Hasso-Plattner-Institut Potsdam Operating Systems and Middleware Group at HPI University of Potsdam, Germany
Operating Systems and Middleware Group at HPI

Carrera Autorennbahn

Die Autorennbahn Carrera Digital 132 der Firma Stadlbauer ist eine Slot-Car-Rennstrecke für Kinder und Erwachsene. Es können gleichzeitig bis zu sechs Fahrer ihre Autos auf der Bahn steuern. Zusätzlich sind automatisch gesteuerte Fahrzeuge, wie Pace Car und Ghost Cars, einsetzbar. Die Fahrzeuge werden mit digitalen Signalen, die der Fahrspannung überlagert sind, gesteuert. Als Steuerzentrale fungiert die Control Unit oder die Black Box. An diese sind bis zu vier Fahrregler anschließbar. Dies können alles analoge Regler sein oder eine Mischung aus bis zu sechs digitalen Reglern und ggf. weiteren analogen. Als analoge Regler werden hier die leitungsgebundenen Handregler bezeichnet, die eine analoge Steuergröße (Fahrspannung) an die Steuereinheit übermitteln. Digitale Regler sind die drahtlose Handregler, die ihre Steuerdaten mittels einer Infrarot- oder Funkverbindung (2,4 GHz) an eine Empfangseinheit übertragen. Die Empfangseinheit reicht die Steuerinformationen als serialisierte digitale Daten an die Steuereinheit weiter.

Die von uns verwendete Anlage baut auf einem Set auf, das durch Schienen und Fahrzeuge erweitert wurde. Der aktuelle Streckenplan ist in der Abbildung 1 zu sehen.

Streckenplan
Abbildung 1:   Streckenplan unserer Bahn

Uns interessiert an dieser Stelle die Frage, wie die Steuerung der Fahrzeuge mit einem, von der Steuereinheit unabhängigem Computer realisiert werden kann, so dass, auf diesem Computer ein Softwaresystem mit vorhersagbarem Verhalten unterschiedliche Szenarien bearbeiten kann. Solche Szenarien können sein:

  • Den Kurs möglicht schnell und ohne aus der Bahn geworfen zu werden, zu absolvieren. Diese Aufgabe ist eng mit der Suche nach der idealen Fahrspur verknüpft, da die Strecke, wie im Streckenplan ersichtlich ist, auch Spurwechsel möglich macht.
  • Mehrere Fahrzeuge im Konvoi fahren zu lassen, ohne dass sie aufeinander fahren oder sich der Abstnd zwischen den Fahrzeugen zu sehr vergrößert.
  • Sicherzustellen, dass kein am Rennen beteiligtes Fahrzeug das Pace Car auf der Strecke überholt - auch wenn es die zweite Spur benutzt.

Hier lassen sich sicherlich noch andere Szenarien aufzählen. Der Schwerpunkt unserer Arbeit liegt auf der Ausbildung von Studenten im Bereich von eingebetteten Systemen und Echtzeitbetriebssystemen. Man könnte jetzt beides verbinden, indem man eine der älteren Black Box Module nimmt und für die Hardware eigene Software schreibt - oder man verwendet nur das Gehäuse und entwirft auch neue Hardware zur Steuerung der Bahn. Unsere Anliegen ist es aber, die ursprüngliche Bahn weitestgehend unangetastet zu lassen. Damit ergeben sich zwei Eckpunkte für unser Vorhaben:

  • Der externe Computer simuliert die an der Carrera Bahn anschließbaren Handregler und ermöglicht so die Eingabe von Steuerinformationen für die Fahrzeuge.
  • Der externe Computer erhält durch Sensoren eine Rückmeldung von der Bahn, um den aktuellen Aufenthaltsort der Fahrzeuge zu rekonstruieren.

Da ein Anschluss externer Computer zu Steuerzwecken in dem geplanten Umfang nicht vom Hersteller vorgesehen ist, setzen wir dafür Adapter - selbstgebaute Hardware - ein. Eine weitere Erweiterung der originalen Anlage, die erfahrenen Anwendern bekannt sein dürfte, ist ein Kollisionsschutz für die Weichen. Dieser soll verhindern, dass zwei Fahrzeuge auf einer Weiche zusammenstoßen und infolge dessen aus der Bahn fliegen, kaputt gehen oder die Strecke blockieren.

Dokumentation

Wir übernehmen keine Garantie für die Korrektheit der hier zur Verfügung gestellten Dokumente oder ihre Übereinstimmung mit Komponenten der Carrera Bahn! Die Dokumemte sollen einen Anhaltspunkte bieten und eine grobe Vorstellung von der eingesetzten Technik vermitteln.

  1. Digitale Steuerung der Fahrzeuge
  2. Handregler für die Carrera-Bahn
  3. Schaltpläne

Erweiterungen / eigene Projekte

  • Kollisionsschutz für die Weichen
    Eine Weiche kann nur dann geschaltet werden, wenn sich kein Fahrzeug im Schutzbereich auf der anderen Spur befindet.
  • PC-Adapter:
    Nachbau von zwei analogen Handreglern, die die Steuerung der Fahrzeuge von einem PC erlauben.
  • erweiterter PC-Adapter
    Simulation digitaler Handregler mit folgenden Möglichkeiten:
    • Steuerung aller sechs Fahrzeuge vom externen Computer
    • Gleichzeitige Nutzung von sechs originalen Handreglern zur Steuerung der Fahrzeuge
    • Verzögerungsfreie Übernahme bzw. Rückgabe der Steuerung von bzw. an jeden beliebigen Handregler durch den Computer
  • Austattung der Fahrstrecke mit Sensoren zur Positionsbestimmung der Fahrzeuge
  • Steuerung der Fahrzeuge am Computer