RailFX Waldarbeiten Arduino Modellbahn Servo Fallender Baum

RailFX-Waldarbeiten Modul

Dieses Modul des RailFX-Systems ist vom Fallender-Baum-Set von NOCH inspiriert, zu dem ich eine Anfrage bekommen hatte. Hier nun also gleich eine ganze Einsatzstelle. Es hat folgende Funktionen:

  • Fallender Baum
  • Ladekran (Links, Rechts, Aufnehmen, Ablassen)
  • drei Paar blinkende Warnleuchten
  • Fahrzeugbeleuchtung
  • Einsatzstellen-Beleuchtung

Da es nicht möglich ist, das Soundmodul DFPlayer gleichzeitig mit Servomotoren zu verwenden, gibt es auf diesem Modul kein leider keine Soundausgabe. Allerdings kann dafür das unabhängige RailFX-Soundmodul (gerade in Arbeit) nutzen. 

Schaltplan

RailFX Arduino Fallender Baum Servo Waldarbeiten Modul
  • D10: Servo »Fallender Baum«
  • D11: Kranservo Drehung
  • D12: Kranservo Winde
  • D2 – D7: LEDs für Blinklichter
  • D8, D9: Fahrzeugbeleuchtung
  • A1 – A3: Arbeitslicht (die analogen Inputs werden als digitale Outputs verwendet) 

Achtung: Am Pin A4 wird das Control-Signal des RailFX Control-Moduls angelegt. Es steuert die Tageszeit und ist zwingend erforderlich.

Bauteile

Einstellungen im Code

Auch dieses Modul bietet eine Reihe an Einstellmöglichkeiten. Zum einen sollten alle Zielzustände der Servos eingestellt werden. Es gibt für jeden der drei Servos jeweils zwei Zustände, z.B. baumLiegt und baumSteht. Dabei handelt es sich um die Gradzahl, auf die sich der Servo einstellen soll. 

Dabei ist zu beachten, dass der Bereich zwischen 0 und 180 liegen sollte, obwohl Servos oft nicht diese Extremwerte erreichen können. Deshalb müssen diese Grenzen ausprobiert werden. Ich schlage vor, sich vorsichtig an diese Grenzen heranzutasten, z.B. 30 – 150, 20 – 160 …

Des Weiteren muss baumLiegt größer sein als baumStehtkranRechts größer als kranLinks und windeOben größer als windeUnten.

Der fallende Baum wird per Zufall ausgelöst. Je kleiner die Variable fallenderBaumZufall ist, desto öfter fällt der Baum um.

Der Beladekran vollzieht eine Animation, die zeitgesteuert abläuft. Die Dauer der einzelnen Phasen lässt ich über das Array kranTimeouts bestimmen. Hier werden die Zeiten in Millisekunden angegeben (1000ms=1s). Die Animation hat folgende Phasen:

  • Warten (Wahrscheinlichkeit)
  • Aufnehmen
  • Warten
  • Drehen
  • Warten
  • Ablassen
  • Warten (Wahrscheinlichkeit)
  • Aufnehmen
  • Warten
  • Drehen
  • Warten
  • Ablassen

Position 0 und 6 (Die erste Stelle im Array ist immer 0) legen eine Wahrscheinlichkeit fest, mit der der Kran weiter arbeitet: je höher, desto seltener wird die nächste Animationsphase ausgeführt. Dadurch entsteht ein zufälligeres Arbeitsbild. 

Die Drehgeschwindigkeit der beiden Kranservos (Winde und Drehung) lassen sich über die Variablen kranWindeSpeedund kranDrehungSpeed einstellen. Je größer der Wert, desto langsamer bewegen sich die Servos.

Es gibt drei Warnlicht-Paare, die unterschiedlich schnell blinken. Die Frequenz kann man über das Array warnlichtTimer einstellen. Eine leichte Varianz in der Frequenz erzeugt ein realistischeres Blinkbild. 

/* ***** ***** Einstellungen ***** ***** ***** ***** */
int baumLiegt = 120;         // Servoposition des liegenden Baumes
int baumSteht = 30;          // Servoposition des stehenden Baumes
long fallenderBaumZufall = 200000;  // je kleiner der Wert, desto öfter fällt der Baum
/* Legt die Wartezeiten der Kranabfolge fest:
   warten (Wahrscheinlichkeit), aufnehmen, warten, drehen, warten, ablassen, warten (Wahrscheinlichkeit), aufnehmen, warten, drehen, warten, ablassen
   -> Position 0 und 6 legen eine Wahrscheinlichkeit fest, mit der der Kran weiter arbeitet: je höher, desto seltener
*/
int kranTimeouts[] = {1000, 3000, 1000, 3000, 1000, 3000, 1000, 3000, 1000, 3000, 1000, 3000};
int kranWindeSpeed = 10;     // Geschwindigkeit der Kranwinde (größer = langsamer)
int kranDrehungSpeed = 10;   // Geschwindigkeit der Krandrehung (größer = langsamer)
int windeOben = 120;         // Servoposition der eingezogenen Kranwinde
int windeUnten = 60;         // Servoposition der herabgelassenen Kranwinde
int kranRechts = 160;        // Servoposition des Kranturms Rechts
int kranLinks = 30;          // Servoposition des Kranturms Links
int warnlichtTimer[3] = {800, 700, 650}; // Warnlicht Blitzfrequenz

Beim Upload muss man darauf achten, dass das richtige Board im Arduino-Menü ausgewählt ist. Dazu muss ebenfalls im Werkzeuge-Menü im Unterpunkt Prozessor »ATmega328P (Old Bootlaoder)« ausgewählt sein.

Der folgende Programmcode kann mit den oben erwähnten Änderungen einfach kopiert und auf das Arduino-Nano geladen werden.

Code für das Modul: RailFX-Waldarbeiten

/*
    Rail-FX Waldarbeiten-Modul
    StartHardware.org

    Permalink: https://starthardware.org/railfx-waldarbeiten-modul/
*/

#include <Servo.h>

/* ***** ***** Einstellungen ***** ***** ***** *****  ***** ***** ***** *****  ***** ***** ***** ***** */

int baumLiegt = 120;         // Servoposition des liegenden Baumes
int baumSteht = 30;          // Servoposition des stehenden Baumes

long fallenderBaumZufall = 200000;  // je kleiner der Wert, desto öfter fällt der Baum

/* Legt die Wartezeiten der Kranabfolge fest:
   warten (Wahrscheinlichkeit), aufnehmen, warten, drehen, warten, ablassen, warten (Wahrscheinlichkeit), aufnehmen, warten, drehen, warten, ablassen
   -> Position 0 und 6 legen eine Wahrscheinlichkeit fest, mit der der Kran weiter arbeitet: je höher, desto seltener
*/
int kranTimeouts[] = {1000, 3000, 1000, 3000, 1000, 3000, 1000, 3000, 1000, 3000, 1000, 3000};

int kranWindeSpeed = 10;     // Geschwindigkeit der Kranwinde (größer = langsamer)
int kranDrehungSpeed = 10;   // Geschwindigkeit der Krandrehung (größer = langsamer)
int windeOben = 120;         // Servoposition der eingezogenen Kranwinde
int windeUnten = 60;         // Servoposition der herabgelassenen Kranwinde
int kranRechts = 160;        // Servoposition des Kranturms Rechts
int kranLinks = 30;          // Servoposition des Kranturms Links

int warnlichtTimer[3] = {800, 700, 650}; // Warnlicht Blitzfrequenz

/* ***** ***** Ab hier beginnt der Programmcode, der nicht angepasst werden muss ***** ***** ***** ***** */

int warnlichtPins[6] = {2, 3, 4, 5, 6, 7}; // Warnlicht Pins
int fahrzeugbeleuchtungPins[2] = {8, 9};   // Pins der Fahrzeugbeleuchtung
int beleuchtungsPins[3] = {15, 16, 17};    // an diesem Pin ist die Einsatzstellen-Beleuchtung angebracht
int baumServoPin = 10;
int kranServoPin = 11;
int windeServoPin = 12;


/* State Variablen */
int baumStatus = 0;                         // 0 = nichts, 1=fällt, 2=liegt, 3=aufrichten
int kranStatus = 0;

/* Speicher-Variablen */
int baumPosition;
int windePosition;
int kranPosition;

/* Timer Variablen */
long kranTimer;
long baumTimer;
long kranDrehungTimer;
long kranWindeTimer;


int baumTimeout = 100;
int baumTimeoutMax = 100;

/* Objekte anlegen */
Servo baumServo;
Servo kranServo;
Servo windeServo;

/* Variablen vom Controlmodul um die Uhrzeit festzustellen*/
boolean receive = false;
boolean receiveStarted = false;
int receiveTimeout = 10;
long receiveTimer = 0;
int receivedTime = 0;
int receivePulse = 0;
int lastReceivePulse = 0;
int receivePin = 18;
int myTime = 0;

#define PAYLOAD_SIZE 2                   // nötig für die Kommunikation zum Master
int uhrzeit = 0;                         // speichert die uhrzeit vom Master-Modul (0 und 255)
byte nodePayload[PAYLOAD_SIZE];          // speichert die Daten vom Master-Modul zwischen

void setup() {
  Serial.begin(115200);                  // started die serielle Kommunikation

  for (int i = 0; i < 3; i++) {           // Für die Anzahl der Beleuchtung-Pins
    pinMode(beleuchtungsPins[i], OUTPUT);    // Deklariere den Pin als Output
    digitalWrite(beleuchtungsPins[i], HIGH); // Schalte die LED an diesem Pin ab
  }

  for (int i = 0; i < 2; i++) {           // Für die Anzahl der Fahrzeugbeleuchtung-Pins
    pinMode(fahrzeugbeleuchtungPins[i], OUTPUT);    // Deklariere den Pin als Output
    digitalWrite(fahrzeugbeleuchtungPins[i], HIGH); // Schalte die LED an diesem Pin ab
  }

  for (int i = 0; i < 6; i++) {           // Für die Anzahl der Warnlicht-Pins
    pinMode(warnlichtPins[i], OUTPUT);    // Deklariere den Pin als Output
    digitalWrite(warnlichtPins[i], HIGH); // Schalte die LED an diesem Pin ab
  }

  baumServo.attach(baumServoPin);
  kranServo.attach(kranServoPin);
  windeServo.attach(windeServoPin);
}

void loop() {
  receiveFunction();                // Führe Anweisungen für Empfang aus
  myTime = 21;

  if (receiveStarted == false) {    // Falls gerade keine Daten empfangen werden:
    if (myTime > 22) {              // ***** Später Abend *****
      warnlichtAn();                // Warnlichter einschalten
      beleuchtungAn();              // Beleuchtung einschalten
      fahrzeugbeleuchtungAn();      // Fahrzeugbeleuchtung einschalten
      baumAn();                     // Fallenden Baum einschalten
      kranAn();                     // Kranbewegungen einschalten
    } else if (myTime > 18) {       // ***** Abend *****
      warnlichtAn();                // Warnlichter einschalten
      beleuchtungAn();              // Beleuchtung einschalten
      fahrzeugbeleuchtungAn();      // Fahrzeugbeleuchtung einschalten
      baumAn();                     // Fallenden Baum einschalten
      kranAn();                     // Kranbewegungen einschalten
    } else if (myTime > 12) {       // ***** Nachmittag *****
      warnlichtAn();                // Warnlichter einschalten
      beleuchtungAus();             // Beleuchtung ausschalten
      fahrzeugbeleuchtungAus();     // Fahrzeugbeleuchtung ausschalten
      baumAn();                     // Fallenden Baum einschalten
      kranAn();                     // Kranbewegungen einschalten
    } else if (myTime > 9) {        // ***** Vormittag *****
      warnlichtAn();                // Warnlichter einschalten
      beleuchtungAus();             // Beleuchtung ausschalten
      fahrzeugbeleuchtungAus();     // Fahrzeugbeleuchtung ausschalten
      baumAn();                     // Fallenden Baum einschalten
      kranAn();                     // Kranbewegungen einschalten
    } else if (myTime > 7) {        // ***** Morgen *****
      warnlichtAn();                // Warnlichter einschalten
      beleuchtungAus();             // Beleuchtung ausschalten
      fahrzeugbeleuchtungAus();     // Fahrzeugbeleuchtung ausschalten
      baumAn();                     // Fallenden Baum einschalten
      kranAn();                     // Kranbewegungen einschalten
    } else {                        // ***** Nacht *****
      warnlichtAus();               // Warnlichter einschalten
      beleuchtungAus();             // Beleuchtung einschalten
      fahrzeugbeleuchtungAn();      // Fahrzeugbeleuchtung einschalten
      baumAus();                    // Fallenden Baum ausschalten
    }
  }
}

void fahrzeugbeleuchtungAn() {
  digitalWrite(fahrzeugbeleuchtungPins[0], LOW);
  digitalWrite(fahrzeugbeleuchtungPins[1], LOW);
}

void fahrzeugbeleuchtungAus() {
  digitalWrite(fahrzeugbeleuchtungPins[0], HIGH);
  digitalWrite(fahrzeugbeleuchtungPins[1], HIGH);
}

void beleuchtungAn() {
  if (random(2000) <= 1) digitalWrite(beleuchtungsPins[0], LOW);
  if (random(2000) <= 1) digitalWrite(beleuchtungsPins[1], LOW);
  if (random(2000) <= 1) digitalWrite(beleuchtungsPins[2], LOW);
}

void beleuchtungAus() {
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    digitalWrite(beleuchtungsPins[i], HIGH);
  }
}

void warnlichtAn() {
  for (int i = 0; i < 4; i++) {
    if (millis() % warnlichtTimer[i] < warnlichtTimer[i] / 2) {
      digitalWrite(warnlichtPins[i * 2], HIGH);
      digitalWrite(warnlichtPins[i * 2 + 1], LOW);
    } else {
      digitalWrite(warnlichtPins[i * 2], LOW);
      digitalWrite(warnlichtPins[i * 2 + 1], HIGH);
    }
  }
}

void warnlichtAus() {
  for (int i = 0; i < 8; i++) {
    digitalWrite(warnlichtPins[i], HIGH);
  }
}

void kranAn() {
  if ((kranStatus != 0) || (kranStatus != 6)) {
    if (kranTimer + kranTimeouts[kranStatus] < millis()) {
      kranStatus++;
      if (kranStatus > 11) kranStatus = 0;
      kranTimer = millis();
      Serial.print("Kranstatus="); Serial.println(kranStatus);
    }
  }

  switch (kranStatus) {
    case 0: // warten
      if (random(kranTimeouts[0]) < 1) kranStatus = 1;
      break;
    case 1:  // aufnehmen
      if (kranWindeTimer + kranWindeSpeed < millis()) {
        if (windePosition < windeOben) {
          windePosition++;
          windeServo.write(windePosition);
        }
        kranWindeTimer = millis();
      }
      break;
    case 2:  // pause
      break;
    case 3:  // drehen
      if (kranDrehungTimer + kranDrehungSpeed < millis()) {
        if (kranPosition < kranRechts) {
          kranPosition++;
          kranServo.write(kranPosition);
        }
        kranDrehungTimer = millis();
      }
      break;
    case 4:  // pause
      break;
    case 5:  // ablassen
      if (kranWindeTimer + kranWindeSpeed < millis()) {
        if (windePosition > windeUnten) {
          windePosition--;
          windeServo.write(windePosition);
        }
        kranWindeTimer = millis();
      }
      break;
    case 6:  // warten
      if (random(kranTimeouts[6]) < 1) kranStatus = 7;
      break;
    case 7:  // aufnehmsen
      if (kranWindeTimer + kranWindeSpeed < millis()) {
        if (windePosition < windeOben) {
          windePosition++;
          windeServo.write(windePosition);
        }
        kranWindeTimer = millis();
      }

      break;
    case 8:  // pause
      break;
    case 9:  // drehen
      if (kranDrehungTimer + kranDrehungSpeed < millis()) {
        if (kranPosition > kranLinks) {
          kranPosition--;
          kranServo.write(kranPosition);
        }
        kranDrehungTimer = millis();
      }
      break;
    case 10: // pause
      break;
    case 11: // ablassen
      if (kranWindeTimer + kranWindeSpeed < millis()) {
        if (windePosition > windeUnten) {
          windePosition--;
          windeServo.write(windePosition);
        }
        kranWindeTimer = millis();
      }
      break;
  }

}

void baumAn() {
  switch (baumStatus) {
    case 0:
      if (baumTimer + baumTimeout < millis()) {
        if (random(fallenderBaumZufall) < 1) {
          baumStatus = 1;
          baumTimeout = baumTimeoutMax;
        }
      }
      break;
    case 1:
      if (baumTimer + baumTimeout < millis()) {
        if (baumPosition < baumLiegt) {
          baumPosition++;
          baumTimeout -= 2;
          baumServo.write(baumPosition);
        } else {
          baumTimeout = 10000;
          baumStatus = 2;
        }
        delay(1);
        baumTimer = millis();
      }

      break;
    case 2:
      if (baumTimer + baumTimeout < millis()) {
        baumStatus = 3;
        baumTimeout = baumTimeoutMax;
      }
      break;
    case 3:
      if (baumTimer + baumTimeout < millis()) {
        if (baumPosition > baumSteht) {
          baumPosition--;
          baumServo.write(baumPosition);
        } else {
          baumTimeout = 1000;
          baumStatus = 0;
        }
        delay(1);
        baumTimer = millis();
      }
      break;
  }
  /**/
}

void baumAus() {
  if (baumPosition > baumSteht) {
    if (baumTimer + baumTimeout < millis()) {
      baumPosition--;
      baumServo.write(baumPosition);
    }
  }
}

/* ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** ***** */

void receiveFunction() {                      // Empfängt die Uhrzeit vom Control-Modul
  receivePulse = digitalRead(receivePin);     // Lies den Empfangspin aus

  if ((receiveTimer + receiveTimeout < millis()) && (receiveStarted == true)) {
    // Bei Timeout und aktivem Empfang
    receiveStarted = false;                   // beende aktiven Empfang
    myTime = receivedTime - 1;                // speichere die empfangene Zeit
    receivedTime = 0;                         // setze die Hilfsvariable zum Zeitempfang zurück
    Serial.println(myTime);                   // serielle Ausgabe
  }
  // falls ein Puls am Empfangspin erfasst wird, der vorher nicht da war
  if ((receivePulse == 0) && (lastReceivePulse == 1)) {
    receiveTimer = millis();                  // starte Timer neu
    if (receiveStarted == false) receiveStarted = true;  // starte aktiven Empfang, wenn noch nicht geschehen
    receivedTime++;                           // es gab einen Puls, also erhöhe die Hilfsvariable zum Zeitempfang
  }
  lastReceivePulse = receivePulse;            // aktuellen Zustand am Pin für nächsten Durchlauf merken
}

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