Qual é uma boa abordagem para detectar distância e velocidade em modelos de ferrovias?


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Na frente, devo admitir pouco conhecimento prático dos microcontroladores modernos e de seus softwares - conheço melhor a engenharia de potência e os grandes motores (45 anos disso).

Agora, minha pergunta: tentar deixar os netos entusiasmados com a eletrônica. Eles amam modelos de ferrovias, então estamos construindo um sistema de monitoramento de trem pouco a pouco.

Problema atual: Para detectar a distância (opcionalmente, velocidade) de uma locomotiva de um local específico da esteira, sem mexer na potência da esteira.

Plataforma de controle: Stellaris Launchpad

Opções consideradas:
* TSOPxxxx com oscilador de frequência fixa "burro" e LED RF no local - Como obtenho informações sobre velocidade?
* TSOPxxxx e emissor na pista, reflexo do loco - pode obter velocidade em tempo de voo, talvez
* Lasers vermelhos de 5 volts e detecção de interrupção por LED vermelho como sensor (as crianças adoram os lasers, então ...) - sem velocidade detecção sem vários dispositivos por local de detecção
* etiquetas RFID e uma bobina na pista (identificará o local específico que é um plus) - nenhuma informação de velocidade
* sensores de distância ultrassônicos - onipresentes e bem suportados por internautas, mas um ângulo de cobertura muito amplo
* Um dos muitos produtos ferroviários pré-fabricados - contrariando o objetivo deste exercício

Então, qual dessas abordagens, ou quaisquer outras, me proporcionará menos sofrimento no final do software e, no entanto, envolverá oportunidades suficientes para envolver crianças de 8 a 12 anos no projeto eletrônico com resultados que elas possam experimentar? Quais são as armadilhas a serem observadas (além da cola derramada)?

Os trens são em escala N (escala 1: 160).


Apenas periférico à questão, mas em que escala seus trens estão? O tamanho pode eliminar algumas opções e adicionar outras. (Entusiasta do MRR aqui).
Anindo Ghosh

Escala N. Ponto justo, não tinha pensado nisso. Atualizado a pergunta.
Aparentemente So

Você também pode tentar o radar, existem alguns módulos de radar não muito caros. Conrad.de/ce/de/product/502370
starblue

Respostas:


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Outras respostas forneceram excelentes contribuições para sua exigência; Minha resposta se concentra puramente na detecção de proximidade (e presença) de trens-modelo, sem identificação, nas escalas pelas quais me interesso, nas minúsculas escalas N e T.

Tendo em mente sua necessidade de simplicidade de software, uma combinação de transmissor / sensor de infravermelho picado será mais fácil. Sua menção aos dispositivos TSOP indica que você já está avaliando esse caminho. Considere, em vez disso, o TSSP4P38, projetado especificamente para detecção de proximidade usando IR cortado de 38 KHz:
TSSP4P38

Afirmando o que já pode ser óbvio para você: A detecção de distância através do tempo de voo das ondas eletromagnéticas (IR, radar etc.) é impraticável para seus propósitos: Dada a velocidade da luz, é necessária uma resolução em femtossegundos ou menos para 0 a 10 distâncias-alvo em centímetros com as quais você provavelmente está trabalhando (escala 1: 160 N). Nos caminhos de trânsito do "mundo real" mencionados em um comentário, as distâncias podem ser maiores, especulo.

Um mecanismo de sensor reflexivo de IR usado em ferrovias modelo normalmente envolve, em vez disso, a intensidade do sinal de IR refletido, o que aumentaria por lei de quadrado inverso com a abordagem da locomotiva.

Seu dispositivo precisaria ter um LED de IR como o TSAL6200 e o TSSP4P38, alojado em algo como o diagrama na página 5 da folha de dados do TSSP. A combinação seria montada entre laços em sua pista, um voltado para cada lado. Se você montá-lo baixo o suficiente e apontando quase paralelo às faixas, as reflexões externas dos objetos serão minimizadas, as faixas funcionando como pisca-piscas.

A saída do TSSP é um pulso de duração no nível lógico, proporcional ao IR refletido. À medida que uma locomotiva se aproxima, pulsos sucessivos ficam mais longos, de modo que leituras de pelo menos 2 pulsos consecutivos, de preferência vários mais, fornecerão um conjunto de durações de pulso e, assim, uma indicação de velocidade. A partir da folha de dados:

A largura do pulso de saída do TSSP4P38 tem uma relação quase linear com a distância do emissor ou a distância de um objeto refletido. O TSSP4P38 é otimizado para suprimir quase todos os pulsos espúrios das lâmpadas fluorescentes que economizam energia.

Se você permanecer com os requisitos de precisão praticáveis ​​para o seu dispositivo, é possível "rápido" versus "lento", "aproximando-se" versus "retroceder" e, é claro, a presença de uma locomotiva dentro do alcance do sensor.

Você terá que basear o sistema para dar conta de reflexos estáticos, por exemplo, do cenário. Além disso, a calibração da velocidade real versus comprimentos de pulso consecutivos fornecerá os mapeamentos de faixa "rápida" / "lenta".

A duração do pulso pode ser medida usando uma entrada de timer / contador no seu microcontrolador de sua escolha. Existem vários exemplos na Web para fazer isso no Arduino, mas como você mencionou o uso do Stellaris Launchpad, algumas pesquisas podem ser necessárias.

Esta é uma visão geral de alto nível de uma solução, não hesite em perguntar se aspectos específicos precisam de esclarecimentos. Em suposição, dado o seu histórico declarado, este não será um projeto noturno, mas é possível em uma temporada de férias. Alguns dos produtos ferroviários prontos para o modelo que você mencionou usam esse mecanismo.


Para uma discussão mais geral sobre detecção de distância, observe esta resposta de uma pergunta anterior.


Obrigado por apontar o que deveria ter sido óbvio para mim, mas não foi, que o tempo de voo da EMF é muito curto para a minha distância de interesse. O +1 por ser o melhor e mais simples ajuste até agora para meus propósitos será aceito se nada ainda melhor surgir.
Aparentemente So

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Se eu estivesse automatizando uma ferrovia modelo, colocaria etiquetas de código de barras na parte inferior dos vagões. Depois, espalhado por toda a pista, eu colocava leitores de código de barras, voltados para cima, entre os trilhos.

Com isso, você pode detectar a posição, velocidade e identidade dos carros. Cada carro teria seu próprio código de barras, não apenas a locomotiva.

O sensor de posição desse método é bastante claro, pois conta quando um trem passa por cima de um sensor. Mas deve funcionar bem para a maioria das coisas. Você sempre pode colocar mais sensores em pontos importantes da pista e menos sensores onde isso não importa muito.

Uma grande vantagem desse método é que o preço por vagão é muito baixo, apenas uma etiqueta que você pode imprimir em sua impressora a laser ou a jato de tinta. A complexidade por vagão é muito baixa. E o peso adicionado a cada carro também é super baixo.

Eu implementaria isso usando um LED IR e um fototransistor como sensor (existem componentes com ambos embutidos) e os conectaria a um microcontrolador. Cada sensor possui seu próprio microcontrolador. Os diferentes sensores podem ser conectados juntos usando uma rede simples (como um barramento RS-485). Com os LEDs infravermelhos, seria difícil ver o sensor a olho nu. O custo total por sensor + MCU pode estar abaixo de US $ 3, sem incluir um pequeno PCB.


Essa é a mesma ideia em que pensei imediatamente quando li a pergunta. A questão um pouco complicada que vejo seria que ter os códigos de barras pendurados na altura do eixo provavelmente pareceria um pouco feio, mas se eles forem mais altos do que isso, seria necessário ter sensores projetados para focar em objetos além da distância de contato , o que pode ser mais difícil de encontrar. Para obter melhores resultados, seria quase certamente desejável decidir sobre uma certa altura fixa acima da faixa para as etiquetas e ter todas as etiquetas montadas nessa altura.
Supercat 29/11

Como estou procurando um único sensor de localização (abordagem de estação), isso pode ser uma ideia. No entanto, estou um pouco confuso sobre os aspectos de detecção de velocidade e distância - como eles funcionam? Identificação, sim, perfeita! Além disso, de jeito nenhum eu posso prender a atenção das crianças por tempo suficiente para fabricar meia dúzia de dispositivos - terá que ser 2 dispositivos, 1 que eu faço para eles e 1 que eles mesmos fazem. Um para se aproximar e outro para deixar os trens. Isso não é um controle sério de layout, é um "gateway" para colocá-los na eletrônica.
Parecendo So

Se você tiver larguras diferentes para as faixas nas duas extremidades do código de barras, poderá determinar a direção. A velocidade pode ser calculada usando a distância entre as faixas.
tcrosley

@tcrosley Existem muitas maneiras de codificar os dados para que a direção e a velocidade possam ser determinadas, juntamente com alguma detecção de erro.

A altura da etiqueta @supercat pode ser complicada. Usar um laser em vez de um LED poderia tornar a distância útil bastante agradável, mas teria que ser um laser de baixa potência e o foco seria difícil.

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Eu começaria com o método do interruptor óptico ou do refletor em ambos os lados das passagens para sinalizar os trens que se aproximavam e acender um LED vermelho piscando. O rastreamento remoto também pode ser conectado a um mapa de trens com indicadores de trens que cruzam, diretos e velocidade.

O scanner de código de barras é enganosamente simples até que você tenha que lidar com a segurança do raio laser, as taxas de rastreamento de velocidade das etiquetas e o tempo de intervalo de intervalo de computação para calcular a velocidade e validar o conteúdo do código para determinar o íon direto no software.

Divida o projeto em;

  • projeto funcional do sistema
    • entradas, processos, saídas (incluem rejeição de gatilho falso)
  • projeto de eletrônica
    • esquema, lista técnica, layout
  • projeto de caminho óptico
    • caminhos e alcance do emissor e detector, resposta de frequência, rejeição de ruído
  • construção e testes
    • fiação com alimentação fora da pista, filtragem de ruído e detalhes mecânicos, elétricos

O IR pode detectar a interrupção do sinal nos dois lados mais facilmente ou o reflexo do sinal do mesmo lado com uma faixa mais ampla de detecção. A sequência de dois detectores adjacentes indica em que direção e o intervalo de tempo indica a velocidade. Isso pode ser medido com métodos analógicos ou digitais.

Os scanners de código de barras IR dependem do código que passa pelo detector em velocidade constante ou do emissor sendo refletido pelo código de barras a ser detectado pela dispersão da luz ou absorção de carbono preto. Os feixes de laser constantes voltados para cima precisariam ser alterados opticamente para reduzir a potência para um nível seguro ou se espalhar e, em seguida, focados em um caminho curto para reduzir a densidade de potência da luz difusa.


A detecção de código de barras provavelmente poderia ser simplificada se você projetar o formato do código de barras em torno do aplicativo. Se um usa um par de sensores lado a lado (um mais próximo a cada trilho) e projeta o formato do código de barras para que um lado seja uma sequência de passo fixo de barras preto e branco, enquanto o outro lado mantém os dados reais, ele deve seja fácil identificar qual lado é o lado de afinação fixa; se todos os códigos de barras usassem o mesmo tom, isso diria instantaneamente a velocidade do trem e a direção do carro. Além disso, permitiria decodificar, mesmo que o trem mude de velocidade.
Supercat 29/11

bom relógio idéia e dados
Tony Stewart Sunnyskyguy EE75

Provavelmente, era possível descobrir a direção e a velocidade usando apenas um único sensor se os sensores de código de barras estivessem montados perto do trilho norte, cada carro tivesse dois códigos de barras e houvesse redundância suficiente no formato do código de barras (por exemplo, use a codificação de Manchester e garanta os dados subjacentes tem uma boa mistura de "1" 's e '0'' s pode-se, em seguida, organizar as coisas de modo que cada código de barras teria um leste e extremo oeste (essas definições estar correta quando o código de barras é mais perto do trilho norte)..
supercat

Ei, isso está ficando muito interessante! Obrigado, informações úteis sobre o scanner de código de barras (nos comentários) e, @Richman, estou começando a gostar da ideia de RI, é o que fazemos muito na vida real: transmissor e receptor em um único pacote, incorporado no transporte caminho, ou neste caso, entre os laços da pista. A solução de código de barras não parece tão atraente agora, porque o software se tornará meu problema e eu não falo muito bem sobre software, por assim dizer!
Aparentemente So
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