Исследование провалов грунта в районах крайнего севера

Государственное автономное профессиональное образовательное учреждение
Тюменской области
«ТЮМЕНСКИЙ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ КОЛЛЕДЖ»
Региональный этап Всероссийской робототехнической олимпиады
Творческий проект (старшая категория)
Аппаратно-программный комплекс «ТРИС»
Исследование провалов грунта в районах крайнего севера
Авторы проекта: команда «ТЮИС»
Кузнецов Иван,
Пужак Анастасия,
Черепков Владимир
Руководители проекта: Игнатова С.М.
Тюмень, 2015
Название
проекта:
Аппаратно-программный
комплекс
«ТРИС»
(Тюменский Робот Исследует Север)
Цель проекта:
Разработка
и
создание
аппаратно-программного
комплекса
для
исследования провалов грунта в районах крайнего Севера и восстановления
естественной среды.
Задачи проекта:
-разработать конструкцию робота и программу для обнаружения и
исследования провалов грунта;
-разработать конструкцию робота и программу для заполнения провалов
заменителями земли (грунтом) в зависимости от результатов исследования;
-разработать систему передачи информации от робота-исследователя
роботу-исполнителю.
Над проектом работали: команда «ТЮИС»
(Тюменские Юные Исследователи Севера)
Девиз команды: Творчество юных защитит Землю
Актуальность исследования
В июле 2014 года прозвучало сообщение в СМИ о провалах грунта на Ямале
вблизи Баваненского нефтегазоконденсатного месторождения и в Тазовском
районе, в окрестностях посёлка Антипаюта. Известие об этом необычном
природном феномене облетело весь мир и заинтересовало многих ученых.
Поскольку это действительно актуальная проблема для нашего региона, мы
решили глубже изучить вопрос образования провалов грунта, а именно:
- рассмотреть причины возникновения провалов грунта в Тюменской
области;
- определить экологические последствия данного явления;
- предложить путь сохранения природного ландшафта.
Изучив большой объем информации, мы выяснили:
Образование провалов грунта в Ямало-Ненецком округе могли произойти в
результате:
- выброса природного газа;
- взрыва бугров «пучения», нередко возникающих на крайнем севере;
- образования пустот в недрах земли вследствие выкачивания нефти и газа.
Образование провалов имеет ряд серьезных последствий для окружающей
среды:
- изменение внешнего облика природного ландшафта;
- затопление пониженных участков территорий;
- нарушение растительного покрова;
- сокращение численности животных.
Стоит отметить, что несмотря на серьезные экологические последствия
данной проблемы в настоящее время не ведутся работы по ее решению. В связи с
этим, для сохранения естественной среды и растительного покрова на севере
Тюменской области мы предлагаем заполнять образовавшиеся провалы
специальным грунтом, в состав которого в зависимости от глубины и
температурного режима внутри провала могут входить следующие компоненты:
Минеральная вата, Керамзит, Вермикулит, Перлит- экологически
чистые материалы, которые регулируют водный баланс и температурный режим
почвы, и тем самым позволяют восстановить растительный покров.
- Минеральная вата – гидрофобный материал, устойчивый к
температурным деформациям, не подвержен разложению, экологически чист и
самое главное - является хорошим теплоизолятором;
- Керамзит отличается морозоустойчивостью, долговечностью и
контролирует водный баланс растений;
- Вермикулит –заменитель земли с высокими влагопоглощающими
характеристиками;
- Перлит обладает очень хорошими теплоизолирующими свойствами - в
жару он не нагревается, а в холод медленно остывает;
Компоненты грунта определяются исходя из предварительных
исследований образовавшихся провалов.
Для исследования провалов грунта мы создали аппаратно-программный
комплекс «ТРИС».
Описание конструкции
Главными объектами комплекса являются 2 робота, реализованные на базе
микропроцессоров EV3 конструктора LEGO Mindstorms, программы написаны
также в среде LEGO Mindstorms.
В модели Робота-исследователя использованы:
- два микропроцессора EV3;
- ультразвуковой датчик из набора EV3;
- механическая рука с датчиком температуры, приводимая в движение с
помощью одного большого мотора;
- фотокамера, приводимая в движение одним большим мотором.
Датчик температуры и фотокамера расположены на вращающейся
платформе, приводимой в движение с помощью одного среднего мотора.
В модели Робота-исполнителя использованы:
- два микропроцессора EV3;
- датчики цвета из набора NXT и датчик ультразвука из набора EV3;
- два контейнера, приводимые в движение с помощью больших моторов;
- механизм для захвата ёмкости и заполнения контейнеров, вращающийся
в вертикальной и горизонтальной плоскостях с помощью двух средних моторов,
движение механизма для захвата емкости по гусеничной платформе
осуществляется большим мотором.
Принцип работы
После запуска программы робот-исследователь начинает двигаться вдоль
поля в поисках провалов грунта. Обнаружив провал, робот останавливается,
измеряет его глубину и температуру внутри, фотографирует.
В зависимости от глубины принимает решение о заполнении, или не
заполнении провала грунтом. Если провал очень глубокий (глубина превышает
заданную величину) и его не реально засыпать, то результаты исследования
робот передает на базу для дальнейшего наблюдения. Если глубина провала
позволяет восстановить естественную среду путем заполнения его грунтом
(глубина меньше заданной величины), робот-исследователь передает сигнал
роботу-исполнителю о температуре внутри провала.
Робот-исполнитель, получив сигнал, выбирает два грунта для заполнения
холодного или теплого провала, и загружает их в контейнеры. Он подъезжает к
провалу
и
высыпает
содержимое
контейнеров
в
определенной
последовательности. Возвращается на базу за грунтом для заполнения
следующего провала.
Для заполнения холодного провала используем минеральную вату и
перлит. А для заполнения тёплого провала - керамзит и вермикулит.
Заключение
В районах крайнего Севера Тюменской области в последнее время
наблюдается образование провалов грунта. Это явление обусловлено рядом
причин, в том числе ведением добычи нефти и газа в регионе, и имеет ряд
серьезных экологических последствий для окружающей среды. Однако в
настоящее время не ведется никаких работ по устранению образовавшихся
провалов.
В рамках нашего исследования мы создали аппаратно-программный
комплекс, позволяющий вести работы по обнаружению и исследованию
образовавшихся провалов, а также их последующему заполнению специальным
грунтом, состав которого определяется по результатам исследования.
Аппаратно-программный
комплекс
был
разработан
на
базе
микропроцессоров EV3 в программной среде LEGO Mindstorms. Техническая
конструкция комплекса включает двух роботов, каждый из которых выполняет
свою функцию: робот-исследователь проводит работы по обнаружению
провалов, фотографированию и определению глубины и температурного режима
внутри провала; робот-исполнитель осуществляет работы по заполнению
провалов специальным грунтом.
В состав грунта входят экологически чистые материалы, которые
регулируют водный баланс и температурный режим почвы, и тем самым
позволяют восстановить растительный покров и не допустить сокращения
популяций животного мира в районах крайнего Севера.