基于港珠澳大橋的控制系統教具

周道營

設計背景

在普通高中《通用技術2》第四章“控制與設計”中，課標要求學生熟悉開環控制系統的基本組成、工作過程，理解傳感器、控制器、執行器的作用，根據控制系統的控制要求，確定被控量、控制量，進行簡單控制系統的設計。由于學生首次學習控制系統的理論，教學內容抽象，學習難度大，展示教具少，學生難以理解，教學效率低下。

針對以上情況，我設計了基于港珠澳大橋的控制系統教具。教具來源于我國北斗導航和港珠澳大橋兩大前沿科技。學生對新鮮事物興趣很大，可以了解北斗衛星導航系統是我國自主研發的衛星導航系統，已廣泛應用于地理測繪、環境監測、交通運輸、智慧農業、氣象預報和移動通訊等各行業，深刻改變了人類生產和生活方式;港珠澳大橋是國家工程、國之重器，其建設創下多項世界之最，體現了我國綜合國力和自主創新能力，體現了勇創世界一流的民族志氣。

設計思路

教具設計要力求新穎，能夠有效提高學生的學習熱情;能夠說明控制系統的理論知識，幫助學生理解傳感器、控制器、執行器的作用，掌握控制系統的工作過程;能夠為后續的控制系統設計提供設計思路，一個教具達到多重效果。

教具利用風力、溫濕度、震動、碰撞等傳感器感應外部信號，將信號通過有線或無線傳遞給大橋控制器或汽車內控制器（北斗系統開發板）進行分別處理，處理結果傳遞給大橋執行器或汽車內執行器，再將執行信號傳遞給大橋控制對象（紅燈、舵機）或汽車內控制對象（紅燈、音響），控制對象分別輸出燈光和語音提示。控制器工作示意圖如圖1所示，控制系統框圖如圖2所示。

研究過程

了解北斗導航定位系統和港珠澳大橋系統

◇北斗導航定位系統中國北斗衛星導航系統（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中國自行研制的全球衛星導航系統，是繼美國全球定位系統（GPS）、餓羅斯格洛納斯衛星導航系統（ GLONASS）之后第3個成熟的衛星導航系統。北斗衛星導航系統（BDS）和美國GPS、俄羅斯GLONASS、歐盟GALILEO，是聯合國衛星導航委員會已認定的供應商。北斗衛星導航系統由空間段、地面段和用戶段3部分組成，可在全球范圍內全天候、全天時為各類用戶提供高精度、高可靠定位、導航、授時服務，并具短報文通信能力，定位精度10米，測速精度0.2米/秒，授時精度10納秒。

◇港珠澳大橋系統港珠澳大橋針對跨海工程低阻水率、水陸空立體交通線互不干擾、環境保護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。

確定教具設計方案

以北斗導航技術、港珠澳大橋兩大前沿技術為依托，運用北斗系統開發板、北斗定位模塊、Arduino開發板、顯示屏、各種傳感器等設備，對道路、車輛進行實時監控，并將道路信號、汽車導航等信息進行實時共享互動。當有橋梁主要構件出現形變，風力超過橋梁承受能力等時，信息及時通過預警系統發出警報，及時關閉橋梁交通，提前進行維修、維護;或者車輛出現超速、超重、事故、停靠等情況時，道路都能發出提醒，通過導航進行燈光、語音提示。教具集多個傳感器于一身，創造性地解決現實問題，有效提高學生的學習興趣，加深對知識的理解。

熟悉Arduino開發環境，編寫教具程序

根據教具設計方案，通過Arduino開源開發環境對橋梁控制系統和汽車導航控制系統進行設計編程，并進行測試。

3D設計項目所需零件，進行硬件初步組裝

使用SketchUp繪制圖形，并用3D打印機打印模型構件。

學習北斗導航定位模塊的原理

研究學習北斗導航定位模塊的原理并進行軟件測試。

基于Arduino控制的橋梁道路智能管理系統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。在大橋入口、車輛北斗導航同步顯示橋梁道路的溫度、濕度、風力等信息。

功能二：北斗安全預警系統。可以實時監測橋梁道路的風力情況、橋墩的形變情況，如果超過設定值，大橋入口關閉，車輛北斗導航有燈光、語音提示。

功能三：北斗智能測重系統。當車輛距離測重系統500米遠時，導航有燈光、語音提示;當車輛超重時，車道關閉，導航發出燈光、語音提示。

功能四：北斗實時位置提醒系統。當車輛處于測重系統500米、大橋入口、大橋出口等位置時，車輛導航有燈光、語音提示，駕駛員可以根據所處位置的不同，采取不同的駕駛速度。

功能五：北斗智能測速系統。當車輛在大橋上行駛時，導航有車輛高速、低速或停止的語音提示。

功能六：北斗一鍵報警系統。當車輛在大橋上發生故障或交通事故時，可以通過導航一鍵報警，橋梁控制室有燈光提示、語音提示求助車輛所處位置。

創新點

教具運用信息技術知識結合北斗技術和港珠澳大橋進行制作，新穎獨特，能夠有效激發學生的學習熱情。教具操作簡單、展示效果強，能夠充分說明開環控制的組成、工作過程，幫助學生加深對知識的理解，能夠開拓學生的思維，為控制系統的設計奠定基礎。

小結

通過在課堂上使用基于港珠澳大橋的控制系統教具，學生能夠迅速掌握開環控制的組成，明白傳感器、控制器、執行器的作用，理解開環控制的工作過程，有效提高了教學效率。教具操作簡單，展示、引導作用強，引導學生運用所學知識解決實際問題，為以后學生進行控制系統的設計奠定了良好的基礎。

該項目獲得第34屆全國青少年科技創新大賽科技輔導員創新成果科教制作類一等獎。

專家評語

該項目以港珠澳大橋為主題，制作了適合中小學教學的可操作控制演示模型，將風力監測.位置監測、超重監測等傳感器控制應用以大型模型方式展現，體現了港珠澳大橋、北斗定位系統等國家重大工程，能夠有效幫助學生學習理解傳感器和控制的相關知識。作品實用性強、選題新穎，具有示范推廣價值，進一步希望在制作工藝和模型大小比例方面作出改進和提升。