Paso nivel con Power Functions WeDo y Scratch

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IMG_2918El objetivo de este artículo es mostrar cómo hacer un paso a nivel con barrera automatizado para nuestros dioramas de trenes LEGO. Para ello hemos utilizado Power Functions, WeDo y Scratch. Nuestro paso a nivel está dotado de semáforos y funciona detectando la presencia del tren gracias a un sensor de distancia WeDo.

La misión de los pasos a nivel con barrera es impedir que se produzcan accidentes como el de la fotografía siguiente. Cuando una vía de tren tiene que ser cruzada por una carretera, un camino o simplemente una segunda vía de tren tenemos dos opciones: la intersección se produce en el mismo plano, con lo que necesitamos controlar el acceso a dicho punto de intersección, o el cruce se produce en planos distintos, mediante el uso de puentes o túneles. El cruce de vías de tren sigue siendo uno de los puntos negros en los que se siguen produciendo mayor número de accidentes. Quizá uno de los motivos de ese elevado índice de siniestralidad es su falta de uniformidad, que muchas veces lleva a situaciones absurdas no carentes de peligro.

Paso nivel con Power Functions WeDo y Scratch: Accidente de tren en Carolina del Norte

Muchas veces es la negligencia la causante de la siniestralidad. La educación sobre la forma de comportarnos en un paso a nivel debe iniciarse desde la infancia. El paso a nivel de LEGO DUPLO es una muestra del afán por inculcar estas enseñanzas desde edades tempranas.

Paso nivel con Power Functions WeDo y Scratch: Paso a nivel LEGO DUPLO

Desafortunadamente la falta de homogeneidad de posibles cruces entre vías de tren y carreteras no facilita la reducción de accidentes:

  • Los pasos a nivel más modernos disponen de barreras que descienden hasta bloquear la carretera cuando detectan la cercanía del tren, bien en ambos lados de la carretera o en un lado de la única carretera. Disponen además de un sistema de alarma sonora y de iluminación que parpadea en rojo cuando un tren se acerca.
  • Sistemas menos completos pueden ser réplicas del anterior, pero careciendo de las barreras o de sistema de luces.
  • Otros pasos a nivel con barrera se accionan manualmente. Pueden tener un sistema de luces que se muestran en rojo cuando el tren se acerca y en verde en caso contrario.
  • En el peor de los casos nos podemos encontrar con un paso a nivel que no tenga barreras, ni luces ni ninguna advertencia audible. Como poco, debería tener algún indicador de “Ceda el paso”. Por nuestra seguridad debemos parar ante la señal de “Ceda el paso”, mirar y escuchar con atención antes de cruzar.

Paso nivel con Power Functions WeDo y Scratch

Como lo que nos motiva es cuidar al máximo de la seguridad de las minifigs que se ven obligadas a cruzar la vía del tren de LEGO City, hemos optado por una solución completa que incluya barreras móviles y semáforos. La señal sonora la hemos obviado con objeto de disminuir la contaminación acústica de la ciudad. Para todo ello hemos usado 2 interruptores mecánicos Power Functions (8869), 2 juegos de luces (8870) y un motor mediano (8883).

Dentro de los elementos WeDo, hemos usado el Hub USB, que nos permitirá conectar la electrónica al ordenador, y un sensor de distancia, el encargado de detectar la cercanía del tren y controlar el sistema en función de ello.

Paso nivel con Power Functions WeDo y Scratch: Paso a nivel cerrado, barrera bajada y semáforo en rojo.

Para alimentar los interruptores, y por lo tanto las luces, hemos utilizado un cable adaptador de NXT a PF y un MINDSTORMS NXT, pero también se puede alimentar con una caja de pilas (8881) o una batería recargable (8878).

Paso nivel con Power Functions WeDo y Scratch: Paso a nivel abierto, barrera subida y semáforo en verde.

La parte más compleja de este montaje es la mecánica que permitirá encender los semáforos y mover la barrera, haciendo uso exclusivamente de un motor. La dificultad radica en conseguir sincronizar el movimiento de la barrera con el control de las luces de los semáforos, siempre con la premisa de reducir al máximo el coste del sistema. Si bien hemos barajado otras posibilidades, como el uso del MINDSTORMS NXT, mediante el uso de Power Functions conseguimos reducir el coste. El sistema es lo suficientemente simple como para que no sea necesario el uso de un sistema NXT.

Paso nivel con Power Functions WeDo y Scratch: mecánica del paso a nivel

En la parte inferior de la foto anterior se observa la presencia del sensor que empleamos para detectar la llegada del tren y que lanza la secuencia de movimientos de la barrera y conmutación de luces.

Como comentaba anteriormente, el mayor inconveniente ha surgido de la necesidad de reducir costes. Nuestro objetivo es controlar:

  • La apertura y cierre de la barrera del paso a nivel.
  • El encendido y apagado de los semáforos que controlan el paso de los vehículos que cruzan la vía del tren desde ambos lados de la vía.

Hemos montado dos semáforos, uno a cada uno de los lados de la vía del tren, que funcionan en paralelo con dos luces cada uno de ellos: rojo y ámbar. El semáforo en rojo debe coincidir con la barrera bajada, mientras que el ámbar debe estar activo cuando la barrera se eleva, para permitir el paso de los vehículos a través de la vía.

Paso nivel con Power Functions WeDo y Scratch: mecánica del paso a nivel

Tenemos idealmente dos estados posibles: (1) con la barrera bajada, semáforo rojo activo y ámbar apagado, y (2) con barrera en alto, semáforo rojo apagado y verde encendido. He remarcado lo de idealmente porque existe una transición entre ambos estados que no estamos considerando, pero que se produce en la práctica.

Para producir el movimiento de la barrera necesitamos hacer uso de un motor. Como los motores Power Functions no realimentan el ángulo, la forma en la que hemos controlado el giro del mismo es mediante el tiempo y potencia que aplicamos. Nuestro objetivo es girar la barrera los 90º existentes desde su posición horizontal hasta la posición vertical, por lo que hemos realizado varias pruebas hasta poder ajustar con los valores adecuados de potencia y tiempo de funcionamiento.

Paso nivel con Power Functions WeDo y Scratch: control de los interruptores del paso a nivel

La programación la hemos realizado mediante Scratch, lo cual nos ha llevado a percatarnos de que éste no dispone de ningún símbolo para controlar las luces, por lo que su manejo por programa no es posible. En vista de esta carencia nos hemos visto obligados a su control mediante el interruptor mecánico 8869. Este interruptor tiene una posición central en la que no transmite energía y dos posiciones en cada uno de los extremos en las que sí la transmiten. Con objeto de simplificar el sistema, debemos conseguir que el movimiento de la barrera consiga accionar también el del interruptor mecánico. Para ello debemos trasladar los 90º de movimiento que tiene la barrera al ángulo máximo que debe girar el 8869, desde el centro a uno de los extremos, es decir un ángulo de aproximadamente unos 20º, esto equivale a aplicar una relación de engranajes como la que hemos empleado en el sistema: con un engranaje de 8 dientes a la salida del motor atacamos a un engranaje de 40 dientes, es decir, una relación de 1:5. Con esta relación necesitamos que el motor gire 100º para mover los 20º que necesitamos para hacer conmutar el interruptor, motivo por el que la barrera se mueve un poco más allá de la vertical. Pero con este interruptor sólo conseguimos activar o desactivar una de las parejas de luces del mismo color.

La segunda pareja de luces, del otro color debe funcionar de forma opuesta a la primera, por lo que debemos emplear un segundo 8869 y desfasar el movimiento entre ellos, de forma que cuando uno está encendido el otro está apagado, y viceversa. Esto es lo que justifica el uso de los dos engranajes existentes entre los 2 interruptores.

En cuanto al programa de Scratch, éste es relativamente sencillo: debemos mover un motor cuando se acerque el tren, es decir cuando la distancia detectada por el sensor sea menor que un determinado valor. Tras un tiempo prudencial, lo suficiente para dejar pasar el tren, el motor volverá a la posición anterior. A continuación podeis ver que efectivamente el programa es muy simple:

Paso nivel con Power Functions WeDo y Scratch: Programa Paso a Nivel

Vídeo del funcionamiento:

Información adicional:

  • Safer European Level Crossing Appraisal and Technology (SELCAT).
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