Детский проект по робототехнике "Луноход с буровой установкой"

Муниципальное автономное образовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа № 24»

ЛУНОХОД С БУРОВОЙ УСТАНОВКОЙ

Выполнили:

Ученики 3 А класса МАОУ «СОШ № 24»

Анисимов Фёдор, Швецова София, Опалев Кирилл

Руководитель:

Киселёва Елена Николаевна,

учитель начальных классов,

МАОУ «СОШ № 24»

Г. Пермь, 2021

Аннотация

За всю историю космонавтики было создано несколько луноходов. Методом проб и ошибок учёные прокладывали дорогу в космос.

Освоение Луны и залежей её полезных ископаемых является целью многих космических программ разных стран. Лунный грунт содержит большое количество водного льда, который может стать бесценным ресурсом для будущей обитаемой лунной базы. Мы решили создать программируемый луноход, который бы выполнял определённые задачи и был бы полезен при исследованиях и освоении спутника Земли и новых планет.

Изучение истории освоения Луны оказалось весьма познавательным не только с точки зрения хронологии событий. Мы узнали о необходимых требованиях, предъявляемых к таким к космическим аппаратам. При построении лунохода, мы постарались создать модель с учетом этих требований: высокая посадка платформы, расположение солнечных батарей, достаточный вес, хотя бы 2 камеры для стереоскопического изображения, видео и фотосъемка, дополнительный источник питания в отсутствии солнечного света, умение преодолевать препятствия.

Проект «Луноход с буровой установкой» приурочен к 60-летию полёта в космос Ю.А. Гагарина. Проект представляет собой модель, созданную на базе двух комплектов конструктора Lego Education WeDo 2.0, выполняющую определённую программную строку.

Программа обеспечивает движение лунохода по неровной поверхности, подачу сигналов, вертикальное движение бура и возвращение на базу.

Трудности в построении программы заключались в том, чтобы построить и отладить программу, так, чтобы моторы включались в работу последовательно, но не одновременно.

Луноход имеет завершенность, целостность, оптимальное количество деталей, внешнее сходство с аналогичными устройствами, оригинальную сборку.  Работа имеет объём 9 страниц, 9 приложений, 15 иллюстраций, 5 источников информации.

Введение

Луна – небесное тело. Луна является спутником Земли, который ближе всего расположен к Солнцу. Луна обладает разнообразными полезными ископаемыми – железом, алюминием, титаном. В поверхностном слое лунного грунта обнаружен элемент гелий–3, который может использоваться в качестве топлива для будущих термоядерных реакторов, найдены залежи льда. Освоение Луны и залежей её полезных ископаемых является целью многих космических программ разных стран.

В начале 21 века Китай опубликовал свою программу освоения Луны. В начале декабря китайский луноход взял пробы лунного грунта и вернулся на Землю. В России запущена программа по освоению Луны до 2040 года.

Мы решили создать программируемый луноход, который бы выполнял определённые задачи и был бы полезен при исследованиях и освоении спутника Земли и новых планет.

Проект «Луноход с буровой установкой» приурочен к 60-летию полёта в космос Ю.А. Гагарина.

Проект представляет собой модель, созданную на базе двух комплектов конструктора Lego Education WeDo 2.0, выполняющую определённую программу.

Цель проекта: создание лунохода с помощью конструктора Lego Education WeDo 2.0

Задачи:

          1. Изучить историю луноходов.

2.  Создать передвигающийся луноход с буровой установкой.

3. Запрограммировать движение лунохода до заданной точки, подающего сигнал о прибытии и принимающего сигнал с Земли о взятии пробы грунта.

4. Построить на луноходе действующую буровую установку с опускающимся и поднимающимся буром.

5.  Обеспечить возвращение лунохода на базу.

Объект исследования – конструктора Lego Education WeDo 2.0 и программное обеспечение.

Предмет исследования – модель лунохода с буровой установкой.

Новизна проекта заключается в том, что мы создали оригинальную сборку модели с буровой установкой, при этом использовали оптимальное количество деталей. Также нами была создана программа – алгоритм, выполняющая определенные задачи.

Сначала мы изучили историю создания, развития подобных космических аппаратов, их значение в освоении космических объектов. Теоретическая часть нашего проекта имеет такую структуру:

Введение

Глава 1. История луноходов

Глава 2. Сборка модели лунохода

Глава 3. Построение программы

Заключение

Глава 1. История луноходов

Работая над проектом, мы выяснили, что за всю историю космонавтики было создано несколько луноходов.

Лунохо́д — планетоход, предназначенный для передвижений по поверхности Луны.

Путь к Луне был долгим и трудным. Методом проб и ошибок учёные прокладывали дорогу в космос. 19 февраля 1969 года стартовала ракета-носитель «Протон», чтобы отправить межпланетную станцию в космическое пространство. Но при разгоне головной обтекатель, закрывавший луноход, под воздействием силы трения и высоких температур начал разрушаться – обломки попали в топливный бак, что привело к взрыву и полному уничтожению планетохода. Этот проект получил название «Луноход-0».
              Первым механизмом на Луне стал советский «Луноход-1». Его запустили в 1970 году, управляли по радио, с Земли. Эта посудина, напоминавшая чугунную ванну с антенной и на колёсах, стала первым рукотворным объектом, передвигавшемся по Луне. Вскоре после прилунения выяснилось, что камеры лунохода расположены слишком низко; из-за этого машина оказалась «близорукой» и постоянно застревала в кратерах. Спасли восемь колёс, на которых луноход преодолевал подъёмы выше заложенной в проекте высоты. Несмотря на это, «Луноход» честно отработал и переработал свои часы. Вместо запланированных 90 дней «Луноход» проработал почти год и проехал 10,5 км. Место, где он окончательно остановился, долго было неизвестно; только в 2005 году «Луноход» обнаружился на фотографиях, сделанных орбитальным лунным аппаратом NASA. (Приложение 1).

Первым пилотируемым аппаратом на Луне стал в 1971 году лунный ровер, доставленный миссией Аполлон-15, на котором катались астронавты Дэвид Скотт и Джим Ирвин. Притяжение Луны было слишком слабо, чтобы удерживать разогнавшийся луноход, и машина подпрыгивала, отрываясь от грунта всеми колёсами сразу. (Приложение 2).

Второй американский луноход доставила на спутник миссия Аполлон 16. Следующий ровер, доставленный Аполлоном-17, пришлось чинить подручными средствами. (Приложение 2)

Второй советский «Луноход-2» в 1973 году прилетел на Луну за рекордами. Во-первых, он был в самой серьёзной среди всех весовой категории. Вес в 840 килограмм стал рекордным для доставки груза на поверхность Луны. Во-вторых, он прошел больше предшественников — 37 километров.  Этот рекорд побил только марсоход Opportunity в 2014 году. Он смог провести сотни измерений и экспериментов.  Его путешествие прекратилось из-за пыли, покрывшей солнечные панели. Для продолжения движения не хватило электроэнергии. (Приложение 3).

В 1975 году в Советском Союзе был изготовлен очередной луноход. Луноход-3 – это была машина, вобравшая в себя самые лучшие качества предшественников. Имела на борту самое совершенное техническое оборудование и новейшие научные приборы.  Конструктивные отличия «Лунохода-3» от предыдущих моделей заключались в размещении двух телекамер на подъёмной платформе, а также возможности одновременной передачи на Землю изображения с обеих телекамер для стереоскопического обзора местности. «Луноход-3» так и не был отправлен на Луну.  «Луноход-3» был передан в музей НПО имени С. А. Лавочкина, где находится по настоящее время.

Третьей после СССР и США страной, сумевшей посадить аппарат на Луну, стал Китай. Это произошло в 2013 году. Лунохода Юйту весил всего 140 килограммов и был совсем небольших размеров. Он прошел всего 100 метров за месяц и застрял на Луне навсегда. (Приложение 3).

Согласно планам, закрепленным в программе освоения Луны до 2040 года, именно в окрестностях южного полюса будут сосредоточены главные усилия российских ученых и конструкторов. Главные ценности Луны скрываются в опасных областях ближе к её полюсам. «Луна-25» должна стать первой в череде полярных миссий. Следующий аппарат проведет полный обзор спутника с орбиты и станет ретранслятором связи. «Луна-27» сядет еще на несколько шагов ближе к полюсу и проведет бурение мерзлого грунта. «Луна-28» отправит эти образцы для анализа на Землю. Наконец, уже в 2030-х начнется возведение базы. Лунный грунт содержит большое количество водного льда, который может стать бесценным ресурсом для будущей обитаемой лунной базы, обеспечивая ее не только водой, но и кислородом и водородом, превосходным источником энергии. (Приложение 4).

Уже в марте 2021 года должна быть завершена сборка космического аппарата «Луна-25» после чего он отправится на испытания, а осенью стартует к цели. Запуск состоится первого октября 2021 года.

Изучение истории освоения Луны оказалось весьма познавательным не только с точки зрения хронологии событий. Мы узнали о необходимых требованиях, предъявляемых к таким к космическим аппаратам, о неудачных экспериментах, в результате которых луноходы не смогли завершить свою программу. При построении лунохода, мы постараемся создать модель с учетом этих требований.

Глава 2. Сборка модели лунохода

Высокая посадка платформы, расположение солнечных батарей, достаточный вес, хотя бы 2 камеры для стереоскопического изображения, видео и фотосъемка, дополнительный источник питания в отсутствии солнечного света, умение преодолевать препятствия – всё это необходимые условия для успешного выполнения программы.

Как говорилось ранее, для сборки лунохода мы используем 2 конструктора Lego Education WeDo 2.0.

Начинаем конструировать модель с основы-платформы. Для этого мы используем пластины и балки. На платформу устанавливаем смартхаб –беспроводной соединитель между устройством и другими электронными компонентами, используя технологию Bluetooth Low Energy. Он получает программные строки и исполняет их.

На смартхаб прикрепляем мотор. Ось мотора приводиться в движение с помощью электричества. Мотор можно запускать в обоих направлениях, останавливать, переключать на разные скорости, а также активировать на определенное время. На оси мотора устанавливаем двойное коническое зубчатое колесо. (Приложение 5).

Собираем буровую установку. Бур состоит из длинной планки и, прикрепленной к ней, зубчатой рейки. Буровая установка располагается на платформе. Очень важно для нас, при сборке бурового устройства, было добиться того, чтобы бур одновременно был подвижным и не менял угол наклона, не заваливался. Сложность была в построении механизма опускания и подъема бура в буровой шахте вертикально. (Приложение 6).

Наш луноход имеет подвижную систему колес, которые преодолевают небольшие препятствия. Для передвижения используется ременная передача от мотора на ось колес с помощью ступицы/шкива, ремня. (Приложение 7).

Луноход снабжен солнечными батареями – источниками питания, антеннами для передачи и приёма информации, подвижными видеокамерами, источниками освещения. (Приложение 8).

              Данный луноход используют для изучения поверхности и забора грунта Луны и других космических тел.

Глава 3. Построение программы

Мы создали программу, которая бы решала основные задачи, перечисленные во Введении.

Луноход должен двигаться до заданной точки (место бурения) и подавать сигнал на Землю, получать ответный сигнал на взятие проб грунта.  После сигнала работу должна начать буровая установка. Её движение будет обеспечивать передача от мотора через ось на двойное зубчатое колесо и далее на зубчатую рейку бура.

К смартхабу были присоединены два мотора. Один мотор отвечает за движение лунохода, другой – за движение бура в буровой установке.

 При построении программы, мы экспериментировали с подбором мощности и времени работы 1-го мотора лунохода, со скоростью и мощностью вращения 2-го мотора, опускающего бур, с подбором звуковых сигналов. Мы подобрали разные звуковые сигналы для приёма и передачи информации.

Трудности в построении программы заключались в том, чтобы построить и отладить программу, так, чтобы моторы включались в работу последовательно, но не одновременно. (Приложение 9).

Также наша программа обеспечивает возвращение лунохода на базу.

Заключение

Мы уверены, что создание модели – один из важных этапов проектирования. Моделирование позволяет оценить, протестировать все действующие механизмы, системы.  Модель используется в случаях, когда эксперимент опасен, дорог, происходит в неудобном масштабе пространства и времени. 

Считаем, что наша команда достигла своей цели.

Мы создали луноход и выполнили все поставленные задачи нашего проекта.

Наша модель имеет достаточный уровень сложности.

Сборку по праву можно назвать оригинальной.

Наша модель выполняет несколько задач, а, значит, она многофункциональна.

Луноход имеет завершенность, целостность, оптимальное количество деталей, внешнее сходство с аналогичными устройствами.

Библиографический список

1. https://ru.wikipedia.org

2.https://www.popmech.ru/technologies/382872-shest-mashin-priparkovannyh-na-lune-istoriya-lunohodov/

3.https://newsland.com/user/4296648025/content/rossiia-vozrozhdaet-lunokhody/5517502

4. https://russian7.ru/post/sovetskie-lunokhody-chto-vy-tochno-ne-zna/

5. https://education.lego.com/ru-ru/product-resources/wedo-

Приложение 1.

Луноход-1

Аполлон – 15

А

Приложение 2.

Апполон -16

Аполлон-17

Приложение 3.

Луноход -2

Луноход Юйту (Китай)

Приложение 4.

Луна-25

Приложение 5.

Начало сборки лунохода.

   

Приложение 6.

Буровая установка.

 

Приложение 7.

Луноход имеет подвижную систему колес.

Приложение 8.

Луноход.

   

Приложение 9.

Программная строка.