基于港珠澳大橋的控制系統(tǒng)教具

周道營(yíng)

設(shè)計(jì)背景

在普通高中《通用技術(shù)2》第四章“控制與設(shè)計(jì)”中，課標(biāo)要求學(xué)生熟悉開(kāi)環(huán)控制系統(tǒng)的基本組成、工作過(guò)程，理解傳感器、控制器、執(zhí)行器的作用，根據(jù)控制系統(tǒng)的控制要求，確定被控量、控制量，進(jìn)行簡(jiǎn)單控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。由于學(xué)生首次學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)的理論，教學(xué)內(nèi)容抽象，學(xué)習(xí)難度大，展示教具少，學(xué)生難以理解，教學(xué)效率低下。

針對(duì)以上情況，我設(shè)計(jì)了基于港珠澳大橋的控制系統(tǒng)教具。教具來(lái)源于我國(guó)北斗導(dǎo)航和港珠澳大橋兩大前沿科技。學(xué)生對(duì)新鮮事物興趣很大，可以了解北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國(guó)自主研發(fā)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，已廣泛應(yīng)用于地理測(cè)繪、環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通運(yùn)輸、智慧農(nóng)業(yè)、氣象預(yù)報(bào)和移動(dòng)通訊等各行業(yè)，深刻改變了人類生產(chǎn)和生活方式;港珠澳大橋是國(guó)家工程、國(guó)之重器，其建設(shè)創(chuàng)下多項(xiàng)世界之最，體現(xiàn)了我國(guó)綜合國(guó)力和自主創(chuàng)新能力，體現(xiàn)了勇創(chuàng)世界一流的民族志氣。

設(shè)計(jì)思路

教具設(shè)計(jì)要力求新穎，能夠有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情;能夠說(shuō)明控制系統(tǒng)的理論知識(shí)，幫助學(xué)生理解傳感器、控制器、執(zhí)行器的作用，掌握控制系統(tǒng)的工作過(guò)程;能夠?yàn)楹罄m(xù)的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供設(shè)計(jì)思路，一個(gè)教具達(dá)到多重效果。

教具利用風(fēng)力、溫濕度、震動(dòng)、碰撞等傳感器感應(yīng)外部信號(hào)，將信號(hào)通過(guò)有線或無(wú)線傳遞給大橋控制器或汽車內(nèi)控制器（北斗系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板）進(jìn)行分別處理，處理結(jié)果傳遞給大橋執(zhí)行器或汽車內(nèi)執(zhí)行器，再將執(zhí)行信號(hào)傳遞給大橋控制對(duì)象（紅燈、舵機(jī)）或汽車內(nèi)控制對(duì)象（紅燈、音響），控制對(duì)象分別輸出燈光和語(yǔ)音提示。控制器工作示意圖如圖1所示，控制系統(tǒng)框圖如圖2所示。

研究過(guò)程

了解北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)和港珠澳大橋系統(tǒng)

◇北斗導(dǎo)航定位系統(tǒng)中國(guó)北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國(guó)自行研制的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，是繼美國(guó)全球定位系統(tǒng)（GPS）、餓羅斯格洛納斯衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（ GLONASS）之后第3個(gè)成熟的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（BDS）和美國(guó)GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯(lián)合國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航委員會(huì)已認(rèn)定的供應(yīng)商。北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)由空間段、地面段和用戶段3部分組成，可在全球范圍內(nèi)全天候、全天時(shí)為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導(dǎo)航、授時(shí)服務(wù)，并具短報(bào)文通信能力，定位精度10米，測(cè)速精度0.2米/秒，授時(shí)精度10納秒。

◇港珠澳大橋系統(tǒng)港珠澳大橋針對(duì)跨海工程低阻水率、水陸空立體交通線互不干擾、環(huán)境保護(hù)及行車安全等苛刻要求，采用了“橋、島、隧三位一體”的建筑形式;大橋全路段呈S型曲線，橋墩的軸線方向和水流的流向大致取平，既能緩解司機(jī)駕駛疲勞，又能減少橋墩阻水率，還能提升建筑美觀度。

確定教具設(shè)計(jì)方案

以北斗導(dǎo)航技術(shù)、港珠澳大橋兩大前沿技術(shù)為依托，運(yùn)用北斗系統(tǒng)開(kāi)發(fā)板、北斗定位模塊、Arduino開(kāi)發(fā)板、顯示屏、各種傳感器等設(shè)備，對(duì)道路、車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，并將道路信號(hào)、汽車導(dǎo)航等信息進(jìn)行實(shí)時(shí)共享互動(dòng)。當(dāng)有橋梁主要構(gòu)件出現(xiàn)形變，風(fēng)力超過(guò)橋梁承受能力等時(shí)，信息及時(shí)通過(guò)預(yù)警系統(tǒng)發(fā)出警報(bào)，及時(shí)關(guān)閉橋梁交通，提前進(jìn)行維修、維護(hù);或者車輛出現(xiàn)超速、超重、事故、停靠等情況時(shí)，道路都能發(fā)出提醒，通過(guò)導(dǎo)航進(jìn)行燈光、語(yǔ)音提示。教具集多個(gè)傳感器于一身，創(chuàng)造性地解決現(xiàn)實(shí)問(wèn)題，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，加深對(duì)知識(shí)的理解。

熟悉Arduino開(kāi)發(fā)環(huán)境，編寫(xiě)教具程序

根據(jù)教具設(shè)計(jì)方案，通過(guò)Arduino開(kāi)源開(kāi)發(fā)環(huán)境對(duì)橋梁控制系統(tǒng)和汽車導(dǎo)航控制系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)編程，并進(jìn)行測(cè)試。

3D設(shè)計(jì)項(xiàng)目所需零件，進(jìn)行硬件初步組裝

使用SketchUp繪制圖形，并用3D打印機(jī)打印模型構(gòu)件。

學(xué)習(xí)北斗導(dǎo)航定位模塊的原理

研究學(xué)習(xí)北斗導(dǎo)航定位模塊的原理并進(jìn)行軟件測(cè)試。

基于Arduino控制的橋梁道路智能管理系統(tǒng)教具整體效果圖如圖1所示。

教具功能展示

功能一：北斗氣象站系統(tǒng)。在大橋入口、車輛北斗導(dǎo)航同步顯示橋梁道路的溫度、濕度、風(fēng)力等信息。

功能二：北斗安全預(yù)警系統(tǒng)。可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)橋梁道路的風(fēng)力情況、橋墩的形變情況，如果超過(guò)設(shè)定值，大橋入口關(guān)閉，車輛北斗導(dǎo)航有燈光、語(yǔ)音提示。

功能三：北斗智能測(cè)重系統(tǒng)。當(dāng)車輛距離測(cè)重系統(tǒng)500米遠(yuǎn)時(shí)，導(dǎo)航有燈光、語(yǔ)音提示;當(dāng)車輛超重時(shí)，車道關(guān)閉，導(dǎo)航發(fā)出燈光、語(yǔ)音提示。

功能四：北斗實(shí)時(shí)位置提醒系統(tǒng)。當(dāng)車輛處于測(cè)重系統(tǒng)500米、大橋入口、大橋出口等位置時(shí)，車輛導(dǎo)航有燈光、語(yǔ)音提示，駕駛員可以根據(jù)所處位置的不同，采取不同的駕駛速度。

功能五：北斗智能測(cè)速系統(tǒng)。當(dāng)車輛在大橋上行駛時(shí)，導(dǎo)航有車輛高速、低速或停止的語(yǔ)音提示。

功能六：北斗一鍵報(bào)警系統(tǒng)。當(dāng)車輛在大橋上發(fā)生故障或交通事故時(shí)，可以通過(guò)導(dǎo)航一鍵報(bào)警，橋梁控制室有燈光提示、語(yǔ)音提示求助車輛所處位置。

創(chuàng)新點(diǎn)

教具運(yùn)用信息技術(shù)知識(shí)結(jié)合北斗技術(shù)和港珠澳大橋進(jìn)行制作，新穎獨(dú)特，能夠有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情。教具操作簡(jiǎn)單、展示效果強(qiáng)，能夠充分說(shuō)明開(kāi)環(huán)控制的組成、工作過(guò)程，幫助學(xué)生加深對(duì)知識(shí)的理解，能夠開(kāi)拓學(xué)生的思維，為控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

小結(jié)

通過(guò)在課堂上使用基于港珠澳大橋的控制系統(tǒng)教具，學(xué)生能夠迅速掌握開(kāi)環(huán)控制的組成，明白傳感器、控制器、執(zhí)行器的作用，理解開(kāi)環(huán)控制的工作過(guò)程，有效提高了教學(xué)效率。教具操作簡(jiǎn)單，展示、引導(dǎo)作用強(qiáng)，引導(dǎo)學(xué)生運(yùn)用所學(xué)知識(shí)解決實(shí)際問(wèn)題，為以后學(xué)生進(jìn)行控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)奠定了良好的基礎(chǔ)。

該項(xiàng)目獲得第34屆全國(guó)青少年科技創(chuàng)新大賽科技輔導(dǎo)員創(chuàng)新成果科教制作類一等獎(jiǎng)。

專家評(píng)語(yǔ)

該項(xiàng)目以港珠澳大橋?yàn)橹黝}，制作了適合中小學(xué)教學(xué)的可操作控制演示模型，將風(fēng)力監(jiān)測(cè).位置監(jiān)測(cè)、超重監(jiān)測(cè)等傳感器控制應(yīng)用以大型模型方式展現(xiàn)，體現(xiàn)了港珠澳大橋、北斗定位系統(tǒng)等國(guó)家重大工程，能夠有效幫助學(xué)生學(xué)習(xí)理解傳感器和控制的相關(guān)知識(shí)。作品實(shí)用性強(qiáng)、選題新穎，具有示范推廣價(jià)值，進(jìn)一步希望在制作工藝和模型大小比例方面作出改進(jìn)和提升。