, этот минерал выделяет смертельно опасный пар
и пыль. Что самое интересное – этот минерал добывается для получения
теллура, содержащегося в нём.
Мы выяснили, что эти минералы опасны для здоровья человека – они, как
правило, обладают пожароопасными или взрывоопасными свойствами, очень
токсичны (ядовиты). Необходимо быть крайне осторожными и соблюдать
правила
перевозки
таких
минералов.
Правилами
транспортировать такие минералы навалом - их
строго
запрещается
перевозят в различных
плотных и прочных тарах.
4
Учитывая эти условия, мы поняли, что процесс добычи минералов из
кратера вулкана представляет опасность для человека, поэтому мы решили
создать проект, максимально ограничивающий присутствие человека при
работах.
Описание модели роботов
Роботы выполняют поставленные им задачи на специальном поле,
которое представляет собой макет вулкана с прилегающими территориями.
Поиск и добыча полезных ископаемых происходит в верхней части макета –
жерле вулкана. Определение процентного содержания серы в минерале и его
доставка – в нижней.
Концепция – проект рассчитан на непрерывную работу роботов, без их
перезагрузки для повторного проката. В первую очередь на поверхность
вулкана через специальные отверстия в поле подаётся сера. Каждый раз её
различное количество и выходит она в разных местах. Далее в работу
включается «исследователь». Он сканирует поверхность и после нахождения
минерала передаёт его координату. После «добытчик» принимает координату и
5
движется к месторождению серы. После её извлечения он отправляется к
«погрузчику», где минерал сканируется и отправляется в шахту к подножию
вулкана. Там его ждёт «доставщик», который транспортирует минерал в
зависимости от его процентного содержания серы либо на обогатительную
фабрику, либо на серо плавильный завод. Весь этот процесс постоянно
документируется «картографом» (местоположение минерала при каждом сборе
и т.д.). Весь описанный выше процесс происходит в непрерывном зацикленном
режиме.
Для выполнения выбранного комплекса работ используются несколько
роботов.
Робот-исследователь - предназначен для исследования поверхности вулкана с
целью поиска сконденсировавшейся серы. Если месторождение будет найдено,
то робот отправляет её местоположение Роботу-добытчику.
Для выполнения таких задач в конструкции модели были использованы
следующие основные части:
6
Таблица1
Изображение
Название
Микропроцессор EV3
3 больших сервомотора
EV3
Средний
сервомотор
Использование
Управляет
движением
сервомоторов и датчиков
цвета, cсвязывается во
время выполнения работы
с роботом-доставщиком и
картографом по системе
блютуз.
2 управляют движением
робота по траектории. 1
производит сканирование
поверхности.
Управляют
бура
движением
Определяет
серы
на
вулкана.
скопление
поверхности
EV3
Ультразвуковой датчик
2 датчика цвета
Робот-добытчик
предназначен
для
перевозки
2 датчика используются
для
контроля
над
траекторией при движении
по черной линии, так же
датчики ответственны за
подсчёт перекрёстков
и
погрузки
полезных
ископаемых. До начала движения он получает координату месторождения серы
по блютузу, а после приступает к её погрузке.
7
Для выполнения таких задач в конструкции модели использованы следующие
основные элементы
Таблица 2
Изображение
Название
Микропроцессор EV3
Использование
Управляет
движением
сервомоторов и датчиков
цвета, cвязывается во
время
выполнения
работы
с
роботомисследователем
по
системе блютуз
2 управляют движением
3 больших сервомотора робота по траектории. 1
управляет
EV3
манипулятором.
8
Средний сервомотор EV3
2 датчика цвета
Управляет
движением
манипулятора.
2 датчика используются
для
контроля
над
траекторией
при
движении по черной
линии.
Погрузчик - сканирует минералы по содержанию серы и перевозит их к
подножию вулкана, где передаёт данные о минерале роботу, ответственному за
дальнейшую транспортировку, по системе блютуз.
Для выполнения таких задач в конструкции модели использованы следующие
основные элементы
Таблица 3
Изображение
Название
Использование
9
Микропроцессор EV3
Управляет
движением
сервомоторов и датчиков
цвета.
1 отвечает за погрузку
3 больших сервомотора минералов. 2 за движение
ковша.
EV3
1 датчик цвета
1 датчика касания.
Производит определение
процентного содержания
серы в минерале.
Определяет
момент
остановки ковша.
Картограф – производит документацию, т.е. отмечает на геологической карте
найденные месторождения серы.
Для выполнения таких задач в конструкции модели использованы следующие
основные элементы
Изображение
Название
Микропроцессор EV3
Использование
Управляет
движением
сервомоторов
и
cвязывается во время
выполнения работы с
роботом-исследователем
по системе блютуз
10
1 отвечает за движение
3 больших сервомотора маркера,1 за движение
листка бумаги, 1 за
NXT
движение
пишущей
головки.
Робот доставщик – производит транспортировку минералов на фабрику для
дальнейшей переработки.
Изображение
Название
Микропроцессор EV3
Использование
Управляет
движением
сервомоторов и датчиков
цвета.
11
3 больших сервомотора
EV3
2 датчика цвета
2 управляют движением
робота по траектории. 1 –
движение ковша.
2 датчика используются
для
контроля
над
траекторией
при
движении по черной
линии.
«М-17» - производит доставку серы на поверхность макета, моделируя выход
минерала на поверхность.
12
Для выполнения таких задач в конструкции модели использованы следующие
основные элементы
Изображение
Название
Микропроцессор EV3
Использование
Управляет
движением
сервомоторов и датчиков
цвета.
Управляют
4 больших сервомотора местоположение
минерала во внутренней
EV3
части вулкана.
13
Программирование роботов
На данном этапе создана программа работы роботов, алгоритм
совместной работы которой состоит из нескольких блоков.
Первый блок программы обеспечивает движение роботов по черной линии
(линейный регулятор), а так же производит подсчёт перекрёстков.
Второй блок программы отвечает за работу робота-исследователя, который
движется по поверхности вулкана. Если минерал будет найден, то робот
передаст сообщение с местоположением серы роботу-добытчику.
Третий блок программы обеспечивает движение робота - добытчика и работу
манипулятора. Для
того
чтобы
манипулятор
не отпускал
собранные
ископаемые в сервомоторы требуется постоянно подавать напряжение. За это
ответственны два малых цикла.
14
Четвёртый блок представляет собой структуру выбора движение робота –
добытчика
после
получение
местоположения
минерала
от
робота-
исследователя.
Пятый блок обеспечивает работу Погрузчика.
Шестой блок обеспечивает печать местоположения найденных залежей
минералов.
15
Седьмой блок обеспечивает подачу минералов на поверхность вулкана. На
каждой итерации цикла на поверхность подаётся разное количество серы.
Не секрет, что для выполнения задач описанных в абзаце «Концепция» данных
блоков недостаточно (их у нас 23), а алгоритм должен быть на много умней. И
т.к. вся программа имеет очень огромный размер, поэтому здесь были
размещены небольшие, но важные её части.
16