1

Rancang Bangung Kendaraan Udara Tanpa Awak Tipe

Quadrotor Irfan Mauludin Tri Arief Sardjono Djoko Purwanto Jurusan Teknik Elektro ITS, Surabaya-60111, email : udin@elect-eng.its.ac.id

Abstrak – Penelitian pada miniatur robot terbang

otomatis telah intensif dilakukan di berbagai

negara. Perkembangan kendaraan udara tanpa

awak (unmanned aerial vehicles -UAVs) cukup

pesat baik untuk kepentingan militer maupun sipil.

Tugas akhir ini membahas tentang pemodelan dan

kontrol pada UAVs tipe quadrotor. Dalam hal ini

diperkenalkan rancang bangun quadrotor

menggunakan open loop kontrol.

kata kunci : quadrotor, UAVs

I. PENDAHULUAN

Benda terbang selalu memberikan daya tarik yang

besar bagi manusia inilah yang mendorong semua

jenis penelitian dan pengembangan.

Proyek ini dimulai pada tahun 2010, waktu di mana

komunitas robot menunjukkan minat yang menarik

pada pengembangan UAVs. Tantangan ilmiah

dalam mendesain UAVs dan kontrol dalam

lingkungan yang sebenarnya dan kurangnya solusi

yang ada, sangat memotivasi semua orang.Di sisi

lain, aplikasi yang luas baik dari aplikasi di bidang

militer atau pasar sipil mendorong terciptanya

UAVs. Dari berbagai tipe UAVs akhirnya

diputuskan yang bertipe quadrotor. Tantangannya

tidak hanya dari gerak dinamika tetapi juga dari

pengolahan data sensor dan kontrol yang tepat.

Mengintegrasikan sensor, aktuator dan kontrol ke

dalam terbang vertikal ke dalam sistem dengan

operasi yang layak bukan masalah yang sederhana.

II. TEORI PENUNJANG

2.1 Sensor IMU Pada tugas akhir ini sensor IMU yang

digunakan adalah tipe 6DOF combo yang

diproduksi oleh Sparkfun Electronics. Sensor IMU

6DOF dari sparkfun ini memiliki tingkat

sensitivitas dan selektifitas yang baik pada suhu

tertentu, filterasi sinyal dengan high pass filter.

Sehingga dengan menggunakan IMU 6DOF

didapatkan hasil akurat untuk mendeteksi posisi

benda.

Sensor ini terdiri dari 2 jenis sensor yaitu

sensor gyrometer dan accelerometer. Sensor

gyrometer menggunakan LPR530AL (pitch dan

roll), LY530ALH (yaw) sedangkan sensor

accelerometer menggunakan ADXL335 triple-axis.

Sehingga dihasilkan 6 derajat kebebasan pengukuran

dari sensor ini. Semua outputnya analog dan untuk

gyro terdapat 1x dan 4x penguatan. Tegangan yang

digunakan adalah 3.3V. Ciri sensor ini :

a. 2.7-3.6VDC power supply.

b. Low power consumption.

c. Pitch, yaw, and roll gyro outputs 1x

and 4x amplified (0.83 and 3.33

mV/°/s sensitivity, respectively).

d. ±300°/s range.

e. x-, y-, and z-axis accelerometer

outputs.

f. 300mV/g sensitivity.

g. ±3g range.

Gambar 1. Sensor IMU 6DOF.

2.2 Brushless Motor

Sebelum lebih jauh membicarakan mengenai

"brushless-motor", akan dijelaskan terlebih dahulu

bagaimana sebenarnya electrik-motor bisa

berputar/bekerja? Untuk itu diberikan contoh

mengenai prinisip dari motor listrik sederhana yang

menggunakan dua kutub (two pole) dan dialiri arus

searah (DC).

Gambar 2. Diagram motor brushless

2

Pada motor ini terdapat enam bagian penting

yang bisa kita ingat : Rotor, Commutator, Brushes,

Axle (sumbu), Field Magnet (medan magnet) dan

DC power supply (arus DC). Motor

menggunakan magnet untuk menghasilkan gerakan

(putaran). Mungkin jika kita ingat dulu pernah

bermain dengan magnet maka masih ingat hal

mendasar dari sifat magnet itu sendiri : kutub yang

sama akan saling tolak menolak dan yang

berlainan akan tarik-menarik. Jadi jika kita punya

dua buah magnet dan menandai satu sisi magnet

tersebut dengan "north" (utara) dan yang lainnya

dengan "south" (selatan), maka bagian sisi "noth"

akan coba menarik "south", sebaliknya sisi "north"

magnet yang pertama akan melawan/menolak sisi

"north" magnet kedua dan seterusnya. Di dalam

sebuah elektrik motor kondisi saling "tarik-

menarik" dan "tolak-menolak" ini akan

menghasilkan gerakan berputar atau sering disebut

sebagai rotational motion. Pada gambar ini kita

dapat melihat dua buah magnet pada motor. Rotor

adalah sebuah elektro magnet (magnet yang

dihasilkan dari arus listrik) sedangkan sebagai

medan magnet digunakan magnet yang permanen.

Jika arus DC mengalir, maka rotor akan berputar

180 derajat karena perbedaan kutub antara "electro-

magnet" dan "permanent-magnet". Untuk

membuat agar "rotor" tetap berputar maka kutub di

elektro-magnet perlu diubah, hal ini akan dilakukan

oleh "brushes". Bagian "brushes" ini menempel

pada dua buah elektroda yang berputar pada "rotor"

dan mengubah polaritas magnet pada elektro

magnet pada saat berputar. Permanen magnet pada

dasarnya tetap pada posisinya dan tidak berubah,

oleh karena itu disebut sebagai "Stator",

sedangkan elektro-magnet berputar, maka disebut

"Rotor".

Gambar 3. Cara kerja motor brushless

Memang "brushed" motor pada prinsipnya

sangat sederhana dan mudah untuk

dibuat/diproduksi, tapi mempunyai beberapa

kelemahan :

"Brushes" lama kelamaan akan menjadi

rusak.

Karena "brushes" memutus dan

menghubungkan koneksi, maka akan

menimbulkan "storing/electrical noise".

Brushes membatasi kecepatan maximum

dari motor.

Karena posisi "electromagnet" ada di

tengah2 (rotor), maka pendinginan motor

menjadi lebih sulit.

Penggunaa "brushes" juga berarti

membatasi jumlah kutub magnet yang dapat

diinstalasi.

Dengan majunya teknologi dan harga barang-

barang elektronik yang turun, terutama transistor,

maka menjadi mungkin untuk "memindahkan

putaran motor keluar" dan menghilangkan

penggunaan "brushes" dan kita menyebutnya dengan

"brushless motor". Motor jenis ini mempunyai

permanen magnet pada bagian "rotor" sedangkan

elektro-magnet pada bagian "stator"-nya. Setelah itu,

dengan menggunakan sebuah rangkaian sederhana

(simpel computer system), maka kita dapat merubah

arus di eletro-magnet ketika bagian "rotor"-nya

berputar.

Gambar 4. Komponen motor brushless

Gambar 5. Susunan magnet permanen

Untuk lebih memperjelas, dapat dilihat dari

sebuah "brushless motor" berikut ini yang dibongkar

bagian dalamnya. Gambar kanan memperlihatkan

bagian "rotor" yang dilengkapi dengan 14 kutub

susunan magnet yang berbentuk persegi panjang.

Kalau diperhatikan lebih teliti terlihat bahwa

3

potongan2 magnet tersebut dilem menggunakan

semacam "epoxy" berwarna abu2 tua.

Gambar 6. Susunan lilitan tampak samping

Gambar 7. Susunan lilitan tampak atas

Sekarang kita dapat melihat bagian "stator"-

nya. "Stator" ini mempunyai model 12 "gigi" (dapat

dihitung pada jumlah paket gulungannya) diatas

semacam "coating" (lapisan) warna hijau dimana

gulungan ini dipasang.

"Brushless Motor" mempunyai banyak keuntungan

dibandingkan dengan tipe motor yang biasa

(brushed) :

Karena bukan "bruss" tetapi rangkaian

komputer kecil yang mengontrol

perpindahan arus, maka arus tersebut akan

bisa lebih akurat (presisi). Komputer juga

dapat mengatur kecepatan motor lebih

baik sehingga membuat "brushless motor"

lebih efisien.

Tidak adanya storing/electrical noise.

Tidak menggunakan "brushes" yang dapat

rusak setelah lamanya pemakaian.

Dengan posisi "electromagnets" di bagian

"stator", maka pendinginan motor menjadi

lebih mudah..

Jumlah "electromagnets" di stator dapat

sebanyak mungkin untuk mendapatkan

kontrol yang lebih akurat..

Satu kerugian dari "brushless motor" adalah

harganya yang relatif masih agak tinggi

dibandingkan dengan "brush motor", namun ini

bisa terbayarkan nantinya karena "brushless motor"

mempunyai tingkat efisiensi yang tinggi dan lebih

tahan lama.

III. PERANCANGAN SISTEM

Pada bab ini dibahas tentang perancangan

alat secara keseluruhan sesuai dengan blok diagram

sistem pada gambar 3.1 meliputi perancangan

hardware,dan software. Dijelaskan pula lebih terinci

tiap-tiap bagian atau modul-modul penyusun alat

ini.Yang terdiri dari Minimum Sistem

Mikrokontroler ATMEGA32, IMU 6 DOF dan ESC.

Gambar 8. Kontrol close loop

Bateray berfungsi untuk mencatu arus dan

tegangan ke semua instrument baik rangkaian IMU 6

DOF, ESC,dan minimum sistem. Sebuah Bateray

yang berfungsi dengan baik akan menyebabkan kerja

dari alat menjadi baik pula, Bateray ini

menghasilkan keluaran tegangan 12.6 volt DC

dengan arus max 2200mA x 45C= 99A.

Gambar 9. Quadrotor

3.1 Kalman Filter

Pemilihan kalman filter sebagai filter data

sensor gyro dan accelerometer dikarenakan memiliki

time delay yang pendek sehingga sangat berguna

untuk perhitungan data yang real time.

4

Algoritma kalman filter seperti tabel

dibawah ini:

3.2 LQR Kontroller

LQR (Linier Quadratic Regulator) adalah

salah satu jenis kontoller yang menggunakan

matrik sebagai perhitungannya. Kelebihan dari

kontrol ini bisa dipakai untuk MIMO (multi input

multi output). Berikut algoritma dari LQR:

3.3 Sistem Pemodelan

Sistem pemodelan dari quadrotor sebagai

berikut [11]:

IV. PENGUJIAN SISTEM DAN ANALISIS

Pengujian sensor accelerometer dan

gyroscope dilakukan dengan pergerakan sudut

dari quadrotor. Berikut beberapa data yang diuji:

Gambar 10. Pengujian sensor dengan pergerakan

terpisah

Gambar 11. Pengujian sensor dengan pergerakan

terus-menerus

5

V. KESIMPULAN

Kalman filter sangat diperlukan dalam

pengambilan data accelerometer dan gyro

meter.Pengetesan gerak mekanik perlu dilakukan

untuk mencari gerak aeromeodeling dari quadrotor.

DAFTAR REFERENSI

[1]<URL: http://www.nano2.nl/info/2610.pdf>

[2] …, 2003, ATMEGA 16 ,

<URL:http://www.atmel.com/ >, p 1

[3] H.Barnett Richard, Cox Sarah,O’Cull Larry,

2006, Embedded C Programming And The Atmel

AVR, Cengage Learning.

[4]Winoto Ardi, 2008, Mikrokontroller AVR AT

Mega8/32/16/8535 dan Pemrogramannya dengan

Bahasa C pada WinAVR, Informatika, Bandung.

[5] …,2009,dimmer

shcematics<URL:http://www.zonque.org>

[6]..., 2008, Datasheet_LCD,

<URL:http://www.digi-ware.com>

[7] …,2009,PID

controller,<URL:http://en.wikipedia.org>

[8] Ogata, Katsuhiko,1991, Teknik Kontrol

Automatik – terjemahan: Ir. Edi Laksono,

Erlangga, Jakarta.

[9] Robust Low Altitude Behavior Control of a

Quadrotor Rotorcraft Through Sliding Modes:

Mehmet ¨Onder Efe1.

[10] Quadrotor Helicopter Trajectory Tracking

Control : Gabriel M. Ho_mann.

[11] Full Control of a Quadrotor: Samir

bouabdallah and Roland Siegwart

Autonomous Systems Lab Swiss Federal

Institute of Technology, ETHZ Z¨urich,

Switzerland

BIOGRAFI

Irfan Mauludin Nurdiansyah

adalah anak yang dilahirkan

di Malang, 10 November

1986. Pertama kali

bersekolah di TA. Panglima

Sudirman dilanjutkan ke SD

Sumbersekar III lalu

melanjutkan di SLTPN 1 Batu. Penulis

menempuh jenjang pendidikan selanjutnya di SMAN

1 Batu. Pada tahun 2004 penulis diterima di jurusan

Teknik Elektro Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Surabaya dan mengambil konsentrasi Bidang Studi

Elektronika pada Jurusan Teknik Elektro ITS

Surabaya sebagai pilihan terbaik. Selain akitf sebagai

asisten praktikum, penulis juga aktif di Tim Robot

ITS dari tahun 2005-2010.

e-mail : hatoya_haki@yahoo.com

.