Rancang Bangun Prototype Unmanned Aerial Vehicle (UAV) dengan Tiga Rotor
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) B-47
Rancang Bangun Prototype Unmanned Aerial
Vehicle (UAV) dengan Tiga Rotor
Darmawan Rasyid Hadi Saputra dan Bambang Pramujati
Jurusan Teknik Mesin, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia
e-mail: pramujati@me.its.ac.id
Abstrak—Unmanned Aerial Vehicle atau yang biasa dikenal dengan istilah UAV merupakan sebuah sistem penerbangan/ pesawat tanpa pilot yang berada di dalam pesawat tersebut. UAV dapat dikendalikan dengan menggunakan remote dari jarak jauh, diprogram dengan perintah tertentu, atau bahkan dengan sistem pengendalian otomatis yang lebih kompleks. Aplikasi dari teknologi UAV pun beragam mulai dari tugas militer hingga pengamatan udara. Dalam penelitian ini, sebuah UAV akan dikembangkan dengan tiga buah rotor dan satu buah motor servo di bagian belakang UAV. Perancangan model menggunakan software CATIA dengan batasan dimensi (panjang × lebar) maksimum 75 × 75 cm dan massa < 2 kg. Analisis struktur rangka dilakukan untuk menguji kekuatan rangka ketika terbang dan membawa beban, dengan menggunakan metode elemen hingga dan kriteria kegagalan
Gambar 1. Arah dan sudut gerakan UAV pada koordinat sumbu Von-Misses. Dalam proses pengerjaan, rancangan dari CATIA
XYZ dan analisis yang telah dilakukan dalam perancangan tersebut akan digunakan. Hasil yang didapat berupa UAV yang memiliki struktur rangka dengan defleksi maksimum 3,67 mm pada rangka tengah yang berbahan acrylic. Dalam pengujian di lapangan, UAV dapat melakukan gerak roll, pitch, dan yaw yang dikendalikan melalui remote control. Waktu operasi maksimum yang dapat dilakukan adalah selama 7 menit 43 detik.
Kata Kunci—Rancang bangun, UAV, tiga rotor, sistem kendali, uji performasi.
I. PENDAHULUAN
nmanned Aerial System (UAS) bukanlah penemuan
baru, terlebih ketika teknologi transportasi udara sudah
U
terjual massal ke masyarakat. Beberapa penelitian yang
Gambar 2. Perubahan putaran rotor terhadap pergerakan UAV:
membahas mengenai UAV baik itu yang menggunakan
(a)Altitude, (b)Roll, (c)Pitch, dan (d)Yaw [4]
sayap maupun yang menggunakan baling-baling telah dilakukan di beberapa universitas/institut. Hoffman dkk.[1] PENELITIAN
II. URAIAN membahas tentang pemodelan dan perancangan sebuah UAV untuk lintasan sederhana dan dikendalikan di dalam
A. Pergerakan UAV
ruangan. Penelitian lain [2] membahas tentang studi UAV menggunakan sistem enam derajat kebebasan matematis mengenai pergerakan UAV dengan empat rotor
(degree of freedom) yang menggambarkan pergerakan UAV yang bertujuan untuk menentukan persamaan dasar dalam dalam arah linier dan anguler. Untuk arah linier, posisi dan merancang sistem kendali yang digunakan. Dalam pergerakan UAV dinotasikan dengan x, y, dan z yang mengendalikan stabilitas pergerakan UAV, sebuah menunjukkan posisi UAV, serta u, v, dan w yang penelitian [3] menggunakan MPC (Model Predictive menunjukkan kecepatannya terhadap sumbu X, Y, dan Z.
Untuk arah anguler, posisi dan pergerakan UAV dinotasikan
Controller) untuk mengatur pergerakan UAV yang
diimplementasikan ke dalam microcontroller ATMega 2560. dengan yang menunjukkan besar sudut, serta
, , dan
Dalam penulisan ini, penelitian dilakukan dengan
p, q, dan r yang menunjukkan kecepatan sudut terhadap
merancang dan membangun UAV yang menggunakan tiga sumbu X, Y, dan Z. Arah dan sudut gerakan UAV dapat
brushless motor dan motor servo sebagai penggerak utama.
dilihat pada Gambar 1. Gerakan yang dapat dilakukan dari prototype ini adalah
Setiap pergerakan UAV dipengaruhi oleh perubahan gerakan roll (berputar terhadap sumbu X), pitch (berputar kecepatan rotornya. Untuk mengatur ketinggian terbang JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) B-48 kecepatan ketiga rotor secara bersamaan. Gerakan roll (berputar terhadap sumbu X) didapat dengan menaikkan kecepatan rotor pada lengan sebelah kanan maupun kiri, gerakan pitch (berputar terhadap sumbu Y) didapat dengan menaikkan kecepatan rotor belakang, sedangkan gerakan
yaw (berputar terhadap sumbu Z) didapat dengan mengubah
E r q p
(9) sehingga persamaan yang menjelaskan perubahan posisi dan kecepatan anguler dari UAV adalah
1 E .
cos cos sin
cos sin cos
sin
(8) dengan
.
Persamaan untuk kecepatan anguler pada sistem koordinat yang mengacu pada bumi adalah sebagai berikut[6]:
. (7)
w v u z y x
3 menunjukkan kecepatan putaran
.
Dalam perancangan UAV dengan tiga rotor, analisis yang diperlukan adalah analisis mengenai kekuatan struktur rangka yang digunakan untuk mengetahui defleksi akibat adanya pembebanan dan daya angkat dari motor sekaligus memvisualisasikan pengaruhnya terhadap struktur rangka UAV. Analisis dilakukan dengan menggunakan software CATIA sehingga beberapa nilai parameter seperti: volume, momen inersia dan center of gravity dapat diketahui yang ditunjukkan pada Tabel 1 dan Gambar 4.
D. Analisis Struktur dengan Metode Elemen Hingga
Penelitian ini memiliki tahapan-tahapan yang dimulai dari studi literatur mengenai konsep UAV, merancang struktur rangka, memodelkan struktur rangka tersebut dengan menggunakan software CATIA, hingga penarikan kesimpulan hasil penelitian seperti yang ditunjukkan pada Gambar 3.
C. Metode Penelitian
(13) di mana d merupakan drag coefficient dari UAV.
.
I I pq r 2 3 2 2 2 1
2
1
cos sin I d d lb
z y x
(12)
2 2 1 2 1 2 3
2
2
r q p E 1
I I pr q sin cos
I d lb lb
(11) y x z
.
3
2
I I qr p 2 3 2 2
I
lb
x y z
(10) Persamaan untuk percepatan anguler dari UAV dirumuskan sebagai berikut:
.
dari rotor 1, 2, dan 3 berturut-turut. Hubungan antara variabel posisi x, y, dan z dengan variabel kecepatan u, v, dan w adalah sebagai berikut:
2 , dan
sudut ∝ pada rotor belakang. Perubahan kecepatan rotor terhadap pergerakan UAV ditunjukkan pada Gambar 2.
1 sin cos x R .
y
, R
R x
(3)
R .
x
1 cos sin sin cos
(2)
cos sin
z
(1)
R .
1 x
cos sin sin cos
Untuk menyelesaikan permasalahan dalam persamaan gerak UAV, notasi dan , , digunakan sebagai sudut Euler [5], yang juga menyatakan sudut rotasi terhadap sumbu X, Y, dan Z secara berturut-turut.
, dan R
merupakan rotasi terhadap sumbu X, Y, dan Z secara berturut-turut. Koordinat dengan sumbu X, Y, dan Z jika dirotasikan dengan sudut dan , , maka menjadi
1 ,
, F
. (6) Notasi b menunjukkan konstanta lift coefficient dan menunjukkan besar sudut yang dibentuk oleh rotor 3. Variabel
b b F F F z y x
3 3 2 2 1 1 1 1 cos sin
merupakan gaya eksternal yang bekerja pada UAV dan dirumuskan pada persamaan (6) berikut:
z
, dan F
y
x
(5) di mana F
.
F m F m F m D w v u z y x
(4) Matriks D menjelaskan transformasi dari sistem koordinat Bumi menjadi sistem koordinat rangka UAV. Persamaan yang menjelaskan laju perubahan posisi dari UAV adalah sebagai berikut:
R z y x R R D sin sin cos cos cos .
cos cos cos sin sin sin cos sin cos cos sin cos cos sin cos cos cos sin sin sin cos cos sin sin
B. Transformasi Kecepatan dan Percepatan Anguler
r dengan en UAV an yang ka UAV ebesar
is struktur rang CATIA dilaku diri dari rang uk sudut 120 s adan UAV (war
Tidak 337-3539 (230
V Pa Gambar 4 P Gambar 5 A Gambar 6 A
Analisi
software
yang terd membentu tengah ba
01-9271 Print)
arameter struktu Parameter Volume Massa Momen Inersia I x I y
I z Posisi center of
Analisis pembeb Analisis defleks
Tabel 1. ur rangka UAV d r
prototype UAV
4,00
1 0,1 0,2 0,4 gravity dari UA banan pada struk i pada struktur r
gka UAV den ukan pada susu gka tengah d satu sama lain. rna merah pada
dengan tiga rotor Nilai 5 × 10 -4 m 3 ,884 kg
190 kg m 2 299 kg m 2 488 kg m 2 V ktur rangka UAV rangka UAV
ngan tiga rotor unan kompone dan tiga lenga
. Struktur rang a Gambar 4) se B-49
r
V
engan TIA engan
2013) ISSN: 23
JU
nsep UAV udi literatur
URNAL TEKN
IK POMITS V
Vol. 2, No. 1, (2
- Ko Stu
ncang UAV Mulai
Memodelkan ra menggunakan Menganalisis r softwa
Ga
w
ambar 3 Diagram
M M M M Hasi
, pitch,
m alir penelitian r
Meran M
angka UAV de n software CAT rangka UAV de are CATIA
Ya A
UAV dap bergerak roll, dan yaw
V sesuai an V hasil gan impulan kesimpulan
Mengambil kesi Selesai il analisis dan k
A T a pat
rancang bangun
Membuat UAV rancanga Menguji UAV perancang JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) B-50
(a) (b) (c) Gambar 7 Pembacaan sensor pada microcontroller untuk gerak: (a)
Roll, (b) Pitch, dan (c) Yaw
‐0.5 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 500 1000 1500 2000 2500 3000 Satuan sudut Baris data
sudu t Baris data
Baris data ‐1.2 ‐1 ‐0.8 ‐0.6 ‐0.4 ‐0.2 0.2 0.4 500 1000 1500 2000 2500 3000 Satuan
‐0.2 ‐0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 500 1000 1500 2000 2500 3000 Sat u an sud u t
Pengujian ini dilakukan sebelum UAV dioperasikan di lapangan agar sebisa mungkin dapat meminimalkan terjadinya kecelakaan pada pengoperasian UAV. Hal ini dilakukan dengan mengukur kecepatan putaran ketiga motor
F. Pelaksanaan Perintah Gerakan UAV pada microcontroller
pada baris data ke-2593 (detik ke-596), sensor membaca perubahan sudut dari 0,154 hingga -0,97 yang berarti UAV bergerak pitch maju membentuk sudut sebesar 0,97 × 62,5 = 60,625 , kemudian diputar kembali ke posisi semula hingga membentuk sudut sebesar 0,09 × 62,5 = 5,625 . Gerak yaw yang ditunjukkan pada Gambar 7 (c) dan dilakukan pada baris data ke-2701 (detik ke-621,23), sensor membaca perubahan sudut dari 2,69 hingga 1,93 yang berarti UAV bergerak yaw ke kiri membentuk sudut sebesar (2,69 – 1,93) × 62,5 = 47,5 . Hasil pembacaan posisi UAV oleh sensor sesuai dengan gerakan yang dilakukan UAV, yaitu gerakan roll kanan, pitch maju, dan yaw ke kiri.
pitch yang ditunjukkan pada Gambar 7 (b) dan dilakukan
22,625 , kemudian diputar berlawanan arah hingga membentuk sudut sebesar 0,187 × 62,5 = 11,687 . Gerak
roll kanan membentuk sudut sebesar 0,362 × 62,5 =
Rentang baris data 0 – 2500 (detik ke-0 hingga ke-575) pada Gambar 7 (a), (b), dan (c) merupakan pembacaan awal ketika UAV dihubungkan dengan komputer tanpa digerakkan roll, pitch, dan yaw. Perubahan grafik pada rentang tersebut terjadi karena UAV sedang diposisikan di atas meja datar sehingga lebih mudah untuk mengamati perubahan sudut yang terbentuk antara UAV dengan meja datar ketika bergerak roll, pitch, dan yaw. Pengujian baru dilakukan pada baris data di atas 2500 (detik ke-575) dengan menggerakkan UAV untuk melakukan gerak roll, pitch, dan yaw. Ketika gerak roll ditunjukkan pada Gambar 7 (a), sensor membaca perubahan sudut dari 0,057 hingga 0,362 yang berarti UAV bergerak
untuk baris data (sumbu horisontal), skala yang digunakan adalah 1 baris data : 0,23 detik. Maka, setiap 1 baris data mewakili 0,23 detik. untuk satuan sudut (sumbu vertikal), skala yang digunakan adalah 1 satuan sudut : 62,50. Maka, setiap 1 satuan sudut mewakili 62,5 .
IMU. Data yang didapat masih berupa raw data dengan satuan yang belum dikonversi dengan skala yang tepat, sehingga perlu dilakukan konversi sebagai berikut:
Pada Gambar 7 (a), (b), dan (c) terlihat grafik yang menunjukkan sudut yang dibentuk UAV saat melakukan gerak roll, pitch, dan yaw yang terbaca oleh sensor pada
roll kanan, pitch maju, dan yaw ke kiri seperti yang ditunjukkan pada Gambar 7.
2
30 N dengan daya angkat ketiga motor masing-masing sebesar 10 N, dengan tujuan yaitu analisis dilakukan saat UAV terbang dengan menjaga posisinya di ketinggian tertentu. Hasil pemodelan UAV dengan menggunakan
software CATIA untuk analisis pembebanan dan defleksi
ditunjukkan pada Gambar 5 dan Gambar 6. Material yang digunakan adalah acrylic untuk bagian tengah rangka dan alumunium untuk lengan UAV.
Dari hasil analisis pembebanan pada software CATIA seperti yang ditunjukkan pada Gambar 5, didapatkan bahwa tegangan yang terjadi pada UAV terdistribusi dengan rentang nilai (1,63 – 3090) × 10
3 N/m
dan ditunjukkan dengan warna biru tua hingga merah. Tegangan maksimum terdapat pada titik peletakkan motor dari UAV dengan nilai sebesar 3,09 × 10
Pengujian dalam pembacaan sensor pada microcontroller dilakukan dengan cara menghubungkan microcontroller ke komputer melalui kabel USB kemudian UAV digerakkan
2
dan ditunjukkan dengan warna merah pada Gambar 5. Penggunaan material alumunium sebagai bahan dari lengan UAV masih dapat digunakan karena tegangan maksimum yang terjadi pada lengan tersebut kurang dari tegangan maksimum yang dapat diterima oleh material alumunium, yaitu sebesar 31 × 10
Defleksi yang terjadi pada struktur rangka ditunjukkan pada Gambar 6 dengan defleksi maksimum bernilai 0,139 mm yang berada di ujung depan dari rangka tengah yang berbahan acrylic. Nilai defleksi maksimum ini masih dapat ditolerir karena defleksi yang terjadi tidak melebihi dari defleksi maksimum material acrylic, yaitu sebesar 1,96 ×
10
4 mm.
E. Pembacaan Posisi oleh Sensor pada Microcontroller
6 N/m
6 N/m .
JU
V k g at n n a lt ai n
01-9271 Print)
rang
Dari ha rotor dapa
10. Pada pe gerak hov kemudian penerbang searah ar baling yan perlu dige
Penguji pengopera
H. Pengo
Dari pe terukur se estimasi pengujian mengaliri DC sehing yang terhi
Penguji mengoper dengan m mengukur ditunjukk
Gambar 9 berkapasita Gambar 1 terbuka
) ) )
V k ma ka
10 Pengujian U
2 n p n at ka U
n, ti n g n
er k r,
(16) 337-3539 (230
(15)
.
1
1
VA W it
. (14)
9 Pengujian w as 1300mAh
ian dari per rasikan UAV ( menaikkan tu r waktu opera kan pada Gamb engujian yang ebesar 7 menit waktu operas n. Hal ini dis arus listrik pa gga waktu ope itung.
Hal ini untuk ber daya yang UAV dapa dalah tegangan yang digunakan
ktu operasi UA dapat perbedaa itungan denga erai digunakan vo selain ketig ih pendek dari angan UAV unjukkan pada alikan agar me i atas permuka
berputar baling- tuas yaw ngan tiga
w. Pada
Gambar elakukan an tanah
dengan rpasang) mal dan erti yang AV yang an antara an hasil n untuk ga motor estimasi adalah
n baterai lapangan
B-51
erjadi pada m pada rangka
AN atan UAV den
20 cm), UAV abkan putaran am, sehingga t taran UAV.
pitch, dan yaw
opwatch, sepe
operasian UAV
) dilakukan baling yang ter hingga maksim
mum yang te esar 3,67 mm UAV dengan ioperasikan di
KESIMPULA an dan pembua n:
dari peranca lapangan, ditu , UAV dikenda gga terbang di gerakan roll, p ian rendah (± 2 m yang diseba n arah jarum ja ngimbangi put
V di lapangan
rsamaan (14) (tanpa baling-b uas throttle h asi dengan sto bar 9. dilakukan, wak 43 detik. Terd si pada perhi sebabkan bate ada motor serv erasi UAV lebi
UAV ketika di
fleksi maksim gka UAV sebe waktu operasi
n dilakukan g gan di ketinggi rah jarum jam ng berlawanan eser ke kiri men III. asil perancanga at disimpulkan
ver ke atas hing
ian akhir d asian UAV di engujian awal,
Volt sehingg besar 11,1 Vol apasitas batera t diestimasikan
i seberapa lam ehingga ketik erpasang, UAV
Ga Pe Ge
10.3
IK POMITS V
kap operasi ma_ operasi ma 13 _ operasi ma 8 _
00 mAh maka bagai berikut:
Untuk meng operasikan, fak da motor dan embutuhkan su gangan baterai au sebesar 3 c
Pengujian ini d AV mampu b endekati batas pat didaratkan enghindari UA miliki habis.
Waktu Pengo aterai
Kecepatan pu enunjukkan h cepatan putara rakan yang di taran ketiga m sebabkan posis etakkan di ata embaca perbed ngan meja dat enaikkan kecep
Hasil dari pen bentuk motor tunjukkan pada
operasikan ta tunjukkan pada sesuaikan deng ng ditunjukkan tiga motor untu
10.3 Yaw
Putaran Moto tor 1 Motor 323 10.17 032 9.415 300 9.496 323 10.17
10.0 Pitch
10.3 Roll
Mot Hover
ambar 8 Penguku engukuran putara g erakan
URNAL TEKN
lam lam lam
P UA me dap me dim U dio pad me teg ata 13 seb
G. Ba
K me kec ger put dis dil me den me
dio dit dis yan ket H dib dit
H P
uran kecepatan p Tabe an kecepatan mo gerak hover, roll,
anpa baling-b a Gambar 8.T gan putaran mo n pada Gamba uk tiap gerakan ngukuran kece r servo untu a Tabel 2. utaran motor y hasil yang se an motor dan su ilakukan oleh motor untuk ge si UAV yang s as meja datar, daan derajat y ar tersebut dan patan putaran m
ri Kapasitas
agai Fungsi da
n tachometer yang diberikan arusnya, sepert ngan kecepatan ai berikut: dan sudut yang asing gerakan pada Tabel 2 perbandingan rvo untuk setiap daan kecepatan dan yaw dapa g ke atas ketik skop pada IMU k antara UAV perintah untuk
11
engan tachomete motor servo untuk Motor Servo
2013) ISSN: 23
1 3
10
60
1
motor daya motor voltase _ _ jam meni mA A
uk mengetahui lapangan se baterai yang te yang dituju. arenakan sumb ma waktu mpengaruhi ad terai. Motor y an sebesar 11 ukan yaitu seb olt. Dengan ka asi UAV dapat
UAV. Perbed erakan hover sedikit condong sehingga giros yang terbentuk n memberikan motor 1.
operasian seba
baling dengan Tiap perintah y otor yang seha ar 2. Perbandin n adalah sebag epatan motor d uk masing-ma yang terukur esuai dengan udut motor ser
6 8.582 1 10.042
8 Vol. 2, No. 1, (2 putaran motor de el 2 otor dan sudut m pitch, dan yaw or (rpm) r 2 Motor 3 1 10.042 5 10.173
84 ,
11 300 menit
97
baterai pasitas_ W V mAh
a waktu opera
cell × 3,7 Vo
AV jatuh dika gestimasi lam ktor yang mem kapasitas bat umber teganga i yang diperlu
diperlukan untu beroperasi di dari kapasitas n di posisi y
struktur a tengah JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 2, No. 1, (2013) ISSN: 2337-3539 (2301-9271 Print) B-52
yang berbahan acrylic dengan defleksi maksimum
4 yang dapat diterima sebesar 1,96 × 10 mm.
2. Waktu operasi maksimum yang dapat dilakukan oleh UAV dengan tiga rotor ini adalah selama 7 menit 43 detik.
Saran yang diperlukan untuk pengembangan selanjutnya adalah sebagai berikut:
1. Menambahkan fungsi telemetri 2 arah, sehingga
hardware microcontroller dapat diatur tanpa dihubungkan melalui kabel USB
2. Menambahkan fungsi kamera, sehingga pengendalian UAV dapat dilakukan melalui streaming video dari kamera tersebut
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada Kementrian
Agama Republik Indonesia yang telah memberikan dukungan finansial melalui Program Beasiswa Santri Berprestasi tahun 2008-2013 dan teman-teman Manufature
Study Club yang membantu selama proses pengerjaan prototype.
DAFTAR PUSTAKA [1] G. M. Hoffman, H. Huang, S. L. Wasl, and E. C. J. Tomlin.
“Quadrotor Helicopter Flight Dynamics and Control: Theory And Experiment”. Proceeding of The AIAA Guidance, Navigation, and Control Conference, (2008.)
[2] T. Luukkonen.. “Modelling and Control of Quadcopter”. M.Sc. thesis, Aalto University, Finnish, (2011). [3] K. J. Barsk.. “Model Predictive Control of Tricopter”. M.Eng. thesis, Linkoping Univ., Sweden, (2008). [4] D.W. Yoo. “Dynamic Modelling And Control System Design for Tri- Rotor UAV”. Proceeding 3rd ISSCAA, (2010). [5] D. Eberly. Euler Angle Formulas, URL:www.geometrictools. com/Documentation/EulerAngles.pdf, (2011.). st ed. United States: John
[6] M. V. Cook. Flight Dynamics Principles 1 Wiley & Sons, Inc., (1997).