i
RANCANG BANGUN WAHANA
MODEL UJI KEPAKAN SAYAP
TUGAS AKHIR
diajukan sebagai salah satu syarat untuk
mendapatkan gelar Sarjana Teknik
Oleh:
Radius Bhayu Prasetiyo
13602002
Pembimbing:
Dr. Lavi R. Zuhal
PROGRAM STUDI TEKNIK PENERBANGAN
FAKULTAS TEKNIK MESIN DAN DIRGANTARA
INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG
ii
LEMBAR PENGESAHAAN
RANCANG BANGUN WAHANA
MODEL UJI KEPAKAN SAYAP
TUGAS AKHIR
Oleh:
Radius Bhayu Prasetiyo 136 02 002
Telah diperiksa dan disetujui sebagai tugas Sarjana Strata Satu Program Studi Teknik Penerbangan
Fakultas Teknik Mesin dan Dirgantara Institut Teknologi Bandung
Bandung, 6 Februari 2008
Dr. Lavi R. Zuhal NIP. 132320060
iii
ABSTRAK
Sayap burung merupakan simbol penting dalam bidang penerbangan. Berbagai penemuan dalam bidang penerbangan diawali dari bagaimana manusia berusaha menciptakan sayap burung ini. Tentu saja pembuatan sayap / wahana yang menyerupai dan memiliki prestasi yang sama dengan sayap burung merupakan pekerjaan yang sangat sulit. Hal ini disebabkan oleh pergerakan sayap burung yang sangat rumit dan kompleks serta berhubungan berbagai bidang ilmu pengetahuan. Analisis pergerakan sayap ini dapat didekati melalui pemodelan, baik melalui komputasi / simulasi maupun melalui percobaan / eksperimen. Pemodelan dengan perhitungan matematika dan simulasi komputer membutuhkan asumsi yang tepat, persamaan yang kompleks, dan waktu komputasi yang tidak sedikit. Sedangkan pemodelan melalui percobaan membutuhkan suatu model uji yang dapat bergerak seperti / mendekati gerakan sayap. Pada tugas akhir ini, sayap burung dimodelkan sebagai suatu wahana yang dapat berfungsi sebagai model uji percobaan. Pergerakan sayap yang dimodelkan berupa gerakan kepakan sayap (secara sederhana), gerakan kurva 8 / helix atau gerakan yang didefinisikan pengguna melalui suatu persamaan gerak (berupa masukan dari komputer). Pergerakan wahana ini terbatas pada gerakan angular / putar dalam tiga derajat kebebasan. Dengan menggunakan tiga derajat kebebasan ini dalam sumbu x, y, dan z, pergerakan sayap burung yang sederhana dapat diuji dan dapat digunakan untuk keperluan analisis aliran fluida di sekitar model uji tersebut.
iv
ABSTRACT
Bird wing is an important symbol in aviation. Lots of inventions in aviation were initiated by human who have been trying to create such wing. To create a wing or an object that has similar performance to the bird wing is very difficult, indeed. This happens as a consequence of the complicated and complex movements of the wing itself, and how the creation itself is related to different scientific fields. The analysis of the wing movement can be approached by creating a model using computational/simulation or experimental method. The former method using mathematical equations and computational simulation requires precise assumptions, complex equations, and a long period of computing process. On the other hand, the latter method, doing an experiment, requires a test model which can move likely or almost alike the movement of the real wing. This research put forward the analysis of a wing model which is attached to an object as an experimental model. The wing movements represented are simple flapping wing motion, helix curve motion and movements which are defined by user through the input of equations of motions. The movements of the model are limited in the angular motion in three degree of freedom (DOF). By limiting the DOF in x, y, and z axes, the simple wing movement and the fluid flow surrounding the model can be investigated.
v
KATA PENGANTAR
Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas rahmat-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan masa studi dan tugas akhir ini.
Tugas akhir ini ditulis untuk memenuhi persyaratan kelulusan Sarjana Teknik pada Program Studi Teknik Penerbangan Institut Teknologi Bandung.
Tugas akhir ini berisi perancangan dan pembuatan wahana model uji kepakan sayap. Kepakan sayap yang dimodelkan masih berbentuk sederhana dan memiliki tiga derajat kebebasan. Gerakan yang diuji pada wahana ini terdiri dari gerakan kepakan sayap (berdasarkan suatu persamaan yang telah didefinisikan) dan gerakan kurva delapan (helix). Berbagai metode yang digunakan untuk menggerakkan wahana juga diuji dan dipilih yang terbaik untuk memperoleh gerakan yang tepat / sesuai dengan yang diinginkan.
Penulis berharap tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi para pembaca khususnya rekan-rekan mahasiswa yang tertarik / ingin berkreasi pada masalah flapping wing.
Penulis menyadari bahwa laporan tugas akhir ini memiliki banyak kekurangan. Oleh karena itu, penulis sangat mengharapkan saran serta kritik yang membangun sehingga tugas akhir ini dapat disempurnakan dan dapat dikembangkan menjadi sesuatu yang berguna bagi ilmu pengetahuan.
Penulis mengucapkan terima kasih kepada:
1. Keluarga, yang selalu mendukung penulis walaupun berada di tempat yang berjauhan.
2. Dr. Ir. Lavi R. Zuhal sebagai dosen pembimbing tugas akhir dan teman yang baik, yang selalu memberikan kebebasan dan kesempatan kepada penulis untuk mengembangkan keingintahuannya selama pengerjaan tugas akhir ini.
3. Pak Dali yang selalu menerima permintaan dari penulis dengan senang hati dan ikhlas.
4. Dosen-dosen Program Studi Teknik Penerbangan Institut Teknologi Bandung yang telah membuka mata penulis mengenai betapa rumit dan menyenangkannya hal-hal yang berhubungan dengan penerbangan.
5. Rekan-rekan mahasiswa Institut Teknologi Bandung yang selalu membuka pintu hatinya ketika penulis membutuhkan tempat berteduh.
6. Semua pihak yang tidak dapat disebutkan satu-persatu.
Bandung, Februari 2008
vi
DAFTAR ISI
ABSTRAK ... III ABSTRACT ... IV KATA PENGANTAR ... V DAFTAR ISI ... VI DAFTAR TABEL ... VIII DAFTAR GAMBAR ...IXBAB I PENDAHULUAN... 1
1.1. LATARBELAKANG ... 1
1.2. RUMUSANMASALAH ... 4
1.3. SPESIFIKASIDANBATASANMASALAH ... 5
1.4. TUJUANPENELITIAN ... 6
1.5. METODEPENELITIAN ... 6
1.6. SISTEMATIKAPEMBAHASAN... 6
BAB II LANDASAN TEORI ... 8
2.1. FLAPPINGWING ... 8
2.2. MIKROKONTROLER ... 10
• CPU ... 12
• Bus ... 12
• Memory ... 13
• I/O (input /output) ... 14
• Timer/clock ... 15 • Interrupt controller ... 15 2.3. MOTOR ... 17 2.4.1. Motor DC ... 17 2.4.2. Servo motor ... 22 2.4.3. Stepper motor ... 24
2.4. KOMUNIKASISERIALANTARPERANGKATKERAS ... 24
BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI PERANGKAT KERAS ... 27
3.1. SPESIFIKASI PERANCANGAN PERANGKAT KERAS ... 27
3.2. BATASAN PERANCANGAN PERANGKAT KERAS ... 28
3.3. ARSITEKTUR SISTEM PERANGKAT KERAS ... 30
3.3.1. Subsistem Pengendali ... 30
3.3.2. Subsistem Aktuator ... 33
3.3.3. Catu Daya ... 34
3.3.4. Rangka ... 35
BAB IV PERANCANGAN DAN REALISASI PERANGKAT LUNAK ... 36
4.1. SPESIFIKASI PERANCANGAN PERANGKAT LUNAK ... 36
4.2. BATASAN PERANCANGAN PERANGKAT LUNAK ... 37
4.3. ARSITEKTUR SISTEM PERANGKAT LUNAK ... 38
vii
4.3.2. Perangkat Lunak dalam PC ... 41
BAB V PENGUJIAN DAN ANALISIS WAHANA... 46
5.1. PENGUJIAN PERANGKAT KERAS ... 46
5.1.1. Pengujian Subsistem Pengendali ... 46
5.1.2. Pengujian Subsistem Catu Daya ... 48
5.2. PENGUJIAN PERANGKAT LUNAK ... 49
5.2.1. Pengujian Pengendalian GUIDE ... 49
5.2.2. Pengujian Pengendalian SIMULINK ... 51
5.3. PENGUJIAN FUNGSIONAL SISTEM ... 52
5.3.1. Persamaan Gerak Fungsional Sistem ... 54
5.3.2. Pengujian Berdasarkan PC ... 56
5.3.3. Pengujian Berdasarkan Mikrokontroler ... 61
5.4. PENGUJIAN KESELURUHAN SISTEM WAHANA ... 64
BAB VI KESIMPULAN DAN TINDAK LANJUT ... 68
6.1. KESIMPULAN ... 68
6.2. TINDAK LANJUT ... 68
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1. Konfigurasi Pin RS-232 ... 25
Tabel 4. 1. Daftar objek GUIDE MATLAB perangkat lunak wahana: ... 43
Tabel 4. 2. Daftar objek GUIDE MATLAB perangkat lunak wahana (lanjutan): ... 44
Tabel 5. 1. Tabel perbedaan metode pengujian sistem:... 53
Tabel 5. 2. Hasil pengujian metode micro based ... 64
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1. 1. Glider (salah satu pendekatan cara terbang burung) ... 1
Gambar 1. 2. Berbagai manuver burung dalam kondisi lingkungan yang berbeda-beda .. 2
Gambar 2. 1. Robot tangan ... 10
Gambar 2. 2. Konfigurasi pin ATMega8535 ... 17
Gambar 2. 3.Diagram coil pada motor DC ... 18
Gambar 2. 4. Skema H-Bridge ... 19
Gambar 2. 5. Rangkaian transistor H-Bridge ... 19
Gambar 2. 6. EMF ... 20
Gambar 2. 7. Pulsa dan EMF ... 21
Gambar 2. 8. Siklus kerja (EMF 50%) ... 21
Gambar 2. 9. Siklus kerja (EMF < 50%) ... 22
Gambar 2. 10. Servo ... 22
Gambar 2. 11. Sinyal input kendali servo motor ... 23
Gambar 2. 12. Pin kabel serial ... 25
Gambar 2. 13. Hubungan antarpin DTE dan DCE ... 26
Gambar 3. 1. Gambar rancangan rangka wahana dan peletakan servo pada sumbu x,y, dan z ... 28
Gambar 3. 2. Kurva pergerakan berbentuk angka 8 / ∞ ... 29
Gambar 3. 3. Arsitektur perangkat keras wahana ... 30
Gambar 3. 4. Rangkaian DT-AVR low cost micro system (ATMega8535) ... 31
Gambar 3. 5. Modul mikrokontroler wahana ... 32
Gambar 3. 6. Rangkaian subsistem pengendali wahana ... 32
Gambar 3. 7. Modul motor DC dan gear box ... 33
Gambar 3. 8. Sebuah servo standar yang terpasang pada rangka ... 33
Gambar 3. 9. Rangkaian kabel subsistem pengendali wahana ... 34
Gambar 3. 10. Catu daya dan subsistem pengendali wahana ... 34
Gambar 3. 11. Diagram catu daya yang digunakan pada wahana ... 35
Gambar 3. 12. Rangka dan subsistem aktuator wahana ... 35
Gambar 4. 1. Arsitektur perangkat lunak wahana ... 38
Gambar 4. 2. Diagram algoritma perangkat lunak wahana (sederhana) ... 39
Gambar 4. 3. Pemrograman CVAVR ... 40
Gambar 4. 4. Diagram algoritma perangkat lunak dalam mikrokontroler ... 40
Gambar 4. 5. Algoritma interrupt mikrokontroler ... 41
x
Gambar 4. 7. SIMULINK wahana ... 45
Gambar 5. 1. Grafik hasil pengujian GUIDE MATLAB. ... 50
Gambar 5. 2. Pengujian SIMULINK MATLAB ... 52
Gambar 5. 3. Hasil fungsi persamaan kepakan sayap serangga (Wang, Two Dimensional Mechanism for Insect Hovering, 2000) ... 56
Gambar 5. 4. Hasil perhitungan persamaan gerak ... 57
Gambar 5. 5. Hasil pergerakan wahana ... 58
Gambar 5. 6. Hasil pergerakan yang diinginkan dari persamaan ... 58
Gambar 5. 7. Gambar hasil pergerakan wahana pada rentang sample time 0 – 20 (kiri) dan 20 – 40 (kanan) ... 58
Gambar 5. 8. Hasil perhitungan dan pembagian data array ... 60
Gambar 5. 9. Hasil pergerakan wahana (data array) ... 60
Gambar 5. 10. Grafik perhitungan linier mikrokontroler ... 62
Gambar 5. 11. Perbandingan gerakan wahana yang diinginkan dan pergerakan wahana menggunakan fungsi linier ... 62
Gambar 5. 12. Hasil pergerakan fungsi sinusoidal mikrokontroler ... 63
Gambar 5. 13. Hasil perhitungan persamaan kepakan sayap serangga ... 65
Gambar 5. 14. Hasil pergerakan wahana (kepakan sayap serangga) ... 65
Gambar 5. 15. Perbandingan hasil pergerakan wahana dan hasil perhitungan (kurva 8) 66 Gambar 5. 16. Periode pergerakan wahana ... 66
