CN113851037A - 基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具及其使用方法 - Google Patents
基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具及其使用方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具及其使用方法，教具包括微缩桥梁、遥控小车、车辆称重装置、升降道闸装置、水位检测装置、压力测试装置、弯曲程度检测装置、第一控制主板、第一显示装置、蜂鸣器、第二控制主板、第三控制主板和第二显示装置；本发明最大化模仿实现桥梁监测的真实情况，通过遥控操控小车到达车辆称重装置处，小车重量不超标时升降道闸装置开启，小车在经过桥梁时，各检测装置分别检测水位、车重、弯曲程度、压力等参数并通过显示装置进行显示，本发明还通过AR增强现实技术播放限幅涡震现象原理和挠度仪使用演示。本教具功能丰富，能够培养学生的文化素养、逻辑思维能力、动手实践能力和创造力。
Description
技术领域
本发明涉及steam教具领域，更具体地，涉及一种基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具及其使用方法。
背景技术
STEAM是一种新兴的教育理念，有别于传统的单学科、重书本知识的教育方式，STEAM是一种重实践的超学科教育概念。STEAM代表科学(Science)，技术(Technology)，工程(Engineering)，艺术(Arts)，数学(Mathematics)。STEAM教育就是集科学，技术，工程，艺术，数学多领域融合的综合教育。但是，如专利CN202110201238.0，目前的steam教具功能比较单一，并且还未有关于桥梁的steam教具。
发明内容
本发明提供一种基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具及其使用方法，教具功能丰富，能够培养学生的文化素养、逻辑思维能力、动手实践能力和创造力。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
一种基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具，包括微缩桥梁、遥控小车、车辆称重装置、升降道闸装置、水位检测装置、压力测试装置、弯曲程度检测装置、第一控制主板、第一显示装置、蜂鸣器、第二控制主板、第三控制主板和第二显示装置；所述车辆称重装置、升降道闸装置、水位检测装置、第一显示装置和蜂鸣器分别与第一控制主板电连接；所述弯曲程度检测装置和第一显示装置分别与第二控制主板电连接；所述压力测试装置和第二显示装置分别与第三控制主板电连接；所述微缩桥梁为拼接式拱桥，由多个可拆卸部件拼接而成；
所述车辆称重装置和升降道闸装置设置于微缩桥梁两侧出入口处，车辆称重装置用于在小车经过时称量小车的重量，升降道闸装置用于允许重量不超标的小车通过，阻止重量超标的小车通过；
所述水位检测装置、压力测试装置和弯曲程度检测装置设置于微缩桥梁上，水位检测装置用于检测桥下河道水位高度，压力测试装置用于检测桥梁特定位置的压力，弯曲程度检测装置用于检测桥梁的弯曲程度；
所述教具还包括增强现实演示装置，所述增强现实演示装置包括智能手机，智能手机安装有增强现实演示软件，增强现实演示软件启动时实时获取并显示摄像头拍摄的图像，当拍摄到所述微缩桥梁的图像时，在微缩桥梁的图像上叠加显示预先存储的3D虎门大桥图像，并在3D虎门大桥图像上播放限幅涡震现象原理和挠度仪使用演示。
优选地，所述教具还包括物联网数据整合模块和上位机，所述物联网数据整合模块分别与第一控制主板和第二控制主板电连接，物联网数据整合模块通过WIFI接入上位机。
优选地，所述车辆称重装置包括压力传感器和HX711称重A/D转换器，所述压力传感器输出端与HX711称重A/D转换器输入端电连接，HX711称重A/D转换器输出端与第一控制主板电连接。
优选地，所述升降道闸装置包括道闸档杆和与道闸档杆传动连接的舵机，所述舵机与第一控制主板电连接。
优选地，所述水位检测装置包括超声波测距传感器，所述超声波测距传感器与第一控制主板电连接。
优选地，所述压力测试装置包括设置于微缩桥梁多个位置的压力传感器，压力传感器与第三控制主板电连接。
优选地，所述弯曲程度检测装置包括弯曲传感器，所述弯曲传感器与第二控制主板电连接。
优选地，所述第一控制主板、第二控制主板、第三控制主板采用Romeo主控板。
优选地，所述第一显示装置包括壳体以及嵌套于壳体内的3块4位数码管，其中2块4位数码管与第一控制主板电连接，用于显示车重、水位，1块4位数码管与第二控制主板电连接，用于显示弯曲度。
一种所述基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具的使用方法，包括以下步骤：
S1：将多个可拆卸部件拼接成微缩桥梁；
S2：在微缩桥梁上搭建遥控小车、车辆称重装置、升降道闸装置、水位检测装置、压力测试装置、弯曲程度检测装置、第一控制主板、第一显示装置、蜂鸣器、第二控制主板、第三控制主板和第二显示装置；
S3：对遥控小车、车辆称重装置、升降道闸装置、水位检测装置、压力测试装置、弯曲程度检测装置的功能进行图形化编程；
S4：对遥控小车进行配重，演示小车重量超标时，升降道闸装置阻止重量超标的小车通过，小车重量不超标时，升降道闸装置允许重量不超标的小车通过；
S5：演示遥控小车经过桥梁时，水位检测装置、压力测试装置、弯曲程度检测装置所获取的实时数据，并通过第一显示装置或第二显示装置显示出来；若水位过高则蜂鸣器发出警报声音；
S6：启动时智能手机上的增强现实演示软件，实时获取并显示摄像头拍摄的图像，当拍摄到所述微缩桥梁的图像时，在微缩桥梁的图像上叠加显示预先存储的3D虎门大桥图像，并在3D虎门大桥图像上播放限幅涡震现象原理和挠度仪使用演示。
与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：本发明提供一种基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具及其使用方法，教具包括微缩桥梁、遥控小车、车辆称重装置、升降道闸装置、水位检测装置、压力测试装置、弯曲程度检测装置、第一控制主板、第一显示装置、蜂鸣器、第二控制主板、第三控制主板和第二显示装置；本发明最大化模仿实现桥梁监测的真实情况。使用时，先装配微缩桥梁和各检测装置，安装完成后通过遥控操控小车到达车辆称重装置处，小车重量不超标时升降道闸装置开启，小车在经过桥梁时，各检测装置分别检测水位、车重、弯曲程度、压力等参数并通过第一显示装置或第二显示装置进行显示，本发明还通过AR增强现实技术播放限幅涡震现象原理和挠度仪使用演示。本教具功能丰富，能够培养学生的文化素养、逻辑思维能力、动手实践能力和创造力。
附图说明
图1为基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具的示意图。
图2为基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具的电路原理示意图。
图3为基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具的使用方法流程图。
其中：1、微缩桥梁；2、小车；3、车辆称重装置；4、升降道闸装置；5、水位检测装置；6、压力测试装置；7、弯曲程度检测装置；8、控制主板；9、显示装置；10、蜂鸣器；11、第二控制主板；12、第三控制主板；13、第二显示装置；14、物联网数据整合模块；15、上位机。
具体实施方式
附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。
实施例1
如图1-2所示，一种基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具，包括微缩桥梁1、遥控小车2、车辆称重装置3、升降道闸装置4、水位检测装置5、压力测试装置6、弯曲程度检测装置7、控制主板8、第一控制主板8、第一显示装置9、蜂鸣器10、第二控制主板11、第三控制主板12和第二显示装置13；所述车辆称重装置3、升降道闸装置4、水位检测装置5、第一显示装置9和蜂鸣器10分别与第一控制主板8电连接；所述弯曲程度检测装置7和第一显示装置9分别与第二控制主板11电连接；所述压力测试装置6和第二显示装置13分别与第三控制主板12电连接；所述微缩桥梁1为拼接式拱桥，由多个可拆卸部件拼接而成；
所述车辆称重装置3和升降道闸装置4设置于微缩桥梁1两侧出入口处，车辆称重装置3用于在小车2经过时称量小车2的重量，升降道闸装置4用于允许重量不超标的小车2通过，阻止重量超标的小车2通过；
所述水位检测装置5、压力测试装置6和弯曲程度检测装置7设置于微缩桥梁1上，水位检测装置5用于检测桥下河道水位高度，压力测试装置6用于检测桥梁特定位置的压力，弯曲程度检测装置7用于检测桥梁的弯曲程度；
所述教具还包括增强现实演示装置，所述增强现实演示装置包括智能手机，智能手机安装有增强现实演示软件，增强现实演示软件启动时实时获取并显示摄像头拍摄的图像，当拍摄到所述微缩桥梁1的图像时，在微缩桥梁1的图像上叠加显示预先存储的3D虎门大桥图像，并在3D虎门大桥图像上播放限幅涡震现象原理和挠度仪使用演示。
本实施例最大化模仿实现桥梁监测的真实情况。使用时，先装配微缩桥梁1和各检测装置，安装完成后通过遥控操控小车2到达车辆称重装置3处，小车2重量不超标时升降道闸装置4开启，小车2在经过桥梁时，各检测装置分别检测水位、车重、弯曲程度、压力等参数并通过第一显示装置9或第二显示装置13进行显示，本实施例还通过AR增强现实技术播放限幅涡震现象原理和挠度仪使用演示。本教具功能丰富，能够培养学生的文化素养、逻辑思维能力、动手实践能力和创造力。
在具体实施过程中，以贵州廊桥为原型，通过激光切割制造木拱桥零件，使用榫卯结构与其他卡口进行组装连接，彰显古代工匠智慧。
在具体实施过程中，所述微缩桥梁1为拼接式五节苗木拱桥，通过激光切割制造切口，组装成为一个完全可拆解的榫卯木拱桥，可让学生通过组装木拱桥进一步了解桥梁结构，也为各传感器和遥控小车2行驶提供载体。
在具体实施过程中，所述遥控小车2为由Remeo部分小车套件组装而成的智能遥控小车2，用于串连整体教具，为称重测试、形变测试、压力测试等提供发生的自变因素。
在具体实施过程中，所述教具还包括物联网数据整合模块14和上位机15，所述物联网数据整合模块14分别与第一控制主板8和第二控制主板11电连接，物联网数据整合模块14通过WIFI接入上位机15。在上位机15对各数据收集起来整合分析和展示。物联网数据整合模块14采用UART OBLOQ-IoT物联网模块，用于连接物联网，将各数据收集起来整合分析。物联网数据整合模块14需要WiFi支持，否则其IOT硬件会一直停留在蓝灯状态(连接WIFI状态，绿灯为连接成功)。
在具体实施过程中，所述车辆称重装置3包括压力传感器和HX711称重A/D转换器，所述压力传感器输出端与HX711称重A/D转换器输入端电连接，HX711称重A/D转换器输出端与第一控制主板8电连接。车辆称重装置3用于检测车辆重量，保证上桥车辆在桥梁可承重范围内。
在具体实施过程中，所述升降道闸装置4包括道闸档杆和与道闸档杆传动连接的舵机，所述舵机与第一控制主板8电连接。所述舵机采用DMS-MG90微型金属9g舵机。升降道闸装置4搭配车辆称重装置3，在内设范围内，道闸将会自动升起，车辆通过后道闸自动下降至原来状态。
在具体实施过程中，所述水位检测装置5包括超声波测距传感器，所述超声波测距传感器与第一控制主板8电连接。超声波测距传感器运用超声波测距原理，实时检测水位情况，若水位过高，蜂鸣器10将会发出警报声音。
在具体实施过程中，所述压力测试装置6包括设置于微缩桥梁1上多个位置的压力传感器，压力传感器与第三控制主板12电连接，测得的压力通过第二显示装置13实时显示。压力传感器的型号采用RP-C18.3-LT，压力感应范围：20g～6kg，用于实时检测桥梁各个位置的受力情况。
在具体实施过程中，所述弯曲程度检测装置7包括弯曲传感器，所述弯曲传感器与第二控制主板11电连接。所述弯曲传感器采用flex 2.2"单向弯曲传感器，用于测量桥梁桥板的形变情况。
在具体实施过程中，所述第一控制主板8、第二控制主板11、第三控制主板12采用Romeo主控板。Romeo主控板参数如下：
直流电源：USB供电或外部锂电池(3.7V)直流或外部干电池(4.5V供电)；
DC输出：5V/3.3V直流外接电源输出；
尺寸：80x65mm。
在具体实施过程中，所述第一显示装置9包括壳体以及嵌套于壳体内的3块4位数码管，其中2块4位数码管与第一控制主板8电连接，用于显示车重、水位，1块4位数码管与第二控制主板11电连接，用于显示弯曲度。
在具体实施过程中，所述教具还包括装饰道具，装饰道具包括树木装饰道具、监测站道具、船只道具、人物道具。装饰道具通过3D打印而成，起到装饰的作用，以提升教具的艺术性。
在具体实施过程中，本发明桥梁教具还包括通过泡沫板制作的用于小车2行驶道路的基底、用于泡沫板四周封装的棉纸、5mm厚胶合椴木板制作的整个教具的基底、3mm厚胶合椴木板制作的用于小车行驶道路和道路围栏。
实施例2
如图3所示，本实施例提供一种实施例所述基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具的使用方法，包括以下步骤：
S1：将多个可拆卸部件拼接成微缩桥梁1；
S2：在微缩桥梁1上搭建遥控小车2、车辆称重装置3、升降道闸装置4、水位检测装置5、压力测试装置6、弯曲程度检测装置7、第一控制主板8、第一显示装置9、蜂鸣器10、第二控制主板11、第三控制主板12和第二显示装置13；
S3：对遥控小车2、车辆称重装置3、升降道闸装置4、水位检测装置5、压力测试装置6、弯曲程度检测装置7的功能进行图形化编程；
S4：对遥控小车2进行配重，演示小车2重量超标时，升降道闸装置4阻止重量超标的小车2通过，小车2重量不超标时，升降道闸装置4允许重量不超标的小车2通过；
S5：演示遥控小车2经过桥梁时，水位检测装置5、压力测试装置6、弯曲程度检测装置7所获取的实时数据，并通过第一显示装置9或第二显示装置13显示出来；若水位过高则蜂鸣器10发出警报声音；
S6：启动时智能手机上的增强现实演示软件，实时获取并显示摄像头拍摄的图像，当拍摄到所述微缩桥梁1的图像时，在微缩桥梁1的图像上叠加显示预先存储的3D虎门大桥增强现实图像，并在3D虎门大桥增强现实图像上播放限幅涡震现象原理和挠度仪使用演示。
在使用过程中的注意事项包括：
1、微缩桥梁1搭建时注意桥板要和桥梁结构贴紧，避免架空，从而影响形变测量结果。
2、车辆称重装置3本身具有一定误差，在联动升降道闸装装置4内设编程时，不能初始重量为零，否则可能会出现道闸一直属于打开的状态。
3、小车2内置转速要合理，太慢可能导致动力不足，无法爬坡；太快可能会出现冲出围栏的情况。
4、小车2在未使用时，关闭电源，避免电量无用损耗。
5、通过杜邦线长度在连接各个传感器时，可能出现杜邦线长度不足情况，可选择电焊方式延长杜邦线，但一定要注意仪器使用安全。
6、物联网数据整合模块14需要畅通的WiFi支持，否则其IOT硬件会一直停留在蓝灯状态(连接WIFI状态，绿灯为连接成功)。
本发明桥梁教具承载传统文化，又贴合现代桥梁监控与防护。通过对古代木拱桥的历史背景和结构知识的学习，以及实践组建五节苗木拱桥，感受传统文化魅力，学习和继承古代工匠人的创造精神和工匠精神，引发对珍贵文化遗产的保护的思考。基于对文化遗产的保护的思考，进一步模仿探索和引用建配现代桥梁监控防护装置，多维度检测桥梁各方安全因素，并运用物联网技术整合呈现相关数据，最大化模仿实现监测站点的真实情况。
本发明提供多类学习资源。内含编程软件、单片机和传感器硬件、激光切割和3D打印配件以及AR增强现实套件，创设灵动的教学情景和教学模式，提高教学效率，激发学习兴趣。
本发明综合培养S、T、E、A、M各项知识能力。木拱桥组建、遥控小车建造、沙盘设计、传感器运行实现，在各个部分的学习实现中，学习激光切割、3D打印、软硬件实现能力，培养文化素养、探究模仿能力、工程建造能力、动手创造能力、问题解决能力等。
相同或相似的标号对应相同或相似的部件；
附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具，其特征在于，包括微缩桥梁(1)、遥控小车(2)、车辆称重装置(3)、升降道闸装置(4)、水位检测装置(5)、压力测试装置(6)、弯曲程度检测装置(7)、第一控制主板(8)、第一显示装置(9)、蜂鸣器(10)、第二控制主板(11)、第三控制主板(12)和第二显示装置(13)；所述车辆称重装置(3)、升降道闸装置(4)、水位检测装置(5)、第一显示装置(9)和蜂鸣器(10)分别与第一控制主板(8)电连接；所述弯曲程度检测装置(7)和第一显示装置(9)分别与第二控制主板(11)电连接；所述压力测试装置(6)和第二显示装置(13)分别与第三控制主板(12)电连接；所述微缩桥梁(1)为拼接式拱桥，由多个可拆卸部件拼接而成；
所述车辆称重装置(3)和升降道闸装置(4)设置于微缩桥梁(1)两侧出入口处，车辆称重装置(3)用于在小车(2)经过时称量小车(2)的重量，升降道闸装置(4)用于允许重量不超标的小车(2)通过，阻止重量超标的小车(2)通过；
所述水位检测装置(5)、压力测试装置(6)和弯曲程度检测装置(7)设置于微缩桥梁(1)上，水位检测装置(5)用于检测桥下河道水位高度，压力测试装置(6)用于检测桥梁特定位置的压力，弯曲程度检测装置(7)用于检测桥梁的弯曲程度；
所述教具还包括增强现实演示装置，所述增强现实演示装置包括智能手机，智能手机安装有增强现实演示软件，增强现实演示软件启动时实时获取并显示摄像头拍摄的图像，当拍摄到所述微缩桥梁(1)的图像时，在微缩桥梁(1)的图像上叠加显示预先存储的3D虎门大桥增强现实图像，并在3D虎门大桥增强现实图像上播放限幅涡震现象原理和挠度仪使用演示。
2.根据权利要求1所述的基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具，其特征在于，所述教具还包括物联网数据整合模块(14)和上位机(15)，所述物联网数据整合模块(14)分别与第一控制主板(8)和第二控制主板(11)电连接，物联网数据整合模块(14)通过WIFI接入上位机(15)。
3.根据权利要求1所述的基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具，其特征在于，所述车辆称重装置(3)包括压力传感器和HX711称重A/D转换器，所述压力传感器输出端与HX711称重A/D转换器输入端电连接，HX711称重A/D转换器输出端与第一控制主板(8)电连接。
4.根据权利要求1所述的基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具，其特征在于，所述升降道闸装置(4)包括道闸档杆和与道闸档杆传动连接的舵机，所述舵机与第一控制主板(8)电连接。
5.根据权利要求1所述的基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具，其特征在于，所述水位检测装置(5)包括超声波测距传感器，所述超声波测距传感器与第一控制主板(8)电连接。
6.根据权利要求1所述的基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具，其特征在于，所述压力测试装置(6)包括设置于微缩桥梁(1)上多个位置的压力传感器，压力传感器与第三控制主板(12)电连接。
7.根据权利要求1所述的基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具，其特征在于，所述弯曲程度检测装置(7)包括弯曲传感器，所述弯曲传感器与第二控制主板(11)电连接。
8.根据权利要求1所述的基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具，其特征在于，所述第一控制主板(8)、第二控制主板(11)、第三控制主板(12)采用Romeo主控板。
9.根据权利要求1所述的基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具，其特征在于，所述第一显示装置(9)包括壳体以及嵌套于壳体内的3块4位数码管，其中2块4位数码管与第一控制主板(8)电连接，1块4位数码管与第二控制主板(11)电连接。
10.一种权利要求1-9任一项所述基于开源硬件和增强现实技术的桥梁教具的使用方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将多个可拆卸部件拼接成微缩桥梁(1)；
S2：在微缩桥梁(1)上搭建遥控小车(2)、车辆称重装置(3)、升降道闸装置(4)、水位检测装置(5)、压力测试装置(6)、弯曲程度检测装置(7)、第一控制主板(8)、第一显示装置(9)、蜂鸣器(10)、第二控制主板(11)、第三控制主板(12)和第二显示装置(13)；
S3：对遥控小车(2)、车辆称重装置(3)、升降道闸装置(4)、水位检测装置(5)、压力测试装置(6)、弯曲程度检测装置(7)的功能进行图形化编程；
S4：对遥控小车(2)进行配重，演示小车(2)重量超标时，升降道闸装置(4)阻止重量超标的小车(2)通过，小车(2)重量不超标时，升降道闸装置(4)允许重量不超标的小车(2)通过；
S5：演示遥控小车(2)经过桥梁时，水位检测装置(5)、压力测试装置(6)、弯曲程度检测装置(7)所获取的实时数据，并通过第一显示装置9或第二显示装置13显示出来；若水位过高则蜂鸣器(10)发出警报声音；
S6：启动时智能手机上的增强现实演示软件，实时获取并显示摄像头拍摄的图像，当拍摄到所述微缩桥梁(1)的图像时，在微缩桥梁(1)的图像上叠加显示预先存储的3D虎门大桥增强现实图像，并在3D虎门大桥增强现实图像上播放限幅涡震现象原理和挠度仪使用演示。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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