Design, Build and Fly Your Own Micro Indoor UAVITB, 31 Agustus
2009Oleh : Feri Ametia Pratama Kupu-Kupu Micro UAV Team Pembimbing
: Dr. Taufiq Mulyanto
PROGRAM STUDI AERONOTIKA DAN ASTRONOTIKA FAKULTAS TEKNIK MESIN
DAN DIRGANTARA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009
What is UAV/S?
Unmanned Aerial Vehicle/SystemUAV / UA (Unmmaned Aircraft) A
powered, aerial vehicle that does not carry a human operator, uses
aerodynamic forces to provide vehicle lift, can fly autonomously or
be piloted remotely, can be expendable or recoverable, and can
carry a lethal or non-lethal payload. Ballistic or semi ballistic
vehicles, cruise missiles, and artillery projectiles are not
considered unmanned aerial vehicles. UAS (Unmanned Aircraft System)
A system of UA that include UA, GCS, LRE and other supporting
system. UAS Mission : Dull Dirty Dangerous
UAV/S VS AEROMODELLING
UAV/S Include Supporting systems : Ground Control Station,
Autonomous and Navigation, Payload and etc Mission flight
AEROMODELLING Flying & Non Flying Models Scale Down Version
of real Aircraft Hobby
UAV/S MISSIONS/FUNCTIONAL Target and decoy Reconnaissance Combat
Logistics Research and development : Providing ground and aerial
gunnery a target that simulates an enemy aircraft or missile. :
Providing battlefield intelligence : Providing attack capability
for high-risk missions (Unmanned combat air vehicle) : UAVs
specifically designed for cargo and logistics operation : Used to
further develop UAV technologies to be integrated into field
deployed UAV aircraft
Civil and Commercial UAVs : UAVs specifically designed for civil
and commercial applications
UAV/S Main Systems
Launcher & Recovery
Ground Control Station
UAV/S Supporting SystemsAirframe Autonomous System Data Comm
Navigation & Guidance
Propulsion Payload
Launcher & Recovery
Ground Control Station
MICRO UAV/SMicro UAV Configuration Types Fixed Wing
Bird/Insect/Ornithopter Helicopter BULBUL
Black Widow
HOW SMALL IS MICRO UAV/S
Micro UAV/S SystemsElectric Motor
Micro RC Receiver
IMU 5 DOF GPS
RC-12 Micro Camera
Micro UAV/S SystemsRC-12 Camera
KUPU-KUPU Micro UAV1. Design Requirements & Objectives.
Massa total tidak melebihi 150 gram. Low speed flight. Durasi
terbang maksimum 4 menit. Mudah dibuat dan dibongkar pasang.
2. Konsep Desain Low wing loading. Konfigurasi konvensional.
Modular construction. Handmade.
KUPU-KUPU Micro UAV Wing span Wing area Panjang Weight Airframe
Sistem Camera Total : 59 gram : 65 gram : 15 gram : 139 gram : 92
cm : 2100 cm2 : 80 cm
Brushed electric motor 8.1 W, 1.3 A. Micro ESC 10 A. Li-Po
battery 2 cells 340 mAh. Micro servo 1.1 kg.cm. 72 Mhz micro
receiver.
KUPU-KUPU Micro UAVConstruction1. 2. 3. 4. 5. 6. Styrofoam
material Thin plastic skin Balsa wood tailboom Propeller protection
Roll trimmer System emplacement and Protection 7. Micro camera
position
Design Your Own Micro UAV
DR&ODR&O : Design Requirement and Objectives (Sasaran
dan Objektif Perancangan) Menentukan parameter-parameter design
yang memenuhi tujuan dan objektif dari Micro UAV DR&O Based on
IIARC Regulation Massa total tidak melebihi 150 gram. Low speed
flight. Durasi terbang maksimum 4 menit. Mudah dibuat dan dibongkar
pasang. Low wing loading. Konfigurasi konvensional. Modular
construction. Handmade.
Configuration SelectionPemilihan konfigurasi yang memenuhi
persyaratan pada DR&O Configuration category 1. Conventional
Konfigurasi konvensional diterjemahkan sebagai pesawat yang terdiri
dari sayap monoplane, fuselage, ekor tegak, dan ekor horisontal.
Keunggulan dari konsep desain ini adalah : Pilot akan lebih mudah
mengendalikan pesawatnya, serta karakteristik terbangnya dapat
diperkirakan berdasarkan referensi. Umumnya, proses konstruksi
konfigurasi ini lebih mudah bila dibandingkan dengan konfigurasi
pesawat tidak konvensional.
Configuration Selection
Configuration Selection2. Unconventional Tailess Configuration
(TFA-136)
Configuration Selection2. Unconventional Canard Configuration
(Hummerhead)
Configuration Selection2. Unconventional Tandem Wing (NS-01
Strigate)
Configuration Selection2. Unconventional Multi Plane
(BUL-Bul)
Conventional ConfigurationHorizontal Tail Elevator
Wing Fuselage/ Tail Boom
Vertical Tail Rudder
Wing Design
Wing Design Variables : 1. Airfoil Selection 2. Wing Planform 3.
Aspect Ratio
Airfoil SelectionAirfoil main criteria based on DR&O (low
speed) : Low Reynolds Number
Sumber : http://www.ae.uiuc.edu
Wing Planform DesignWing Planform Selection
Aspect RatioAspect Ratio : Menyatakan besar kelampaian suatu
sayap
High aspect ratio : long, narrow wings
Low aspect ratio : short, stubby wings.
Aspect RatioParameter aspect ratio mempengaruhi besarnya
gradient koefisien gaya angkat yang dihasilkan, dan berimplikasi
pada peningkatan rasio L/D sayap. Karakteristik dari parameter ini
ditampilkan pada poin-poin berikut : Semakin besar aspect ratio,
maka effisiensi aerodinamika sayap (L/D) akan semakin besar, namun
memberi implikasi pada penambahan berat. Semakin besar aspect ratio
menyebabkan gradien kurva koefisien gaya angkat bertambah besar,
sehingga pesawat mengalami stall pada sudut serang yang lebih
rendah dibanding sayap dengan aspect ratio kecil. Bertambah nilai
aspect ratio, untuk luas sayap yang sama, menyebabkan span sayap
akan semakin panjang. Hal ini dapat menyulitkan dalam proses
konstruksi, dan akan mengurangi kekakuan sayap.
Aspect Ratio
Wing span Wing area
: 92 cm : 2100 cm2
Tail DesignTail configuration selection
Cruciform Tail Conventional Tail H-Tail
V-Tail
T-Tail
Tail DesignHorizontal Tail sizing
HTA = (2.5 x MAC x 0.2 x WA) / (TMA)
Tail moment arm that is 2.5 times the wings mean aerodynamic
chord (MAC), then a horizontal tail area (HTA) equal to 20% of the
wing area (WA).
Tail Design
St ct Sw Lt Bw
: Luas ekor horizontal ataupun vertical, dalam satuan cm2. :
Tail volume coefficient untuk ekor horizontal dan vertikal. : Luas
sayap dalam satuan cm2. : Jarak 0.25 mean aerodynamic chord (m.a.c)
sayap dan 0.25 m.a.c ekor. : Panjang span sayap, dalam satuan
cm.
Fuselage DesignPeran penting dari kehadiran fuselage pada suatu
desain indoor UAV adalah sebagai tempat peletakan sekaligus
pelindung komponen sistem pendukung penerbangan. Idenya adalah
membuat fuselage sesederhana dan seringan mungkin, namun tetap
harus mampu memenuhi perannya sebagai tempat penyimpanan dan
pelindung. Perlu juga diperhatikan bahwa panjang fuselage harus
mencukupi untuk menghubungkan sayap dan ekor, semakin panjang
fuselage maka akan semakin diperlukan konstruksi yang kokoh agar
pesawat dapat beroperasi dengan baik.
Tahapan Konstruksi
CAD and Solid DrawingGambar CAD : Visualisasi secara detail
pesawat yang akan dibuat. Proses ini dilakukan dengan menggunakan
perangkat lunak, seperti Autocad, Catia, Solidworks, atau perangkat
lunak sejenis.
CAD and Solid DrawingPenggunaan gambar CAD selain untuk
mendapatkan visualisasi mengenai desain yang dibuat, dapat juga
digunakan untuk mendapatkan kisaran berat dan letak titik pusat
massa (c.g) desain yang dibuat, dengan langkah-langkah berikut :
Menggambarkan desain indoor UAV secara detail dalam format solid.
Tujuan format ini adalah agar dapat dihitung volume dan titik c.g
atau centroid. Langkah selanjutnya adalah volume dan letak c.g
dihitung menggunakan perangkat lunak tersebut. Umumnya, perangkat
lunak yang telah disebutkan di atas memiliki kemampuan untuk
melakukan hal ini.
Hasil perhitungan volume yang didapatkan dikalikan dengan
kerapatan jenis material penyusun, untuk mendapatkan kisaran berat
komponen tersebut. Hal yang sama juga dilakukan untuk mendapatkan
letak titik c.g yang dilakukan dengan terlebih dahulu menghitung
letak c.g tiap komponen yang kemudian digabungkan untuk mendapatkan
titik c.g pesawat.
Pembuatan Cetakan dan Pembentukan MaterialHasil visualisasi
desain yang dalam bentuk gambar CAD juga memiliki kegunaan lain,
yaitu sebagai pola cetakan dalam pembentukan material agar dapat
dihasilkan bentuk yang sesuai. Beberapa jenis cetakan yang
diperlukan adalah airfoil sayap, bentuk fuselage, dan bentuk ekor.
Langkah pembuatan cetakan Plot gambar CAD pada kertas dan kemudian
dipoton mengikuti pola Pola dari plot CAD tersebut kemudian
ditempelkan pada kayu balsa dan dipotong mengikuti pola agar
presisi
Pembuatan Cetakan dan Pembentukan Material
Material SelectionMaterials selection and configuration: Balsa
Wood = 0.25 g/cm3 Keunggulan Balsa : Memiliki massa yang sangat
ringan, dibanding dengan jenis kayu lain. Mudah dibentuk, dan
memiliki tingkat elastisitas yang cukup tinggi.
Material SelectionStyrofoam = 0.014 g/cm3 Keunggulan : Memiliki
kerapatan jenis yang sangat kecil dibanding material-material lain.
Dapat dibentuk dengan mudah, dengan cara dipotong. Memiliki
karakteristik getas, dan mudah mengalami kerusakan pada butirbutir
penyusun material ini. Akibat mudahnya butir-butir penyusunnya
mengalami kerusakan, maka material ini tidak dapat dipotong sangat
tipis.
Material SelectionPolyfoam = 0.019 g/cm3
Material SelectionPlasticMaterial plastik juga dapat digunakan
untuk suatu desain indoor UAV, namun terbatas sebagai skin sayap
ataupun ekor. Keuntungan penggunaan material ini adalah membuat
permukaan sayap atau ekor menjadi lebih halus, sehingga akan lebih
ideal untuk menghasilkan gaya angkat. Jenis yang biasa digunakan
adalah nylon film, dan plastic wrap yang biasa digunakan plastik
pembungkus makanan. Kerapatan jenis kedua plastik ini berada pada
kisaran 1.2 gram/cm3, namun memiliki kekurangan yaitu mudah robek,
sehingga hati-hati dalam perlakuannya.
Material Selection
Airframe IntegrationPrinsip utama dari proses integrasi ini
adalah mendapatkan letak titik c.g paska produksi yang setepat
mungkin dengan titik yang diinginkan pada tahapan desain. Komponen
komponen sistem pendukung penerbangan sebaiknya dapat digeser-geser
untuk memudahkan perubahan letak titik c.g saat dibutuhkan.
Integrasi Airframe Integrasi Komponen Pendukung Penerbangan
Perancangan Sistem Kendali
Control System Concept
Kriteria sistem kendali yang akan dibuat untuk desain suatu
indoor UAV (Kupu-Kupu Micro UAV) adalah : Sederhana, murah, dan
mudah dibuat. Responsif, dalam arti tidak ada keterlambatan respon
bidang kendali.
R/C Console dan ReceiverKedua peralatan ini memiliki kaitan yang
sangat erat satu sama lain, dimana R/C console adalah pengendali
gerakan pesawat oleh pilot, yang lazim juga disebut sebagai
transmitter karena berfungsi untuk mengirimkan respon kendali pilot
dalam bentuk gelombang yang akan diterima oleh pesawat. Respon
gelombang dari R/C console tersebut kemudian diterima oleh receiver
yang kemudian menyalurkannya ke komponen yang telah ditentukan.
Servoservo, yaitu komponen yang berfungsi mentransmisikan
gerakan yang diinginkan pilot menjadi gerakan pada bidang kendali.
Pemilihan komponen ini biasanya didasarkan pada besarnya torsi yang
dimiliki, dan kisaran beratnya. Parameter pertama berkaitan dengan
beban yang dapat digerakkan oleh servo. Sedangkan parameter kedua
berkaitan dengan keinginan untuk menghasilkan pesawat indoor UAV
seringan mungkin.
Control HornKomponen ini berfungsi meneruskan respon mekanisme
penghubung servo dengan bidang kendali untuk menggerakkannya.
Komponen ini ditempelkan pada bidang kendali, sehingga saat ada
respon dari servo dan linkage maka bidang kendali akan bergerak dan
mengubah sikap pesawat.
Control HornPull-pull
Push-pull
Stability and CG Location
What is stable..?
Super Lightweight RC Airplane
Other Airplane1. 3rd Student Indoor Airial Robot Contest 2008 2.
Georges superlight RC plane 3. Flying wing and Thrust vectoring
tailless 4. Very low speed a. microcelline b. superlight 5.
Other