¿Cuál es un buen enfoque para detectar la distancia y la velocidad en modelos de ferrocarriles?

Otras respuestas han proporcionado excelentes aportes a su requerimiento; Mi respuesta se concentra puramente en la detección de proximidad (y presencia) de modelos de trenes, sin identificación, en las escalas que me interesan, las diminutas escalas N y T.

Teniendo en cuenta su necesidad de simplicidad de software, una combinación de transmisor / sensor de infrarrojos cortados será más fácil. Su mención de los dispositivos TSOP indica que ya está evaluando ese camino. Considere en su lugar el TSSP4P38, que está diseñado específicamente para la detección de proximidad utilizando IR cortado de 38 KHz:

Indicando lo que ya puede ser obvio para usted: la detección de distancia a través del tiempo de vuelo de las ondas electromagnéticas (IR, radar, etc.) no es práctica para sus propósitos: Dada la velocidad de la luz, se necesita una resolución en femtosegundos o menos para el 0 a 10 distancias objetivo en centímetros con las que probablemente esté trabajando (escala N 1:160). En las rutas de tránsito del "mundo real" que menciona en un comentario, las distancias pueden ser mayores, supongo.

Un mecanismo de sensor reflectante de IR utilizado en maquetas de ferrocarriles suele implicar, en cambio, la intensidad de la señal de IR reflejada, que aumentaría según la ley del inverso del cuadrado con la aproximación de la locomotora.

Su dispositivo necesitaría tener un LED IR como el TSAL6200 y el TSSP4P38, alojado en algo como el diagrama en la página 5 de la hoja de datos del TSSP. La combinación se montaría entre lazos en su pista, uno mirando hacia cada lado. Si lo monta lo suficientemente bajo y apuntando casi paralelo a las pistas, los reflejos de objetos externos se minimizarán y las pistas funcionarán como luces intermitentes.

La salida del TSSP es un pulso de nivel lógico de duración proporcional al IR reflejado. A medida que se acerca una locomotora, los pulsos sucesivos se alargan, por lo que las lecturas de al menos 2 pulsos consecutivos, preferiblemente varios más, proporcionarán un conjunto de duraciones de pulso y, por lo tanto, una indicación de la velocidad. De la hoja de datos:

El ancho de pulso de salida del TSSP4P38 tiene una relación casi lineal con la distancia del emisor o la distancia de un objeto reflectante. El TSSP4P38 está optimizado para suprimir casi todos los pulsos espurios de las lámparas fluorescentes de bajo consumo.

Si cumple con los requisitos de precisión practicables para su dispositivo, "rápido" versus "lento", "acercamiento" versus "retroceso" y, por supuesto, la presencia de una locomotora dentro del rango del sensor, son factibles.

Tendrá que establecer una línea de base del sistema para tener en cuenta los reflejos estáticos, por ejemplo, del paisaje. Además, la calibración de la velocidad real frente a las longitudes de pulso consecutivas proporcionará los mapeos de rango "rápido"/"lento".

La duración del pulso se puede medir utilizando una entrada de temporizador/contador en el microcontrolador de su elección. Hay varios ejemplos en la web para hacer esto en el Arduino, pero como ha mencionado usando un Stellaris Launchpad en su lugar, es posible que se necesite algo de investigación para ello.

Esta es una descripción general de alto nivel de una solución, no dude en preguntar si los aspectos específicos necesitan aclaración. Supongo que, dados sus antecedentes declarados, este no será un proyecto de la noche a la mañana, sino que se puede lograr dentro de una temporada de vacaciones. Algunos de los modelos de ferrocarriles listos para usar que mencionaste usan este mecanismo.

Para una discusión más general sobre la detección de distancia, consulte esta respuesta de una pregunta anterior.

Si estuviera automatizando un modelo de ferrocarril , pondría etiquetas de código de barras en la parte inferior de los vagones del tren. Luego repartidos por toda la vía colocaría lectores de códigos de barras, boca arriba entre los raíles.

Con esto puedes detectar la posición, velocidad e identidad de los autos. Cada vagón tendría su propio código de barras único, no solo la locomotora.

La detección de posición de este método es muy obvia, ya que se basa en cuando un tren pasa por encima de un sensor. Pero debería funcionar bien para la mayoría de las cosas. Siempre puedes poner más sensores en puntos importantes de la pista y menos sensores donde no importa tanto.

Una gran ventaja de este método es que el precio por vagón de tren es muy bajo, solo una etiqueta que puede imprimir en su impresora láser o de inyección de tinta. La complejidad por vagón de tren es muy baja. Y el peso agregado a cada automóvil también es súper bajo.

Implementaría esto usando un LED IR y un fototransistor como sensor (hay componentes con ambos incorporados) y los conectaría a un microcontrolador. Cada sensor tiene su propio microcontrolador. Luego, los diferentes sensores se pueden conectar entre sí usando una red simple (como un bus RS-485). Con los LED IR, el sensor sería difícil de ver a simple vista. El costo total por sensor+MCU podría ser inferior a US$3, sin incluir un PCB pequeño.

Comenzaría con el método del interruptor óptico o reflector a cada lado de los cruces de carreteras para señalar los trenes que se acercan y encender un LED ROJO parpadeante. El seguimiento remoto también se puede conectar a un mapa de trenes con indicadores de cruce de trenes y directos y de velocidad.

El escáner de código de barras es engañosamente simple hasta que tiene que lidiar con la seguridad del rayo láser, las tasas de seguimiento de la velocidad de las etiquetas y el cálculo del tiempo de intervalo de la brecha de la barra para calcular la velocidad y validar el contenido del código para determinar la dirección en el software.

Desglose el proyecto en;

• diseño funcional del sistema
  • Entradas, procesos, salidas (incluye rechazo de disparador falso)
• diseño electronico
  • esquemático, lista de materiales, diseño
• diseño de camino óptico
  • rutas y rango de emisor y detector, respuesta de frecuencia, rechazo de ruido
• construcción y pruebas
  • cableado con fuerza fuera de vía, filtrado de ruido y detalles mecánicos, eléctricos

IR puede detectar la interrupción de la señal en cualquier lado con mayor facilidad o el reflejo de la señal desde el mismo lado con un rango de detección más amplio. La secuencia a dos detectores adyacentes indica en qué dirección y el intervalo de tiempo indica la velocidad. Esto se puede medir con métodos analógicos o digitales.

Los escáneres de códigos de barras IR dependen de que el código pase por el detector a una velocidad constante o que el emisor se refleje más allá del código de barras para ser detectado por dispersión de luz o absorción de carbono negro. Los rayos láser fijos hacia arriba tendrían que cambiarse ópticamente para reducir la potencia a un nivel seguro o expandirse y luego enfocarse en una trayectoria corta para reducir la densidad de potencia de la luz parásita.