T1 612005082 BAB III
BAB III
PERANCANGAN
3.1. Arsitektur Perancangan
Secara keseluruhan, perancangan Autonomous Quadcopter yang dibuat memiliki
beberapa layer seperti yang divisualisasikan pada Gambar 3.1.
High Layer Application
Mid Layer Control
High level command protocol
Flight algorithm
PID Flight Controller
Electronic Speed Controller
AHRS & Altitude sensor
Tahapan kerja
Low Layer Control
Physical Layer
BLDC motor
Propeller
Frame
Gambar 3.1. Layered Design
Pembagian sistem menjadi beberapa layer ini bertujuan untuk membuat tahapan kerja
menjadi jelas, sistematis dan terstruktur. Setiap layer harus didahului implementasi layer
bawahnya yang telah teruji. Sehingga, perancangan pesawat, implementasi dan pengujian
48
49
dilakukan bertahap mulai dari layer paling bawah yaitu physical layer kemudian dilanjutkan
ke low layer control, mid layer control dan implementasi high level application.
Physical layer terdiri atas BLDC (brushless DC) motor, baling-baling (propeller) dan
kerangka pesawat (frame). Pada bagian perancangan mekanik akan dijelaskan lebih lanjut
tentang perancangan layer ini.
Kendali aras rendah atau low layer control adalah lapisan yang mengatur gerak dari
pesawat yang berhubungan langsung dengan physical layer. Sebagai masukan umpan balik
dari kontrol PID, digunakan data dari AHRS (Attitude Heading Reference System) dan
keluaran kontrol diteruskan ke electronic speed controller (ESC) yang merupakan pengendali
putaran dari motor BLDC pada physical layer. Untuk berhubungan dengan layer di atasnya,
low layer control menerima set sudut dan ketinggian dari mid layer control.
Mid layer control berfungsi sebagai penerjemah perintah tingkat tinggi (high level
command) dari aplikasi aras tinggi (high layer aplication) ke dalam set sudut dan ketinggian
yang kemudian diteruskan ke low layer control. Dalam mid layer control ini terdapat beberapa
algoritma gerak pesawat, seperti algoritma tinggal landas (take off), mendarat (landing),
melayang (hovering) dan beberapa algoritma penunjang. Mid layer control juga berfungsi
sebagai penyedia informasi bagi high layer application mengenai keadaan pesawat, seperti:
ketinggian, kondisi battrey, serta status kerja mid layer control dan low layer control. Untuk
berkomunikasi dengan high layer application, akan dibuat protokol komunikasi yang
dirancang agar high layer application dapat dengan mudah memberi perintah dan menerima
respon dari kontrol pesawat.
High layer application atau aplikasi aras tinggi merupakan layer yang menentukan
kegunaan atau aplikasi dari Quadcopter. Contohnya seperti aplikasi pengintaian, aerial
50
photography dan lain sebagainya. Pada skripsi ini dirancang aplikasi aras tinggi untuk
menguji kontrol aras rendah dan aras tengah dari pesawat.
3.2. Perancangan Mekanik (Physical Layer)
Physical layer merupakan layer fisik dari Quadcopter. Bagian ini terdiri dari sistem
mekanik pesawat yaitu kerangka, motor dan baling-baling.
3.2.1. Kerangka Pesawat (Frame)
Quadcopter yang dirancang pada skripsi ini memiliki bentuk kerangka yang sederhana
dengan penempatan empat rotor yang memiliki jarak yang sama terhadap pusat massa pesawat
(Gambar 3.2).
Gambar 3.2. Kerangka Quadcopter
51
Sebagian besar, bahan yang digunakan untuk kerangka pesawat adalah aluminium,
karena ringan (massa jenis: 2.70 g·cm−3) dan mudah didapat. Penulis mengalami kesulitan
untuk mendapatkan bahan kerangka lain yang lebih ringan dan kuat seperti karbon fiber.
Tuntutan dari kerangka yang dibuat adalah ringan dan kuat. Ringan, agar daya yang
dibutuhkan untuk menerbangkan pesawat tidak terlalu besar, sehingga mampu mengangkat
payload yang lebih berat. Kuat, agar bentuk fisik dari kerangka tidak berubah saat terbang dan
jika pesawat kandas (crash), tidak mengubah bentuk kerangka. Mengingat banyaknya
percobaan terbang yang dilakukan dengan kemungkinan kandas yang cukup besar, kerangka
harus dibuat sesederhana mungkin untuk menghemat waktu pembuatan.
Hal yang harus diperhatikan pada kerangka Quadcopter adalah posisi keempat rotor
yang harus selalu datar dan sebidang. Karena jika tidak datar akan timbul proyeksi gaya
sesuai dengan kemiringan dari rotor terhadap rata-rata air, sehingga menyebabkan pesawat
akan bergerak perlahan meskipun controller sudah mengendalikan pesawat untuk hovering.
Ada dua bagian dari kerangka yang menentukan kedataran dari masing-masing rotor,
yaitu mekanik yang menghubungkan rotor dengan kerangka dan mekanik yang
menghubungkan keempat lengan rotor. Mekanik yang menghubungkan keempat lengan rotor
tidak dibuat sangat kuat (agar tidak terdeformasi), tetapi fleksibel. Dalam beberapa uji
terbang, pesawat beberapa kali mengalami crash dan menyebabkan bagian yang
menghubungkan keempat lengan rotor ini berubah bentuk dan pada akhirnya membuat
keempat rotor tidak datar. Sehingga ditambahkan PCB (Printed Circuit Board) fiber pada
bagian ini agar kerangka lebih elastis saat crash, tetapi masih tetap kuat dan datar saat terbang.
Untuk melindung baling-baling jika terjadi crash, masing-masing lengan rotor
diperpanjang. Memang, di satu sisi penambahan panjang lengan ini menambah berat pesawat,
52
namun kerugian ini tidak seberapa dibandingkan dengan keuntungan proteksi yang
didapatkan. Kemungkinan terburuk bagi baling-baling pesawat saat crash adalah saat pesawat
jatuh terbalik. Kemungkinan ini harus dihindari dengan membuat kendali gerak pesawat yang
prima dan meminimalisir kemungkinan error yang menyebabkan crash.
3.2.2. Motor dan Baling-Baling
Sebagai pemutar baling-baling digunakan motor BLDC karena lebih effisien daya dan
tidak membutuhkan perawatan jika dibandingkan dengan motor DC konvensional dengan
sikat. Dengan BLDC, baling-baling dapat dipasang langsung ke motor tanpa gir reduksi
sehingga getaran dapat diminimalisir.
BLDC yang digunakan dengan ukuran 1000 kV (1000 RPM/V). Idealnya, dengan
sumber tegangan 11.1 V didapatkan kecepatan maksimum 11100 RPM. Sebagai pengendali
kecepatan untuk motor ini digunakan ESC 30A berdasarkan rekomendasi produsen motor
tersebut. ESC yang digunakan memilki antarmuka PWM dengan periode 2 ms (0.7ms < ton
PERANCANGAN
3.1. Arsitektur Perancangan
Secara keseluruhan, perancangan Autonomous Quadcopter yang dibuat memiliki
beberapa layer seperti yang divisualisasikan pada Gambar 3.1.
High Layer Application
Mid Layer Control
High level command protocol
Flight algorithm
PID Flight Controller
Electronic Speed Controller
AHRS & Altitude sensor
Tahapan kerja
Low Layer Control
Physical Layer
BLDC motor
Propeller
Frame
Gambar 3.1. Layered Design
Pembagian sistem menjadi beberapa layer ini bertujuan untuk membuat tahapan kerja
menjadi jelas, sistematis dan terstruktur. Setiap layer harus didahului implementasi layer
bawahnya yang telah teruji. Sehingga, perancangan pesawat, implementasi dan pengujian
48
49
dilakukan bertahap mulai dari layer paling bawah yaitu physical layer kemudian dilanjutkan
ke low layer control, mid layer control dan implementasi high level application.
Physical layer terdiri atas BLDC (brushless DC) motor, baling-baling (propeller) dan
kerangka pesawat (frame). Pada bagian perancangan mekanik akan dijelaskan lebih lanjut
tentang perancangan layer ini.
Kendali aras rendah atau low layer control adalah lapisan yang mengatur gerak dari
pesawat yang berhubungan langsung dengan physical layer. Sebagai masukan umpan balik
dari kontrol PID, digunakan data dari AHRS (Attitude Heading Reference System) dan
keluaran kontrol diteruskan ke electronic speed controller (ESC) yang merupakan pengendali
putaran dari motor BLDC pada physical layer. Untuk berhubungan dengan layer di atasnya,
low layer control menerima set sudut dan ketinggian dari mid layer control.
Mid layer control berfungsi sebagai penerjemah perintah tingkat tinggi (high level
command) dari aplikasi aras tinggi (high layer aplication) ke dalam set sudut dan ketinggian
yang kemudian diteruskan ke low layer control. Dalam mid layer control ini terdapat beberapa
algoritma gerak pesawat, seperti algoritma tinggal landas (take off), mendarat (landing),
melayang (hovering) dan beberapa algoritma penunjang. Mid layer control juga berfungsi
sebagai penyedia informasi bagi high layer application mengenai keadaan pesawat, seperti:
ketinggian, kondisi battrey, serta status kerja mid layer control dan low layer control. Untuk
berkomunikasi dengan high layer application, akan dibuat protokol komunikasi yang
dirancang agar high layer application dapat dengan mudah memberi perintah dan menerima
respon dari kontrol pesawat.
High layer application atau aplikasi aras tinggi merupakan layer yang menentukan
kegunaan atau aplikasi dari Quadcopter. Contohnya seperti aplikasi pengintaian, aerial
50
photography dan lain sebagainya. Pada skripsi ini dirancang aplikasi aras tinggi untuk
menguji kontrol aras rendah dan aras tengah dari pesawat.
3.2. Perancangan Mekanik (Physical Layer)
Physical layer merupakan layer fisik dari Quadcopter. Bagian ini terdiri dari sistem
mekanik pesawat yaitu kerangka, motor dan baling-baling.
3.2.1. Kerangka Pesawat (Frame)
Quadcopter yang dirancang pada skripsi ini memiliki bentuk kerangka yang sederhana
dengan penempatan empat rotor yang memiliki jarak yang sama terhadap pusat massa pesawat
(Gambar 3.2).
Gambar 3.2. Kerangka Quadcopter
51
Sebagian besar, bahan yang digunakan untuk kerangka pesawat adalah aluminium,
karena ringan (massa jenis: 2.70 g·cm−3) dan mudah didapat. Penulis mengalami kesulitan
untuk mendapatkan bahan kerangka lain yang lebih ringan dan kuat seperti karbon fiber.
Tuntutan dari kerangka yang dibuat adalah ringan dan kuat. Ringan, agar daya yang
dibutuhkan untuk menerbangkan pesawat tidak terlalu besar, sehingga mampu mengangkat
payload yang lebih berat. Kuat, agar bentuk fisik dari kerangka tidak berubah saat terbang dan
jika pesawat kandas (crash), tidak mengubah bentuk kerangka. Mengingat banyaknya
percobaan terbang yang dilakukan dengan kemungkinan kandas yang cukup besar, kerangka
harus dibuat sesederhana mungkin untuk menghemat waktu pembuatan.
Hal yang harus diperhatikan pada kerangka Quadcopter adalah posisi keempat rotor
yang harus selalu datar dan sebidang. Karena jika tidak datar akan timbul proyeksi gaya
sesuai dengan kemiringan dari rotor terhadap rata-rata air, sehingga menyebabkan pesawat
akan bergerak perlahan meskipun controller sudah mengendalikan pesawat untuk hovering.
Ada dua bagian dari kerangka yang menentukan kedataran dari masing-masing rotor,
yaitu mekanik yang menghubungkan rotor dengan kerangka dan mekanik yang
menghubungkan keempat lengan rotor. Mekanik yang menghubungkan keempat lengan rotor
tidak dibuat sangat kuat (agar tidak terdeformasi), tetapi fleksibel. Dalam beberapa uji
terbang, pesawat beberapa kali mengalami crash dan menyebabkan bagian yang
menghubungkan keempat lengan rotor ini berubah bentuk dan pada akhirnya membuat
keempat rotor tidak datar. Sehingga ditambahkan PCB (Printed Circuit Board) fiber pada
bagian ini agar kerangka lebih elastis saat crash, tetapi masih tetap kuat dan datar saat terbang.
Untuk melindung baling-baling jika terjadi crash, masing-masing lengan rotor
diperpanjang. Memang, di satu sisi penambahan panjang lengan ini menambah berat pesawat,
52
namun kerugian ini tidak seberapa dibandingkan dengan keuntungan proteksi yang
didapatkan. Kemungkinan terburuk bagi baling-baling pesawat saat crash adalah saat pesawat
jatuh terbalik. Kemungkinan ini harus dihindari dengan membuat kendali gerak pesawat yang
prima dan meminimalisir kemungkinan error yang menyebabkan crash.
3.2.2. Motor dan Baling-Baling
Sebagai pemutar baling-baling digunakan motor BLDC karena lebih effisien daya dan
tidak membutuhkan perawatan jika dibandingkan dengan motor DC konvensional dengan
sikat. Dengan BLDC, baling-baling dapat dipasang langsung ke motor tanpa gir reduksi
sehingga getaran dapat diminimalisir.
BLDC yang digunakan dengan ukuran 1000 kV (1000 RPM/V). Idealnya, dengan
sumber tegangan 11.1 V didapatkan kecepatan maksimum 11100 RPM. Sebagai pengendali
kecepatan untuk motor ini digunakan ESC 30A berdasarkan rekomendasi produsen motor
tersebut. ESC yang digunakan memilki antarmuka PWM dengan periode 2 ms (0.7ms < ton