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