RANCANG BANGUN ROTATOR ELEVASI SATELIT NANO UNTUK PORTABLE GROUND STATION

LOGO

RANCANG BANGUN ROTATOR ELEVASI SATELIT NANO UNTUK PORTABLE

GROUND STATION

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Made Yudithia Krisnabayu 2108100081

Contents

Pendahuluan

1.

Kajian Pustaka

2.

Metodologi

3.

Perancangan

4.

Penutup

5.

PENDAHULUAN

PENDAHULUAN Latar Belakang

1

Kondisi Geografis Indonesia begitu menakjubkan, terbentang panjang dari Sabang

sampai Merouke

2

Menjadi bangsa Indonesia yang mandiri akan teknologi satelit

3

Rotator sebagai penggerak antena memiliki

fungsi dalam mendukung

pergerakan antena ketika

proses komunikasi

Latar Belakang

1

Kondisi Geografis Indonesia begitu menakjubkan, terbentang panjang dari Sabang

sampai Merouke

Indonesia membutuhkan banyak infrastruktur satelit, baik untuk proses pengamatan bumi, untuk pengamatan objek, keamanan dan pertahanan laut, serta tentunya untuk komunikasi

Latar Belakang

2

Menjadi bangsa Indonesia yang mandiri akan teknologi satelit

Sumber: wikipedia.org

Barulah pada tahun 2006 dan 2007 Indonesia membuat satelit buatan sendiri melalui LAPAN

Gambar satelit INASAT-1 & TUBESAT

Untuk kedepannya LAPAN akan bekerjasama dengan dosen dan mahasiswa di Indonesia mengembangkan teknologi satelit

Latar Belakang

3

Rotator sebagai penggerak antena memiliki

fungsi dalam mendukung

pergerakan antena ketika

proses komunikasi

Didalam mendukung sistem satelit

rotator yang PRESISI dalam menggerakan antena.

KARENA

Payload atau muatan yang akan dikirim akan diterima dengan baik antena dapat menghadap tepat ke arah satelit

Rumusan masalah, Tujuan, Manfaat

Bagaimana rancangan rotator antena untuk portable ground station^.

Rumusan masalah

Membuat rotator antena untuk mendukung teknologi satelit guna mampu menjadi bangsa

yang mandiri dalam teknologi satelit

Tujuan Rumusan masalahManfaat

Mempunyai rotator antena sendiri untuk portable ground station sehingga nantinya

bisa mendukung menjadi bangsa

mandiri

Batasan Masalah

Satelit berevolusi dengan pusat pada antena ketika melewati wilayah indonesia.

Kondisi udara steady t=konstan, uniform di setiap section  gaya yang terdistribusi merata: V=5.9 m/s, massa jenis udara diatmosfer konstan 1.23 kg/m³.

Sistem kontrol fokus pd pencapaian steady condition (tidak membahas sirkuit elektronik detail).

Hanya dirancang rotator elevasi saja tanpa rotator azimuth.

Portable Ground Station diletakkan pada kondisi diam sehingga getaran wahana dapat diabaikan.

Ketelitian rotator elevasi sebesar ± 1⁰.

Massa antena dan frame sebesar 1.5 kg.

Digunakan motor dc encoder dengan konsumsi daya sebesar 24 V dan arus 0.5 A, jenis mikrokontroler yakni ATMEGA 8535.

Dilakukan pendekatan eksperimental untuk mengetahui performance dan pendekatan numerikal untuk mengetahui kekuatan struktur pada komponen tertentu yakni batang penyangga antena.

Penentuan posisi satelit di luar angkasa yang akan dikirim menuju kontrol rotator melalui data TLE (two line element) dianggap tepat dan sesuai sehingga dianggap tidak terjadi error measurement posisi satelit.

Sistematika Penulisan

BAB I PENDAHULUAN

BAB III METODOLOGI

BAB V PENUTUP

Sistematika Penulisan

BAB II KAJIAN PUSTAKA

BAB IV PERANCANGAN

Kajian Pustaka

KAJIAN PUSTAKA

Satelit Teori

Perancangan Komponen

Kontrol

• Pemahaman Satelit

• Portable GS

• Data satelit nano IiNUSAT

• Gaya Hambat

• Gaya Permukaan

• Gaya Berat

• Roda Gigi

• Poros

• Bantalan

• Teori Kegagalan

• Sensor Encoder

• Potensiometer

• Mikrokontroler

• Motor DC

• H-Bridge

• LCD Penampil

Kajian Pustaka

(Satelit)

Apa itu satelit?

Satelit merupakan benda yang mengorbit terhadap benda lain dalam periode revolusi tertentu

Bulan adalah satelit alam Kemudian apa bedanya dengan satelit buatan?

Satelit buatan sengaja dibuat untuk tujuan tertentu misalnya untuk astronomi, untuk navigasi, untuk cuaca dll.

Teknologi Satelit Buatan

Bruce R. Elbert

“Introduction to satellite communication"

Overall System Ground

Station Space

station

Kajian Pustaka

(Satelit)

Subsistem stasiun

bumi

Jelaslah bahwa rotator merupakan komponen penting dalam mendukung

fungsi satelit

Tabel subsistem GS

Portable Ground Station

Pada dasarnya prinsip dan

fungsinya sama seperti GS yang dipaparkan sebelumnya hanya saja peralatan-peralatan yang mudah dibawa dan compact.

Gambar Portable GS

Kajian Pustaka

(Satelit)

Data teknis satelit nano IiNUSAT

Parameter Nilai

Orbit

Semi-major axis (km) 7071

Inclination (derajat) 98.2

Eccentricity 0

Altitude (km) 700

Orbital periode (menit) 98.63

Orbit velocity (km/s) 7.5

Groundtrack velocity

(km/s) 6.765

Atmosphere Related Atmosphere density:

Mean (kg/m³) 2.36E-14

Maximum (kg/m³) 2.73E-13 (Sumber: Prelimanary design of IiNUSAT)

Nama orbit : Sun- Synchronous Polar Orbit

Kajian Pustaka

Jenis Antena Mikrostrip

Karakter: ringan

Kajian Pustaka

(Teori Perancangan)

Gaya Hambat

F_D: Gaya hambat

ρ : Massa jenis dari fluida yang mengalir

V : Kecepatan objek A : Luasan objek

C_D : Koefisien gesekan dari objek

ύ : adalah vector satuan

Sumber: “Introduction to fluid mechanic” by Fox&McDonald

Kajian Pustaka

(Teori Perancangan)

Gaya Permukaan

Fs :gaya permukaan yang timbul akibal

kecepatan udara luar ρ : massa jenis udara(N)

atmosfer (1.23 kg/ms) V : kecepatan udara

atmosfer (m)

A : luasan proyeksi antena

Sumber: “Introduction to fluid mechanic” by Fox&McDonald

Kajian Pustaka

(Teori Perancangan)

Gaya Berat

W : gaya berat (N) m : massa benda (kg) g : gaya gravitasi (m/s²)

W = m × g

Kajian Pustaka

(Teori Perancangan)

Jadi Ketiga jenis gaya tersebutlah yang nantinya akan bekerja pada mekanisme rotator elevasi ini

Gambar free body diagram gaya yang bekerja

Kajian Pustaka

(Teori Perancangan)

Rodagigi

Velocity Ratio

Material Roda gigi

 Aman

Terhadap patahan Terhadap keausan

Poros

Mencari diameter min terhadap material tertentu

Bantalan

Berdasarkan di jenis bantalan pasaran,

dihitung berapa umurnya akibat gaya

bekerja

Komponen Elektronik

Mikrokontroler LCD Penampil

Magnetik Encoder

H-Bridge Potensiometer

Motor DC

Kajian Pustaka

(Komponen Elektronik)

Metodologi

Tahapan

Perancangan Diagram

Alir Hasil

Desain Variabel Hasil

Metodologi

Diagram Alir Perancangan

Start Definisi Tugas

Syarat Batas

Pembuatan Konsep Rancangan Seleksi Konsep

Perancangan & Perhitungan

Rancangan

Mekanika Rancangan

Kontrol

Evaluasi Manufakturing

Bisa dimanufakturing

Proses Pembuatan Alat

Finish Uji Coba Alat Survey,Interview,Studi

Literatur List Of

Requirment

Check List Manufaktur

Tidak Ya

Baik/Tidak Hasil

Tidak Ya Mekanika &/

kontrol

Metodologi

Diagram Alir Desain Mekanika

Start

Kondisi Lingkungan, Syarat Orbit, Dimensi

Antena

Perhitungan Kecepatan Angular Antena

Perhitungan Gaya- Gaya Pada Rotator

Perhitungan Torsi Minimum

Perhitungan Reduksi Roda Gigi

Gaya yang Terjadi Tiap Komponen

Pemilihan Material Komponen

Material Aman?

Rancangan: Dimensi, Material,Spek Komponen,Umur

Pemilihan Motor di Pasaran

Mengganti Material Pemeriksaan Keamanan

Orbit Sun- Synchronous Polar

Finish RPM Motor

& Output

Tidak Ya

Metodologi

Diagram Alir Desain Kontrol

Start Derajat

Posisi

Interface (komputer) memberi signal ke mikroprocesor Mikroprosesor mengolah data

Layar LCD Penampil Signal Diteruskan ke

Encoder berupa derajat putar Encoder Memberi Perintah ke Motor

bergerak

Motor Menggerakan Roda Gigi Hingga

Aktuator

Potensiometer Membaca Gerakan Aktuator

Potensiometer memberikan feedback data derajat aktual menuju mikroprosesor

Mikroprosesor Membandingkan Input terhadap Output

(Eror=Output-Input)

1⁰≤ Eror ≤1⁰?

Data Eror diolah

Posisi Aktuator yang Akurat

Finish

Tidak Ya

LCD&

Encoder

Metodologi

Diagram Alir Analisa Numerik

Start Komponen

Gambar Desain

Pemberian gaya-gaya pada Ansys

Parameter

Running

Finish

Sukses? Tidak

Tegangan Ya komponen

Evaluasi

Metodologi

Hasil Awal Desain Mekanika

Frame tempat antena

Batang Penyangga antena

Gambar desain Frame antena

Posisi baut ke casing

Roda gigi worm Poros Utama penumpu

antena

Holder Gearbox

Posisi baut ke motor

Roda gigi 1

Roda gigi 2a Roda gigi 2b Roda gigi 3a Roda gigi heliks

Gambar desain gear box

Metodologi

Tempat Potensiometer

Casing kanan Casing kiri

Posisi baut gear box dan casing

Gambar desain casing rotator Hasil Awal Desain Mekanika

Gambar hasil desain awal rotator elevasi

Frame antena

Potensiometer

Motor Gearbox

Metodologi

Interface ATMEGA 8353 Encoder, Motor, Roda Gigi, Antena

Potensiometer Input

Derajat

Input Tranduser Signal ^Komp_arator

Inputke Eror/

Signal

Mikrokontroler

Tegang an

Plant atau Proses

Output Derajat

Sensor Signal

derajat aktual

Data Derajat

Gambar blok diagram fungsional desain kontrol Hasil awal desain kontrol

Variabel hasil

 Kecepatan angular antena sesuai pergerakan satelit

Torsi minimum yang dibutuhkan motor

Reduksi roda gigi

Dimensi detail komponen

Jenis material dan keamanan material komponen

Diagram kontrol

Biaya total pembuatan alat

PERANCANGAN

Rancangan Mekanika

Proses

Manufakturing Biaya

Pembuatan Analisa Numerik

Sistem Kontrol

Unjuk KerjaUji Gambar Teknik

Rancangan Mekanika

1. Perhitungan Kecepatan Angular Satelit

Kecepatan translasi satelit diangkasa luar (V) = 6.765 km/s

Jarak satelit dengan permukaan bumi dalam hal ini antena (R) = 700 km

Dari Informasi tersebut dapat dihitung bahwa:

* Nilai tersebut nantinya akan digunakan untuk merancang kecepatan rotator elevasi ini.

Rancangan Mekanika

2. Perhitungan Gaya yang Terjadi a. Gaya Hambat

*Berapa kecepatan translasi antena pada pusat gaya yang bekerja?

Dimana:

ρ = massa jenis udara (1.23 Kg/m³)

Cd = coeffisien of drag (Cd = 1.28 bidang kontak berupa flat plate) A = Bidang luasan antenna mikrostrip (500mm × 250mm)

V = Kecepatan translasi antenna

Rancangan Mekanika

Bisa didapat melalui persamaan:

Dimana:

ẋ = jarak gaya terpusat dari titik tengah antena n = untuk fungsi kuadratik maka bernilai 2 p = Panjang antena

Lb =panjang batang

R =Jarak gaya terpusat dari pusat putar antena

V =kecepatan translasi suatu titik dimana bekerja gaya hambat

V = 2.096×10^-3 m/s

Gambar Freebody diagram jarak gaya hambatan satu sisi antena

Fd = - 2.15 × N

(tanda minus menunjukan gaya berlawanan arah dengan kecepatan antena)

Rancangan Mekanika

2. Perhitungan Gaya yang Terjadi

a. Gaya Permukaan Akibat Angin

Dimana

v = Kecepatan angin rata-rata di Indonesia A = Luasan penampang antena

Fs = 5.3 N

* Gaya permukaan ini bekerja terpusat pada titik ditengah-tengah dari bidang antena

Gambar gaya permukaan pada antena ketika terkena tekanan angin

Rancangan Mekanika

2. Perhitungan Gaya yang Terjadi c. Gaya Berat

Dihasilkan:

Gaya berat antena&frame Wa = 9.8N

Gaya berat batang Wb = 2.45 N

Rancangan Mekanika

Gambar Freebody diagram gaya-gaya yang terjadi pada antena untuk perhitungan torsi

Rancangan Mekanika

Didapat Torsi minimal yang dibutuhkan ialah 1.37 Nm

α = 25.25⁰

Berapa posisi sudut α yang dipakai untuk mendapatkan nilai torsi terbesar?

*Bisa didapat dengan menggunakan program matlab (newton raphson)

D’Alembert

*Sehingga harus dipilih motor yang memiliki torsi lebih besar dari nilai tersebut

Rancangan Mekanika

3. Perancangan Roda gigi

Roda gigi 1 jenis spur gear dg1= 5.8 cm = 2.28 in

Nt1 = 54

Roda gigi 2a jenis spur gear dg2a = 1.1 cm = 0.43 in

Nt2a = 11

Roda gigi 2b jenis spur gear dg2b = 5.2 cm = 2.04 in

Nt2b = 50

Roda gigi 3a jenis spur gear dg3a = 1.2 cm = 0.472 in

Nt3a = 12

Roda gigi pasangan worm dg = 5.4 cm = 2.13 in

Ntg = 50

Roda gigi Worm Ntw = single lead= 0.35 cm dW = 1.3

Gambar Rancangan roda gigi reduksi putaran motor

*karena spesifikasi motor yang telah dipilih 103 rpm

untuk mereduksi menjadi 0.1 rpm

Rancangan Mekanika

3. Perancangan Poros & Bantalan

Poros 1  material AISI 1010 HR  d ≥ 0.708cm d = 1.5 cm

Bantalan sisi Asingle row deep groove ball bearing tipe 61802 5,528 x 10¹⁰ hr Bantalan sisi Bsingle row deep groove ball bearing tipe 61802 3,481 x 10¹⁰ hr

Poros 2  material AISI 1010 HR  d ≥ 0.5cm d = 0.5 cm

Bantalan sisi Asingle row deep groove ball bearing tipe 618/5 27,24 x 10⁸ hr Bantalan sisi Bsingle row deep groove ball bearing tipe 618/5 1,05 x 10⁸ hr

Poros 3  material AISI 1010 HR  d ≥ 0.311cm d = 0.4 cm

Bantalan sisi Asingle row deep groove ball bearing tipe 618/4 25,21 x 10⁸ hr Bantalan sisi B single direction thrust ball bearing tipe BA4.  1,735 x 10¹¹ hr

Proses Manufakturing Rotator

1. Roda Gigi

Gambar hasil pembuatan roda gigi lurus dan cacing

Proses Manufakturing Rotator

2. Gear Box

Gambar hasil pembuatan roda gigi lurus dan cacing

Proses Manufakturing Rotator

3. Poros

Gambar proses dan hasil pembuatan poros

Proses Manufakturing Rotator

4. Casing

Gambar proses pengerjaan casing

Proses Manufakturing Rotator

5.Batang penyangga

Gambar hasil pengerjaan batang penyangga

Assembly

Hasilnya seperti apa?

*pasang gearbox *pasang sensor *pasang casing

Add Your Text

Hardware Rotator

Add Your Text

Gambar rotator elevasi.

Biaya Pembuatan Rotator

No. Barang Tipe Harga Jumlah Total

1 motor dc servo GM32 series Rp 385,000.00 1 Rp 385,000.00 2 potentiometer multiturn Rp 125,000.00 1 Rp 125,000.00 3 Relay Omron Rp 12,000.00 4 Rp 48,000.00 4 microcontroler atmega Rp 195,000.00 1 Rp 195,000.00 5 op-amp lm324 Rp 1,000.00 1 Rp 1,000.00 6 soket ic Rp 300.00 1 Rp 300.00 7 spicer Rp 650.00 8 Rp 5,200.00 8 header 1*40 Rp 1,000.00 5 Rp 5,000.00 9 black house lp Rp 250.00 40 Rp 10,000.00 10 pcb lubang Rp 4,500.00 1 Rp 4,500.00 11 power supply 24V-2A Rp 170,000.00 1 Rp 170,000.00 12 lcd 16*2 Rp 60,000.00 1 Rp 60,000.00 13 kabel ac Rp 7,500.00 1 Rp 7,500.00 14 kabel pelangi 20p Rp 24,000.00 1 Rp 24,000.00 15 can 1gp Rp 4,000.00 1 Rp 4,000.00 16 black house Rp 300.00 20 Rp 6,000.00 17 usb to serial arduino Rp 165,000.00 1 Rp 165,000.00 18 transistor npn Rp 1,000.00 4 Rp 4,000.00 19 resistor Rp 300.00 6 Rp 1,800.00 Total Biaya Komponen Rp 1,221,300.00 Total Biaya Manufakturing Rp 3,500,000.00 Total Biaya Rotator Rp 4,721,300.00

Tabel biaya pembuatan rotator elevasi

Analisa Numerik Batang Penyangga

Displacement Solution Stress Solution Strain Solution

Sistem Kontrol

Terjadi perubahan rancangan desain kontrol

1. Driver motor

H-Bridge

Rangkaian Relay

Sistem Kontrol

Lader Diagram Logika Driver Motor DC

dengan Relay

Gambar ladder diagram

CR1 CR2 Port C1

CR2 CR1 Port C2

Motor 12V

10V

A B

CR2

CR1 CR1

CR2

A B

Sistem Kontrol

2. Penggunaan Encoder

U/ Lebih efisien : dimensi & biaya



Uji Unjuk Kerja Rotator

Melalui visual basic _input

Posisi Derajat Antena

Posisi input output “cocok”

motor mati.

Pengujian Sensor Potensiometer Ketelitian : 1.5 derajat

“send” & “system on”

Mikrokontroler bekerja

Relay mendapat signalmotor

Potensiometer membaca posisi EROR = Output Aktuator-Input VB

Uji Unjuk Kerja Rotator

Video Uji Rotator

Uji Unjuk Kerja Rotator

No

Sudut (derajat)

Sample 1 Sample 2 Sample 3

in out Eror in out Eror in out Eror

1 10 10 0 60 61 1 135 136 1

2 10 9 1 60 61 1 135 136 1

3 10 10 0 60 58 2 135 137 2

4 10 11 1 60 59 1 135 136 1

5 10 10 0 60 59 1 135 136 1

Tabel hasil pengujian rotator

Eror maksimum : 2⁰ Eror minimum : 0⁰ Range Eror : 0⁰ - 2⁰ Average eror : 0.933⁰

Kesimpulan

Kesimpulan

Sistem mekanis  komponen roda gigi lurus sebanyak 4 buah  material aman berupa VCN 150 yang mudah didapatkan dipasaran, pasangan roda gigi cacing-helixs dengan material aman roda gigi cacing berupa VCN 150 dan roda gigi helixs berupa cast iron, 3 buah poros dengan kondisi aman diameter poros 1 yang digunakan yakni 1.5 cm, diameter poros 2 yakni 5 mm dan diameter poros 3 yakni 4 mm, keseluruhan material yang aman yang digunakan yakni AISI 1010 HR. Sedangkan untuk material casing yang digunakan yakni aluminium karena mudah untuk dimanufakturing dan berat yang relatif lebih ringan.

Sistem kontrol Motor DC tanpa sensor encoder cukup dengan sensor potensiometer saja, driver motor berupa rangkaian 4 buah relay 12 V, power supply 24 V, mikrokontroler jenis ATMEGA 8535 dengan keunggulan berupa memori yang relatif besar dan terdapat port analog yang bisa digunakan untuk data sensor potensiometer, layar LCD yang digunakan sebagai tampilan inputan dan output yang terjadi, serta rangkaian resistor dan transistor tambahan untuk menghubungkan mikrokontroler dengan relay 12 V.

Untuk proses manufakturing dari rotator elevasi ini terdiri dari proses pembuatan komponen mekanis berupa:pembuatan roda gigi, pembuatan gear box, pembuatan poros, pembuatan casing, pembuatan batang penyangga.

Kesimpulan

Kesimpulan

Gaya gaya permukaan akibat tekanan angin, gaya berat antena dan frame, gaya berat batang penyangga dan gaya hambatan dimana masing-masing bernilai 5.3N, 9.8N, 2.45N, Terjadi pada saat antena berada pada posisi sudut 25.25⁰ dari sumbu horizontal. Posisi tersebut didapat berdasarkan perhitungan dengan menggunakan MATLAB yakni melalui persamaan newton raphson. Dimana dari hasil perhitungan torsi minimal yang ditanggung pada bagian aktuator sebesar 1.37 Nm sedangkan torsi minimal yang harus dimiliki motor melalui sistem roda gigi reduksi ini yakni sebesar 0,00143 Nm. Untuk harga torsi tersebut, motor dc dengan jenis GM320051Series ini mampu mengatasi beban yang ditanggung antena, dimana berdasarkan datasheet motor DC jenis ini diketahui bahwa memiliki torsi sebesar 2.2 Nm.

Analisa numerik ANSYS displacement terbesar yakni pada ujung bidang atas komponen dengan harga sebesar -0.36593E-02mm pada arah sumbu X, -0.29315E-01mm pada arah sumbu Y, 0.15836mm pada arah sumbu Z dengan resultan sebesar 0.16108mm. Sedangkan untuk hasil tegangan memiliki nilai sebesar -45.419N/mm² Pa pada S1, 12.570 N/mm² pada S2, 8.1455N/mm² pada S3 dan SINT tegangan sebesar 41.912 N/mm² serta SEQU sebesar 38.559N/mm². Sementara untuk regangan terbesar yang terjadi memiliki nilai-nilai yakni 0.19182E-03mm/mm pada arah sumbu X, 0.46567E-04mm/mm pada arah sumbu Y, 0.70090E-10mm/mm pada arah sumbu Z dan resultan sebesar 0.19891E-03mm/mm.

Kesimpulan

Kesimpulan

Ketelitian telah ditentukan diawaleror yang terjadi maksimal hanya 1⁰. Berdasarkan pengujian  1.5⁰. Hal yang paling berpengaruh atas ketelitian rotator ini ialah sensor potensiometer . Dimana apabila semakin lebar bacaan hambatan yang dimiliki oleh potensiometer ini maka bilangan pembagi putaran 180⁰ akan semakin besar juga, dengan demikian akan didapat ketelitian rotator yang akan semakin tinggi. Sedangkan berdasarkan hasil pengujian langsung dengan menetapkan 3 buah sample posisi derajat yakni 10⁰, 60⁰, 135⁰ didapatkan range eror yang terjadi yakni 0⁰-2⁰. Harga eror sebesar 2⁰ tersebut yang melebihi 1.5⁰ ini dapat terjadi karena, bacaan pada busur derajat yang digunakan sebagai visualisasi posisi sudut tidak memiliki ketelitian hingga 0.5⁰ sehingga ketika suatu ketika dihasikan posisi 30.5⁰ maka yang dibaca adalah 30⁰ tau 31⁰, selain itu juga dikarenakan oleh sistem power supply yang digunakan akan tetap mengirim tegangan sisa kepada motor walaupun sistem telah mati akibat terdapatnya komponen elektronik kapasitor yang memiliki sifat menyimpan muatan sejenak. Secara keseluruhan dengan eror sampai sebesar 2⁰ ini masih memungkinkan berlangsungnya proses pengiriman informasi dari dan menuju spacecraft dengan baik, hal ini dikarenakan oleh antena yang digerakan oleh rotator elevasi satelit nano ini ialah jenis antena mikrostrip.

LOGO