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