基于港珠澳大桥的控制系统教具

周道营

设计背景

在普通高中《通用技术2》第四章“控制与设计”中，课标要求学生熟悉开环控制系统的基本组成、工作过程，理解传感器、控制器、执行器的作用，根据控制系统的控制要求，确定被控量、控制量，进行简单控制系统的设计。由于学生首次学习控制系统的理论，教学内容抽象，学习难度大，展示教具少，学生难以理解，教学效率低下。

针对以上情况，我设计了基于港珠澳大桥的控制系统教具。教具来源于我国北斗导航和港珠澳大桥两大前沿科技。学生对新鲜事物兴趣很大，可以了解北斗卫星导航系统是我国自主研发的卫星导航系统，已广泛应用于地理测绘、环境监测、交通运输、智慧农业、气象预报和移动通讯等各行业，深刻改变了人类生产和生活方式;港珠澳大桥是国家工程、国之重器，其建设创下多项世界之最，体现了我国综合国力和自主创新能力，体现了勇创世界一流的民族志气。

设计思路

教具设计要力求新颖，能够有效提高学生的学习热情;能够说明控制系统的理论知识，帮助学生理解传感器、控制器、执行器的作用，掌握控制系统的工作过程;能够为后续的控制系统设计提供设计思路，一个教具达到多重效果。

教具利用风力、温湿度、震動、碰撞等传感器感应外部信号，将信号通过有线或无线传递给大桥控制器或汽车内控制器（北斗系统开发板）进行分别处理，处理结果传递给大桥执行器或汽车内执行器，再将执行信号传递给大桥控制对象（红灯、舵机）或汽车内控制对象（红灯、音响），控制对象分别输出灯光和语音提示。控制器工作示意图如图1所示，控制系统框图如图2所示。

研究过程

了解北斗导航定位系统和港珠澳大桥系统

◇北斗导航定位系统中国北斗卫星导航系统（BeiDou Navigation Satellite System，BDS）是中国自行研制的全球卫星导航系统，是继美国全球定位系统（GPS）、饿罗斯格洛纳斯卫星导航系统（ GLONASS）之后第3个成熟的卫星导航系统。北斗卫星导航系统（BDS）和美国GPS、俄罗斯GLONASS、欧盟GALILEO，是联合国卫星导航委员会已认定的供应商。北斗卫星导航系统由空间段、地面段和用户段3部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力，定位精度10米，测速精度0.2米/秒，授时精度10纳秒。

◇港珠澳大桥系统港珠澳大桥针对跨海工程低阻水率、水陆空立体交通线互不干扰、环境保护及行车安全等苛刻要求，采用了“桥、岛、隧三位一体”的建筑形式;大桥全路段呈S型曲线，桥墩的轴线方向和水流的流向大致取平，既能缓解司机驾驶疲劳，又能减少桥墩阻水率，还能提升建筑美观度。

确定教具设计方案

以北斗导航技术、港珠澳大桥两大前沿技术为依托，运用北斗系统开发板、北斗定位模块、Arduino开发板、显示屏、各种传感器等设备，对道路、车辆进行实时监控，并将道路信号、汽车导航等信息进行实时共享互动。当有桥梁主要构件出现形变，风力超过桥梁承受能力等时，信息及时通过预警系统发出警报，及时关闭桥梁交通，提前进行维修、维护;或者车辆出现超速、超重、事故、停靠等情况时，道路都能发出提醒，通过导航进行灯光、语音提示。教具集多个传感器于一身，创造性地解决现实问题，有效提高学生的学习兴趣，加深对知识的理解。

熟悉Arduino开发环境，编写教具程序

根据教具设计方案，通过Arduino开源开发环境对桥梁控制系统和汽车导航控制系统进行设计编程，并进行测试。

3D设计项目所需零件，进行硬件初步组装

使用SketchUp绘制图形，并用3D打印机打印模型构件。

学习北斗导航定位模块的原理

研究学习北斗导航定位模块的原理并进行软件测试。

基于Arduino控制的桥梁道路智能管理系统教具整体效果图如图1所示。

教具功能展示

功能一：北斗气象站系统。在大桥入口、车辆北斗导航同步显示桥梁道路的温度、湿度、风力等信息。

功能二：北斗安全预警系统。可以实时监测桥梁道路的风力情况、桥墩的形变情况，如果超过设定值，大桥入口关闭，车辆北斗导航有灯光、语音提示。

功能三：北斗智能测重系统。当车辆距离测重系统500米远时，导航有灯光、语音提示;当车辆超重时，车道关闭，导航发出灯光、语音提示。

功能四：北斗实时位置提醒系统。当车辆处于测重系统500米、大桥入口、大桥出口等位置时，车辆导航有灯光、语音提示，驾驶员可以根据所处位置的不同，采取不同的驾驶速度。

功能五：北斗智能测速系统。当车辆在大桥上行驶时，导航有车辆高速、低速或停止的语音提示。

功能六：北斗一键报警系统。当车辆在大桥上发生故障或交通事故时，可以通过导航一键报警，桥梁控制室有灯光提示、语音提示求助车辆所处位置。

创新点

教具运用信息技术知识结合北斗技术和港珠澳大桥进行制作，新颖独特，能够有效激发学生的学习热情。教具操作简单、展示效果强，能够充分说明开环控制的组成、工作过程，帮助学生加深对知识的理解，能够开拓学生的思维，为控制系统的设计奠定基础。

小结

通过在课堂上使用基于港珠澳大桥的控制系统教具，学生能够迅速掌握开环控制的组成，明白传感器、控制器、执行器的作用，理解开环控制的工作过程，有效提高了教学效率。教具操作简单，展示、引导作用强，引导学生运用所学知识解决实际问题，为以后学生进行控制系统的设计奠定了良好的基础。

该项目获得第34届全国青少年科技创新大赛科技辅导员创新成果科教制作类一等奖。

专家评语

该项目以港珠澳大桥为主题，制作了适合中小学教学的可操作控制演示模型，将风力监测.位置监测、超重监测等传感器控制应用以大型模型方式展现，体现了港珠澳大桥、北斗定位系统等国家重大工程，能够有效帮助学生学习理解传感器和控制的相关知识。作品实用性强、选题新颖，具有示范推广价值，进一步希望在制作工艺和模型大小比例方面作出改进和提升。