AUTORIZACIÓN PARA LA DIGITALIZACIÓN, DEPÓSITO Y DIVULGACIÓN EN ACCESO ABIERTO (RESTRINGIDO) DE DOCUMENTACIÓN 1º. Declaración de la autoría y acreditación de la misma. El autor D. Juan Llopis Bernat, como alumno de la UNIVERSIDAD PONTIFICIA COMILLAS (COMILLAS), DECLARA que es el titular de los derechos de propiedad intelectual, objeto de la presente cesión, en relación con la obra DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA LA PLATAFORMA DE UN SIMULADOR DE VUELO 1, que ésta es una obra original, y que ostenta la condición de autor en el sentido que otorga la Ley de Propiedad Intelectual como titular único o cotitular de la obra. En caso de ser cotitular, el autor (firmante) declara asimismo que cuenta con el consentimiento de los restantes titulares para hacer la presente cesión. En caso de previa cesión a terceros de derechos de explotación de la obra, el autor declara que tiene la oportuna autorización de dichos titulares de derechos a los fines de esta cesión o bien que retiene la facultad de ceder estos derechos en la forma prevista en la presente cesión y así lo acredita. 2º. Objeto y fines de la cesión. Con el fin de dar la máxima difusión a la obra citada a través del Repositorio institucional de la Universidad y hacer posible su utilización de forma libre y gratuita ( con las limitaciones que más adelante se detallan) por todos los usuarios del repositorio y del portal e-ciencia, el autor CEDE a la Universidad Pontificia Comillas de forma gratuita y no exclusiva, por el máximo plazo legal y con ámbito universal, los derechos de digitalización, de archivo, de reproducción, de distribución, de comunicación pública, incluido el derecho de puesta a disposición electrónica, tal y como se describen en la Ley de Propiedad Intelectual. El derecho de transformación se cede a los únicos efectos de lo dispuesto en la letra (a) del apartado siguiente. 3º. Condiciones de la cesión. Sin perjuicio de la titularidad de la obra, que sigue correspondiendo a su autor, la cesión de derechos contemplada en esta licencia, el repositorio institucional podrá: (a) Transformarla para adaptarla a cualquier tecnología susceptible de incorporarla a internet; realizar adaptaciones para hacer posible la utilización de la obra en formatos electrónicos, así 1 Proyecto de fin de grado.
como incorporar metadatos para realizar el registro de la obra e incorporar marcas de agua o cualquier otro sistema de seguridad o de protección. (b) Reproducirla en un soporte digital para su incorporación a una base de datos electrónica, incluyendo el derecho de reproducir y almacenar la obra en servidores, a los efectos de garantizar su seguridad, conservación y preservar el formato.. (c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo abierto institucional, accesible de modo libre y gratuito a través de internet. 2 (d) Distribuir copias electrónicas de la obra a los usuarios en un soporte digital. 3 4º. Derechos del autor. El autor, en tanto que titular de una obra que cede con carácter no exclusivo a la Universidad por medio de su registro en el Repositorio Institucional tiene derecho a: a) A que la Universidad identifique claramente su nombre como el autor o propietario de los derechos del documento. b) Comunicar y dar publicidad a la obra en la versión que ceda y en otras posteriores a través de cualquier medio. c) Solicitar la retirada de la obra del repositorio por causa justificada. A tal fin deberá ponerse en contacto con el vicerrector/a de investigación (curiarte@rec.upcomillas.es). d) Autorizar expresamente a COMILLAS para, en su caso, realizar los trámites necesarios para la obtención del ISBN. d) Recibir notificación fehaciente de cualquier reclamación que puedan formular terceras personas en relación con la obra y, en particular, de reclamaciones relativas a los derechos de propiedad intelectual sobre ella. 2 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría redactado en los siguientes términos: (c) Comunicarla y ponerla a disposición del público a través de un archivo institucional, accesible de modo restringido, en los términos previstos en el Reglamento del Repositorio Institucional 3 En el supuesto de que el autor opte por el acceso restringido, este apartado quedaría eliminado.
5º. Deberes del autor. El autor se compromete a: a) Garantizar que el compromiso que adquiere mediante el presente escrito no infringe ningún derecho de terceros, ya sean de propiedad industrial, intelectual o cualquier otro. b) Garantizar que el contenido de las obras no atenta contra los derechos al honor, a la intimidad y a la imagen de terceros. c) Asumir toda reclamación o responsabilidad, incluyendo las indemnizaciones por daños, que pudieran ejercitarse contra la Universidad por terceros que vieran infringidos sus derechos e intereses a causa de la cesión. d) Asumir la responsabilidad en el caso de que las instituciones fueran condenadas por infracción de derechos derivada de las obras objeto de la cesión. 6º. Fines y funcionamiento del Repositorio Institucional. La obra se pondrá a disposición de los usuarios para que hagan de ella un uso justo y respetuoso con los derechos del autor, según lo permitido por la legislación aplicable, y con fines de estudio, investigación, o cualquier otro fin lícito. Con dicha finalidad, la Universidad asume los siguientes deberes y se reserva las siguientes facultades: a) Deberes del repositorio Institucional: - La Universidad informará a los usuarios del archivo sobre los usos permitidos, y no garantiza ni asume responsabilidad alguna por otras formas en que los usuarios hagan un uso posterior de las obras no conforme con la legislación vigente. El uso posterior, más allá de la copia privada, requerirá que se cite la fuente y se reconozca la autoría, que no se obtenga beneficio comercial, y que no se realicen obras derivadas. - La Universidad no revisará el contenido de las obras, que en todo caso permanecerá bajo la responsabilidad exclusiva del autor y no estará obligada a ejercitar acciones legales en nombre del autor en el supuesto de infracciones a derechos de propiedad intelectual derivados del depósito y archivo de las obras. El autor renuncia a cualquier reclamación frente a la Universidad por las formas no ajustadas a la legislación vigente en que los usuarios hagan uso de las obras. - La Universidad adoptará las medidas necesarias para la preservación de la obra en un futuro. b) Derechos que se reserva el Repositorio institucional respecto de las obras en él registradas:
- retirar la obra, previa notificación al autor, en supuestos suficientemente justificados, o en caso de reclamaciones de terceros. Madrid, a 21 de Julio de 2014 ACEPTA Fdo: Juan Llopis Bernat
Proyecto realizado por el alumno: Juan Llopis Bernat Fdo.:. Fecha.:. Autorizada la entrega del proyecto cuya información no es de carácter confidencial LOS DIRECTORES DEL PROYECTO Ramón Rodríguez Pecharromán Fdo.:. Fecha.:. Juan Luís Zamora Macho Fdo.:. Fecha.:. Vº Bº del Coordinador de Proyectos Álvaro Sánchez Miralles Fdo.:. Fecha.:.
INGENIERO ELECTROMECÁNICO DISEÑO DE UN SISTEMA DE CONTROL PARA LA PLATAFORMA DE UN SIMULADOR DE VUELO Autor: Juan Llopis Bernat Director: Ramón Rodríguez Pecharromán Director: Juan Luís Zamora Macho Madrid Julio 2014
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RESUMEN DEL PROYECTO INTRODUCCIÓN En la actualidad, acumular horas de vuelo reales resulta altamente costoso y por tanto vemos en el desarrollo de un simulador de vuelo la oportunidad de dar un servicio muy interesante. Un simulador de vuelo es un sistema que intenta replicar, o simular, la experiencia de pilotar una aeronave de la forma más precisa y realista posible. Los diferentes tipos de simuladores de vuelo van desde videojuegos hasta réplicas de cabinas en tamaño real montadas en accionadores hidráulicos (o electromecánicos), controlados por sistemas modernos de control. Los simuladores de vuelo permiten al piloto ganar experiencia sin el riesgo, tiempo y costos asociados al entrenamiento usando infraestructura real. Un piloto aprende las habilidades esenciales gracias a su experiencia con el simulador. El alumno podrá cometer errores en un ambiente simulado y aprender de los errores sin sufrir las consecuencias de sus actos. Tanto su pericia como su habilidad de toma de decisiones mejorarán, resultando en una seguridad y eficiencia mayor. Por tanto, el objetivo de este proyecto es realizar el diseño de un control para la plataforma de un simulador de vuelo. Esto se lleva a cabo realizando el software que gestionará la posición y velocidad de los motores de la plataforma con respecto a los simulados en el simulador de vuelo.
METODOLOGÍA Figura 1: Esquema del proyecto [1][2] El proyecto se compone de diversos procesos cuya interacción permite realizar el control de la plataforma de un simulador de vuelo. El Motion Platform Designer usa el Microsoft Flight Simulator X para obtener los parámetros de la plataforma que emula al avión simulado. Desde el Motion Platform Designer se mandan las tres posiciones de los tres motores de la plataforma hacia el programa que gestiona el control, en este caso el Visual Basic 6. El MicroCode Studio es el encargado de programar el microprocesador PIC18F2550. Dicho microprocesador se ha programado en Basic para la lectura de tres potenciómetros, que serán las posiciones de los motores en la plataforma y para el envío de dichos datos hacia el programa en Visual Basic 6. El Visual Basic 6 es el encargado de recibir los datos de la posición de los potenciómetros vía Usb desde el microprocesador y de recibir la consigna de la posición de los motores de la plataforma simulada. Además realiza el control de la frecuencia que se debe enviar a los variadores de frecuencia que regulan la velocidad de giro de los motores de la plataforma.
RESULTADOS Se ha construido un prototipo de un eje de la plataforma para comprobar el funcionamiento en un eje. Figura 2: Prototipo de un eje de la plataforma Con este prototipo se ha desarrollado experimentalmente la planta del sistema para así poder ajustar el control PID utilizado. Figura 3: Diagrama de bloques del control PID Se ha desarrollado en el Visual Basic 6 un código que realiza el control PID de la frecuencia que se tiene que enviar a los variadores. Este control tiene como entrada la posición del motor simulado y como salida la posición del motor en la plataforma. El mando será la frecuencia a la que debe mover el motor.
Figura 4: Interfaz del Visual Basic 6.0 La interfaz del Visual Basic 6 permite comprobar la conexión Usb, el valor de los potenciómetros en cada momento y la posición de los motores de la plataforma simulada. CONCLUSIONES Se ha conseguido el control de la frecuencia enviada a los variadores de frecuencia para así controlar la posición de los motores de la plataforma. Lo interesante de este proyecto sería que se construyera la plataforma para implementarle el control desarrollado y la interfaz visual de la cabina de un F-18 para así poder comercializar las horas en el simulador previa homologación del organismo competente. REFERENCIAS [1] http://flyawaysimulation.com/media/images1/images/flight-simulator-x-logo.jpg [2] http://www.vbcodesource.com/images/vb6imagecropped.jpg
PROJECT S SUMMARY INTRODUCTION Nowadays, to accumulate real flight hours is highly expensive, and that is the reason why the flight simulator is the perfect chance to offer a very advantageous service. A simulator flight is a system, which tries to copy, or simulate, the experience of piloting an aircraft in the most precise and realistic way possible. There are many different kinds of flight simulators such as videogames, copies of a real size cabin built up in a hydraulic actuator (or electro-mechanic), controlled by modern systems of control. Flight simulators allow the pilot to gain experience without the risks, the time and the costs associated with training with the real aircraft. It does such thing by using the real infrastructure. A regular pilot can learn the essential abilities to pilot an aircraft thanks to his experience with the flight simulator. The student will be able to make mistakes in a simulated environment and to learn from those mistakes without suffering the fatal consequences of his acts. His ability to make decisions and his skills piloting an aircraft will improve, resulting in more security and efficiency. Therefore, this project s goal is to design a control system for a flight simulator platform. The goal will be achieved by creating the software that will manage the exact position and speed of the platform s engines with regards the simulated ones in the flight simulator.
METHODOLOGY Figure 1: Project s Diagram[1][2] The project can be seen as composed of different operating processes. The interaction of these operating processes allows managing the control of the flight s simulator platform. The Motion Platform Designer uses the Microsoft Fight Stimulator X to obtain the platform s position parameters. From the Motion Platform Designer the three positions of the three platform s motors are sent towards the control-managing program, which is the Visual Basic 6. The Microcode Studio is responsible for programming the microprocessor PIC18F255O. That microprocessor has been programmed in Basic for the reading of the three potentiometers, which will be the motors positions in the platform, and for the data sending towards the Visual Basic 6 program. The Visual Basic 6 is responsible for receiving the potentiometers position data via USB from the microprocessor, and for receiving simulated platform motors position. In addition, the Visual Basic 6 controls the frequency that needs to be sent to the frequency inverters, which adjusts the engine rotation speeds of the platform.
RESULTS A platform s axle prototype has been constructed in order to check how the axle works. Figure 2: Platform s axle prototype The system s plant has been carried out with the platform s axle prototype shown above in order to adjust the PID control used. Figure 3:PID control block diagram A code that carries out the PID control of the frequency has been developed in the Visual Basic 6. The PID control has as an input the simulated motor s position and as an output the platform s motor position. The command signal will be the frequency in which the engine will have to move.
Figure 4: Visual Basic 6.0 interface Visual Basic 6.0 interface allows checking the USB conection, the potentiometers values in every instance and the motors simulated platform s position. CONCLUSIONS The control of the frequency sent to the frequency inverters has been accomplished in order to control the position of the motor s platform. It would be interesting for this project to build up a platform so the control developed can be implemented. It would also be very useful to create a F-18 cabin to be able to commercialize with the hours using the aircraft simulator. But in order to do so, the organism needs to be authorized. REFERENCES [1] http://flyawaysimulation.com/media/images1/images/flight-simulator-x-logo.jpg [2] http://www.vbcodesource.com/images/vb6imagecropped.jpg
!!!!!!!!!!!! A"mis"padres,"mi"hermana," mis"abuelos,"mis"tíos"y"mis"primos" que"tanto"apoyo"me"han"dado" durante"la"carrera." Gracias."!!!!!!!!!!!!! Un"genio"se"hace"con"un"1%"de"talento"y"un"99%"de"trabajo. " Albert"Einstein."
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DOCUMENTO 1: MEMORIA
ÍNDICE DE LA MEMORIA Índice de la memoria Parte I Memoria... 1 Capítulo 1 Introducción... 3 1.1 Estudio de los trabajos existentes / tecnologías existentes... 4 1.2 Motivación del proyecto... 7 1.3 Objetivos... 8 1.4 Metodología / Solución desarrollada... 9 1.5 Recursos / herramientas empleadas... 10 Capítulo 2 Componentes de la plataforma... 11 2.1 Introducción... 11 2.2 Microcontrolador... 12 2.3 Modbus... 16 2.4 Software... 18 Capítulo 3 Resultados/Experimentos... 21 3.1 Introducción... 21 3.2 MicroCode Studio Plus... 21 3.3 Matlab... 22 3.4 Motion Platform Designer... 27 3.5 Visual Basic 6.0 Professional edition... 30 Capítulo 4 Conclusiones... 33 Capítulo 5 Futuros desarrollos... 35 I.
ÍNDICE DE LA MEMORIA Bibliografía 37 Parte II Estudio económico... 39 Capítulo 1 Estudio económico... 41 Parte III Manual de usuario... 43 Capítulo 1 Configuración del Microcode Studio... 45 Capítulo 2 Configuración de la comunicación entre el Flight Simulator X y el Motion Platform Designer... 49 Parte IV Código fuente... 51 Capítulo 1 Programación del microchip... 53 Capítulo 2 Preparador de datos para la obtención de la planta... 55 Capítulo 3 Obtención de la planta... 57 Capítulo 4 Diseño del control... 59 Capítulo 5 Proyecto completo Visual Basic 6.0... 61 Capítulo 6 Conversión del dato de hexadecimal a código ascii... 73 I.
ÍNDICE DE FIGURAS Índice de figuras Figura 1: Montaje de un eje... 11 Figura 2: Diagrama de pines [8]... 12 Figura 3: Placa Base... 13 Figura 4: Pickit 3 [9]... 14 Figura 5: Potenciómetro efecto Hall [10]... 15 Figura 6: Placa Base montada... 16 Figura 7: Variador de frecuencia Omron V1000[12]... 17 Figura 8: Lectura de un potenciómetro en Visual Basic 6.0... 22 Figura 9: Respuesta para la obtención de la planta... 25 Figura 10: Diagrama de bloques de la simulación del control PID... 26 Figura 11: Respuesta ante el escalón de 10º... 27 Figura 12: Entradas del Motion Platform Designer... 28 Figura 13: Salida del Motion Platform Designer... 28 Figura 14: Planta de la plataforma... 29 Figura 15: Perfil de la plataforma... 29 Figura 16: Pestaña del compilador... 46 Figura 17: Pestaña del ensamblador... 46 Figura 18: Pestaña del programador... 47 Figura 19: Añadir nuevo programador... 48 Figura 20: Pestaña de edición del nuevo programador... 48 Figura 21: Parámetros del nuevo programador... 48 II.
ÍNDICE DE FIGURAS Figura 22: Edición de archivo dll.xml... 49 Figura 23: Diagrama de bloques simulado en el código para la obtención de la planta.... 58 II.
ÍNDICE DE TABLAS Índice de tablas Tabla 1: Componentes necesarios en la placa base... 13 Tabla 2: Ejemplo de la trama Modbus.... 18 Tabla 3: Resultados ensayo control proporcional... 23 III.
Parte I MEMORIA - 1 -
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Introducción Capítulo 1 INTRODUCCIÓN El trabajo final de grado consiste en controlar e interconectar un simulador de vuelo, el Flight Simulator X, con una plataforma que emulará de forma lo más realista posible el comportamiento de un avión. Para ello realizaremos un control en un proyecto en Visual Basic que se encargará de gestionar los movimientos de la plataforma. Un simulador de vuelo es un sistema que intenta replicar, o simular, la experiencia de pilotar una aeronave de la forma más precisa y realista posible. Los diferentes tipos de simuladores de vuelo van desde videojuegos hasta réplicas de cabinas en tamaño real montadas en accionadores hidráulicos (o electromecánicos), controlados por sistemas modernos de control. Los simuladores de vuelo son muy utilizados para el entrenamiento de pilotos militares o en la industria de la aviación, simulación de desastres en vuelo y desarrollo de aeronaves. También es importante mencionar que a muchas personas les fascina la aviación y por tanto adquieren estos simuladores para su ocio. Los simuladores de vuelo permiten al piloto ganar experiencia sin el riesgo, tiempo y costes asociados al entrenamiento usando infraestructura real. Un piloto aprende las habilidades esenciales gracias a su experiencia con el simulador. El alumno podrá cometer errores en un ambiente simulado y aprender de los errores sin sufrir las consecuencias de sus actos. Tanto su pericia como su habilidad de toma de decisiones mejorarán, resultando en una seguridad y eficiencia mayor. - 3 -
Introducción El instructor puede aislar y dividir pasos o procedimientos múltiples, hechos para dirigir el enfoque a tareas específicas, puede empezar una sesión de capacitación en tierra, en el aire, en diferentes condiciones desde regiones desérticas hasta vuelos sobre agua o montañas. En cualquiera de las situaciones creadas, el instructor y el alumno pueden pulir una acción en particular, repetirla tantas veces como sea necesario sin las distracciones que con frecuencia se presentan en un vuelo real. En un simulador de vuelo, el piloto ha de despegar, volar siguiendo una ruta y aterrizar. A lo largo del viaje, pueden ocurrir incidentes impredecibles y el piloto debe afrontarlos y resolverlos o se arriesga a una catástrofe, como por ejemplo, aprender a recuperarse frente a fuertes ráfagas de viento o a aterrizar con un motor incendiado intentando técnicas diferentes hasta que adquiera la pericia suficiente para aprender cuáles son las que funcionan. Las simulaciones facilitan a los participantes un feedback sin ambigüedades de los resultados, permitiéndoles comprobar las consecuencias de sus decisiones de una manera clara y visual. Dado que acumular horas de vuelo reales resulta altamente costoso vemos en el desarrollo de un simulador de vuelo la oportunidad de dar un servicio muy interesante. [1] 1.1 ESTUDIO DE LOS TRABAJOS EXISTENTES / TECNOLOGÍAS EXISTENTES -El simulador: Desde los inicios de la aviación, el volar siempre fue muy peligroso, con los primeros intentos de volar también vinieron los primeros accidentes y las primeras víctimas. Fue así como desde un comienzo, diversas alternativas se usaron para - 4 -
Introducción que los pilotos pudieran sentir la sensación de volar sin realmente hacerlo. El "Sander Teacher" fue uno de los primeros simuladores. [2] Durante la Primera Guerra mundial, se probaron nuevos sistemas, los cuales fueron perfeccionándose y en 1930 dio origen al "Link Trainer". En 1948, Curtiss-Wright desarrolló un simulador para el Stratocruiser de Pan American, siendo el primer simulador de vuelo completo utilizado por una aerolínea. A partir de ese momento los sistemas de movimiento llegaron y se instalaron a finales de los años 50. Durante este periodo apareció el helicóptero y los primeros simuladores para este tipo de aeronave (1960) ya que utilizaban computadoras digitales, dando origen a una nueva era. En 1969 fueron desarrollados simuladores para aerolíneas, con actuadores hidráulicos controlando en cada eje de movimiento y a partir de 1977, los simuladores de las aerolíneas empezaron a adoptar las nuevas cabinas en cuyo interior estaban instalados los computadores. Desde este momento, los mayores avances se realizaron en tecnologías de visualización. En 1972 Singer desarrolló una lente policromada utilizando un espejo esférico que proyectaba las vistas del exterior de la cabina. Esto mejoró sustancialmente la sensación de vuelo. Sin embargo, solamente ofrecía un campo de visión de 28 grados. En 1976 se introdujeron las imágenes enfocadas y hacia los años 80 las imágenes proyectadas de alta definición se convirtieron en el estándar de los simuladores modernos. Toda una evolución en tan corto espacio de tiempo; sin embargo, justificada por la necesidad de volar. Hoy las estadísticas muestran los beneficios de los simuladores de vuelo como sistema de instrucción y entrenamiento, lo cual permite a las tripulaciones de aviones y helicópteros aprender a controlar sus aeronaves y a reaccionar correctamente ante un evento inesperado, como puede - 5 -
Introducción ser un fallo en vuelo. Todo esto a un bajo costo en comparación con el entrenamiento en las propias aeronaves. [3] -La plataforma: Hay distintas configuraciones de plataformas, conocidas como manipuladores o robots paralelos, que pueden ser de 3 GDL de modo que podemos posicionar a la plataforma y de 6 GDL de modo que podemos además orientarla. Un ejemplo de plataforma de 3 GDL es el Robot Delta (un robot de brazos paralelos) fue inventado en la década de 1980 por un equipo de investigación dirigido por el profesor de Reymond Clavel en la École Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL, Suiza). El objetivo de este nuevo tipo de robot fue manipular objetos pequeños a muy alta velocidad, una necesidad industrial en ese momento. En 1987, la compañía suiza Demaurex compró una licencia para el robot delta y comenzó la producción de robots delta para la industria del embalaje. En 1991 Reymond Clavel presentó su tesis doctoral ' Concepción d'un parallèle robot rapide à 4 degrés de liberté ', y recibió el premio robot de oro en 1999 por su trabajo y el desarrollo del robot delta. También en 1999, ABB Flexible Automation comenzó a vender su robot delta, el FlexPicker. A finales de 1999 los robots delta también se vendieron por Sigpack Systems. El concepto clave del robot delta es el uso de paralelogramos que restringen el movimiento de la plataforma final a los movimientos en los ejes X, Y o Z pero sin rotación. Desde la base, se extienden tres brazos articulados. Los extremos de estos brazos están conectados a una pequeña plataforma triangular. El accionamiento de los enlaces en la base moverán la plataforma triangular a lo largo de los ejes X, Y o Z. La versión desarrollada por Reymond Clavel tiene cuatro grados de libertad: tres translaciones y una rotación. En este caso cuarta pata se extiende desde la base - 6 -
Introducción hasta el centro de la plataforma triangular dando la libertad de rotación alrededor del eje vertical. Un ejemplo de plataforma con 6 GDL es la plataforma Stewart que es un tipo de robot paralelo que incorpora seis actuadores prismáticos, gatos hidráulicos comúnmente. Estos actuadores están montados en pares a la base del mecanismo y a tres puntos en la parte superior. Los dispositivos colocados en la placa superior pueden ser movidos en los seis grados de libertad en las que es posible que un cuerpo suspendido se pueda mover. Estos son los tres movimientos lineales x, y, z (lateral, longitudinal y vertical), y las tres rotaciones (alabeo, cabeceo y guiñada). También se utiliza el término plataforma de seis ejes. [4] -El control de la plataforma: Para el control de la plataforma usaremos un controlador proporcional-integralderivado que es un mecanismo de retroalimentación de bucle de control genérico ampliamente utilizado en los sistemas de control industriales. Un controlador PID calcula un valor de "error" como la diferencia entre una variable de proceso medido y un punto de ajuste deseado. El controlador intenta minimizar el error mediante el ajuste de las entradas de control de proceso. [5] 1.2 MOTIVACIÓN DEL PROYECTO Simloc Research es una innovadora empresa que ofrece, por primera vez en España, las máximas soluciones en simulación aérea. Y la principal motivación de éste proyecto es dotar de una interface de sensación de movimiento a su simulador del F18 y todo ello a bajo coste para poder ofrecer una experiencia de simulación lo más parecida posible a la realidad y a unos precios muy económicos. [6] - 7 -
Introducción 1.3 OBJETIVOS El objetivo del proyecto final de grado es conseguir un prototipo a escala de una plataforma de movimiento con tres grados de libertad para un simulador de vuelo de un avión de guerra F-18. Por una parte necesitaremos realizar el montaje mecánico de la plataforma y por otra parte desarrollar un control robusto para cada eje de dicha plataforma. Dicho control deberá obtener los datos de la posición de la aeronave en el software de simulación Flight Simulator X para que cada eje replique los movimientos del avión simulado en el software. Debido a los altos costes de los materiales se decidió no construir el prototipo de la plataforma. La empresa por su parte sí que ha construido la plataforma en tamaño real que cumple los requisitos para la implementación de la cabina del piloto. - 8 -
Introducción 1.4 METODOLOGÍA / SOLUCIÓN DESARROLLADA 1ª Semana 2ª Semana 3ª Semana 4ª Semana 5ª Semana 6ª Semana 7ª Semana 8ª Semana 9ª Semana 10ª Semana Montar el circuito (soldar los componentes a la placa). Comprobar correcto funcionamiento. el Aprendizaje básico de lenguaje de programación Visual Basic. Implementación de las comunicaciones del PIC con el PC (para cerrar el lazo de control). Ajustar el comportamiento del primer eje. Conexión con el Flight Simulator X para que se mueva la plataforma con el modelo del avión simulado. Implementación del control en los 3 ejes a la vez. Ajustes finos (optimización). Redacción de la memoria. Tareas a desarrollar: Diseñar el circuito para un correcto funcionamiento del microcontralador. Conseguir una buena comunicación entre el PIC, el variador de frecuencia y el ordenador con el Flight Simulator X. - 9 -
Introducción Realizar un control robusto para un eje de nuestra plataforma. Se debe conseguir que el eje en cuestión emule el movimiento en dicho eje del avión simulado. Extender dicho control en los otros dos ejes. Implementación del control en los 3 ejes de la plataforma y ajustes finos. Redacción de la memoria. 1.5 RECURSOS / HERRAMIENTAS EMPLEADAS Los recursos necesarios son: - 1 Variadores de Frecuencia Omron V1000 [7] - 1 Motores Trifásicos Panasonic - 1 Conversor Digital USB-RS485 - Componentes - PIC18F2550 [8] - Microsoft Visual Basic 6.0 Professional Edition - MicroCode Studio Plus con Pic Basic Pro Compiler - Microsoft Flight Simulator X - Matlab - Motion Platform Designer - 10 -
Componentes de la plataforma Capítulo 2 COMPONENTES DE LA PLATAFORMA 2.1 INTRODUCCIÓN El control de la plataforma se lleva a cabo desde el ordenador. Éste se ayuda de la tarjeta base en la que se encuentra instalado el microcontrolador con los circuitos complementarios necesarios para el correcto funcionamiento y los periféricos, y la plataforma con sus tres motores y los tres variadores de frecuencia. La plataforma y la tarjeta base se interconectan con el ordenador vía Usb. La conexión entre la plataforma y el ordenador es mediante los variadores de frecuencia. Para ello se necesita un conversor digital USB-RS485 y el protocolo de comunicación a utilizar es el Modbus. Figura 1: Montaje de un eje - 11 -
Componentes de la plataforma 2.2 MICROCONTROLADOR El microcontrolador a utilizar es PIC18f2550 de la familia PIC18f y de la marca MICROCHIP. Se ha elegido éste microcontrolador debido a que es compatible con Usb. Consta de 28 pines entre los cuales se encuentran puertos I/O para comunicarse con los distintos periféricos instalados de forma analógica y digital. En la Figura 2 se observa el diagrama de pines del microprocesador dónde se detalla la información acerca de los 28 pines, el la Tabla 1 se observan los distintos componentes que deben soldarse a la placa base y que son necesarios para el correcto funcionamiento del microprocesador mientras que en la Figura 3 se observa en la placa base dónde va cada uno de los componentes gracias a la leyenda de la Tabla 1 y las conexiones con el microprocesador. Figura 2: Diagrama de pines [8] - 12 -
Componentes de la plataforma Figura 3: Placa Base Cabe destacar que en la Figura 3 que los puntos 1 y 2 se deben unir ya que por impedimentos geométricos no están unidos y que en los cinco pines superiores que están dispuestos de forma horizontal se utilizan para la entrada del programador Pickit 3 como el de la Figura 4. Tabla 1: Componentes necesarios en la placa base Tipo de componente Unidades Leyenda Pic18f2550 1 PIC Pulsador 1 S1 Condensador 22 pf 2 C4/C5 Condensador 47 µf 1 C3 Condensador electrolítico 100 µf 1 C1 Conector USB 1 USB 1 R3-13 -
Componentes de la plataforma Resistencia 10K 1 R2 Oscilador 20 MHz 1 OSC Figura 4: Pickit 3 [9] Las entradas del microprocesador serán tres entradas analógicas de tres potenciómetros de efecto Hall como los de la Figura 5. Es importante notar que es un potenciómetro multi vuelta ya que es importante que el potenciómetro pueda recorrer en camino desde la posición inicial a la final de forma ascendente y descendente. - 14 -
Componentes de la plataforma Figura 5: Potenciómetro efecto Hall [10] La Figura 6 muestra la disposición real del microprocesador, los componentes utilizados y la placa. Un detalle importante a la hora del diseño de la placa es que el oscilador debe estar soldado cerca de los pines 9 y 10 previniendo así los problemas que pueden ser ocasionados debido a la oscilación. El led está dispuesto únicamente para comprobar que la alimentación llega correctamente a todos los puntos de la placa. - 15 -
Componentes de la plataforma Figura 6: Placa Base montada 2.3 MODBUS Una parte muy importante de este proyecto es comprender el funcionamiento de las comunicaciones entre el variador de frecuencia y el software del ordenador utilizado. Dicho software es el Visual Basic 6.0 Professional que se encarga de gestionar los datos de entrada del variador. Para ello se utiliza un protocolo de comunicaciones llamado Modbus. El Modbus es un protocolo de comunicaciones situado en el nivel 7 del Modelo OSI (Transmisión de datos), que se basa en la arquitectura maestro/esclavo o cliente/servidor. Las razones por las cuales el uso de Modbus es superior a otros - 16 -
Componentes de la plataforma protocoles de comunicaciones son que es público, su implementación es fácil, requiere poco desarrollo y maneja bloques de datos sin suponer restricciones. Modbus permite el control de una red de dispositivos que en el caso de éste proyecto son tres variadores de frecuencia (los esclavos), desde el ordenador (el maestro).[11] Los tres variadores de frecuencia a utilizar son de la marca Omron de la serie V1000 como el de la Figura 7. Figura 7: Variador de frecuencia Omron V1000[12] Según la información obtenida del datasheet del variador de frecuencia la información enviada al variador desde el software de control debe de seguir el formato mostrado en el ejemplo de la Tabla 2. - 17 -
Componentes de la plataforma Tabla 2: Ejemplo de la trama Modbus. Nº Escribir Bytes a Word Nº bytes Dato CRC esclavo escribir 01 10 0002 0001 02 0000 A781 La trama del ejemplo 011000020001020000A781, le está enviando que se mueva a 0 Hz, es decir, que se mantenga parado. Los bytes que deben modificarse son los de dato, es decir, meterle en código ASCII el valor de la frecuencia a la que queremos mover el motor. La trama 011000020001021388AAE4 sirve para enviarle al variador la información de que mueva el motor que tiene alimentando a 50Hz y mientras que la trama 0110000200010209CFE1B6 la información que le manda al variador es que mueva el motor a 25Hz. 2.4 SOFTWARE El ordenador es el encargado del control de la plataforma y para ello es necesaria la instalación de los siguientes programas: MicroCode Studio Plus, Microsoft Visual Basic 6.0 Proffesional Edition y Microsoft Fight Simulator X. El MicroCode Studio Plus es una herramienta de diseño integrado (IDE) que incluye un circuito para depurar errores (In circuit Debugging - ICD) que está especialmente diseñada para micro ingeniería. El MicroCode Studio Plus es el encargado de programar el microcontrolador para la recepción analógica de las señales de los tres potenciómetros y el envío de éstas señales via Usb al ordenador. [13] El Microsoft Visual Basic 6.0 Professional Edition es una versión desarrollada por Microsoft que utiliza el lenguaje de programación Visual Basic. Visual Basic es un lenguaje de programación dirigido por eventos. Este lenguaje de programación es un dialecto de BASIC, con importantes agregados. Visual Basic contiene un entorno de desarrollo integrado (IDE) que integra editor de textos para edición del - 18 -
Componentes de la plataforma código fuente, un depurador, un compilador gráficas.[14] y un editor de interfaces El Microsoft Flight Simulator (conocido también como MSFS or FS) es la serie de simuladores de vuelo por Microsoft para el sistema operativo Microsoft Windows, aunque se vende como un videojuego. La versión a utilizar es la versión Microsoft Flight Simulator X, o FSX, que es la décima y la versión actual del simulador de vuelo. Las nuevas características incluyen nuevos aviones, la mejora de apoyo multi jugador, incluyendo la capacidad para dos jugadores para volar un solo avión, muy útil para el adiestramiento de pilotos. Esta versión trata por igual a los pilotos, los aspirantes a pilotos y personas que alguna vez soñaron con ser pilotos. El área de vuelo abarca el mundo entero, en diferentes niveles de detalle, incluyendo más de 20000 aeropuertos. La escenografía detallada se puede encontrar en representación de los principales hitos y un número cada vez mayor de pueblos y ciudades. También incorpora una sofisticada simulación del clima, con la posibilidad de descargar del mundo real datos meteorológicos, un variado entorno del tráfico aéreo incluida la gestión interactiva del Control del Tráfico Aéreo y un gran número de recursos que incluyen lecciones interactivas y desafíos, listas de control y las aeronaves. Esto es de gran ayuda a la hora de poder aleccionar y preparar a jóvenes aspirantes a piloto o para simular situaciones de riesgo en vuelo y así dotarlos de experiencia para una posible situación de riesgo en vuelo.[15] - 19 -
Componentes de la plataforma - 20 -
Resultados/Experimentos Capítulo 3 RESULTADOS/EXPERIMENTOS 3.1 INTRODUCCIÓN En este capítulo se detalla la metodología utilizada en software de la plataforma, descrito en el 2.4. También se detalla la metodología utilizada en la realización del control PID que implica el uso del programa MATLAB y la metodología utilizada para la comunicación del Flight Simulator X con el programa ejecutado en Visual Basic 6.0 que implica el uso del programa Motion Platform Designer. 3.2 MICROCODE STUDIO PLUS El MicroCode Studio es el encargado de programar el microcontrolador para la recepción de los datos de los tres potenciómetros que miden la posición de cado uno de los motores de la plataforma y la emisión de esos datos vía Usb hacia el Visual Basic 6.0 Professional Edition. Se utiliza la aplicación EasyHID para generar proyectos necesarios para poder utilizar los microprocesadores de la línea Pic 18F2455, 18F4550, 18F4455 y 18F2550, que será el que utilizaremos. El código para el microprocesador, lo genera tanto para el compilador Protón como para el compilador Pic Basic Pro que es el que utilizaremos, mientras que para el ordenador, se encarga de generar el código en Borland Delphi, Visual C++ y Visual Basic 6.0 que es el que utilizaremos.[13] El proyecto base desde el cual se empieza a trabajar es el creado por la aplicación de EasyHID, ya que contiene las rutinas para el correcto funcionamiento del buffer del Usb. - 21 -
Resultados/Experimentos En la Parte III en el Capítulo 1 se explica y la correcta configuración del compilador, ensamblador y el programador del MicroCode Studio Plus. En la Parte IV en el Capítulo 1 se expone el código utilizado para realizar la programación del microcontrolador. En la siguiente figura se puede observar una interfaz de Visual Basic 6.0 dónde aparece la posición leída de uno de los potenciómetros del microchip. Figura 8: Lectura de un potenciómetro en Visual Basic 6.0 3.3 MATLAB Para realizar el control PID de la frecuencia que se envía al variador de frecuencia es necesaria la utilización del programa Matlab. En este programa se debe obtener la planta del variador de frecuencia para así diseñar el control PID. Para la obtención de la planta se realiza un control proporcional para la obtener la respuesta ante un escalón, es este caso de 10 grados. Los resultados obtenidos desde el programa en Visual Basic 6.0 para la posición buscada (Referencia del control), posición actual (Salida del control) y frecuencia (Mando del control) son los siguientes: - 22 -
Resultados/Experimentos Tabla 3: Resultados ensayo control proporcional Tiempo (ms) Posición Buscada Posición Actual Frecuencia (Hz) 0 55 60 0 50 55 60 0 100 55 60 0 150 55 60-1.25 200 55 60-1.25 250 55 60-1.25 300 55 59-1.00 350 55 58-0.75 400 55 57-0.50 450 55 57-0.50 500 55 56-0.25 550 55 57-0.50 600 55 56-0.25 650 55 56-0.25 700 55 56-0.25 750 55 56-0.25 800 55 56-0.25 850 55 56-0.25 900 55 55 0 950 55 55 0 1000 55 56-0.25 1050 55 55 0-23 -
Resultados/Experimentos 1100 55 56-0.25 1150 55 53 0.50 1200 55 55 0 Una vez obtenidos estos resultados se procede a la obtención de la planta, la planta se ha obtenido en el programa Matlab. Utilizando en primer lugar el código ubicado en la Parte IV en el Capítulo 2 que se encarga de preparar los datos para la obtención de la planta y en segundo lugar el código ubicado en la Parte IV en el Capítulo 3 que se encarga de obtener la planta de un sistema de primer orden con un integrador. Así, obtenemos la planta del variador de frecuencia. La planta obtenida es: ( ) =. (. ) La respuesta obtenida en durante la obtención de la planta se muestra en la Figura 9. Podemos ver tanto la salida medida como la salida simulada y el error que aceptamos una vez aceptada la planta como válida. - 24 -
Resultados/Experimentos Figura 9: Respuesta para la obtención de la planta Para el diseño del control PID también se utilizará el programa Matlab. El modelo de planta utilizado para dicho diseño es el modelo analógico modificado que aproxima el efecto del muestreo y la retención, mediante un retraso de la mitad del periodo de muestreo quedando la siguiente planta: ( ) = 0.1501 (0.08214 + 1 ) El control es un PID con acción diferencia aplicada a la salida es decir: ( ) = (1 + 1 + 1 + ) Se ha realizado el diseño para un margen de fase de 75º, un retraso por la acción integral de 10º, un adelanto debido a la acción diferencial de 40º, un factor de filtrado de 0.1, una ponderación de la referencia de 0.9 y un periodo de muestreo de 50 ms. El código utilizado está ubicado en la Parte IV en el Capítulo 4. - 25 -
Resultados/Experimentos Quedando el siguiente control: E 1 ( ) = 67.8613 (1 +. +... ) La discretización del control se ha llevado a cabo con la regla rectangular de la derivada en retraso ya que así aseguramos que la función de transferencia en tiempo discreto sea estable ya que en tiempo continuo lo es. = 1 El diagrama de bloques utilizado en Simulink para realizar la simulación del control PID se muestra en la Figura 10. La respuesta ante un escalón de 10 grados se muestra en la Figura 11 Figura 10: Diagrama de bloques de la simulación del control PID - 26 -
Resultados/Experimentos Figura 11: Respuesta ante el escalón de 10º 3.4 MOTION PLATFORM DESIGNER El Motion Platform Designer es una herramienta para el diseño y la evaluación de sistemas de movimiento con 2, 3 y 6 grados de libertad. Se ha diseñado una plataforma con 3 grados de libertad. En la Figura 14 y en la Figura 15 puede verse la plataforma diseñada. Esta herramienta permite gestionar la posición de la plataforma en función de la posición del avión en el Microsoft Flight Simulator X. En la Parte III en el Capítulo 2 se ubica el manual de configuración de la comunicación entre el Microsoft Flight Simulator X y el Motion Platform Designer. Las entradas del Motion Platform Designer son las fuerzas ejercidas en la plataforma en función de la posición del avión simulado y se realizan desde el puerto 7777 como se muestra en la Figura 12. - 27 -
Resultados/Experimentos Figura 12: Entradas del Motion Platform Designer El Motion Platform Designer también permite la salida de datos. En este proyecto la salida buscada es la de la posición de los tres motores que será el valor buscado en el proyecto de Visual Basic 6.0. Para configurar la salida se hace como muestra la Figura 13. Esta salida se realiza mediante la creación de un documento de texto que se encarga de registrar el valor los motores en cada instante de tiempo. Figura 13: Salida del Motion Platform Designer - 28 -
Resultados/Experimentos Figura 14: Planta de la plataforma Figura 15: Perfil de la plataforma - 29 -
Resultados/Experimentos 3.5 VISUAL BASIC 6.0 PROFESSIONAL EDITION El proyecto base desde el cual se empieza a trabajar es el creado por la aplicación de EasyHID del MicroCode Studio, ya que contiene las rutinas para el correcto funcionamiento del buffer del Usb que es el encargado de la recepción de la posición de los motores de la plataforma, es decir, el valor de los potenciómetros. Dicho proyecto es el encargado de implementar el control PID diseñado, que se encuentra en E 1. Para implementar dicho control se debe discretizar el control y calcular el mando que se envía a los variadores de frecuencia en cada muestra ya que el mando es la frecuencia a la que debe rotar el eje del motor. Para calcular el mando que se debe enviar se ha diseñado un Timer que cada 50 ms se encarga de realizar el algoritmo de control y el envío de los datos. El algoritmo de control es el mostrado en la E 2. E 2 [ ] = ( [ ] + [ ] [ ]) Siendo [ ] = 1 ( [ 1] + [ 1]) [ ] = [ ] ó ó [ ] [ ] = ó [ ] + ó [ 1] [ 1] La posición del potenciómetro es la que recibimos desde el buffer del Usb desde el microprocesador, salida del control, mientras que el valor buscado es el valor recibido desde el Motion Platform Designer, referencia del control. Los valores a 0, b 1 y b 0 son los obtenidos al discretizar la parte del derivador del control PID. = + + = 1.143 + 1.143 + 0.06345 Este algoritmo está por triplicado en el código, ya que, se debe ejecutar un control distinto para cada uno de los ejes ya que cada eje se mueve de forma distinta. - 30 -
Resultados/Experimentos Una vez calculados los 3 mandos se envían a cada uno de los variadores, puesto que los motores son trifásicos, el eje se puede mover en una dirección u otra. La dirección de movimiento nos la define el signo del mando. Si el motor se mueve en modo directo, el signo es positivo mientras que si se mueve en modo inverso, el signo es negativo. La comunicación entre los variadores de frecuencia y el proyecto en Visual Basic se realiza mediante un conversor digital RS485-Usb. La trama que se envía a los variadores está en modo Modbus y los datos deben de estar codificados en código Ascii. La trama a enviar es la expuesta en la Tabla 2 aunque debe sufrir tres modificaciones. La primera es que en la primera columna se debe de poner el número del variador al que se desea mandar la información, la segunda en la sexta columna ya que aquí se debe poner el valor del mando y la tercera es que se debe de actualizar el cálculo del CRC de la trama a enviar. Una vez obtenida la trama a enviar se transforma de hexadecimal a código Ascii y se envía mediante la función MSComm1.output que incorpora Visual Basic 6.0. Para gestión de la frecuencia a enviar a los variadores se abre el documento de texto en el cual el Motion Platform Designer guarda los valores de los motores y se decodifica para obtener así la referencia del control. El código del proyecto completo se encuentra en la Parte IV en el Capítulo 5. - 31 -
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Conclusiones Capítulo 4 CONCLUSIONES Se ha construido un prototipo de un eje de la plataforma para poder obtener la planta de un variador de frecuencia, poder diseñar el control PID y poder comprobar el funcionamiento del software diseñado. Se ha conseguido diseñar la placa base para el correcto funcionamiento del microcontrolador y de sus componentes y se ha establecido tanto la comunicación entre el microcontrolador y el proyecto en Visual Basic como la comunicación entre el Flight Simulator X con el Motion Platform Designer y éste con el proyecto en Visual Basic. Se ha diseñado e implantado un control PID que gestiona la frecuencia a la que debe rotar el eje del motor consiguiendo así controlar el movimiento de un eje de la plataforma. Dicho control se extiende para los otros 2 ejes de la plataforma, consiguiendo así el control total de la plataforma. Se observa durante la implantación del control en el prototipo construido que para escalones mayores que 40 grados el mando puede volverse inestable durante unos instantes pero carece de importancia ya que la plataforma que simula al avión no puede dar saltos tan bruscos por limitaciones físicas. También se observa en la implantación de control la banda muerta propia del variador que no se puede eliminar. - 33 -
Conclusiones - 34 -
Futuros desarrollos Capítulo 5 FUTUROS DESARROLLOS Para complementar y poner en funcionamiento este proyecto sería necesario interesante la construcción de la plataforma y la fabricación de una réplica a tamaño real de la cabina de un avión de guerra F-18. - 35 -
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Bibliografía BIBLIOGRAFÍA [1] http://bffsimulation.com/platform3.php [2] http://www.flightglobal.com/pdfarchive/view/1910/1910%20-%201008.html [3] http://www.simuladoresdevuelo.cl/historia.html [4] http://en.wikipedia.org/wiki/stewart_platform#flight_simulation [5] Libro de Regulación Automática de Luis Pagola, Universidad Pontificia Comillas. [6] http://www.simlocresearch.com [7] http://downloads.industrial.omron.eu/iab/products/motion%20and%20drives/f requency%20inverters/general%20purpose/v1000/kpp_v1000/kpp_v1000_e S02_0607.pdf [8] http://www.microchip.com/wwwproducts/devices.aspx?ddocname=en010280 [9] http://www.modtronix.com/images/pickit3.jpg [10] http://img-europe.electrocomponents.com/largeimages/r7432530-01.jpg [11] http://es.wikipedia.org/wiki/modbus [12] http://img-europe.electrocomponents.com/largeimages/r0385106-01.jpg [13] http://www.unrobotica.com/usbcon.htm [14] http://es.wikipedia.org/wiki/visual_basic [15] http://es.wikipedia.org/wiki/microsoft_flight_simulator [16] Código de Matlab del laboratorio de Regulación Automática 2012/2013. - 37 -
Bibliografía - 38 -
Parte II ESTUDIO ECONÓMICO - 39 -
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Estudio económico Capítulo 1 ESTUDIO ECONÓMICO Para que este proyecto llegara a ser viable económicamente se deberá construir físicamente la plataforma y además se debe fabricar una réplica exacta de la cabina de un avión de guerra F-18. Una vez conseguido esto, se podrá comercializar las horas de vuelo en simulador. En España no hay muchas empresas que se dediquen a la venta de horas de simulador y por tanto sería viable obtener una rentabilidad. - 41 -
Estudio económico - 42 -
Parte III MANUAL DE USUARIO - 43 -
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Configuración del Microcode Studio Capítulo 1 CONFIGURACIÓN DEL MICROCODE STUDIO Una vez instalado el MicroCode Studio Plus se procederá a instalar el MPLAB IDE v8.43 que contiene los archivos necesarios para el correcto funcionamiento del ensamblador y del programador Pickit3. Con el MPLAB IDE v8.43 instalado se procede a instalar el Pic Basic Pro, es importante guardar los archivos del programa en el directorio C:\. De no ser así probablemente no funcione correctamente el compilador del MicroCode Studio Plus. Para configurar los parámetros del compilador, el ensamblador y del programador debe de ir a la pestaña ver y seleccionar opciones de compilador y programador. Se deberá buscar manualmente la carpeta donde se encuentra el compilador que en este caso es C: \ y no debe de estar marcada la pestaña de Use PBPL como se muestra en la Figura 16. También se deberá buscar manualmente la carpeta donde se encuentra el ensamblador que utilizaremos, instalamos gracias al MPAB IDE que en este caso es C:\Program Files\microchip\Mpasm Suite. Nótese que debe de estar marcada la opción de Use MPASM para el correcto funcionamiento del ensamblador del programa como en la Figura 17. - 45 -