RANCANG BANGUN DAN ANALISIS KINERJA SEMI-AUTONOMOUS UAV JENIS QUADCOPTER BERBASIS JARINGAN 4G

RANCANG BANGUN DAN ANALISIS KINERJA SEMI-AUTONOMOUS UAV JENIS QUADCOPTER BERBASIS JARINGAN 4G. TUGAS AKHIR Diajukan Kepada Universitas Muhammadiyah Malang Untuk Memenuhi Salah Satu Persyaratan Memperoleh Gelar Sarjana Teknik Mesin. COVER. OLEH FAUZAN AMMAR PUTRA 201710120311038. JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG 2021.









KATA PENGANTAR Bismillahirrahmanirrahim, Segala puji dan syukur penulis ucapkan kepada Allah SWT atas segala rahmat dan hidayah-Nya yang senantiasa dilimpahkan sehingga penulis dapat menyelesaikan tugas akhir dengan judul “Rancang Bangun dan Analisis Kinerja Semi-Autonomous UAV Jenis Quadcopter Berbasis Jaringan 4G” ini dengan baik. Shalawat dan salam semoga selalu tercurahkan kepada junjungan kita, Nabi Muhammad SAW, pembawa risalah dan rahmat beserta para keluarga, sahabat dan para pengikutnya hingga Yaumil Akhir nanti. Tugas Akhir ini merupakan syarat untuk menyelesaikan Program Sarjana (S1) pada Program Studi Teknik Mesin, Fakultas Teknik, Universitas Muhammadiyah Malang. Penulis menyadari bahwa tugas akhir ini tidak dapat terselesaikan tanpa adanya dukungan dari berbagai pihak. Oleh karenanya, dengan segala kerendahan hati, penulis ingin mengucapkan terima kasih sebesar-besarnya kepada: 1.. Kedua orang tua saya, Almarhum Bapak Simbo Saleh, S.E., dan Ibu Tjatur Rini Respati, S.E., yang tidak pernah berhenti mendoakan, memotivasi, dan memberikan dukungan moril dan materil, serta menjadi sumber penyemangat penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini.. 2.. Kakak-kakak saya, Ashica Ayu Padmira Putri,S.T., beserta keluarga, Ardent Religian Putra, S.T., beserta keluarga yang selalu membakar semangat penulis agar segera menyelesaikan tugas akhir ini.. 3.. Almarhum Bapak Ir. Trihono Sewoyo, M.T., selaku pembimbing I yang sangat banyak memberikan ilmu, wejangan dan motivasi kepada penulis.. ix.

Serta memberikan bimbingan dan arahan dari awal penyusunan tugas akhir ini. 4.. Bapak Budiono, S.Si., M.T., selaku pembimbing II yang sudah membimbing dan mengarahkan penulis dalam penyusunan tugas akhir ini.. 5.. Bapak Dr. Nur Subeki, S.T., M.T., selaku dosen wali yang juga banyak memberikan bimbingan dan arahan kepada penulis dari awal menjalani perkuliahan.. 6.. Seluruh dosen dan civitas akademika Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Malang, atas semua ilmu dan pengalaman yang sudah diberikan selama 4 tahun ini.. 7.. Keluarga besar Mesin A 2017, yang banyak mengukir kenangan selama 4 tahun bersama-sama. Semoga bisa tetap solid dan sukses selalu untuk kedepannya.. 8.. Rekan-rekan seperjuangan, Ikhwan Muhammad Ridho, Much Bima Fatahillah, Moh. Faishol Erikyatna, Muhammad Aulia Farizi, yang sudah menemani sekaligus menyemangati penulis dalam perkuliahan dan dalam penyusunan tugas akhir ini.. 9.. Kawan-kawan PMM Polowijen, I Bening Ichnadias sebagai orang yang selalu ada menemani, menghibur, mendukung dan menjadi penyemangat serta partner diskusi penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini, terima kasih banyak untuk semuanya. Alifia Dian Khoiriani, Syirly Adella Wijayanti yang juga memberikan dorongan semangat kepada penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini.. x.

10. Seluruh anggota kontrakan Taman Embong Anyar II F4 dan Bumi Asri Sengkaling Blok M No.4 yang jumlahnya banyak sehingga terlalu panjang jika dituliskan semua. Terima kasih sudah menemani dan menghibur hari-hari penulis selama perkuliahan hingga akhir penyusunan tugas akhir ini. 11. Felice dan Kemis. 2 kucing yang juga turut menemani dan mengisi keseharian penulis dalam penyusunan tugas akhir ini. Untuk Felice, semoga kamu tenang disana. 12. Semua pihak yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu namanya, penulis memohon maaf dan terima kasih yang sebesar-besarnya. Semua keberhasilan ini tidak luput dari bantuan serta doa baik yang kalian berikan. 13. Diri sendiri. Atas kerja kerasnya. Yang sudah mampu melewati semua ini terlepas dari hambatan yang dihadapi. Yang sudah mengorbakan waktu dan jam tidurnya. Yang sudah tetap kuat dan tidak pernah menyerah. Yang selalu percaya tugas akhir ini dapat diselesaikan tepat waktu. Penulis menyadari bahwa penyusunan skripsi ini jauh dari sempurna, semoga Allah SWT memberikan balasan yang berlipat ganda kepada semua pihak yang telah turut membantu penulis dalam menyelesaikan penulisan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis berharap atas saran dan kritik yang bersifat membangun dari pembaca. Malang, 30 Juli 2021. Fauzan Ammar Putra. xi.

DAFTAR ISI. COVER ................................................................................................................... i POSTER ................................................................................................................. ii LEMBAR PENGESAHAN ................................................................................. iii LEMBAR ASISTENSI TUGAS AKHIR (SKRIPSI) ....................................... iv SURAT PERNYATAAN KEASLIAN TULISAN ............................................ vi ABSTRAK ........................................................................................................... vii ABSTRACT ......................................................................................................... viii KATA PENGANTAR .......................................................................................... ix DAFTAR ISI ........................................................................................................ xii DAFTAR GAMBAR ........................................................................................... xv DAFTAR TABEL............................................................................................. xviii. BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................... 1 1.1. Latar Belakang.......................................................................................... 1. 1.2. Rumusan Masalah .................................................................................... 3. 1.3. Tujuan Penulisan ...................................................................................... 4. 1.4. Manfaat Penulisan .................................................................................... 4. 1.5. Batasan Masalah ....................................................................................... 4. BAB II TINJAUAN PUSTAKA ........................................................................... 6 2.1. Penelitian Terdahulu................................................................................. 6. 2.2. UAV (Unmanned Aerial Vehicle) ........................................................... 10. 2.2.1. Fixed-Wing ..................................................................................... 11. 2.2.2. Rotary-Wing.................................................................................... 12. 2.3. Quadcopter ............................................................................................. 13. 2.3.1. Prinsip Kerja.................................................................................... 13. 2.3.2. Kinematika Quadcopter .................................................................. 16. 2.3.3. Dinamika Quadcopter ..................................................................... 18. 2.4. Komponen Quadcopter .......................................................................... 19. 2.4.1. Frame .............................................................................................. 19. 2.4.2. ESC (Electronic Speed Controller) ................................................. 21. 2.4.3. Brushless DC Motor (BLDC) .......................................................... 23 xii.

2.4.4. Propeller (Baling-baling) ................................................................ 25. 2.4.5. GPS ................................................................................................. 27. 2.4.6. Companion Computer ..................................................................... 29. 2.4.7. Flight Controller ............................................................................. 29. 2.5. Raspberry Pi ........................................................................................... 32. 2.6. MAVLink ............................................................................................... 34. 2.7. Mission Planner ...................................................................................... 34. 2.8. ZeroTier .................................................................................................. 35. BAB III METODOLOGI PENELITIAN ......................................................... 37 3.1. Metode Penelitian ................................................................................... 37. 3.1.1. Daftar Persyaratan Perancangan ..................................................... 39. 3.1.2. Identifikasi Masalah ........................................................................ 42. 3.1.3. Kombinasi dan Susunan Konsep..................................................... 45. 3.1.4. Pemilihan Konsep Varian ............................................................... 47. 3.2. Perancangan Alat .................................................................................... 48. 3.2.1. Prinsip Kerja.................................................................................... 48. 3.2.2. Perancangan dan Pemilihan Hardware ........................................... 51. 3.2.3. Diagram Skematik Rangkaian 4G Quadcopter............................... 52. 3.3. Proses Pengerjaan ................................................................................... 53. 3.3.1. Alat dan Bahan ................................................................................ 53. 3.3.2. Perakitan Hardware ........................................................................ 54. 3.3.3. Konfigurasi Raspberry Pi 3B+ ....................................................... 56. 3.3.4. Konfigurasi Flight Controller Pixhawk 2.4.8 ................................. 60. 3.3.5. Menghubungkan Pixhawk 2.4.8 dengan Raspberry Pi 3B+ ........... 61. 3.3.6. Membuat Private Network dengan ZeroTier .................................. 62. 3.4. Pengujian Alat ........................................................................................ 63. 3.4.1. Pengujian Thrust Force dan Daya................................................... 63. 3.4.2. Pengujian Kekuatan Frame dengan ANSYS .................................... 64. 3.4.3. Pengujian IMU dan Kompas ........................................................... 64. 3.4.4. Pengujian mekanisme failsafe ......................................................... 65. 3.4.5. Pengujian Latency ........................................................................... 66. 3.5. Tempat dan Waktu Penelitian ................................................................ 66. BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN............................................................. 67 4.1. Hasil Perancangan .................................................................................. 67 xiii.

4.2. Data Hasil Pengujian .............................................................................. 68. 4.2.1. Hasil Pengujian Thrust Force dan Daya ......................................... 68. 4.2.2. Hasil Simulasi Kekuatan Frame ..................................................... 72. 4.2.3. Hasil Pengujian IMU dan Kompas ................................................. 74. 4.2.4. Hasil Pengujian Mekanisme Failsafe.............................................. 78. 4.2.5. Hasil Pengujian Latency.................................................................. 80. 4.3. Pembahasan ............................................................................................ 81. BAB V KESIMPULAN DAN SARAN .............................................................. 86 5.1. Kesimpulan ............................................................................................. 86. 5.2. Saran ....................................................................................................... 87. DAFTAR PUSTAKA .......................................................................................... 89 LAMPIRAN ......................................................................................................... 93. xiv.

DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Quadcopter yang dibuat oleh Qualcomm Technologies Inc. ............. 7 Gambar 2.2 Data pipeline dari drone 4G Qualcomm ............................................ 7 Gambar 2.3 Drone 4G berjenis fixed wing pada penelitian Peter Burke .............. 8 Gambar 2.4 Skema jaringan dari drone 4G dari penelitian Peter Burke ............... 9 Gambar 2. 5 Diagram blok dari quadcopter 4G oleh Harsito dan Rizal ............... 9 Gambar 2.6 Drone berjenis fixed-wing ............................................................... 11 Gambar 2.7 Berbagai macam konfigurasi dari multicopter ................................ 13 Gambar 2.8 2 Jenis konfigurasi quadcopter yang paling umum, + dan X .......... 14 Gambar 2.9 Kontrol pergerakan dari quadcopter berkonfigurasi X .................... 15 Gambar 2.10 Koordinat inertial frame dan body frame pada quadcopter ........... 17 Gambar 2.11 Quadcopter dengan konfigurasi X ................................................. 19 Gambar 2.12 Frame Quadcopter ......................................................................... 20 Gambar 2.13 ESC 30A ........................................................................................ 22 Gambar 2.14 Konstruksi Motor BLDC ............................................................... 24 Gambar 2.15 Pembacaan Hall Effect .................................................................. 25 Gambar 2.16 Pitch dan Diameter Propeller ......................................................... 26 Gambar 2.17 Propeller 1045................................................................................ 27 Gambar 2.18 Modul GPS Ublox Neo M8n ......................................................... 29 Gambar 2.19 Pinout dari Pixhawk 2.4.8.............................................................. 31 Gambar 2.20 Servo rail dari Pixhawk 2.4.8 ........................................................ 31 Gambar 2.21 Raspberry Pi tipe B ........................................................................ 33 Gambar 2.22 Pinout dari Raspberry Pi 3B+ ........................................................ 34 Gambar 2.23 Interface dari Software Mission Planner ....................................... 35. xv.

Gambar 3.1 Diagram Alir Rancang Bangun ....................................................... 38 Gambar 3.2 Diagram blok sistem dari 4G Quadcopter yang dirancang .............. 48 Gambar 3.3 Diagram aliran energi dari Quadcopter yang dirancang .................. 51 Gambar 3.4 Skematik Diagram dari Quadcopter yang dirancang ....................... 53 Gambar 3.5 Proses perakitan komponen mekanik dan elektrik .......................... 55 Gambar 3.6 Hasil akhir perakitan (tampak belakang) ......................................... 56 Gambar 3.7 Tampilan dari Raspberry Pi Imager ................................................. 57 Gambar 3.8 Konfigurasi WiFi Network dari Raspberry Pi ................................. 58 Gambar 3.9 Software PuTTY .............................................................................. 59 Gambar 3.10 Menu konfigurasi dari Raspberry Pi .............................................. 60 Gambar 3.11 Menu SETUP dari aplikasi Mission Planner ................................. 61 Gambar 3.12 Rangkaian hubungan Pixhawk 2.4.8 dengan Raspberry Pi ........... 61 Gambar 3.13 Interface dari Zerotier .................................................................... 62 Gambar 4.1 Dimensi dari frame quadcopter yang digunakan ............................. 67 Gambar 4.2 Bukaan throttle dari RC Transmitter yang digunakan ..................... 69 Gambar 4.3 Skema alat pengujian thrust force dan daya yang digunakan .......... 70 Gambar 4.4 Grafik hubungan throttle terhadap thrust force dan putaran ............ 71 Gambar 4.5 Grafik hubungan throttle terhadap daya .......................................... 71 Gambar 4.6 Grafik hubungan daya dan putaran terhadap thrust force ................ 72 Gambar 4.7 Tegangan ekivalen (von mises) dari frame ...................................... 73 Gambar 4.8 Deformasi yang terjadi pada frame.................................................. 74 Gambar 4.9 Kemiringan quadcopter yang menjadi referensi pengujian ............. 74 Gambar 4.10 Data Pengujian Radio Failsafe....................................................... 79 Gambar 4.11 Data Pengujian Battery Failsafe .................................................... 80. xvi.

Gambar 4.12 Grafik Pengujian Latency .............................................................. 81. xvii.

DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Perbandingan Material Frame Quadcopter........................................... 20 Tabel 2.2 Spesifikasi SimonK EC 30A ................................................................ 23 Tabel 2.3 Data Pembacaan Hall Effect terhadap input Tegangan pada Stator ..... 25 Tabel 2.4 Perbandingan Spesifikasi Raspberry Pi tipe A dan tipe B ................... 33 Tabel 3. 1 Daftar Persyaratan Spesifikasi Desain ................................................ 39 Tabel 3.2 Matriks morfologi dari kombinasi sub-fungsi ...................................... 45 Tabel 4.1 Komponen dan estimasi berat dari quadcopter yang dirancang ........... 68 Tabel 4.2 Nilai PWM yang disalurkan dari masing-masing bukaan throttle ....... 69 Tabel 4.3 Data hasil pengujian thrust force dan daya .......................................... 70 Tabel 4.4 Spesifikasi material yang digunakan pada frame ................................. 72 Tabel 4.5 Hasil pengujian IMU ............................................................................ 75 Tabel 4.6 Hasil Pengujian Kompas ...................................................................... 76 Tabel 4.7 Data hasil pengujian Latency ............................................................... 81. xviii.

DAFTAR PUSTAKA [1]. Kristen N. Mogensen, “Motor-control considerations for electronic speed control in drones,” Analog Appl. J., pp. 1–7, 2016, [Online]. Available: http://www.ti.com/lit/an/slyt692/slyt692.pdf.. [2]. S. Zahran, A. Moussa, and N. El-Sheimy, “Enhanced drone navigation in GNSS denied environment using VDM and Hall effect sensor,” ISPRS Int. J. Geo-Information, vol. 8, no. 4, 2019, doi: 10.3390/ijgi8040169.. [3]. V. M. Becerra, “Autonomous control of unmanned aerial vehicles,” Electron., vol. 8, no. 4, 2019, doi: 10.3390/electronics8040452.. [4]. F. Md Ahmed, M. N. Zafar, and J. C. Mohanta, “Modeling and Analysis of Quadcopter F450 Frame,” 2020 Int. Conf. Contemp. Comput. Appl. IC3A 2020,. no.. February,. pp.. 196–201,. 2020,. doi:. 10.1109/IC3A48958.2020.233296. [5]. R. Aisuwarya, F. Marta Yonas, and D. Yendri, “Design of Autonomous Quadcopter Using Orientation Sensor with Variations in Load Fulcrum Point,” Lontar Komput. J. Ilm. Teknol. Inf., no. August, p. 84, 2019, doi: 10.24843/lkjiti.2019.v10.i02.p03.. [6]. I. Qualcomm Technologies, “LTE Unmanned Aircraft Systems Trial Report,”. 2017.. [Online].. Available:. https://www.qualcomm.com/media/documents/files/lte-unmanned-aircraftsystems-trial-report.pdf. [7]. P. J. Burke, “A Safe, Open Source, 4G Connected Self-Flying Plane with 1 Hour Flight Time and All Up Weight (AUW) <300 g: Towards a New Class of Internet Enabled UAVs,” IEEE Access, vol. 7, pp. 67833–67855, 2019, doi: 10.1109/ACCESS.2019.2917851.. [8]. K. P. Valavanis and G. J. Vachtsevanos, Handbook of unmanned aerial vehicles. 2015.. [9]. Nurhayati, “Implementasi Pid Kontrol Untuk Mengontrol Kestabilan Posisi Quadcopter Guna Mengidentifikasi Objek Dari Ketinggian Maksimal 6 Meter,” 2014.. [10]. I. Suroso, “ Peran Drone/Unmanned Aerial Vehicle ( UAV ) Buatan STTKD dalam Dunia Penerbangan ,” pp. 104–112, 2020, doi:. 89.

90. 10.30536/p.sinaskpa.i.12. [11]. M. Heaphy, M. S. Watt, J. P. Dash, and G. D. Pearse, “UAVs for data collection-plugging the gap,” New Zeal. J. For., vol. 62, no. 1, pp. 23–30, 2017.. [12]. A. F. Harista and S. Nuryadi, “Sistem Navigasi Quadcopter dan Pemantauan Udara,” J. TeknoSAINS Seri Tek. Elektro, vol. 01, no. 01, pp. 1–22, 2018.. [13]. K. M. Thu and A. I. Gavrilov, “Designing and Modeling of Quadcopter Control System Using L1 Adaptive Control,” Procedia Comput. Sci., vol. 103,. no.. October. 2016,. pp.. 528–535,. 2017,. doi:. 10.1016/j.procs.2017.01.046. [14]. B. J. Emran and H. Najjaran, “A review of quadrotor: An underactuated mechanical system,” Annu. Rev. Control, vol. 46, no. October 2018, pp. 165–180, 2018, doi: 10.1016/j.arcontrol.2018.10.009.. [15]. A. Puri, “A Survey of Unmanned Aerial Vehicles (UAV) for Traffic Surveillance,” Tech. Pap., pp. 1–29, 2005, [Online]. Available: papers2://publication/uuid/6D241E9E-AF0D-42BF-B87C668CCD166527.. [16]. Q. Quan, Introduction to multicopter design and control, 1st ed. Singapore: Springer Nature Singapore, 2017.. [17]. P. Wei, Z. Yang, and Q. Wang, “The Design of Quadcopter Frame Based On Finite Element Analysis,” Proc. 3rd Int. Conf. Mechatronics, Robot. Autom., vol. 15, no. Icmra, pp. 1353–1356, 2015, doi: 10.2991/icmra15.2015.260.. [18]. R. Singh, R. Kumar, A. Mishra, and A. Agarwal, “Structural Analysis of Quadcopter Frame,” Mater. Today Proc., vol. 22, pp. 3320–3329, 2019, doi: 10.1016/j.matpr.2020.03.295.. [19]. P. Bhatt and A. Goe, “Carbon Fibres: Production, Properties and Potential Use,” Mater. Sci. Res. India, vol. 14, no. 1, pp. 52–57, 2017, doi: 10.13005/msri/140109.. [20]. M. F. Arif, F. Meraghni, Y. Chemisky, N. Despringre, and G. Robert, “In situ damage mechanisms investigation of PA66/GF30 composite: Effect of.

91. relative humidity,” Compos. Part B Eng., vol. 58, no. September 2018, pp. 487–495, 2014, doi: 10.1016/j.compositesb.2013.11.001. [21]. Y. K. Kim, “Viscoelastic effect of FR-4 material on packaging stress development,” IEEE Trans. Adv. Packag., vol. 30, no. 3, pp. 411–420, 2007, doi: 10.1109/TADVP.2007.901294.. [22]. D. P. Laksono, “Rancang Bangun Alat Uji Thrust Force Multicopter berbasis Mikrokontroller dengan variasi BLDC Motor dan Propeller,” 2019.. [23]. A. Danu and R. Slamet, “Pengaturan Kecepatan Pada Motor Brushless DC ( BLDC ) Menggunakan PWM ( Pulse Width Modulation ),” pp. 10–11, 2018.. [24]. T. Budiawan, I. Santoso, and A. A. Zahra, “Mobile Tracking GPS (Global Positioning System) Melalui Media SMS (Short Message Service).”. [25]. H. Wintolo, A. Kusumaningrum, and R. Aditya, “Pengiriman Data Koordinat. Global. Position. System. (GPS). Pada. Drone. Dengan. Memanfaatkan Jaringan Internet,” Simetris J. Tek. Mesin, Elektro dan Ilmu Komput.,. vol.. 10,. no.. 1,. pp.. 141–146,. 2019,. doi:. 10.24176/simet.v10i1.2879. [26]. R. B. T. Dan, U. Shah, W. Hussain, A. Elzawawy, and H. Rahemi, “Development process of a smart UAV for autonomous target detection,” Proc. LACCEI Int. Multi-conference Eng. Educ. Technol., vol. 2018-July, no. July, pp. 18–20, 2018, doi: 10.18687/LACCEI2018.1.1.480.. [27]. T. B. Prakoso, “Implementasi Dji Naza M-Lite Pada Quadcopter,” J. Mikrotek, vol. 1, no. 4, pp. 192–197, 2015.. [28]. H. M. Shadiq, S. Sudjadi, and D. Darjat, “Perancangan Kamera Pemantau Nirkabel Menggunakan Raspberry Pi Model B,” Transient J. Ilm. Tek. Elektro, vol. 3, no. 4, pp. 546–551, 2015, [Online]. Available: https://ejournal3.undip.ac.id/index.php/transient/article/view/8124.. [29]. A. Aji Nugroho, Burhanuddin, and Sarwoko, “Multi Client Ground Station Untuk Edf Roket Design and Realisation Control System and Communication Multi,” vol. 2, no. 2, pp. 2884–2890, 2015.. [30]. Q. Quan, Z. Zhao, L. Lin, P. Wang, W. M. Wonham, and K. Cai, “Failsafe.

92. mechanism design of multicopters based on supervisory control theory,” IET Cyber-Systems Robot., vol. 2, no. 1, pp. 31–42, 2020, doi: 10.1049/ietcsr.2019.0039. [31]. V. D. Cahyo, “PENGEMBANGAN ALAT UJI THRUST FORCE DIGITAL MULTICOPTER UNTUK BLDC MOTOR DAN PROPELLER BERBASIS. MIKROKONTROLLER,”. Universitas. Muhammadiyah. Malang, 2021. [32]. L. A. N. Wibawa, “Studi Numerik Pengaruh Radius Fillet dan Ketebalan Cap terhadap Tegangan Von Mises dan Faktor Keamanan Silinder Berdinding Tipis untuk Tabung Motor Roket,” J. Rekayasa Mesin, vol. 15, no. 1, p. 1, 2020, doi: 10.32497/jrm.v15i1.1782..