PRESENTASI TUGAS AKHIR

PERANCANGAN ULANG DAN PENGEMBANGAN SISTEM KENDALI WAHANA TERBANG TANPA AWAK MONOCOPTER MC-11i

Oleh:

Imron Anshori Shodiq

(136 09 044)

Pembimbing:

Dr. Taufiq Mulyanto

Outline

1. Pendahuluan Latar Belakang

Ulasan Desain MC-11

Tujuan Penelitian & DRO

2. Penentuan konfigurasi dan ukuran awal Penentuan titik pusat massa

dan kecepatan putar

Keseimbangan gaya

Perhitungan ukuran sayap

3. Konsep kendali terbang & Algoritma Kendali

4. Spesifikasi komponen elektronika yang digunakan

5. Proses produksi, assembly, dan uji terbang

2

Monocopter merupakan suatu istilah untuk wahana

terbang yang hanya terdiri dari satu sayap dan sebuah

mesin pendorong, serta keseluruhan bagian badannya

(termasuk sayap dan badan atau pod) berputar dengan

kecepatan tertentu hingga menghasilkan gaya angkat

yang cukup untuk membuat wahana tersebut terbang.

Monocopter

3

Pratama, Hendi Aji. 2012. “Studi Konsep dan Rancang Bangun Wahana

Monocopter Tanpa Awak MC-11”. Institut Teknologi Bandung.

Perbandingan kelebihan Rotary Wing dengan fixed wing

Eksplorasi konsep baru

Konsep baru Monocopter VTOL, Hovering, endurance, simple, robust

4

Latar Belakang

Fixed Wing Rotary wing

endurance VTOL

speed Hovering

Video uji terbang MC-11 oleh Hendi Aji P.

5

Ulasan Desain MC-11

Hasil perancangan MC-11 Massa total 225 gram.

Telah dapat melakukan lift off

Sudut Coning lebih dari 210

Sudut pitch lebih dari 450

Unsteady hovering ~180 RPM

Belum ada sistem kendali

Pratama, Hendi Aji. 2012. “Studi Konsep dan Rancang Bangun Wahana Monocopter Tanpa Awak MC-11”. Institut Teknologi Bandung

Pemodelan Matematika Dinamika terbang dari monocopter

Berdasarkan konfigurasi MC-11

Pemodelan dinamika terbang translasi vertikal dengan Matlab

Titik pusat massa monocopter berotasi pada suatu sumbu imajiner lain

Wandini Ayu, Ratna. 2012. “Pemodelan Matematika Dinamika Terbang Wahana Tanpa Awak Monocopter”. Institut Teknologi Bandung

6

Tujuan

Perbaikan desain MC-11

Sistem pengendali terbang

Sikap terbang yang sesuai dengan rancangan yaitu kemampuan hovering dengan sudut coning & pitch kecil

Gerak translasi arah horizontal dan vertikal

7

mampu terbang dan hovering dengan sudut coning & pitch kecil,

yaitu kurang dari 120.

Kecepatan rotasinya kurang dari 5Hz atau 300 RPM

Massa totalnya tidak lebih dari 150 gram.

Mampu terbang dan bergerak translasi horizontal dan vertikal

sesuai perintah dari pengendali.

Mampu terbang dalam durasi minimal 5 menit.

Persyaratan dan Tujuan Desain

8

Penentuan Konfigurasi dan Ukuran Awal

9

Konfigurasi Umum dan Kecepatan Putar

Konfigurasi yang dipilih straight dengan penambahan “balance beam” pada sumbu Y

Posisi pusat massa berada di persilangan antara 2 principal inertia axis, di bawah titik tumpunya (mirip konfigurasi high wing)

Take off support

Kecepatan putar harus bisa diimbangi oleh kecepatan servo yang bekerja

~ 4 Hz (240 rpm) sebagai terkaan awal

10

Keseimbangan Gaya

Pitch axis view Coning axis view

• Penambahan ‘balance beam’ bidang acuan trim Menjaga besar sudut pitch

• CP sayap berimpit dengan titik pusat massa

• Arah rotasi motor brushless & propeler mengikuti aturan tangan kanan coning angle

• Panjang lengan gaya angkat terhadap pusat rotasi sekecil mungkin taper

11

Total Massa take off:

146 gram

Belum termasuk data logger & take off support

Massa Komponen Penyusun Monocopter

Pie chart kontribusi massa penyusun monocopter

1. Termasuk kategori airfoil tipis massa sayap ringan

2. Mempunyai koefisien pitching moment yang kecil.

3. Memiliki efisiensi aerodinamik yang tinggi

Merupakan kategori airfoil Low Reynold number

Pemilihan Airfoil

13

no Ag455ct-02r E214 E184

1 1 3 2

2 2 3 1

3 2 1 3

total 5 7 6

Propertis aerodinamika berdasarkan Software:

JavaFoil & XFoil

Ag455ct-02r

14

Perhitungan Ukuran Sayap

𝐿 =1

2𝜌𝑣2𝑆 𝐶𝐿

𝑑𝐿 =1

2𝜌 𝜔𝑟 2𝐶𝐿𝐶(𝑥) ∙ 𝑑𝑟 𝐵 = 1 −

𝑐𝑡𝑖𝑝

2𝑅

𝐿 =1

2𝜌𝜔2𝐶 𝐶𝐿 𝑟2

𝐵𝑟𝑚𝑎𝑥

𝑟0

𝑑𝑟

15

Parameter Sayap

Airfoil

Kecepatan putar

Tip chord

dan Cl

Taper ratio: 0.5 mengurangi sudut coning

Tip loss factor

16

Airfoil AG455CT-02r

(RPM) 4 Hz (240 rpm)

Wing Loading 12.98 N/m2

Luas 1102.5 cm2

Aspect Ratio 2.18

Span 49 cm

Tip chord, Ct 15 cm

Tip chord, Cr 30 cm

Re (tip) 120000

Re(mid) 90000

Cl 0.65

40

Cm -0,031

CP 29,5% chord

Visualisasi 3D

17

Pengembangan Sistem Pengendali Terbang

Monocopter MC-11i

18

Konsep Kendali Terbang

Side view

Top view

Efek Giroskopik

Sumber animasi: Wikipedia

19

Sum

ber

gam

bar

: h

ttp

: //w

ww

.jam

esp

ho

ugh

ton

.co

m/

Algoritma Kendali pertama

Asumsi kecepatan rotasi konstan

Sinusoidal servo deflection aileron

Tidak ada slot waktu untuk memantau input kendali / heading saat servo bekerja

Ada 2 pendekatan dari algoritma kendali dasar ini saat implementasi ke sistem kendali

20

Algoritma kedua

21

Ada slot waktu untuk memantau input kendali, heading dan logging ke SD Card.

Output defleksi servo tidak bisa membentuk sinusoidal sempurna, tetapi didekati dengan bentuk trapesium.

Dapat menyesuaikan dengan kecepatan rotasi yang bervariasi

Flowchart Algoritma

kedua

22

Untuk keperluan ground test

SD Card module dilepaskan apabila akan dilakukan flight test

Skematik Rangkaian Elektronika Sistem Kendali MC-11i

23

Mikrokontroler & Aktuator

Arduino Pro Mini 5V / 16 MHz

Massa 3 gram dan berdimensi 34mm x 18mm x 2mm.

14 pin digital I/O dan 8 pin analog, 3 pin Ground, 3 pin suplai daya

24

sum

be

r g

am

ba

r: s

pa

rkfu

n

HobbyKing mini servo

Massa 4 gram

kecepatan aktuasi yang bisa dicapai ialah 600 per 0.12 detik atau 10 per 2 milidetik.

Tegangan kerja 3.7V ~ 12V

sum

be

r g

amb

ar: H

ob

byK

ing

Output data: 3600-00 (counter clockwise)

Magnetometer (Digital Compass)

Honeywell HMC6352

25 sumber gambar: sparkfun

Pembacaan langsung dalam derajat

6 ms heading calculation time

Mini, compact, low power consumption

Wide range magnetic field sensor

I2C interface

Minus fitur tilt compensated

Output Data: Pembacaan Heading

Transmitter-Receiver & SD Card Module

(Pembatasan arah kendali)

26

sum

be

r g

amb

ar: H

ob

byK

ing

Untuk keperluan

Logging saat

groundtest, tidak

diikutsertakan saat

flight test

1 GB microSD + adapter

Output File “datalog.txt”

Arduino compatible

6 pin

Massa: 8 gram (belum termasuk kabel)

sum

be

r g

amb

ar: D

F R

ob

ot

Proses Manufaktur, Assembly dan Uji Terbang

27

Manufaktur Sayap

Partisi sayap

Pelapisan sayap

• Taper, swept • Airfoil tipis • Laser cutting pada balsa

untuk airfoil

• Kertas dodol Warna

merah 28

Assembly

Perekat:

lem CA, lem Epoxy, lakban, double tape, isolasi

Massa take off 146 gram

29

Take-Off support

Terbuat dari balsa

Konfigurasi monocopter tidak memungkinkan peluncuran dari tanah

Massa take off bisa lebih ringan

30

Uji Terbang #1 Dilaksanakan di gedung BSCA ITB lantai 4 pada tanggal 22 Februari 2014

31

Analisis Uji Terbang #1

Coning angle 50 ~ 100 Pitch angle ~ -50

32

Massa 140 gram

Kecepatan putar sekitar 230 rpm

Uji Terbang #2 di Aula ITB Jatinangor

33

Pada tanggal 9 mei 2014

Analisis Respon Sistem Kendali

34

Massa take off: 146 gram

Kecepatan putar sekitar 240 rpm

Massa total (take off) 146 gram

Wing Span 49 cm

Root chord 30 cm

Tip chord 15 cm

Aspect ratio 2,18

Wing loading 12,98 N/m2

Thrust untuk hovering 70% - 80%

Panjang Lengan motor 29 cm

Kecepatan rotasi ~ 240 rpm (4 Hz)

Coning angle 70 – 100

Pitch angle 50 - 80

Mikrokontroler Arduino Pro Mini

Magnetometer Honeywell HMC6352

Servo HobbyKing Mini Servo

Simpulan dan Saran

Simpulan

Penggunaaan Fitur tilt compensated pada magnetometer

Mikrokontroler ganda

Compact monocopter

Penambahan opsi arah kendali & variasi kecepatan

Saran

Didapatkan sebuah monocopter dengan spesifikasi seperti berikut:

Parameter sikap terbang yang diinginkan dari monocopter terpenuhi

Didapatkan algoritma kendali yang dapat menggerakan monocopter dalam empat arah mata angin utama

35

Sekian

Terima Kasih

36