Tugas akhir ini membahas rancang bangun quadrotor empat baling-baling dengan tiga tujuan utama: 1) menghasilkan prototipe quadrotor, 2) menganalisis strukturnya dengan Metode Elemen Hingga, dan 3) menganalisis kestabilan serta kendalinya dengan bantuan MATLAB. Quadrotor dirancang untuk memiliki ketinggian terbang maksimum 20 meter dan waktu terbang 10 menit.

1. TUGAS AKHIR
RANCANG BANGUN UNMANNED AERIAL VEHICLE
(UAV) EMPAT BALING-BALING
(QUADROTOR-ARDUCOPTER)
Muhammad Arifudin Lukmana
2107 100 059
Dosen Pembimbing :
Hendro Nurhadi Dipl.-Ing, Ph.D
Jurusan Teknik Mesin
Fakultas Teknologi Industri
Institut Teknologi Sepuluh Nopember
Surabaya 2012
1

2. Latar Belakang
• Unmanned Aerial Vehicle (UAV) memiliki
banyak fungsi. Yakni:
– Penginderaan Jauh
– Transportasi
– Penelitian Ilmiah
– Penyerang bersenjata
– Search And Rescue (SAR)
Quadrotor Microdrones
(Jerman)
Quadrotor Draganflyer
2
(Amerika)

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
3

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
• Dimensi quadrotor ca. 70x70x50 cm
4

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

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
dalam kasus nyata di masyarakat.
6

7. Analisis Struktur dengan
Metode Elemen Hingga
Ada tiga faktor utama yang
dipertimbangkan:
1. Kekuatan
2. Defleksi
3. Berat
Carlos, Nate dkk. 2009. IARC Team Quadrotor.
Virginia:Virginia Tech
Kriteria Kegagalan:
Von-Mises /
Distortion Energy
Theory dengan Faktor
keamanan= 2
7

8. Desain Quadrotor
Konfigurasi frame yang
digunakan adalah Plus (+)
Maju
Kiri
Keatas
Pasangan propeller yang digunakan
dalam quadrotor, pusher dan normal
Mundur
Kebawah
Belok kiri
Kanan
Belok kanan
8

9. Dinamika Quadrotor
9

10. Persamaan Gerak 6 dof
ф = Roll
ϴ = Pitch
Ψ = Yaw
Input Sistem: (U1 – U4)
Kecepatan putar rotor: Ω
Sumber: Bouabdallah, Samir dkk.2008. Design and Control
of an Indoor Micro Quadrotor. Lausanne:Swiss Federal
Institute of Technology
10

11. Kendali Proportional-IntegralDerivative (PID)
• Paling banyak digunakan
• Dapat diterapkan pada high-order plant dengan baik
• Mampu menghasilkan kendali stabilitas yang baik
•Single Input Single Output (SISO)
de
u (t ) = K 1 e(t ) + K 2 ∫ edt + K 3
dt
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
Perubahan
kecil
11

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.
12

13. Sensor-sensor Lainnya
Barometer
GPS
Kompas Digital
HMC5883L - Triple
Axis Magnetometer
MediaTek MT3329 GPS
10Hz + Adapter Basic
Sensor tekanan atmosfer
(barometer) elektronik yang
terdapat pada Ardupilot Mega
LV-MaxSonar-EZ4
Jangkauan < 6,45 m
13

14. Modul Ardupilot Mega
Ardupilot Mega Controller
Controller dan IMU Shield
disusun menjadi unit Ardupilot Mega
IMU Shield
14

15. Modul Ardupilot Mega (lanjut)
Controller dan IMU Shield
disusun menjadi unit Ardupilot Mega
Telemetri Dua Arah Xbee
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
15

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
16

17. Baterai & Remote Control
Turnigy 2200mAh 3S 20C Lipo Pack
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
Remote Control Futaba 6J
2,4 GHz 6 channel dan receiver
17

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
Flight time: Approx 60min/100mah 3S
18

19. Metodologi
A
19

20. Metodologi
(lanjut)
A
20

21. Sistem Minimum Quadrotor
21

22. Metodologi Simulasi
22

23. IV. PROSES RANCANG BANGUN
DAN PENGUJIAN SISTEM
23

24. Perancangan dengan CATIA
z
No Koefisien
y
lengan
Hasil Permodelan 3 Dimensi
Satuan
1
Massa (m)
0,978
Kg
2
Lengan (l)
0,302
meter
3
x
Nilai
Ix
0,022
Kg m2
4
Iy
0,022
Kg m2
5
Iz
0,043
Kg m2
6
Jr (inersia
3,139x10-5 Kg m2
motorpropeller)
24

25. Simulasi Struktur dengan Metode
Elemen Hingga
8,73 N
8,73 N
8,73 N
8,73 N
Diagram benda bebas untuk simulasi
struktur lengan Quadrotor
Restraint
Plat Acrylic
Material Lengan: Alumunium 6061-T6
Massa Jenis: 2710 Kg/m3
Kekuatan Yield: 241 MPa
Vektor displacement pada lengan
Quadrotor, bernilai maksimum 1,85 mm
25

26. Struktur Lengan Quadrotor
Nodal contour untuk von mises stress
dengan tegangan maksimum 68,3 MPa
FS = Factor of Safety
Maka bahan aluminium 6061-T6 telah memenuhi syarat kekuatan struktur,
Karena FS>1,5.
26

27. Plat Tengah
Diagram benda bebas plat
Vektor displacement akibat
pembebanan pada plat,
maksimum bernilai 1,24 mm
27

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.
Maka bahan acrylic sudah memenuhi syarat kekuatan struktur.
28

29. Pembuatan Quadrotor
Penyusunan plat tengah dan
lengan-lengan Quadrotor
Dudukan motor dari acrylic
29

30. Pembuatan Quadrotor(2)
Desain awal quadrotor menggunakan 4 kaki
Lengan mengalami deformasi akibat
benturan pada kaki saat uji terbang
30

31. Bentuk akhir Quadrotor
31

32. Perangkat Lunak
32

33. PID Tuning Ardupilot Mega
33

34. Dimensi Quadrotor
4 cm
60,5 cm
60,5 cm
Diameter propeller 9 in,
pitch 4,7 in
lengan landasan
7,5 cm
34

35. Kamera dengan pan-tilt mechanism
Massa Total 1117 gram
Mekanisme kamera terpasang pada lengan quadrotor
35

36. V. ANALISIS KESTABILAN
36

37. Data Pendukung
No
Koefisien
Nilai
Satuan
1
Massa (m)
0,978
Kg
2
Lengan (l)
0,302
meter
3
Ix
0,022
4
Iy
5
Thrust
Putaran
Motor
(rpm)
0%
0 rpm
Kg m2
20 %
± 2100 rpm
0,022
Kg m2
50 %
± 4600 rpm
Iz
0,043
Kg m2
100 %
± 6700 rpm
6
Jr
3,139x10-5 Kg m2
7
Daya Maks
Motor (Pmax)
8
Gaya tarik
maksimum
motor
210
Watt
8,73
Tachometer
genggam
digital
Newton
37

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)
• Cb=Fthrust / Ω = 8,73N/6700 rpm = 0,0013
38

39. Permodelan Motor
39

40. Dinamika Quadrotor
40

41. Blok Diagram simulink sub sistem
motor
41

42. Blok Diagram Simulink Quadrotor
42

43. Simulasi Sistem Kendali Roll
Proportional 8,5 Integral 0 Derivative 4
Sudut roll Over
Settling
S S Error
shoot Time
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
43

44. Respon kecepatan putar motor untuk
input sudut roll 15, 30 dan 45 derajat
44

45. Simulasi Sistem Kendali Pitch
Proportional 8,5 Integral 0 Derivative 4
Sudut
Over
Settling
SS Error
pitch
shoot
Time
15
2,8 %
1,421
6x10^4
2,8 %
1,413
11x10^4
2,8 %
1,418
17x10^4
derajat
30
derajat
45
derajat
45

46. Respon kecepatan putar motor untuk
input sudut pitch 15, 30 dan 45 derajat
46

47. Simulasi Sistem kendali yaw
Proportional 14, Integral 0 dan Derivative 10
Sudut
Over
Settling SS Error
Yaw
shoot
Time
30
1,03
2,321
derajat
%
detik
60
1,03
2,327
derajat
%
detik
90
1,03
2,308
derajat
%
detik
11x10^4
21x10^4
32x10^4
47

48. Respon kecepatan putar motor untuk
input sudut pitch 30, 60 dan 90 derajat
48

49. Simulasi Sistem kendali ketinggian
)
Proportional 40, Integral 18 dan Derivative 12.
49

50. Respon kecepatan putar motor untuk
input Ketinggian tetap
50

51. Rangkuman hasil simulasi
Sudut roll Over
Settling Time
SS Error
shoot
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 Yaw Over
shoot
Settling
SS Error
Time
30 derajat 1,03 % 2,321 detik
Over
Settling
SS Error
pitch
shoot
Time
15 derajat
2,8 %
1,421
2,8 %
1,413
2,8 %
1,418
32x10^-4
11x10^-4
45 derajat
21x10^-4
6x10^-4
30 derajat
60 derajat 1,03 % 2,327 detik
90 derajat 1,03 % 2,308 detik
Sudut
11x10^-4
17x10^-4
Sistem
Kp
Ki
Kd
Settling Time
Ketinggian
40
18
12
6,339 detik
Overshoot
-
Steady-state Error
0,001 m
51

52. 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.
Video pengujian terbang
52

53. 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

54. 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

55. SEKIAN...
TERIMAKASIH
Mohon saran untuk Tugas Akhir ini
55

56. Sonar
56

57. Spesifikasi Motor
57

58. Electronic Speed Controller
• Lampiran 1
• Lampiran 2
58

59. Pembuatan Quadrotor(3)
59

60. 60