Αυτόνομο Ρομπότ Συλλογής Μικροπλαστικών από Υδάτινα Οικοσυστήματα – 3ο ΓΕΛ Τρικάλων “Οδυσσέας Ελύτης” – Πανελλήνιος Διαγωνισμός Ανοιχτών Τεχνολογιών στην Εκπαίδευση

Η ομάδα

Είμαστε η ομάδα “Clean Water Robotics” από το 3ο ΓΕΛ Τρικάλων “Οδυσσέας Ελύτης” και υλοποιήσαμε το έργο “Αυτόνομο Ρομπότ Συλλογής Μικροπλαστικών από Υδάτινα Οικοσυστήματα”.

Το πρόβλημα

Η ομάδα μας μελέτησε το πρόβλημα της ρύπανσης των υδάτων από μικροπλαστικά, δηλαδή μικροσκοπικά σωματίδια πλαστικού, τα οποία είναι συχνά αόρατα με γυμνό μάτι, αλλά βρίσκονται πλέον παντού: στους ωκεανούς, στα ποτάμια, στις λίμνες, στο έδαφος, στον αέρα, ακόμα και στον ανθρώπινο οργανισμό.

Τα μικροπλαστικά αποτελούν τεράστιο πρόβλημα τόσο για το περιβάλλον, όσο και για όλους τους ζωντανούς οργανισμούς, καθώς δεν βιοδιασπώνται εύκολα, παραμένουν στο περιβάλλον για αιώνες, εισέρχονται στην τροφική αλυσίδα των ζώων και του ανθρώπου, περιέχουν τοξικά πρόσθετα, κλπ.

Η λύση μας: “Αυτόνομο Ρομπότ Συλλογής Μικροπλαστικών από Υδάτινα Οικοσυστήματα”

Η ομάδα μας σχεδίασε και κατασκεύασε ένα αυτόνομο ρομποτικό σκάφος, με στόχο τη μείωση της ρύπανσης από πλαστικά στα υδάτινα οικοσυστήματα, μέσω ελεγχόμενου φιλτραρίσματος του νερού.

Το έργο μας επικεντρώνεται στην πρόληψη της μεταφοράς πλαστικών σωματιδίων από τα εσωτερικά ύδατα (ποτάμια, λίμνες) προς τη θάλασσα, συμβάλλοντας στην προστασία όλων των υδάτινων οικοσυστημάτων.

Πρόκειται για ένα σκάφος τύπου καταμαράν, που κατασκευάσαμε από σωλήνες PVC διαμέτρου Φ100, για υψηλή πλευστότητα και σταθερότητα. Το σκάφος ελέγχεται από ένα μικροελεγκτή arduino και κινείται με τη βοήθεια δύο ανεξάρτητων κινητήρων, οι οποίοι δίνουν κίνηση σε δύο προπέλες.

Πλοήγηση του σκάφους

Η πλοήγηση του σκάφους γίνεται μέσω της εφαρμογής για κινητά android που αναπτύξαμε με το App Inventor. Η εφαρμογή επικοινωνεί με το σκάφος με Bluetooth Low Energy (BLE). Υλοποιήσαμε 3 τρόπους πλοήγησης:

1. Πλοήγηση με Τηλεχειρισμό

Στην εφαρμογή υπάρχουν δύο ρυθμιστικά (μπάρες ολίσθησης ή sliders), ένα για την αριστερή προπέλα και ένα για τη δεξιά, που ρυθμίζουν την ταχύτητα των αντίστοιχων κινητήρων. Έχουμε υλοποιήσει 4 ταχύτητες μπροστά και 4 όπισθεν. Οι στροφές του σκάφους επιτυγχάνονται με συνδυασμό ταχυτήτων των δύο κινητήρων (ο ένας μπροστά και ο άλλος όπισθεν).

2. Πλοήγηση με χειρονομίες

Στο σκάφος τοποθετήσαμε μια κάμερα αναγνώρισης χειρονομιών, την οποία χρησιμοποιούμε για να οδηγήσουμε το σκάφος από την όχθη με χειρονομίες. Υλοποιήσαμε τρεις χειρονομίες:

“ΟΚ” (👍) για κίνηση μπροστά, “STOP” (🤚) για σταμάτημα και “τηλέφωνο”(🤙) για κίνηση προς τα πίσω.

3. Πλοήγηση με κάμερα παρακολούθησης πινακίδας

Το σκάφος είναι εξοπλισμένο και με μια ακόμα κάμερα τεχνητής νοημοσύνης, που χρησιμοποιούμε για αναγνώριση πινακίδων. Έχουμε εκτυπώσει σε μεγάλο μέγεθος μια πινακίδα με μία συγκεκριμένη εικόνα, η οποία είναι μία από τα λεγόμενα April Tags, που είναι εύκολο να αναγνωριστούν από την κάμερα.

Η κάμερα είναι στερεωμένη πάνω σε έναν κινητήρα servo για να μπορεί να περιστρέφεται. Με την κατάλληλη εντολή από την εφαρμογή του χειριστηρίου (“Follow Tag”), η κάμερα σαρώνει το χώρο για να εντοπίσει την πινακίδα. Αν δεν τη βρει στο οπτικό της πεδίο, τότε δίνει εντολή στο σκάφος να περιστραφεί λίγο, για να σαρώσει τελικά όλο τον κύκλο (360 μοίρες). Μόλις εντοπίσει την πινακίδα, στρίβει το σκάφος κατάλληλα ώστε να την κεντράρει και να αρχίσει να κατευθύνεται προς αυτήν.

Η πινακίδα τοποθετείται στην όχθη και χρησιμοποιείται για να υποδεικνύει το σημείο επιστροφής του σκάφους, δηλαδή τη “βάση” του.

Παρακολούθηση του σκάφους με GPS

Για να αποφύγουμε το ενδεχόμενο να παρασυρθεί το σκάφος από τη ροή του ποταμού, χρησιμοποιούμε ένα δέκτη GPS, που καταγράφει τα δεδομένα θέσης του σκάφους (δηλ. συντεταγμένες, κατεύθυνση, ταχύτητα και αριθμός ορατών δορυφόρων) και τα στέλνει στην πλατφόρμα ThingSpeak στο διαδίκτυο. Η εφαρμογή του κινητού ανακτά τα δεδομένα αυτά από την πλατφόρμα και απεικονίζει τη θέση του σκάφους πάνω στο χάρτη.

Καθαρισμός του νερού

Ο καθαρισμός του νερού από τα πλαστικά και μικροπλαστικά γίνεται με φιλτράρισμα. Το σύστημα καθαρισμού αποτελείται από:

υποβρύχια αντλία άντλησης νερού
φίλτρο ειδικά προσαρμοσμένο στην αντλία
περιστρεφόμενο μηχανισμό καθόδου/ανόδου της αντλίας
βηματικό κινητήρα για ακριβή έλεγχο της θέσης της αντλίας
υποβρύχιο αισθητήρα απόστασης για μέτρηση του βάθους

Το φίλτρο είναι προσαρμοσμένο πάνω στην υποβρύχια αντλία. Η υποβρύχια αντλία μπορεί να βυθίζεται μέσα στο νερό, καθώς είναι στερεωμένη σε περιστρεφόμενο τροχό (τροχαλία). Ο τροχός περιστρέφεται με τη βοήθεια ενός βηματικού κινητήρα (stepper motor). Το βάθος που φτάνει η αντλία ελέγχεται με έναν υποβρύχιο αισθητήρα απόστασης. Η εντολή εκκίνησης και τερματισμού του καθαρισμού δίνεται από την εφαρμογή του κινητού.

Με αυτόν τον τρόπο, το σκάφος μπορεί να πραγματοποιεί στοχευμένο φιλτράρισμα σε διαφορετικά βάθη νερού.

Η ικανότητα καθαρισμού της συγκεκριμένης αντλίας που χρησιμοποιήσαμε φτάνει τα 22 λίτρα/λεπτό και το μέγιστο βάθος λειτουργίας είναι 3.8 μέτρα.

Αυτονομία σκάφους

Το σκάφος λειτουργεί με μία επαναφορτιζόμενη μπαταρία 12V. Για τη φόρτισή της με ενεργειακά αποδοτικό τρόπο, αξιοποιούμε ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, καθώς έχουμε εγκαταστήσει στο σκάφος ένα φωτοβολταϊκό πάνελ και μία πλακέτα φόρτισης.