PENGEMBANGAN ALAT UJI
THRUST FORCE DIGITAL MULTICOPTER UNTUK BLDC MOTOR DAN PROPELLER
BERBASIS MIKROKONTROLER
COVER
TUGAS AKHIR
Diajukan Kepada :
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG
Untuk Memenuhi Syarat Memperoleh Gelar Sarjana (S-1) Teknik Mesin
Oleh : Viki Dwi Cahyo 201610120311079
JURUSAN TEKNIK MESIN FAKULTAS TEKNIK
UNIVERSITAS MUHAMMADIYAH MALANG 2021
ii POSTER
vii
Pengembangan Alat Uji Thrust Force Digital Multicopter Untuk BLDC Motor dan Propeller Berbasis Mikrokontroler
Oleh : Viki Dwi Cahyo (201610120311079)
Pembimbing I : Ir. Trihono Sewoyo, MT., Pembimbing II : Murjito, ST, MT Fakultas Teknik Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiya Malang Jl. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318-128 Fax. (0341) 460782 Malang 65144
ABSTRAK
Penggunaan drone dalam dunia Multicopter merupakan salah satu jenis UAV yang memiliki 4 buah atau lebih brushless motor dan propeller. Multicopter mempunyai kelebihan pada mobilitas dan fleksibilitas untuk menjelajahi wilayah yang sempit. Penelitian ini menggunakan metode eksperimental dimana data dari brushless dan propeller diperoleh melalui uji coba. Penelitian ini adalah tahap kedua untuk merancang sistem alat ukur otomatis thrust force digital pada multicopter, yaitu menampilkan data thrust force, RPM, arus, daya, dan tegangan. Hasil dari penelitian diperoleh data brushless motor yang ditampilkan di LCD display secara real time. Persentase error pada pengukuran arus memiliki 0% error atau 100%
akurat yang dimana memiliki ketelitian 0,01, persentase error dalam pengukuran RPM sebesar 2,51% atau akurasi hingga 97,49%. Sedangkan persentase error pada pengukuran dalam tegangan sebesar 2,51% yang dimana memiliki tingkat akurasi sebesar 97,49%. Kemudian diperoleh kemampuan dari variasi brushless motor dan propeller jika throttle dinaikkan maka akan menghasilkan kemampuan thrust force yang meningkat, selain itu konsumsi energi dari arus, dan daya juga akan meningkat.
Keywords: Mikrokontroler, Thrust Force, Multicopter , Brushless motor, Propeller
viii
Development of Multicopter Digital Thrust Force Test Tool For BLDC Motor and Microcontroller-Based Propeller
By : Viki Dwi Cahyo (201610120311079)
Advisor I : Ir. Trihono Sewoyo, MT., Advisor II : Murjito, ST, MT Faculty of Engineering, Department of Mechanical Engineering,
Muhammadiyah University Malang
Jl. Raya Tlogomas No. 246 Telp. (0341) 464318-128 Fax. (0341) 460782 Malang 65144
ABSTRACT
The use of drones in the world of Multicopter is one type of UAV that has 4 or more brushless motors and propellers. Multicopter has the advantage of mobility and flexibility to explore tight areas. This study uses experimental methods where data from brushless and propeller is obtained through trials. This research is the second stage to design a digital thrust force automatic measuring system on a multicopter, which displays thrust force, RPM, current, power, and voltage data.
The results of the study obtained brushless motor data displayed on the LCD display in real time. The percentage of errors in current measurements has 0% error or 100% accurate which has a precision of 0.01, the percentage of errors in RPM measurements of 2.51% or accuracy up to 97.49%. While the percentage of errors in the measurement in voltage is 2.51% which has an accuracy rate of 97.49%.
Then obtained the ability of the brushless variation of the motor and propeller if the throttle is raised it will produce increased thrust force capability, in addition to the energy consumption of the current, and the power will also increase.
Keywords: Microcontroller, Thrust Force, Multicopter, Brushless motor, Propeller
ix
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur kehadirat Allah SWT, atas segala rahmat, taufik dan hidayah-Nya yang selalu dilimpahkan kepada kita tanpa pernah terputus. Shalawat dan salam kita panjatkan kepada Junjungan Nabi Besar Muhammad SAW sebagai Nabi dan Rasul akhir zaman yang membimbing kita agar kelak diakui menjadi hamba Allah SWT.
Dalam Penulisan tugas akhir ini penulis memberikan judul
“Pengembangan Alat Uji Thrust Force Digital Multicopter Untuk BLDC Motor dan Propeller Berbasis Mikrokontroler”. Tugas akhir ini dibuat dengan tujuan sebagai salah satu syarat untuk mendapatkan gelar kesarjanaan di Universitas Muhammadiyah Malang. Tugas akhir ini tidak akan tersusun tanpa adanya bantuan dan dukungan dari berbagai pihak baik dalam segi materil maupun spiritual dan karenanya penyusun mengucapkan terima kasih kepada :
1. Kedua orang tua yang selalu memberikan do’a, dan motivasi bagi penulis untuk menyelesaikan tugas akhir ini.
2. Bapak Murjito, ST, MT selaku Ketua Jurusan Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Malang
3. Bapak Ir. Trihono Sewoyo, MT yang telah banyak memberikan bimbingan dan pengarahan dengan sabar serta memberikan dorongan dari awal hingga akhir penulisan tugas akhir ini.
x
4. Bapak Murjito, ST, MT yang telah banyak memberikan bimbingan dan pengarahan dengan sabar serta memberikan dorongan dari awal hingga akhir penulisan tugas akhir ini.
5. Bapak Ibu Dosen khususnya Jurusan Teknik Mesin yang telah memberikan bekal ilmu pengetahuan dan juga wawasan yang luas pada saat perkuliahan.
6. Bapak Edy Winarno dan Ibu Dwi sebagai pemilik Kos yang telah memberikan dukungan serta doa agar terselesaikan tugas akhir ini.
7. Teman Komunitas Turun Tangan Malang yang mana telah memberikan dukungan dan doa agar terselesaikannya tugas akhir ini.
Harapan penulis semoga tugas akhir ini dapat memberikan manfaat bagi pembacanya. Sekali lagi penulis ucapkan puji dan syukur kepada Allah SWT semoga ilmu yang diperoleh dapat bermanfaat dan bermakna dikehidupan, terimakasih.
Malang, 28 April 2021 Penulis
Viki Dwi Cahyo
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 ... xi
DAFTAR GAMBAR ... xiv
DAFTAR TABEL... xv
BAB I PENDAHULUAN ... 1
1.1 Latar Belakang... 1
1.2 Rumusan Masalah ... 3
1.3 Batasan Masalah ... 3
1.4 Tujuan Penelitian ... 3
1.5 Sistematika Penulisan ... 3
BAB II TINJAUAN PUSTAKA ... 5
2.1 Quadcopter ... 5
2.2 Motor DC... 6
2.3 Brushless DC Motor ... 6
2.4 Electric Speed Control (ESC) ... 9
2.5 Propeller (Baling – Baling) ... 10
2.6 Power Supply ... 12
2.7 Arduino Uno ... 13
xii
2.7.1 Deskripsi Arduino Uno R3... 14
2.7.2 Pin Arduino Uno R3... 15
2.8 Load Cell Sensor ... 17
2.8.1 Prinsip Kerja Load Cell ... 18
2.8.2 Prinsip Kerja Modul HX711 ... 19
2.9 Modul IR Proximity Sensor ... 20
2.10 Sensor Tegangan (Voltage Sensor) ... 21
2.11 Sensor ACS712 30A... 22
2.12 TWI Connector ... 23
2.13 Liquid Crystal Digital (LCD) ... 24
BAB III METODOLOGI PENELITIAN ... 28
3.1 Diagram Alir Penelitian ... 28
3.1.1 Daftar Persyaratan Desain Alat Uji ... 29
3.1.2 Identifikasi Masalah ... 31
3.1.3 Kombinasi dan Susunan Konsep ... 33
3.1.4 Analisis Biaya ... 35
3.1.5 Prinsip Kerja... 36
3.1.6 Perancangan dan Pemilihan Hardware ... 37
3.1.7 Diagram Skematik Rangkaian Alat Uji Thrust Force. ... 38
3.1.8 Desain Kontruksi Alat Pengujian ... 39
3.2 Prosess Pengerjaan ... 40
3.2.1 Alat Yang digunakan... 40
3.2.2 Bahan Yang Digunakan ... 40
3.2.3 Proses Pengerjaan dan Perancangan Alat Uji Thrust Force ... 41
3.3 Pengujian Alat ... 42
3.4 Analisa Dan Pembahasan ... 44
xiii
3.5 Tempat dan Waktu ... 44
BAB IV ANALISA DAN PEMBAHASAN ... 45
4.1 Kontrol BLDC Menggunakan Mikrokontroler Arduino Uno ... 45
4.1.1 Fast PWM Mode Pada Arduino Uno ATMega328 ... 45
a. Frekuensi Sinyal Pulse Width Modulation (PWM) ... 45
b. Resolusi Sinyal Pulse Width Modulation (PWM) ... 45
c. Duty Cycle Signal Pulse Width Modulation (PWM) ... 46
4.2 Data Pengujian... 46
4.2.1 Pengujian Tahap Pertama ... 47
4.2.2 Pengujian Tahap Kedua ... 55
4.3 Pembahasan ... 63
BAB V PENUTUP ... 66
5.1 Kesimpulan ... 66
5.2 Saran ... 67
DAFTAR PUSTAKA ... 69 LAMPIRAN ...
xiv
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2. 1 Quadcopter ... 5
Gambar 2. 2 Motor DC ... 6
Gambar 2. 3 Skema Gambar dari motor brushless DC (BLDC) ... 7
Gambar 2. 4 ESC 30A (Sumber : https://www.jsumo.com/30a-basic-esc) ... 9
Gambar 2. 5 Diameter dan Pitch Propeller ... 11
Gambar 2. 6 Propeller dengan beberapa jumlah bilah ... 12
Gambar 2. 7 Switching Power Supply ... 13
Gambar 2. 8 Arduino Uno R3 ... 14
Gambar 2. 9 Load cell sensor kapasitas 10 kg ... 17
Gambar 2. 10 Proses Kerja Load Cell ... 18
Gambar 2. 11 Rangkaian Strain Gauge Load Cell ... 19
Gambar 2. 12 Rangkaian Load Cell dan HX711 ... 20
Gambar 2. 13 Modul IR proximity sensor ... 20
Gambar 2. 14 Sensor Tegangan 0-25V ... 21
Gambar 2. 15 Modul ACS712 30A sensor ... 23
Gambar 2. 16 I2C/TWI Connector... 24
Gambar 2. 17 Bentuk fisik LCD 20x4 karakter ... 25
Gambar 2. 18 Slot Pin LCD 20x4 Karakter ... 26
Gambar 3. 1 Diagram Alir Penelitian ... 28
Gambar 3. 2 Diagram alir pengujian thrust force ... 37
Gambar 3. 3 Diagram Rangkaian Skematik Alat Uji Thrust Force ... 39
Gambar 3. 4 Desain Konseptual Alat Uji Thrust Force berbasis Load Cell... 39
Gambar 4. 1 Grafik Perbandingan Throttle dengan Kecepatan Motor (rpm) ... 42
Gambar 4. 2 Persentase duty cycle PWM dengan nilai thrust pada Load Cell ... 50
Gambar 4. 3 Duty Cycle Pulse Modulation (PWM)/Throttle dengan Arus ... 52
Gambar 4. 4 Duty Cycle Pulse Modulation (PWM)/Throttle dengan Tegangan .. 55
Gambar 4. 5 Duty Cycle Pulse Modulation (PWM)/Throttle dengan Daya ... 53
Gambar 4. 6 Grafik Perbandingan Throttle dengan Kecepatan Motor (rpm) ... 56
Gambar 4. 7 Persentase duty cycle PWM dengan nilai thrust pada Load Cell ... 58
Gambar 4. 8 Duty Cycle Pulse Modulation (PWM)/Throttle dengan Arus ... 59
Gambar 4. 9 Duty Cycle Pulse Modulation (PWM)/Throttle dengan Tegangan .. 62
Gambar 4. 10 Duty Cycle Pulse Modulation (PWM)/Throttle dengan Daya ... 61
xv
DAFTAR TABEL
Tabel 2. 1 Karakteristik BLDC motor A2212/13T 1000Kv ... 8
Tabel 2. 2 Karakteristik BLDC motor 2300Kv ... 8
Tabel 2. 3 Spesifikasi ESC 30A ... 10
Tabel 2. 4 Deskripsi dari Arduino Uno R3 ... 14
Tabel 2. 5 Spesifikasi dari IR Proximity ... 20
Tabel 2. 6 Spesifikasi ACS712 30A ... 23
Tabel 3. 1 Daftar Persyaratan Desain Alat Uji ... 29
Tabel 3. 2 kombinasi sub-fungsi yang didasarkan pada diagram blok ... 33
Tabel 4. 1 Nilai Duty Cycle dari sinyal PWM ... 46
Tabel 4. 2 Hasil pengujian perbandingan pesentase Duty Cycle ... 47
Tabel 4. 3 Persentase duty cycle PWM dengan nilai thrust pada Load Cell ... 49
Tabel 4. 4 Hasil pengujian perbandingan pesentase Duty Cycle Pulse Width ... 51
Tabel 4. 5 Hasil pengujian perbandingan persentase Duty Cycle Pulse ... 54
Tabel 4. 6 Hasil perhitungan perbandingan persentase Duty Cycle Pulse ... 52
Tabel 4. 7 Hasil pengujian perbandingan pesentase Duty Cycle Pulse ... 55
Tabel 4. 8 Persentase duty cycle pulse width modulation (PWM) dengan nilai... 57
Tabel 4. 9 Persentase duty cycle pulse width modulation (PWM) dengan nilai... 58
Tabel 4. 10 Hasil pengujian perbandingan persentase Duty Cycle Pulse ... 61
Tabel 4. 11 Hasil perhitungan perbandingan persentase Duty Cycle Pulse ... 60
Tabel 4. 12 Persentase Error Motor 1000 Kv dengan propeller 5040 4 blades .... 63
69
DAFTAR PUSTAKA
Andrawina, Rizky. 2015. “Tegangan Normal Dan Tegangan Geser.” 1–16.
Baharuddin. 2014. “Sistem Kendali Kecepatan Motor DC Berbasis PWM.” Sistem Komputer Universitas Hasanudin.
Beard, Randal, Derek Kingston, Morgan Quigley, Deryl Snyder, Reed Christiansen, Walt Johnson, Timothy McLain, and Michael A. Goodrich. 2005.
“Autonomous Vehicle Technologies for Small Fixed-Wing UAVs.” Journal of Aerospace Computing, Information and Communication (JAN.):92–108.
doi: 10.2514/1.8371.
Beard, Randal W., Timothy W. McLain, Derek B. Nelson, Derek Kingston, and David Johanson. 2006. “Decentralized Cooperative Aerial Surveillance Using Fixed-Wing Miniature UAVs.” Proceedings of the IEEE 94(7):1306–23. doi:
10.1109/JPROC.2006.876930.
Chandra Wibowo, Yunus, and Slamet Riyadi. 2019. “Analisa Pembebanan Pada Motor Brushless Dc (Bldc).” 277–82. doi: 10.5614/sniko.2018.33.
Dermawan, Qori, Muhammad Sadli, and Andik Bintoro. 2018. “Penggunaan Motor Dc Brushless Sunny Sky X2212-13 Kv: 980 Ii Pada Perancangan Quadcopter.” Jurnal Energi Elektrik 7(2):39. doi: 10.29103/jee.v7i2.1060.
Dewi, Rozlinda. 2018. “Efek Duty Cycle Pwm Pada Pengendalian Kecepatan Motor BLDC 3 Phasa.” Journal of Electrical Power Control and Automation (JEPCA) 1(1):14. doi: 10.33087/jepca.v1i1.4.
Hanford, Scott D., Lyle N. Long, and Joseph F. Horn. 2005. “A Small Semi- Autonomous Rotary-Wing Unmanned Air Vehicle (UAV).” Collection of Technical Papers - InfoTech at Aerospace: Advancing Contemporary Aerospace Technologies and Their Integration 3:1539–48. doi:
10.2514/6.2005-7077.
Harsoyo, Imam Tri, Andi Kurniawan Nugroho, and Nuriman Nuriman. 2019.
“Rancang Bangun Tachometer Digital Berbasis Arduino Dilengkapi Charging Dan Mode Penyimpan Data.” Elektrika 11(2):6. doi:
10.26623/elektrika.v11i2.1692.
Intaratep, Nanyaporn, William N. Alexander, William J. Devenport, Sheryl M.
Grace, and Amanda Dropkin. 2016. “Experimental Study of Quadcopter Acoustics and Performance at Static Thrust Conditions.” in 22nd AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Aeroacoustics Conferences. American Institute of Aeronautics and Astronautics.
Jatmiko, Jatmiko, Abdul Basith, Agus Ulinuha, Muhammad Afan Muhlasin, and Ibnu Shokibul Khak. 2018. “Analisis Peroforma Dan Konsumsi Daya Motor Bldc 350 W Pada Prototipe Mobil Listrik Ababil.” Emitor: Jurnal Teknik Elektro 18(2):14–17. doi: 10.23917/emitor.v18i2.6348.
Khakim, Arif Lukman. 2015. Timbangan Digital Berbasis AVR Tipe ATMega32.
Laksono, Dwi Puji. 2019. “Rancang Bangun Alat Uji Thrust Force Multicopter Berbasis Mikrokontroller Dengan Variasi Bldc Motor Dan Propeller Tugas Akhir.”
Manege, Priskila M. N., Elia Kendek Allo, and Jurusan Teknik Elektro-ft. 2017.
“Rancang Bangun Timbangan Digital Dengan Kapasitas 20Kg Berbasis Microcontroller Atmega8535.” Jurnal Teknik Elektro Dan Komputer 6(1):57–
62. doi: 10.35793/jtek.6.1.2017.16123.
70
Maulidin, Irfan, Dyah Titisari, and Abd Kholiq. 2019. “Tachometer Berbasis Mikrokontroler Dilengkapi Fitur Timer.” 1234 5678.
Nataliana, MT., Decy, Hari Wahyudi, MT., and Perdi Rusdiasyah, ST. n.d.
“Perancangan Dan Implementasi Pengendalian Kecepatan Motor Dc Penguatan Terpisah Menggunakan Pwm Berbasis Mikrokontroler Atmega 8535.” 1–10.
Priatmoko, M. R., and W. Nirbito. 2019. “Design Analysis of Ducted Propeller for Bicopter Drone Propulsion.” IOP Conference Series: Materials Science and Engineering 685(1). doi: 10.1088/1757-899X/685/1/012008.
Randis, R., and S. Akbar. 2018. “Rancang Bangun Alat Ukur Gaya Dorong Dan Kecepatan Putaran Motor Brushless.” DINAMIKA: Jurnal Ilmiah Teknik Mesin 9(2).
Randis, Randis, Ida Bagus Dharmawan, and Syahruddin Syahruddin. 2017.
“Rancang Bangun Alat Uji Gaya Dorong (Trust Force) Motor Brushless.” JTT (Jurnal Teknologi Terpadu) 5(2):128. doi: 10.32487/jtt.v5i2.271.
Reftya, Aldo, and Tegar Saputra. n.d. “Monitoring Dan Penstabil Tegangan Pada Alternator Kendaraan Menggunakan Microcontroller.” 90–95.
Royan, and Luqman A. 2015. “Aplikasi Motor Dc-Shunt Untuk Laboratory Shaker Menggunakan Metode Pwm (Pulse Width Modulation ) Berbasis Mikrokontroler Atmega 32.” Media Elektrika 8(1).
S., Rifdian I., and Hartono Hartono. 2018. “Rancang Bangun Pulse Width Modulation (PWM) Sebagai Pengatur Kecepatan Motor DC Berbasis Mikrokontroler Arduino.” Jurnal Penelitian 3(1):50–58. doi:
10.46491/jp.v3e1.31.50-58.
Setiawan, Dika, Wifda Rahmatiya Hasna, Atikah Ardi, and Hendro Hendro. 2019.
“Rancang Bangun Ohmmeter Berbasis Modulasi Lebar Pulsa (Pwm).” 115–
22. doi: 10.5614/sniko.2018.17.
Sudarma, Made, I. B. Alit Swamardika, and Adinata Mas Pratama. 2016. “Design of Quadcopter Robot as a Disaster Environment Remote Monitor.”
International Journal of Electrical and Computer Engineering 6(1):188–97.
doi: 10.11591/ijece.v6i1.7768.
Sujanarko, Bambang. 2013. “Desain Kontrol PWM Pengatur Kecepatan Motor BLDC Untuk Mobil Listrik.” Seminar Nasional Teknologi Informasi &
Komunikasi Terapan 2013 (Semantik 2013) 2013(November):42–48.
Taif, Muhammad, Muhammad Yunus Hi. Abbas, and Mohammad Jamil. 2019.
“Penggunaan Sensor Acs712 Dan Sensor Tegangan Untuk Pengukuran Jatuh Tegangan Tiga Fasa Berbasis Mikrokontroler Dan Modul Gsm/Gprs Shield.”
PROtek : Jurnal Ilmiah Teknik Elektro 6(1). doi: 10.33387/protk.v6i1.1009.
Utama, Aris Syaiful. 2016. “Rancang Bangun Pengendalian Relative Humidity Untuk Optimalisasi Pembuatan Pupuk Kompos Pada Fertilizer Maker.”
Rancang Bangun Pengendalian Relative Humidity Untuk Optimalisasi Pembuatan Pupuk Kompos Pada Fertilizer Maker.
Yusup, Febrinawati. 2018. “Uji Validitas Dan Reliabilitas Instrumen Penelitian Kuantitatif.” Jurnal Tarbiyah : Jurnal Ilmiah Kependidikan 7(1):17–23. doi:
10.18592/tarbiyah.v7i1.2100.
Zhang, Hao Ming, Lian Soon Peh, and Ying Hai Wang. 2014. “Servo Motor Control System and Method of Auto-Detection of Types of Servo Motors.”
Applied Mechanics and Materials 496–500(1):1510–15. doi:
71
10.4028/www.scientific.net/AMM.496-500.1510.
Akbar Habibi, G. (2013). Perancangan Dan Analisis Otomasi Sistem Kendali Quadcopter Melalui Koordinat Dengan Global Positioning System Tracker.
