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Fly By Light23 /11/ 2021PRÁCTICA 10Instituto Politécnico Nacional Unidad Esime Ticomán Ingeniería Aeronáutica Oscar Enrique Mendoza Hernández Sistemas Electrónicos Digitales 6AVProfesor: Hernández Bárcenas RaymundoINDICE Sistemas Electrónicos Digitales Grupo: 6AV INTRODUCCION ... OBJETIVO MARCO TEÓR...

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PRÁCTICA 10

Instituto Politécnico Nacional Unidad Esime Ticomán Ingeniería Aeronáutica Oscar Enrique Mendoza Hernández Sistemas Electrónicos Digitales 6AV2 Profesor: Hernández Bárcenas Raymundo

Fly By Light 23/11/2021

Oscar Enrique Mendoza Hernández Sistemas Electrónicos Digitales

Boleta: 2019370035 Grupo: 6A V2

INDICE INTRODUCCION

…3

OBJETIVO

…3

MARCO TEÓRICO

…3

DESARROLLO

…11

RESULTADOS

…15

CONCLUSIONES

…18

REFERENCIAS

…18

Oscar Enrique Mendoza Hernández

Boleta: 2019370035

Sistemas Electrónicos Digitales

Grupo: 6A V2

Introducción En esta práctica se pondrá a prueba la tecnología conocida como Fly By Light, la cual se trata de un desarrollo alcanzado en cuanto al uso de sensores ópticos. Es similar al sistema conocido como Fly By Wire, con la diferencia de que los sistemas de control utilizan la luz en lugar de la electricidad para el envío de señales. Se usará el CNY70 para enviar señales que muevan a cierta posición un servomotor.

Objetivo Estudiar acerca de la tecnología conocida como Fly By light y elaborar un circuito capaz de mover un servomotor a partir de señales de pulsos de luz.

Marco teórico Fly By Light La fibra óptica ha encontrado una aplicación cada vez mayor en el campo de la tecnología con el paso del tiempo. Hay muchas ventajas de la fibra óptica sobre otras tecnologías convencionales. La tecnología Fly-By-Wire brindó una revolución en el sistema de control de vuelo de las aeronaves sin embargo la tecnología de fibra óptica se considera un sistema de control de vuelo de próxima generación. La tecnología de fibra óptica en la industria aeroespacial se implementó por primera vez prácticamente en aeronaves donde la fibra óptica añadió una nueva dimensión a los sistemas de control de aeronaves en forma de un sistema de control Fly-By-Light (FBL). Para impulsar la aplicación del sistema FLY BY LIGHT, la NASA inició el programa FLASH a principios del siglo XX, lo que facilitó el sistema de control de vuelo. El uso del sistema FBL ha demostrado ser más rentable que FBW. La aplicación de fibra óptica en el sistema de comunicación y control presenta mayores ventajas que el control usando un sistema basado en cables. Reemplazar el cableado eléctrico del sistema de control de vuelo y propulsión por fibra óptica resulta en un ahorro sustancial de peso y volumen en la aeronave.

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Fly-By-Light (FBL) se basa en un sistema similar seguido por FBW excepto que todos los sensores son ópticos en lugar de electrónicos o eléctricos. En este tipo de sistema de control, las señales de comando de entrada se envían a los actuadores a través de líneas de fibra óptica. La retroalimentación de las superficies de control y otros sistemas se enruta de manera similar. La unidad de ordenador, que también se denomina procesador de datos, proporciona datos para el movimiento de las superficies de control de la aeronave a través de estos cables. Sus beneficios incluyen inmunidad a EMI y HIRF, gran ancho de banda de datos, peso ligero que requiere menos mantenimiento, más resistente a impulsos electromagnéticos que los sistemas FBW convencionales.

Figura 1. Sistema de control Fly By Light

Para validar un sistema FBL, se introduce el Sistema de Actuación Controlado por Fotónico (PCAS). El PCAS consta de un actuador electromecánico modificado (EMA) y un controlador óptico que proporciona comandos del actuador al EMA óptico. Estos comandos son similares a los comandos que proporciona una computadora de control de vuelo.

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Los ingenieros han modificado el actuador electromecánico que proporciona dispositivos de potencia del motor para recibir y reaccionar a las señales de comando enviadas a través de la luz desde el controlador óptico. Además de eso, han reemplazado los sensores convencionales del EMA‟s con sensores ópticos que miden la posición del actuador, la posición del motor y la corriente. Los cables de fibra óptica transmiten información al controlador óptico. ¿Qué es un optoacoplador? Un optoacoplador también llamado optoaislador, es un circuito electrónico que funciona como un interruptor aislado ópticamente. Es decir, que permite una conexión eléctricamente aislada entre dos circuitos que operan a distintos voltajes. Esta construido por un led y un circuito de control activado por luz infrarroja. Entre otras cosas, una de las ventajas principales de los optoacopladores es su aislación eléctrica entre la carga y la electrónica de control. La única conexión entre ambos elementos es la luz del led que activa al fototransistor.

Figura 2. Diagrama de un optoacoplador

¿Qué es un sensor óptico por reflexión? En el modo de reflexión, se crea un paso de luz entre el sensor y un reflector especial. Un objetivo se detecta cuando se interrumpe el haz de luz. Los sensores por reflexión típicos ofrecen un mayor rango de detección en comparación con los sensores de detección directa.

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Algunas unidades utilizan un LED rojo visible, que facilita la instalación y alineación del reflector. El reflector triédrico se utiliza para devolver con precisión la energía luminosa sobre un eje paralelo al receptor CNY70 El CNY70 es un sensor que incluye un led infrarrojo y un fototransistor. Para Arduino se utilizan como medidores de distancia o detectores de líneas. Su función principal es la de medir la reflexión en superficies. El circuito integrado tiene cuatro pines, (1) y (2) son para el led emisor. También los pines (3) y (4) son para el fototransistor. Para poder hacer una detección se requiere entonces de una superficie que refleje la luz infrarroja.

Figura 3. Circuito de un CNY70

Este tipo de sensor se utiliza, por ejemplo, para la detección de líneas en un carro seguidor de líneas. Si la superficie reflectora es negra, no se reflejara tanta luz con longitud de onda en el infrarrojo y por lo tanto tendremos un ‘0’ a la salida del emisor del fototransistor. Si por el contrario tenemos que el sensor esta «viendo» una superficie blanca, tendremos un ‘1’. A continuación, veremos el funcionamiento, la distancia máxima y el circuito para el CNY70. Funcionamiento de un CNY70. El CNY70 funciona como un detector de distancia. Para esto, requiere de una superficie que pueda reflejar la luz infrarroja. Entonces el detector recibe esta luz en la base del fototransistor. Si la corriente en la base es suficiente, permite el paso de corriente entre el colector y el emisor. El CNY70 funciona como un switch que se abre o cierra si existe una superficie que refleje la señal que emite el diodo IR.

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Figura 4. Sensor CNY70 en físico

Distancia máxima del CNY70. En el CNY70 la distancia máxima, la determina la corriente que le llega a la base del transistor. La distancia va desde 0mm hasta 10mm. La corriente de la base depende de la corriente que se le suministre al diodo emisor. Por ejemplo, para tener la máxima distancia de detección posible, se requiere que al led se le proporcione una corriente de 20mA. Para calcular la resistencia del led de acuerdo con este valor, se usa la Ley de ohm. Entonces la fórmula que aplica es la siguiente:

Es decir que la corriente depende de la razón del voltaje y la resistencia. Si queremos calcular la resistencia para obtener 20mA, entonces despejamos de la primera ecuación.

El voltaje de 1.25V es el voltaje de caída del diodo emisor. Este valor depende de cada CNY70 y según la hoja de datos, puede ir desde 1.25V hasta 1.6V. Entonces para el sensor que se usó de prueba resulto ser de 1.25V. El valor comercial más cercano es 180 Ohms o 200 Ohms. Con 180 Ohms, tendremos:

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Y también con 200 Ohms, tendremos:

Lo recomendable es usar una resistencia de 180 Ohms si queremos obtener la máxima distancia de reflexión.

Figura 5. Sensor CNY70 aplicado a ARDUINO

SERVOMOTORES Un servomotor es un actuador rotativo o motor que permite un control preciso en términos de posición angular, aceleración y velocidad, capacidades que un motor normal no tiene. En definitiva, utiliza un motor normal y lo combina con un sensor para la retroalimentación de posición, pero, los servomotores no son en realidad una clase específica de motor, sino una combinación de piezas específicas, que incluyen un motor de corriente continua o alterna, y son adecuados para su uso en un sistema de control de bucle cerrado. Por lo que una definición más exacta de un servomotor sería la de un servomecanismo de bucle cerrado que utiliza la retroalimentación de posición para controlar su velocidad de rotación y posición. La señal de control es la entrada, ya sea analógica o digital, que representa el comando de posición final para el eje. Por otro lado, el codificador o sirve como sensor, proporcionando retroalimentación de velocidad y posición. En la mayoría de los casos, sólo se informa de la posición. La posición final se informa al controlador y se compara con la entrada de posición inicial, y luego, si hay una discrepancia, se mueve el motor para llegar a la posición correcta. Hay varios tipos de servos como los que utilizan motores de corriente continua y detección de posiciones a través de un potenciómetro y también utilizan un control de gran potencia, lo que significa que el motor se mueve a la velocidad máxima hasta que se detiene en la posición designada. En cambio, los servos para uso industrial disponen de sensores de posición y velocidad, así como de algoritmos de control proporcional-integral-derivativo, lo que permite llevar el motor a su posición de forma rápida.

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¿Cómo funcionan? Los servomotores se controlan enviando un pulso eléctrico de ancho variable, o modulación de ancho de pulso (PWM), a través del cable de control. Hay un pulso mínimo, un pulso máximo y una frecuencia de repetición. Por lo general, un servomotor sólo puede girar 90° en cualquier dirección para un movimiento total de 180°. La posición neutra del motor se define como la posición en la que el servo tiene la misma cantidad de rotación potencial tanto en el sentido de las agujas del reloj como en el sentido contrario. El PWM enviado al motor determina la posición del eje, y se basa en la duración del pulso enviado a través del cable de control; el rotor girará a la posición deseada. El servomotor espera ver un pulso cada 20 milisegundos (ms) y la longitud del pulso determinará hasta dónde gira el motor.

Por ejemplo, un pulso de 1.5ms hará que el motor gire a la posición de 90°. Si el tiempo es inferior a 1,5 ms, se mueve en sentido contrario a las agujas del reloj hacia la posición de 0°, y si el tiempo es superior a 1,5 ms, el servo girará en sentido de las agujas del reloj hacia la posición de 180°. Cuando se les ordena a los servos que se muevan, estos se moverán a la posición y mantendrán esa posición. Si una fuerza externa empuja contra el servo mientras el servo mantiene una posición, el servo se resistirá a salir de esa posición. La cantidad máxima de fuerza que puede ejercer el servo se denomina par de torsión del servo. Sin embargo, los servos no mantendrán su posición para siempre; el pulso de posición debe repetirse para indicar al servo que se mantenga en posición.

Figura 6. Diagrama básica del funcionamiento de un servomotor

Partes de un servomotor Los servos incluyen tres componentes principales: un motor, un variador (también conocido como amplificador) y un mecanismo de retroalimentación. También se incluye típicamente una fuente de alimentación y un servocontrolador capaz de controlar un solo eje o coordinar el movimiento de varios ejes.

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Los servomotores pueden ser de tipo CA o CC, siendo los servomotores CA los más adecuados para aplicaciones de velocidad constante y los servomotores CC para aplicaciones de velocidad variable.

La retroalimentación es proporcionada normalmente por un codificador o ya sea interno o externo al motor- o por un resolver. En aplicaciones que requieren un posicionamiento muy preciso, se pueden utilizar dos dispositivos de retroalimentación: uno en el motor para verificar el rendimiento del motor y otro en la carga para verificar la posición real de la carga.

Un servo accionamiento amplifica la señal de un controlador maestro proporcionando la suficiente corriente (potencia) al motor para generar velocidad y producir par. En un motor rotativo, la corriente es proporcional al par, por lo que el servomotor controla directamente el par producido por el motor. Del mismo modo, en un motor lineal, la corriente es proporcional a la fuerza, por lo que el accionamiento controla la fuerza producida por el motor.

El servo controlador (también conocido como controlador de movimiento) puede ser considerado como el cerebro del sistema del servomotor. Aquí es donde reside el perfil de movimiento, incluyendo la aceleración, velocidad y deceleración deseadas. El controlador envía señales al convertidor, lo que hace que el motor ejecute el movimiento deseado. También tiene la importante tarea de cerrar el bucle en el sistema leyendo la retroalimentación del enconder y modificando la señal al motor (a través del convertidor) para corregir cualquier error en la posición real frente a la deseada, velocidad o par.

Figura 7. Partes de un servomotor

PWM PWM son las siglas de Pulse Width Modulation (Modulación por ancho de pulso). Para transmitir una señal, ya sea analógica o digital, se debe modular para que sea transmitida sin perder potencia o sufrir distorsión por interferencias. PWM es una técnica que se usa para transmitir señales analógicas cuya señal portadora será digital. En esta técnica se modifica el ciclo de trabajo de una señal periódica (una senoidal o una cuadrada, por ejemplo), ya sea para transmitir información a través de un canal de comunicaciones o para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga.

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El ciclo de trabajo (duty cycle) de una señal periódica es el ancho de su parte positiva, en relación con el período. Está expresado en porcentaje, por tanto, un duty cycle de 10% indica que está 10 de 100 a nivel alto. Duty cycle = t / T t = tiempo en parte positiva T = Periodo, tiempo total Básicamente, consiste en activar una salida digital durante un tiempo y mantenerla apagada durante el resto, generando así pulsos positivos que se repiten de manera constante. ¿Para qué se usa PWM? Esta modulación es muy usada para controlar la cantidad de energía que se envía a una carga, es una técnica utilizada para regular la velocidad de giro de los motores, regulación de intensidad luminosa, controles de elementos termoeléctricos o controlar fuentes conmutadas entre otros usos.

Figura 8. Señales de onda cuadrada mostrando el ciclo de trabajo

Desarrollo 1-. Se realiza el circuito de la práctica con el uso del software Proteus, como se ha llevado a cabo en prácticas anteriores.

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Figura 9. Circuito creado en PROTEUS

2-. Con anterioridad, se había hecho una práctica que tenía el objetivo de mover un servomotor a diferentes posiciones, en esta práctica se realiza lo mismo, con la diferencia de que ahora se usa un sensor óptico CNY70.

Figura 10. Sensor óptico CNY70

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3-. Con el uso del osciloscopio, podemos ver el ancho de pulso que se ejerce cuando el servomotor se inclina cierto número de grados.

Figura 11. Osciloscopio que muestra el ancho de pulso cuando el servomotor está inclinado +30°

4-. Con el uso de los botones de la parte superior del circuito, se puede inclinar a otras posiciones el servomotor según lo desarrollado en el código del PIC C. 5-. Ahora, se describirán algunas partes fundamentales del código que permiten el pleno funcionamiento de nuestro circuito con el uso del sensor óptico CNY70. ➢ Librerías utilizadas

➢ Declaración de las variables y los punteros, así como el ciclo FOR para el servomotor:

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➢ Los valores que deben marcar los interruptores para hacer girar al servomotor a cierta posición, así como los diferentes casos plasmados en el código:

➢ Para que el servomotor vuelva a la posición original, el código tiene la siguiente condición:

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Resultados A continuación, se presentan los resultados obtenidos en la simulación del circuito realizado.

➢

Servomotor a un ángulo de 30° (sentido horario)

Figura 12. Servomotor a un ángulo de 30° y ancho de pulso medido en el osciloscopio

La primera simulación, es para hacer que el motor se mueva 30 grados en sentido horario y se muestran las señales medidas del circuito, la señal en color azul corresponde a la señal medida por el canal A en la salida del pin B0 del microcontrolador PIC16F84A y la señal en color amarillo corresponde a la señal media a la salida del pin del optoacoplador(sensor óptico) que se conecta a el pin de señal del servomotor. En este caso se tiene el mismo ancho de pulso en ambos canales del osciloscopio que es aproximadamente 1.65ms que es muy aproximado a lo que establecimos en el código del microcontrolador a la hora de programar los ángulos a los que se debía mover el eje del servomotor que fue de 1649us =1.649ms.

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Servomotor a un ángulo de 15° (sentido horario)

Figura 13. Servomotor a un ángulo de 15° y ancho de pulso medido en el osciloscopio

La segunda simulación para analizar es con la que el motor se mueve 15 grados en sentido horario y se muestran las señales medidas del circuito, En este caso el ancho de pulso en ambos canales del osciloscopio es aproximadamente 1.57ms un valor cercano a lo que establecimos en el código del microcontrolador a la hora de programar los ángulos a los que se debería mover el eje del servomotor que fue de 1564us =1.564ms. ➢ Servomotor a un ángulo de -15° (sentido antihorario)

Figura 14. Servomotor a un ángulo de -15° y ancho de pulso medido en el osciloscopio

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En el tercer caso a analizar es con la que el motor se mueve -15 grados (sentido antihorario) y se muestran las señales medidas del circuito, En este caso el ancho de pulso en ambos canales del osciloscopio es aproximadamente 1.41ms comparado a lo que establecimos en ...