AT16446U1 - Vollintegrierter Fahrzeugdecoder - Google Patents

Abstract

Bei einem Fahrzeug (15) für eine Modellbahnanlage umfassend einen Fahrzeugdecoder, wird vorgeschlagen, dass ein Mikrocontroller (2) des Fahrzeugdecoders eine integrierte 2.4GHz Sende- und Empfangseinheit besitzt und sich eine 2.4GHz-Antenne (3) direkt auf einer ersten Leiterplatte (1) befindet.

Description

[0001] Fahrzeugdecoder zur Steuerung (Miniatur-)Modellfahrzeugen sind in unterschiedlichen Formen bekannt und benutzen vorwiegend Infrarot- oder Ultraschall-Schnittstellen zum Empfang bzw. zur Übertragung von Befehlen. Bis dato erhältliche funkgesteuerte Decoder nutzen entweder ISM-Frequenzbänder unterhalb von 2.4GHz oder auch vorgefertigte 2.4GHz Funkmodule von Drittherstellern, die durch eine entsprechende Verdrahtung mit dem eigentlichen Decoder verbunden werden.

[0002] Zur Vermeidung von Kollisionen zweier oder mehrerer hintereinanderfahrender Fahrzeuge („automatische Abstandssteuerung“), ist es bei bisher erhältlichen Decodern üblich, die Fahrzeuge mit Infrarot-Emittern (hinten) sowie Infrarot-Fototransistoren (vorne) auszustatten. Dieser Ansatz ermöglicht eine direkte (unidirektionale) Kommunikation vom vorderen zum hinteren Fahrzeug, durch die Aussendung seiner aktuellen Geschwindigkeit an das hinterherfahrende Fahrzeug kann dieses seine Fahrstufe so entsprechend adjustieren. Nachteilig an dieser Lösung ist, dass der Kommunikationskanal (die Infrarotübertragung) sehr stark durch Umwelteigenschaften beeinflusst werden kann und zugleich keine genaue „Abstandsmessung“ im Sinne von konkreten Maßeinheiten möglich ist.

[0003] Die Ansteuerung von externen Komponenten bzw. Baugruppen (LEDs, Gleichstrommotoren, etc.) wird direkt von einem Mikrocontroller übernommen. Zur Stromverstärkung (insbesondere bei der Drehzahlregelung von Motoren) werden die Ausgangspins des Controllers mit einem Bipolartransistor verbunden und geben ein pulsweitenmoduliertes Signal (PWM) in Abhängigkeit von der gewünschten Geschwindigkeit oder auch LED-Helligkeit aus. Dieser Ansatz verfügt vorrangig über zwei große Nachteile: Erstens muss aufgrund des begrenzten Ausgangsstroms von Mikrocontroller-Pins der Stromfluss mit externen Widerständen limitiert werden, um Beschädigungen der Hardware zu vermeiden. Die Helligkeit (bzw. der Stromfluss) der angeschlossenen LEDs hängt somit immer vom PWM-Tastverhältnis und auch vom verwendeten Vorwiderstand ab. Zweitens ist durch die Verwendung eines einfachen Bipolartransistors für die Ansteuerung des Motors zwar eine Änderung der Drehgeschwindigkeit, nicht aber der Drehrichtung („Rückwärtsgang“) möglich - Das „Zurückschieben“ mit Fahrzeugen ist mit aktuellen Decoder daher nicht möglich.

[0004] Der Funktionsumfang von Decodern, die dem Stand der Technik entsprechen, wird durch den Aufbau bzw. die Schaltung festgelegt. Eine Erweiterung oder auch eine Änderung der Peripheriekomponenten (abseits des verbauten Mikrocontrollers) ist insofern nicht vorgesehen, als das dafür keine (standardisierte) Steck- oder Lötverbindung verfügbar ist. Für den Einsatz in unterschiedlichen Anwendungsszenarien (die andere Schnittstellen bzw. Ausgänge benötigen) ist daher die Verwendung von unterschiedlichen Decodern (evtl, derselben Baureihe) erforderlich, da ein Austausch spezieller Schaltungskomponenten nicht möglich ist.

[0005] Zur Übermittlung von Befehlen an die auf der Anlage verteilten Fahrzeuge ist es üblich, Infrarotemitter an all jenen Stellen zu platzieren, an denen eine Veränderung der Fahrzeugeinstellungen (Fahrgeschwindigkeit, Beleuchtung, etc.) gewünscht wird. Diese, häufig in Leitpfosten oder anderen Objekten nahe der Fahrbahn platzierten, Emitter senden kontinuierlich ein Signal aus - unabhängig davon, ob sich ein Fahrzeug in der Nähe befindet oder nicht. Die Positionsmeldung des Fahrzeugs erfolgt über (Reed-) Kontakte in bzw. in der Nähe der Fahrbahn („Belegtmelder“), über die allerdings keine eindeutige Identifizierung möglich ist.

TECHNISCHE AUFGABEN DER ERFINDUNG [0006] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Betrieb von (Miniatur-) Modellautos auf neuen und bereits bestehenden Modellbahnanlagen zu vereinfachen bzw. neue, bisher nicht verfügbare, Funktionen in die Fahrzeuge zu integrieren.

[0007] Die Vereinfachung wird in erster Linie durch das kennzeichnende Merkmal des An1 /7

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Patentamt spruchs 1 erreicht. Weitere, durch die Erfindung erstmals eingeführte, Neuerungen werden in den Ansprüchen 2 bis 6 dargelegt.

[0008] Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf eine symbolische Darstellung des Decoders selbst, sowie einiger Anwendungsbeispiele (in grafischer Form), weiter erläutert.

[0009] Fig. 1a zeigt in einer exemplarischen Darstellung jenen Teil des Decoders, der sowohl für die Steuerung und auch die Kommunikation zuständig ist. Neben all jenen (passiven) Komponenten, die für den Betrieb des Mikrocontrollers benötigt werden befindet sich auch eine 2.4GHz-Antenne direkt auf der Leiterplatte.

[0010] Fig. 1b zeigt in einer exemplarischen Darstellung jenen Teil des Decoders, der für die Ansteuerung von externen Baugruppen (LEDs, DC-Motoren, etc.) zuständig ist. Auf ihm befinden sich - je nach Einsatzbereich - unterschiedliche integrierte Schaltkreise, die vom Mikrocontroller auf der anderen Leiterplatte gesteuert werden.

[0011] Fig. 1c zeigt die, auf der Unterseite der beiden Leiterplatten (Fig. 1a & Fig. 1b) befestigten, Miniatur-Steckverbinder. Am Transmitter (Fig. 1a) befinden sich zwei (Anschluss-)Buchsen, auf der (austauschbaren) Erweiterungs-Leiterplatte die entsprechenden Gegenstücke (Stecker).

[0012] Fig. 1d [0013] Fig. 2 [0014] Fig. 3 [0015] Fig. 4 zeigt beide Leiterplatten (Fig. 1a & Fig. 1b), wie sie über die Steckverbinder auf der jeweiligen Unterseite miteinander verbunden sind.

zeigt eine symbolische Darstellung der vorderen Stoßstange eines Fahrzeugs, die sowohl mit Infrarot-Fototransistoren und auch mit einem „Time of Flight“Abstandsmesser ausgestattet ist. Die beiden Öffnungen des Sensors beherbergen sowohl einen Laser-Emitter zur Aussendung von Lichtimpulsen sowie auch einen Detektor, der die Erkennung und Auswertung der reflektierten Impulse zur Aufgabe hat.

zeigt eine symbolische Darstellung zweier hintereinanderfahrender Fahrzeuge. Die Abstandsregelung mithilfe von „Time of Flight“ Sensoren wird durch Halbkreise angedeutet, die vom vorderen Ende des Fahrzeugs ausgehen.

zeigt eine symbolische Zusammenfassung des Ablaufs, der bei der Positionsbestimmung („Rückmeldung“) eines Fahrzeugs durchlaufen wird. Das Antennensymbol repräsentiert die 2.4Ghz-Funkschnittstelle, die beiden Pfeile stellen Infrarot-Signale dar.

[0016] Für die Detailtreue auf Modellbahnanlagen sind selbstfahrende PKW und LKW ein wichtiger Bestandteil. Die Steuerung dieser Fahrzeuge über Infrarot-Signale hat sich in der Vergangenheit oft als unzuverlässig herausgestellt, da die Übertragung zu einem nicht unerheblichen Teil von Umwelteinflüssen beeinträchtigt werden kann. Der Ansatz, mit den Fahrzeugen über eine Funkschnittstelle zu kommunizieren, reduziert die Fehleranfälligkeit beträchtlich und ermöglicht zudem eine vollständig bidirektionale Kommunikation zwischen den Fahrzeugen und der Steuerungseinheit. Aus Platzgründen ist es von Vorteil, einen Mikrocontroller 2 zu verwenden, der sowohl sämtliche Baugruppen für die Drahtloskommunikation, als auch eine frei programmierbare Recheneinheit bereitstellt. Eine kompakte Antenne 3, gemeinsam mit dem dazugehörigen Anpassungsnetzwerk auf derselben Leiterplatte 1, ist somit die einzige Komponente, die zusätzlich zum Mikrocontroller 2 verbaut werden muss um die Funkschnittstelle zu realisieren. Die Aufteilung des Decoders in zwei Funktionsblöcke bzw. Leiterplatten 1,4 ermöglicht die flexible Anpassung an verschiedenen Einsatzbereiche - da hierzu nur eine Modifikation der zweiten Leiterplatte 4 bzw. ein Austausch der integrierten Schaltkreise 5 notwendig ist. Die Einbzw. Ausgänge von bzw. zu Peripheriekomponenten befinden sich ausschließlich auf der zweiten Leiterplatte 4, zur Herstellung von Verbindungen stehen hierfür die Lötpunkte 6 zur Verfügung. Die Verbindung von beiden Leiterplatten 1, 4 erfolgt über die Miniatur-Steckverbinder 8, 9, die sich auf der Unterseite befinden. Ein weiterer, externer, Bestandteil des Decoders sind

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Patentamt indirekt auch die Stoßstangen 10 eines Fahrzeugs 15. Die (vordere) Stoßstange 10 verfügt über zwei Fototransistoren 11 sowie einen optischen Abstandsmesser 12, der die Entfernung zu einem Hindernis mithilfe der Laufzeitmessung von Lichtphotonen bestimmt. Die Kommunikation mit den Fahrzeugen wird von einer Basisstation 21 koordiniert, die optional auch über eine USB-Schnittstelle 22 mit einem PC 23 verbunden werden kann. Zur Positionsbestimmung von Fahrzeugen empfangen diese ein Infrarot-Signal 19 von Emittern 18 auf der Strecke mithilfe der Fototransistoren 11. Die im Signal enthaltene ID wird gemeinsam mit der Fahrzeugkennung über die Funkschnittstelle 17 an die Basisstation 21 übermittelt.

[0017] Hierbei ist ein Fahrzeug 15 für eine Modellbahnanlage umfassend einen Fahrzeugdecoder vorgesehen, wobei ein Mikrocontroller 2 des Fahrzeugdecoders eine integrierte 2.4GHz Sende- und Empfangseinheit besitzt und sich eine 2.4GHz-Antenne 3 direkt auf einer ersten Leiterplatte 1 befindet. Die Kommunikation (bidirektional) mit dem Decoder erfolgt ausschließlich über die 2.4GHz-Funkschnittstelle.

[0018] Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine Ansteuerung von externen Fahrzeugkomponenten über dedizierte integrierte Schaltkreise 5 erfolgt, die sich auf einer zweiten Leiterplatte 4 befinden. Die Fahrzeugkomponenten können insbesondere LEDs oder auch Gleichstrommotoren sein. Die Kommunikation zwischen Peripherie und dem Mikrocontroller (Transceiver) (3) erfolgt über einen gemeinsamen (Daten-)Bus.

[0019] Besonders bevorzugt kann vorgesehen sein, dass eine Abstandsmessung zwischen Fahrzeugen 15 mithilfe eines Abstandsmessers 12, der den Abstand zwischen zwei Fahrzeugen 15 in konkreten Maßeinheiten ermittelt, erfolgt. Durch die Montage dieses Sensors an der vorderen (und hinteren) Stoßstange 10 des Fahrzeugs kann dieses Objekte auf der Fahrbahn automatisch erkennen und seine Fahrgeschwindigkeit entsprechend anpassen. Der minimale Abstand zwischen zwei hintereinanderfahrenden Fahrzeugen 15 lässt sich vom Anwender in Millimetern vorgeben.

[0020] Bevorzugt kann vorgesehen sein, dass der Fahrzeugdecoder aus zwei eigenständigen Leiterplatten 1,4 besteht, die über Miniatur-Steckverbinder 8,9 miteinander verbunden sind. Damit sind diese auch einfach austauschbar. Eine erste Leiterplatte 1 enthält alle zur Steuerung und Kommunikation benötigten Bauteile, eine zweite Leiterplatte 4 ist anwendungsabhängig und wird für die Ansteuerung von externen Komponenten, wie Leuchtdioden, Gleichstrommotoren, etc., benötigt.

[0021] Weiters kann ein System umfassend ein Fahrzeug 15 sowie eine Basisstation 21 vorgesehen sein, wobei das Fahrzeug 15 seine Position über eine Funkschnittstelle 17 der Basisstation 21 mitteilen kann. Infrarot-Emitter 18 nahe der Fahrbahn senden hierzu ihre eindeutige Identifikationsnummer an das sich annähernde Fahrzeug 15, dieses meldet seine eigene Kennung gemeinsam mit der erkannten Identifikationsnummer zurück an die Basisstation 21.

[0022] Insbesondere kann vorgesehen sein, dass regelmäßig Statusinformationen über das Fahrzeug 15 drahtlos an die Basisstation 21 übermittelbar sind, wobei die Basisstation 21 per USB-Schnittstelle 22 mit einem PC 23 kommuniziert, oder den Fährverkehr auch vollends eigenständig regelt. Die Basisstation 21 dient zudem der Übermittlung von DCC-Datenpaketen an die Fahrzeuge (zur Steuerung).

Claims (6)

1. Fahrzeug (15) für eine Modellbahnanlage umfassend einen Fahrzeugdecoder, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrocontroller (2) des Fahrzeugdecoders eine integrierte 2.4GHz Sende- und Empfangseinheit besitzt und sich eine 2.4GHz-Antenne (3) direkt auf einer ersten Leiterplatte (1) befindet.

2. Fahrzeug (15) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Ansteuerung von externen Fahrzeugkomponenten über dedizierte integrierte Schaltkreise (5) erfolgt, die sich auf einer zweiten Leiterplatte (4) befinden.

3. Fahrzeug (15) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abstandsmessung zwischen Fahrzeugen (15) mithilfe eines Abstandsmessers (12), der den Abstand zwischen zwei Fahrzeugen (15) in konkreten Maßeinheiten ermittelt, erfolgt.

4. Fahrzeug (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fahrzeugdecoder aus zwei eigenständigen Leiterplatten (1,4) besteht, die über MiniaturSteckverbinder (8,9) miteinander verbunden sind.

5. System umfassend ein Fahrzeug (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 sowie eine Basisstation (21), dadurch gekennzeichnet, dass das Fahrzeug (15) seine Position über eine Funkschnittstelle (17) der Basisstation (21) mitteilen kann.

6. System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass regelmäßig Statusinformationen über das Fahrzeug (15) drahtlos an die Basisstation (21) übermittelbar sind, wobei die Basisstation (21) per USB-Schnittstelle (22) mit einem PC (23) kommuniziert, oder den Fährverkehr auch vollends eigenständig regelt.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen