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

Muhammad Arifudin Lukmana2107 100 059

TUGAS AKHIR

Jurusan Teknik MesinFakultas Teknologi Industri

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya 2012

Dosen Pembimbing :Hendro Nurhadi Dipl.-Ing, Ph.D

1

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)

2

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

3

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• Dimensi quadrotor ca. 70x70x50 cm 4

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

waktu tunak (steady-state) < 2 detik. 5

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 dalam kasus nyata di masyarakat.

6

Analisis Struktur dengan Metode Elemen Hingga

Ada tiga faktor utama yang dipertimbangkan:

1. Kekuatan2. Defleksi3. Berat

Kriteria Kegagalan:Von-Mises /Distortion Energy Theory dengan Faktor keamanan= 2

7

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

Desain Quadrotor

Konfigurasi frame yang digunakan adalah Plus (+)

Pasangan propeller yang digunakan dalam quadrotor, pusher dan normal

8

Mundur Maju Kiri Kanan

Keatas Kebawah Belok kiriBelok kanan

Dinamika Quadrotor

9

Persamaan Gerak 6 dof

ф = Roll

ϴ = Pitch

Ψ = YawInput 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

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)

∫ ++=dtdeKedtKteKtu 321 )()(

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

11

Sensor:Inertial Measurement Unit (IMU)

• Adalah peralatan elektronik yang mengukur dan melaporkan kecepatan, orientasi dan gaya gravitasi dari sebuah wahana.

• Menggunakan kombinasi satu/lebih accelerometerdan giroskop.

• IMU biasanya digunakan dalam manuver pesawat terbang.

12

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 GPSBarometer

LV-MaxSonar-EZ4Jangkauan < 6,45 m

13

Modul Ardupilot Mega

Ardupilot Mega Controller

IMU Shield

Controller dan IMU Shield disusun menjadi unit Ardupilot Mega

14

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

Telemetri Dua Arah Xbee 15

Motor DC Brushless –Electronic Speed Controller

Motor elektrik DC brushlessTurnigy D2830-11

16

Specs:Rpm/V: 1000kvShaft: 3.17mmVoltage: 2S~4S (7.4v to 14.8v)Weight: 52gWatts: 210wMax Current: 21AESC: 30ASuggested Prop: 8x4 (4S) ~ 10x7 (2S)

Electronic Speed Controller Mystery 30A

Spec.Amp rating: 30ABurst Rate (10sec): 40ABEC Output : 5.0V / 3AVoltage: 7.4-11.1V (2-3 cell Lipo/5-10 NiCd)Dimensions: 43x23x6mmWeight: 25g

Baterai & Remote Control

17

Spec.Minimum Capacity: 2200mAhConfiguration: 3S1P / 11.1v / 3CellConstant Discharge: 20CPeak Discharge (10sec): 30CPack Weight: 185gPack Size: 103 x 33 x 24mmCharge Plug: JST-XH Discharge Plug: XT60

Turnigy 2200mAh 3S 20C Lipo Pack

Remote Control Futaba 6J2,4 GHz 6 channel dan receiver

Kamera + Pan-Tilt Mount

18

Camera spec.CCD sensor type:1/3 color SONY CCDPixel;PAL: 500(H)*582(V) (Included)Scanning system: Interlaced scanningSynchronization: System:InterHorizontal resolution: 420TV lineMinimum Illumination 0.01LUX/F1.2DSP+CCD: CXD3142R+405AKS/N Ratio: 48dBGamma Modification: 0.45

White balance: AutoAuto backlight compensation: AutoLens: 3.6MMAudio: NoInput voltage: 9~12.6VElectric current 80mAElectronic Shutter: 1/50 (60) ~ 1/100,000sVideo output: 1.0VP-P composite videoOperation Temp.: -20~50Size: 38*38mmFlight time: Approx 60min/100mah 3S

Metodo-logi

A

19

Metodologi (lanjut)

A

20

Sistem Minimum Quadrotor

21

Metodologi Simulasi

22

IV. PROSES RANCANG BANGUN DAN PENGUJIAN SISTEM

23

Perancangan dengan CATIA

24

lengan

xz

y

No Koefisien Nilai Satuan

1 Massa (m) 0,978 Kg

2 Lengan (l) 0,302 meter

3 Ix 0,022 Kg m2

4 Iy 0,022 Kg m2

5 Iz 0,043 Kg m2

6Jr (inersiamotor-propeller)

3,139x10-5 Kg m2

Hasil Permodelan 3 Dimensi

Simulasi Struktur dengan Metode Elemen Hingga

25

8,73 N8,73 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-T6Massa Jenis: 2710 Kg/m3Kekuatan Yield: 241 MPa

Plat Acrylic

Struktur Lengan Quadrotor

26

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.

FS = Factor of Safety

Plat Tengah

27

Diagram benda bebas plat

Vektor displacement akibat pembebanan pada plat, maksimum bernilai 1,24 mm

Plat Tengah (lanjut)

28

Nodal contour untuk tegangan ekivalen von mises pada plat, nilai maksimum 19,15 MPa

Karena nilai faktor keamanan 3,06 > 1,5.Maka bahan acrylic sudah memenuhi syarat kekuatan struktur.

Pembuatan Quadrotor

29

Penyusunan plat tengah dan lengan-lengan Quadrotor

Dudukan motor dari acrylic

Pembuatan Quadrotor(2)

30

Desain awal quadrotor menggunakan 4 kakiLengan mengalami deformasi akibat benturan pada kaki saat uji terbang

Bentuk akhir Quadrotor

31

Perangkat Lunak

32

PID Tuning Ardupilot Mega

33

Dimensi Quadrotor

34

Diameter propeller 9 in, pitch 4,7 in

60,5 cm

60,5 cmlengan -landasan7,5 cm

4 cm

35

Massa Total 1117 gram

Kamera dengan pan-tilt mechanism

Mekanisme kamera terpasang pada lengan quadrotor

V. ANALISIS KESTABILAN

36

Data Pendukung

37

No Koefisien Nilai Satuan

1 Massa (m) 0,978 Kg

2 Lengan (l) 0,302 meter

3 Ix 0,022 Kg m2

4 Iy 0,022 Kg m2

5 Iz 0,043 Kg m2

6 Jr 3,139x10-5 Kg m2

7 Daya Maks

Motor (Pmax)

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

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)

• Cb=Fthrust / Ω = 8,73N/6700 rpm = 0,0013

38

Permodelan Motor

39

Dinamika Quadrotor

40

Blok Diagram simulink sub sistem motor

41

Blok Diagram Simulink Quadrotor

42

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

Respon kecepatan putar motor untuk input sudut roll 15, 30 dan 45 derajat

44

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

Respon kecepatan putar motor untuk input sudut pitch 15, 30 dan 45 derajat

46

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

Proportional 14, Integral 0 dan Derivative 10

Respon kecepatan putar motor untuk input sudut pitch 30, 60 dan 90 derajat

48

Simulasi Sistem kendali ketinggian

49

)

Proportional 40, Integral 18 dan Derivative 12.

Respon kecepatan putar motor untuk input Ketinggian tetap

50

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

Kesimpulan

• Quadrotor telah terbentuk dengan dimensi 605 x 605 x 160 mm dan bermassa 1117 gram.

• Mampu mengangkat beban hingga 500 gram, namun butuh kemasan yang baik agar titik berat tidak jauh dari tengah quadrotor.

• Dalam pengujian lapangan, quadrotor telah mampu terbang dalam dua mode, yakni mode stabilize dan altitude hold.

52

Video pengujian terbang

Kesimpulan

• Dalam simulasi, seluruh respon sistem telah sesuai dengan kriteria.

• Pada sistem roll dan pitch Kp= 8,5, Ki=0, dan Kd=4 menghasilkan respon dengan settling time 1,419 detik, overshoot 2,8% , dengan steady-state error 0,004%.

• Pada sistem yaw Kp=14, Ki=0, dan Kd=10 menghasilkan respon dengan settling time 2.327 detik, overshoot 1,03 %, dengan steady-state error yang relatif kecil 0,0037%.

• Untuk sistem ketinggian tetap (altitude hold) Kp = 40, Ki=18, Kd=12 menghasilkan respon dengan settling time 6,339 detik, dan steady state error 0,001 m.

53

Saran

• 1. Mengurangi bobot quadrotor, karena dengan bobot 1117 gram termasuk berat untuk quadrotor berukuran sedang. Setidaknya hingga bobotnya dibawah 1000 gram.

• 2. Menyempurnakan telemetri 2 arah, karena mode autonomous tidak akan berjalan tanpa komponen ini.

• 3. Menyempurnakan sistem kamera, baik kualitas kamera maupun sistem nirkabelnya agar first person view dapat digunakan pada quadrotor ini.

54

SEKIAN...TERIMAKASIH

Mohon saran untuk Tugas Akhir ini

55

Sonar

56

Spesifikasi Motor

57

Electronic Speed Controller

• Lampiran 1• Lampiran 2

58

Pembuatan Quadrotor(3)

59

60