RANCANG BANGUN UNMANNED AERIAL VEHICLE (UAV) EMPAT BALING-BALING (QUADROTOR-ARDUCOPTER)

(1)

RANCANG BANGUN UNMANNED AERIAL VEHICLE

(UAV) EMPAT BALING-BALING

(QUADROTOR-ARDUCOPTER)

Muhammad Arifudin Lukmana

2107 100 059

TUGAS AKHIR

Jurusan Teknik Mesin Fakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012

Dosen Pembimbing :

Hendro Nurhadi Dipl.-Ing, Ph.D

(2)

Latar Belakang

• Unmanned Aerial Vehicle (UAV) memiliki

banyak fungsi. Yakni:

–

Penginderaan Jauh

–

Transportasi

–

Penelitian Ilmiah

–

Penyerang bersenjata

–

Search And Rescue (SAR)

Quadrotor Draganflyer (Amerika)

Quadrotor Microdrones (Jerman)

(3)

Tujuan Tugas Akhir

• Menghasilkan quadrotor.

• Analisis struktur quadrotor dengan Metode

Elemen Hingga.

• Analisis kestabilan jelajah (attitude) dan

kestabilan ketinggian tetap (altitude hold)

dengan bantuan software MATLAB

(4)

Batasan Masalah

• Sistem elektronik dan mikrokontroller yang

digunakan adalah Ardupilot Mega

• IMU, Kompas, barometer, telemetri 2 arah dan

GPS terintegrasi dalam Ardupilot Mega

• Waktu operasi Quadrotor hingga 10 menit

• Ketinggian Maksimum 20 meter

• Quadrotor dikendalikan dengan remote

control

(5)

Batasan Masalah (lanjut)

• Kemampuan angkut maksimum 500 gram

• Dalam analisis struktur:

–

Quadrotor hanya mengalami gaya statis

–

Faktor keamanan 1,5 dengan kriteria kegagalan

von-mises

• Sistem dinamik yang nonlinier dilinierisasi

• Dalam simulasi, titik berat tepat berada

ditengah

• Stabil terhadap gangguan dari luar dengan

(6)

Manfaat

Manfaat dari Tugas Akhir ini adalah dapat

menjadi solusi dalam pengamatan dari jauh

dengan wahana tanpa awak melalui udara.

Diharapkan quadrotor ini mampu digunakan

(7)

Analisis Struktur dengan

Metode Elemen Hingga

Ada tiga faktor utama yang

dipertimbangkan:

1. Kekuatan

2. Defleksi

3. Berat

Kriteria Kegagalan:

Von-Mises /

Distortion Energy

Theory dengan Faktor

keamanan= 2

7

Carlos, Nate dkk. 2009. IARC Team Quadrotor. Virginia:Virginia Tech

(8)

Desain Quadrotor

Konfigurasi frame yang digunakan adalah Plus (+)

Pasangan propeller yang digunakan dalam quadrotor, pusher dan normal

Mundur Maju Kiri Kanan

(9)

Dinamika Quadrotor

(10)

Persamaan Gerak 6 dof

ф = Roll ϴ = Pitch Ψ = Yaw

Input Sistem: (U1 – U4) Kecepatan putar rotor: Ω

10

Sumber: Bouabdallah, Samir dkk.2008. Design and Control of an Indoor Micro Quadrotor. Lausanne:Swiss Federal Institute of Technology

(11)

Kendali

Proportional-Integral-Derivative (PID)

• Paling banyak digunakan

• Dapat diterapkan pada high-order plant dengan baik

• Mampu menghasilkan kendali stabilitas yang baik

• Single Input Single Output (SISO)

∫

+

=

dt

de

K

edt

K

t

e

K

t

u

(

)

₁

(

)

₂ ₃ Response

closed-loop Rise time overshoot Waktu turun Eror kondisi tunak

Kp Turun Meningkat Perubahan

kecil Turun Kd Turun Meningkat Meningkat Hilang Ki Perubahan

kecil Turun Turun Perubahankecil

(12)

Sensor:

Inertial Measurement Unit (IMU)

• Adalah peralatan

elektronik yang mengukur

dan melaporkan

kecepatan, orientasi dan

gaya gravitasi dari sebuah

wahana.

• Menggunakan kombinasi

satu/lebih accelerometer

dan giroskop.

• IMU biasanya digunakan

dalam manuver pesawat

terbang.

(13)

Sensor-sensor Lainnya

HMC5883L - Triple

Axis Magnetometer MediaTek MT3329 GPS 10Hz + Adapter Basic

Sensor tekanan atmosfer (barometer) elektronik yang terdapat pada Ardupilot Mega

Kompas Digital GPS

Barometer

LV-MaxSonar-EZ4 Jangkauan < 6,45 m

(14)

Modul Ardupilot Mega

Ardupilot Mega Controller

IMU Shield

Controller dan IMU Shield

(15)

Modul Ardupilot Mega (lanjut)

Memiliki kemampuan

• 8 channel input & output

• 3 axis gyro-accelerometer

• Sensor tekanan (barometer)

• Built-in Flight record

• Modus Autopilot

• Arduino programmable

• Built-in relay

• Komunikasi dua arah (dengan

modul Xbee)

• Mendukung GPS

• Mendukung Magnetometer

• Open-Source

Controller dan IMU Shield

disusun menjadi unit Ardupilot Mega

(16)

Motor DC Brushless –

Electronic Speed Controller

Motor elektrik DC brushless Turnigy D2830-11 Specs: Rpm/V: 1000kv Shaft: 3.17mm Voltage: 2S~4S (7.4v to 14.8v) Weight: 52g Watts: 210w

Max Current: 21A ESC: 30A

Suggested Prop: 8x4 (4S) ~ 10x7 (2S)

Electronic Speed Controller Mystery 30A

Spec.

Amp rating: 30A

Burst Rate (10sec): 40A BEC Output : 5.0V / 3A Voltage: 7.4-11.1V

(2-3 cell Lipo/5-10 NiCd)

Dimensions: 43x23x6mm Weight: 25g

(17)

Baterai & Remote Control

17

Spec.

Minimum Capacity: 2200mAh

Configuration: 3S1P / 11.1v / 3Cell Constant Discharge: 20C

Peak Discharge (10sec): 30C Pack Weight: 185g

Pack Size: 103 x 33 x 24mm

Charge Plug: JST-XH Discharge Plug: XT60

Turnigy 2200mAh 3S 20C Lipo Pack

Remote Control Futaba 6J

(18)

Kamera + Pan-Tilt Mount

Camera spec.

CCD sensor type:1/3 color SONY CCD Pixel;

PAL: 500(H)*582(V) (Included)

Scanning system: Interlaced scanning Synchronization: System:Inter

Horizontal resolution: 420TV line Minimum Illumination 0.01LUX/F1.2 DSP+CCD: CXD3142R+405AK

S/N Ratio: 48dB

Gamma Modification: 0.45

White balance: Auto

Auto backlight compensation: Auto Lens: 3.6MM

Audio: No

Input voltage: 9~12.6V Electric current 80mA

Electronic Shutter: 1/50 (60) ~ 1/100,000s Video output: 1.0VP-P composite video Operation Temp.: -20~50

Size: 38*38mm

(19)

Metodo-logi

A

(20)

Metodologi

(21)

Sistem Minimum Quadrotor

(22)

(23)

IV. PROSES RANCANG BANGUN

DAN PENGUJIAN SISTEM

(24)

Perancangan dengan CATIA

lengan

x

z

y

No Koefisien

Nilai

Satuan

1 Massa (m)

0,978

Kg

2 Lengan (l)

0,302

meter

3 Ix

0,022

Kg m

2

4 Iy

0,022

Kg m

2

5 Iz

0,043

Kg m

2

6 Jr

(inersia

motor-propeller)

3,139x10

-5

_{Kg m}

2

(25)

Simulasi Struktur dengan Metode

Elemen Hingga

25 8,73 N 8,73 N 8,73 N 8,73 N

Restraint

Vektor displacement pada lengan

Quadrotor, bernilai maksimum 1,85 mm Diagram benda bebas untuk simulasi struktur lengan Quadrotor

Material Lengan: Alumunium 6061-T6 Massa Jenis: 2710 Kg/m3

Kekuatan Yield: 241 MPa

(26)

Struktur Lengan Quadrotor

Nodal contour untuk von mises stress dengan tegangan maksimum 68,3 MPa

Maka bahan aluminium 6061-T6 telah memenuhi syarat kekuatan struktur,

Karena FS>1,5.

(27)

Plat Tengah

27

Diagram benda bebas plat

Vektor displacement akibat

pembebanan pada plat,

(28)

Plat Tengah (lanjut)

Nodal contour untuk tegangan ekivalen von

mises pada plat, nilai maksimum 19,15 MPa

Karena nilai faktor keamanan 3,06 > 1,5.

(29)

Pembuatan Quadrotor

29

Penyusunan plat tengah dan

(30)

Pembuatan Quadrotor(2)

(31)

Bentuk akhir Quadrotor

(32)

(33)

PID Tuning Ardupilot Mega

(34)

Dimensi Quadrotor

Diameter propeller 9 in,

pitch 4,7 in

60,5 cm

lengan -

_landasan

7,5 cm

4 cm

(35)

35

Massa Total 1117 gram

Kamera dengan pan-tilt mechanism

(36)

(37)

Data Pendukung

37

No Koefisien

Nilai

Satuan

1 Massa (m)

0,978

Kg

2 Lengan (l)

0,302

meter

3 Ix

0,022

Kg m

2

4 Iy

0,022

Kg m

2

5 Iz

0,043

Kg m

2

6 Jr

3,139x10

-5

_{Kg m}

2

7 Daya Maks

Motor (P

_max)

210 Watt

8 Gaya tarik

maksimum

motor

8,73

Newton

Thrust

Putaran

Motor

(rpm)

0 %

0 rpm

20 %

± 2100 rpm

50 %

± 4600 rpm

100 %

± 6700 rpm

Tachometer

genggam

digital

(38)

Thrust Factor (Cb)

• Thrust factor adalah konstanta yang

mengubah nilai putaran rpm motor-propeller

menjadi gaya tarik/dorong.

• Dari tabel sebelumnya diketahui nilai:

–

F thrust (0-8,73 N)

–

Ω = kecepatan putar rotor (0-6700 rpm)

(39)

Permodelan Motor

(40)

(41)

Blok Diagram simulink sub sistem

motor

(42)

(43)

Simulasi Sistem Kendali Roll

43

Proportional 8,5 Integral 0 Derivative 4

Sudut roll Over shoot Settling Time

S S Error

15 derajat 2,8 % 1,419 detik 6x10^4 30 derajat 2,8 % 1,414 detik 11x10^4 45 derajat 2,8 % 1,418 detik 17x10^4

(44)

Respon kecepatan putar motor untuk

input sudut roll 15, 30 dan 45 derajat

(45)

Simulasi Sistem Kendali Pitch

45

Proportional 8,5 Integral 0 Derivative 4

Sudut

pitch

Over

shoot

Settling Time SS Error

15 derajat

2,8 %

1,421

6x10^4

30 derajat

2,8 %

1,413

11x10^4

45 derajat

2,8 %

1,418

17x10^4

(46)

Respon kecepatan putar motor untuk

input sudut pitch 15, 30 dan 45 derajat

(47)

Simulasi Sistem kendali yaw

47 Sudut Yaw Over shoot Settling Time SS Error 30 derajat 1,03 % 2,321 detik 11x10^4 60 derajat 1,03 % 2,327 detik 21x10^4 90 derajat 1,03 % 2,308 detik 32x10^4

(48)

Respon kecepatan putar motor untuk

input sudut pitch 30, 60 dan 90 derajat

(49)

Simulasi Sistem kendali ketinggian

49

)

(50)

Respon kecepatan putar motor untuk

input Ketinggian tetap

(51)

Rangkuman hasil simulasi

51

Sistem Kp Ki Kd Settling Time Overshoot Steady-state Error

Ketinggian 40 18 12 6,339 detik - 0,001 m

Sudut roll Over shoot

Settling Time SS Error

15 derajat 2,8 % 1,419 detik 6x10^-4 30 derajat 2,8 % 1,414 detik 11x10^-4 45 derajat 2,8 % 1,418 detik 17x10^-4 Sudut pitch Over shoot Settling Time SS Error 15 derajat 2,8 % 1,421 6x10^-4 30 derajat 2,8 % 1,413 11x10^-4 45 derajat 2,8 % 1,418 17x10^-4

Sudut Yaw Over shoot Settling Time SS Error 30 derajat 1,03 % 2,321 detik 11x10^-4 60 derajat 1,03 % 2,327 detik 21x10^-4 90 derajat 1,03 % 2,308 detik 32x10^-4