Time Cycle Yang Optimal Pada Simulasi Perilaku Terbang Burung Albatross.

(1)

i

Universitas Kristen Maranatha

TIME CYCLE YANG OPTIMAL PADA SIMULASI PERILAKU

TERBANG BURUNG ALBATROSS

Disusun oleh:

Nama : Herry Lukas NRP : 0522114

Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Kristen Maranatha, Jl.Prof.Drg.Suria Sumantri, MPH No.65, Bandung, Indonesia.

Email : herry_l46@yahoo.com

ABSTRAK

Penghematan bahan bakar menjadi sangat penting bagi UAV agar dapat terbang lebih lama atau jauh. Burung Albatross diyakini mempunyai kemampuan itu karena Albatross dapat terbang berhari-hari dengan memanfaatkan shear wind.

Pada tugas akhir ini akan disimulasikan perilaku terbang dari burung Albatross agar mendapatkan time cycle yang optimal. Dynamic soaring sendiri adalah teknik terbang dengan mengekstrak energi dari udara yang bergerak horizontal dari lapisan bawah dekat permukaan laut. Dynamic soaring dapat dapat terjadi jika kecepatan udara tidak sama di setiap lapisannya. Untuk melakukan simulasi ini diperlukan tujuh parameter yaitu ; tiga koordinat, tiga sudut, dan airspeed. Time cycle yang optimal dapat dilihat dari berbagai hasil simulasi yang menunjukkan waktu yang berbeda-beda.

Hasil dari simulasi menunjukkan time cycle optimal yang dicapai Albatross adalah 5,1 detik dengan sudut bank optimalnya 57,320 (1 radian)dan koefisien daya angkat yang optimalnya dari 0-1.

(2)

ii

OPTIMAL TIME CYCLE in ALBATROSS FLIGHT SIMULATON

Composed by: Name : Herry Lukas NRP : 0522114

Electrical Engineering, Maranatha Christian University, Jl. Prof.Drg.Suria Sumantri, MPH No. 65, Bandung, Indonesia.

Email : herry_l46@yahoo.com

ABSTRACT

Fuel efficiency becomes most issue for UAV to increase durability performance. Albatross avian believed has its ability because Albatross can fly couple day with utilize shear wind.

Optimal control technique is applied for determining the minimum wind strength and optimal time cycle that required for dynamic soaring. Dynamic soaring is a flight technique by which seabirds extract energy from horizontally moving air from altitude layer close to the sea surface and dynamic soaring can perform if the horizontal moving air is non-uniform. To accomplish this simulation, we need seven parameters (three coordinates, three angles and airspeed) to complete this simulation. Optimal time cycle can be seen from various simulation result.

Numerical results have been achieved; 5.1 sec for optimal time cycle, 57,320 (1 radian)for optimal bank angle and range for optimal lift coefficient from 0-1.

(3)

v

DAFTAR ISI

Halaman

ABSTRAK ... i

ABSTRACT ... ii

KATA PENGANTAR ... iii

DAFTAR ISI ... v

DAFTAR GAMBAR ... vii

BAB I PENDAHULUAN I.1 Latar Belakang ... 1

I.2 Perumusan Masalah ... 1

I.3 Tujuan ... 2

I.4 Pembatasan Masalah ... 2

I.5 Sistematika Penulisan ... 2

BAB II TEORI DASAR DAN PENUNJANG AERODINAMIKA II.1 Latar Belakang ... 4

II.2 Pengantar Aeronautics ... 5

II.3 Putan Euler ... 8

II.4 Hukum Bernouli pada Pesawat ... 10

II.5 Sudut Serang ... 12

II.6 Pemodelan Perilaku Terbang Optimal Burung Albatross ... 13

II.7 Sistem Kontrol Optimal ... 16

II.7.1 Sistem Kontrol Optimal dengan LQR ... 16

II.7.2 Sistem Kontrol Optimal dengan Hamiltonian ... 17

(4)

vi

Universitas Kristen Maranatha BAB III PERANCANGAN KENDALI PADA PLANT

BURUNG ALBATROSS

III.1 Persamaan Dynamic Soaring Albatross tanpa Kendala ... 21

III.1.1 Persamaan Sudut Belok tanpa Kendala ... 21

III.1.2 Persamaan Koefisien Gaya Angkat tanpa Kendala ... 22

III.2 Persamaan Dynamic Soaring Albatross dengan Kendala ... 23

III.2.1 Persamaan Koefisien Gaya Angkat dengan Kendala ... 24

III.2.2 Persamaan Sudut Belok dengan Kendala ... 25

III.3 Perancangan Blok Diagram Kontrol Optimal Albatross ... 27

III.4 Diagram Alir Mencari Time Cycle Optimal ... 28

BAB IV SIMULASI DAN ANALISIS DATA IV.1 Simulasi Prilaku Terbang Burung Optimal Albatross Tanpa Kendala ... 29

IV.1.1 Hasil Simulasi untuk Ketinggian (m) ... 29

IV.1.2 Hasil Simulasi untuk Airspeed (m/s)... 30

IV.1.3 Hasil Simulasi Sudut Belok Maksimum (rad) ... 30

IV.1.5 Hasil Simulasi Koefisien Daya Angkat Maksimum ... 31

IV.2 Simulasi Prilaku Terbang Burung Albatross dengan Kendala ... 31

IV.2.1 Hasil Simulasi untuk Ketinggian (m) ... 32

IV.2.3 Hasil Simulasi Airspeed (m/s) ... 32

IV.2.4 Hasil Simulasi Koefisien Daya Angkat Maksimum ... 33

IV.2.5 Hasil Simulasi Sudut Belok Maksimum (rad) ... 33

IV.3 Analisis Hasil Simulasi ... 34

IV.3.1 Analisis Respon Sistem Plant tanpa Kendala ... 35

IV.3.2 Analisis Respon Sistem Plant dengan Kendala ... 36

(5)

vii

Universitas Kristen Maranatha BAB V KESIMPULAN DAN SARAN

V.1 Kesimpulan ... 38 V.2 Saran ... 38

DAFTAR PUSTAKA……….………...39 LAMPIRAN A NOTASI

(6)

viii

Universitas Kristen Maranatha DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Vektor Gaya pada Pesawat Terbang ... 6

Gambar 2.2 Pergerakan Dasar pada Pesawat Terbang ... 6

Gambar 2.3 Tata Acuan Koordinat Angin ... 8

Gambar 2.4 Tata Acuan Koordinat Inersial Horizon Lokal ... 8

Gambar 2.5 Posisi Albatross terhadap Arah Datangnya Angin dan Vektor Kecepatannya. ... 10

Gambar 2.6 Airfoil Pesawat Terbang ... 11

Gambar 2.7 Airfoil Sayap Pesawat Terbang ... 11

Gambar 2.8 Trayektori Terbang Albatross ... 14

Gambar 2.9 Diagram Blok Kontrol Optimal ... 17

Gambar 3.1 Diagram Blok Pengontrol Perilaku Terbang Burung Albatross ... 27

Gambar 3.2 Diagram Alir Mencari Time Cycle Optimal ... 28

Gambar 3.3 Shear wind ... 28

Gambar 4.1 Respon Ketinggian Sistem Plant tanpa Kendala ... 30

Gambar 4.2 Respon Airspeed Sistem Plant tanpa kendala ... 30

Gambar 4.3 Respon Sudut Belok Maksimum Sistem Plant tanpa kendala ... 31

Gambar 4.4 Respon Daya Angkat Maksimum Sistem Plant tanpa Kendala ... 31

Gambar 4.5 Respon Ketinggian Sistem Plant dengan Kendala ... 32

Gambar 4.6 Respon Airspeed Sistem Plant dengan Kendala ... 32

Gambar 4.7 Respon Daya Angkat Maksimum Sistem Plant dengan Kendala ... 33

Gambar 4.8 Respon Sudut Belok Maksimum Sistem Plant dengan Kendala ... 33

Gambar 4.9 Perbandingan time cycle Albatross dengan perubahan rentang nilai koefisien lift dan sudut bank, grafik warna hitam menunjukkan time cycle optimalnya 5,1 detik ... 34

(7)

ix

Universitas Kristen Maranatha Gambar 4.11 Perbandingan koefisien daya angkat Albatross dengan perubahan

rentang nilai koefisien lift dan sudut bank, grafik warna merah

menunjukkan karakteristik koefisien daya angkat yang maksimal .... 35 Gambar 4.12 Perbandingan sudut bank Albatross dengan perubahan rentang nilai

(8)

LAMPIRAN A

(9)

A-1

NOTASI

V : Kecepatan Albatross

v : kecepatan

g : Percepatan gravitasi bumi

D : Gaya gesek

L : Gaya angkat

H : Hamiltonian

h : Ketinggian

J : Indeks kinerja

m : Massa Albatross

S : Luas sayap Albatross

k : Faktor gaya gesek

α

: Sudut serang

a

χ : Sudut belok

a

γ : Sudut tanjak

a

μ : Sudut putar

L

C : Koefisien gaya angkat

D

C : Koefisien gaya gesek

kg w kg v kg

u , , : Komponen kecepatan

g z g y g

x . , : Koordinat sistem

k

V : Kecepatan inersia

w

V : Kecepatan angin

i

(10)

LAMPIRAN B

(11)

B-1

Berdasarkan persamaan (3.1) dan persamaan (3.2) didapatkan penurunan-penurunan sebagai berikut:

•

Penurunan persamaan koefisien gaya angkat optimal ((CL)opt ) tanpa kendala

Berdasarkan persamaan (3.4), persamaan (3.1), persamaan (2.2.3), persamaan (2.2.4), dan persamaan (2.2.5) didapatkan penurunan-penurunan sebagai berikut:

(12)

B-2

Penurunan persamaan μ(t)

Berdasarkan persamaan (3.4) dan persamaan (3.6) maka dilakukan penurunan-penurunan persamaan untuk mencari persamaan μ(t) seperti di bawah ini:

(13)

B-3

Penurunan persamaan sudut belok optimal ( (μa)opt ) dengan kendala

Persamaan Hamiltonian pada persamaan (3.24) diturunkan terhadap μa untuk

mencari sudut belok optimal ((μa)opt) dengan kendala dan berdasarkan persamaan

(3.2) didapatkan penurunan-penurunan sebagai berikut:

(14)

LAMPIRAN C

(15)

C-1 Out 8

8 Out 7 7 Out 6

6 Out 5 5

Out 4 4

Out 3 3 Out 2

2 Out 1 1

Trigonometric Function 1 atan Trigonometric

Function asin Subsystem

In 1 In 2 In 3 In 4 In 5 In 6 In 7 In 8 In 9 In 10 In 11 In 12 In 13 In 14 In 15 In 16 In 17 In 18 In 19 In 20 In 21 In 22 In 23 In 24 In 25 In 26 In 27 In 28

Out1

Out2

Out3

Out4

Out5

Out6

Out7

Out8

Scope 1 Scope

Gain 3 K -Gain 2

K -Gain 1

K

-Gain -1

Fcn1 (u)^2

Fcn (u)^2

Divide 3 Divide 2

Divide 1 Divide

Display 3 Display 2

Display 1

Display

Constant -C- Add 1

(16)

1

BAB I

PENDAHULUAN

Bab ini berisi tentang latar belakang, perumusan masalah, tujuan,

pembatasan masalah, dan sistematika penulisan.

I.1 Latar Belakang

Dynamic soaring telah menginspirasi manusia untuk dapat terbang dengan

efisien. Akan tetapi, untuk saat ini dynamic soaring tidak bisa diterapkan pada

pesawat terbang. Media yang memungkinkan untuk penerapan dynamic soaring

adalah Unmanned Aerial Vehicle (UAV).

Pada Tugas Akhir ini TIME CYCLE YANG OPTIMAL PADA SIMULASI

PERILAKU TERBANG BURUNG ALBATROSS dipelajari cara terbang dari

burung Albatross dan kemudian mensimulasikannya. Sebenarnya ada beberapa

burung laut yang dapat melakukan dynamic soaring, namun diantara

burung-burung tersebut, burung-burung Albatross merupakan burung-burung laut yang paling dikagumi

kemampuannya dalam dynamic soaring dan diakui sebagai master of dynamic

soaring. Burung Albatross dapat menempuh jarak 1000 km per hari dan

mengelilingi benua Antartika sebanyak enam kali dalam satu tahun. Perilaku

teknik terbang burung Albatross akan dipelajari dan pada akhirnya akan

diterapkan pada pesawat terbang agar pesawat dapat terbang lebih jauh dengan

konsumsi bahan bakar yang lebih efisien.

I.2 Perumusan Masalah

Perumusan masalah untuk mensimulasikan perilaku terbang burung

Albatross adalah bagaimana mengetahui time cycle yang optimal bagi burung

Albatross agar dapat terbang dengan optimal dengan menggunakan teknik kontrol

(17)

BAB I PENDAHULUAN 2

I.3 Tujuan

Tujuan yang ingin dicapai pada tugas akhir ini adalah mengetahui time

cycle yang optimal bagi burung Albatross agar dapat terbang dengan optimal

dengan menggunakan teknik kontrol optimal.

I.4 Pembatasan Masalah

Pada tugas akhir simulasi perilaku terbang burung Albatross memiliki

batasan-batasan masalah, yaitu :

1. Hanya terbatas pada simulasi saja, tidak membuat prototype burungnya.

2. Simulasinya menggunakan Simulink, MATLAB.

3. Diasumsikan bahwa tidak ada crosswind, sehingga saat melakukan

dynamic soaring, posisi burung pada koordinat Y tidak berubah atau sama

dengan nol.

I.5 Sistematika Penulisan

Laporan terdiri dari beberapa bab dengan garis besar sebagai berikut:

1. BAB I Pendahuluan

Bab ini terdiri dari latar belakang, perumusan masalah, tujuan, pembatasan

masalah, dan sistematika penulisan laporan tugas akhir.

2. BAB II Teori Dasar dan Penunjang Aerodinamika

Bab ini akan menjelaskan teori-teori yang diperlukan dalam membuat

model matematika burung Albatross berupa teori mengenai bidang

aeronautics, Teorema Euler, dan hukum Bernouli.

3. BAB III Perancangan Kendali pada Plant Burung Albatross

Bab ini akan memaparkan penurunan persamaan-persamaan yang

diperlukan untuk simulasi, pemilihan data burung Albatross, serta

perancangan kontrol optimal untuk daya angkat yang optimal dan sudut

(18)

BAB I PENDAHULUAN 3

4. BAB IV Simulasi dan Analisis Data

Bab ini akan mensimulasikan perilaku terbang burung Albatross melalui

plant yang dibuat dan menganalisis hasil simulasinya. Setelah melalui

langkah-langkah pemodelan dan perancangan yang telah dibahas pada

bab-bab sebelumnya, maka penelitian ini akan diakhiri dengan

mensimulasikan blok kontrol optimalnya

5. BAB V Kesimpulan dan Saran

Bab ini memberikan kesimpulan dan saran untuk hasil simulasi

(19)

38

BAB V

KESIMPULAN DAN SARAN

V.1 Kesimpulan

Berdasarkan hasil simulasi plant Albatross dengan kendala, maka

kesimpulan dari tugas akhir ini adalah:

1. Time cycle optimal yang berhasil dicapai adalah 5,1 detik

2. Sudut bank maksimum adalah 57,320 karena bila melewati sudut tersebut, Albatross tidak akan mendapatkan time cycle yang optimal.

3. Karakteristik sudut bank dan koefisien daya angkat berbanding terbalik

menunjukkan bahwa ketika Albatross tidak mendapatkan daya angkat,

maka albatross akan melakukan bank agar mendapatkan daya angkat untuk

dynamic soaring.

V.2 Saran

Penelitian perlu dilakukan lebih lanjut, karena sebenarnya model plant

burung Albatross sangat-sangat kompleks, dimana pada saat terbang seluruh

bulunya bergerak dan untuk membuat model yang akurat, maka setiap helai

bulu-bulu tersebut harus diasumsikan mempunyai vektor gaya aerodinamika dan berat

masing-masing, dan hampir tidak mungkin untuk membuat airfoil sayap burung

(20)

39Universitas Kristen Maranatha

DAFTAR PUSTAKA

1. Ogatha, Katsuhiko. 1992. Modern Control Engineering fourth edition.

The University of Minnesota.

2. Sach, G., Bussotti P.: Application of Optimal Control Theory to Dynamic

Soaring of Seabirds. AIAA Paper No. 975-994. 2005