rancang bangun rotator elevasi satelit nano …

LOGO

RANCANG BANGUN ROTATOR ELEVASI SATELIT NANO UNTUK PORTABLE

GROUND STATION

Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya

Made Yudithia Krisnabayu2108100081

ContentsPendahuluan1.

Kajian Pustaka2.

Metodologi3.

Perancangan4.

Penutup5.

PENDAHULUAN

PENDAHULUANLatar Belakang

1

Kondisi Geografis Indonesia begitu menakjubkan, terbentang panjang dari Sabangsampai Merouke

2

Menjadi bangsa Indonesia yang mandiri akan teknologi satelit

3

Rotator sebagai penggerak

antena memiliki fungsi dalam mendukung pergerakan

antena ketika proses

komunikasi

Latar Belakang

1

Kondisi Geografis Indonesia begitu menakjubkan, terbentang panjang dari Sabangsampai Merouke

Indonesia membutuhkan banyak infrastruktur satelit, baik untuk proses pengamatan bumi, untuk pengamatan objek, keamanan dan pertahanan laut, serta tentunya untuk komunikasi

Latar Belakang

2

Menjadi bangsa Indonesia yang mandiri akan teknologi satelit

Sumber: wikipedia.org

Barulah pada tahun 2006 dan 2007 Indonesia membuat satelit buatan sendiri melalui LAPAN

Gambar satelit INASAT-1 & TUBESAT

Untuk kedepannya LAPAN akan bekerjasama dengan dosen danmahasiswa di Indonesia mengembangkan teknologi satelit

Latar Belakang

3

Rotator sebagai penggerak

antena memiliki fungsi dalam mendukung pergerakan

antena ketika proses

komunikasi

Didalam mendukung sistem satelitrotator yang PRESISI dalam

menggerakan antena.

KARENA

Payload atau muatan yang akan dikirimakan diterima dengan baik antena

dapat menghadap tepat ke arah satelit

Rumusan masalah, Tujuan, Manfaat

Bagaimana rancangan

rotator antena untuk portable ground station.

Rumusan masalah

Membuat rotator antena untuk mendukung

teknologi satelit guna mampu menjadi bangsa

yang mandiri dalam teknologi satelit

Tujuan Rumusan masalahManfaat

Mempunyai rotator antena sendiri untuk portable ground station

sehingga nantinya bisa mendukung menjadi bangsa

mandiri

Batasan MasalahSatelit berevolusi dengan pusat pada antena ketika melewati wilayah indonesia.Kondisi udara steadyt=konstan, uniform di setiap section gaya yang terdistribusi

merata: V=5.9 m/s, massa jenis udara diatmosfer konstan 1.23 kg/m3.Sistem kontrol fokus pd pencapaian steady condition (tidak membahas sirkuit

elektronik detail).Hanya dirancang rotator elevasi saja tanpa rotator azimuth.Portable Ground Station diletakkan pada kondisi diam sehingga getaran wahana

dapat diabaikan.Ketelitian rotator elevasi sebesar ± 10. Massa antena dan frame sebesar 1.5 kg.Digunakan motor dc encoder dengan konsumsi daya sebesar 24 V dan arus 0.5 A,

jenis mikrokontroler yakni ATMEGA 8535.Dilakukan pendekatan eksperimental untuk mengetahui performance dan pendekatan

numerikal untuk mengetahui kekuatan struktur pada komponen tertentu yakni batangpenyangga antena.

Penentuan posisi satelit di luar angkasa yang akan dikirim menuju kontrol rotator melalui data TLE (two line element) dianggap tepat dan sesuai sehingga dianggaptidak terjadi error measurement posisi satelit.

Sistematika Penulisan

BAB I PENDAHULUAN

BAB III METODOLOGI

BAB V PENUTUP

SistematikaPenulisan

BAB II KAJIAN PUSTAKA

BAB IV PERANCANGAN

Kajian Pustaka

KAJIAN PUSTAKA

SatelitTeori

PerancanganKomponen

Kontrol

• Pemahaman Satelit• Portable GS• Data satelit nano

IiNUSAT

• Gaya Hambat• Gaya Permukaan• Gaya Berat• Roda Gigi• Poros• Bantalan• Teori Kegagalan

• Sensor Encoder• Potensiometer• Mikrokontroler• Motor DC• H-Bridge• LCD Penampil

Kajian Pustaka(Satelit)

Apa itu satelit?

Satelit merupakan benda yang mengorbit terhadap benda lain dalam perioderevolusi tertentu

Bulan adalah satelit alam

Kemudian apa bedanya dengan satelit buatan?

Satelit buatan sengaja dibuat untuk tujuantertentu misalnya untuk astronomi, untuknavigasi, untuk cuaca dll.

Teknologi Satelit Buatan

Bruce R. Elbert“Introduction to satellite communication"

OverallSystem

GroundStation

Space station

Kajian Pustaka(Satelit)

Subsistemstasiunbumi

Jelaslah bahwa rotator merupakankomponen penting dalam mendukung

fungsi satelit

Tabel subsistem GS

Portable Ground StationPada dasarnya prinsip danfungsinya sama seperti GS yang dipaparkan sebelumnya hanyasaja peralatan-peralatan yang mudah dibawa dan compact.

Gambar Portable GS

Kajian Pustaka(Satelit)

Data teknis satelit nano IiNUSATParameter Nilai

OrbitSemi-major axis (km) 7071Inclination (derajat) 98.2Eccentricity 0Altitude (km) 700Orbital periode (menit) 98.63Orbit velocity (km/s) 7.5Groundtrack velocity (km/s) 6.765Atmosphere RelatedAtmosphere density:Mean (kg/m3) 2.36E-14Maximum (kg/m3) 2.73E-13

(Sumber: Prelimanary design of IiNUSAT)

Nama orbit : Sun-Synchronous Polar Orbit

Kajian Pustaka

Jenis Antena Mikrostrip

Karakter: ringan

Kajian Pustaka(Teori Perancangan)

Gaya Hambat

FD: Gaya hambatρ : Massa jenis dari fluida

yang mengalirV : Kecepatan objekA : Luasan objekCD : Koefisien gesekan

dari objekύ : adalah vector satuan

Sumber: “Introduction to fluid mechanic” by Fox&McDonald

Kajian Pustaka(Teori Perancangan)

Gaya Permukaan

Fs :gaya permukaan yang timbul akibalkecepatan udara luar(N)

ρ : massa jenis udaraatmosfer (1.23 kg/ms)

V : kecepatan udaraatmosfer (m)

A : luasan proyeksi antena

Sumber: “Introduction to fluid mechanic” by Fox&McDonald

Kajian Pustaka(Teori Perancangan)

Gaya Berat

W : gaya berat (N)m : massa benda (kg)g : gaya gravitasi (m/s2)

W = m × g

Kajian Pustaka(Teori Perancangan)

Jadi Ketiga jenis gaya tersebutlah yang nantinya akanbekerja pada mekanisme rotator elevasi ini

Gambar free body diagram gaya yang bekerja

Kajian Pustaka(Teori Perancangan)

Rodagigi

Velocity Ratio

Material Roda gigi Aman

Terhadap patahanTerhadap keausan

Poros

Mencari diameter min terhadap

material tertentu

Bantalan

Berdasarkan di jenisbantalan pasaran,

dihitung berapaumurnya akibat gaya

bekerja

KomponenElektronik

MikrokontrolerLCD Penampil

Magnetik Encoder

H-Bridge

Potensiometer

Motor DC

Kajian Pustaka(Komponen Elektronik)

MetodologiTahapanPerancangan

Diagram Alir

HasilDesain

VariabelHasil

Metodologi

Diagram Alir Perancangan

Start

Definisi Tugas

Syarat Batas

Pembuatan Konsep Rancangan

Seleksi Konsep

Perancangan & Perhitungan

Rancangan Mekanika

Rancangan Kontrol

Evaluasi Manufakturing

Bisa dimanufakturing

Proses Pembuatan Alat

Finish

Uji Coba Alat

Survey,Interview,Studi Literatur

List Of Requirment

Check List Manufaktur

Tidak

Ya

Baik/Tidak

Hasil

TidakYa

Mekanika &/ kontrol

Metodologi

Diagram Alir Desain Mekanika

Start

Kondisi Lingkungan, Syarat Orbit, Dimensi

Antena

Perhitungan Kecepatan Angular Antena

Perhitungan Gaya-Gaya Pada Rotator

Perhitungan Torsi Minimum

Perhitungan Reduksi Roda Gigi

Gaya yang Terjadi Tiap Komponen

Pemilihan Material Komponen

Material Aman?

Rancangan: Dimensi, Material,Spek

Komponen,Umur

Pemilihan Motor di Pasaran

Mengganti MaterialPemeriksaan Keamanan

Orbit Sun-

Synchronous Polar

Finish

RPM Motor & Output

Tidak

Ya

Metodologi

Diagram Alir Desain Kontrol

Start

Derajat Posisi

Interface (komputer) memberi signal ke mikroprocesor

Mikroprosesor mengolah data

Layar LCD PenampilSignal Diteruskan ke

Encoder berupa derajat putar

Encoder Memberi Perintah ke Motor

bergerak

Motor Menggerakan Roda Gigi Hingga

Aktuator

Potensiometer Membaca Gerakan Aktuator

Potensiometer memberikan feedback data derajat aktual menuju mikroprosesor

Mikroprosesor Membandingkan Input terhadap Output (Eror=Output-Input)

10≤ Eror ≤10?

Data Eror diolah

Posisi Aktuator yang Akurat

Finish

Tidak

Ya

LCD&Encoder

Metodologi

Diagram Alir Analisa NumerikStart

Komponen

Gambar Desain

Pemberian gaya-gaya pada Ansys

Parameter

Running

Finish

Sukses?Tidak

YaTegangan komponen

Evaluasi

MetodologiHasil Awal Desain Mekanika

Frame tempatantena

Batang Penyanggaantena

Gambar desain Frame antena

Posisi baut ke casing

Roda gigi worm

Poros Utama penumpuantena

Holder Gearbox

Posisi baut ke motor

Roda gigi 1

Roda gigi 2a

Roda gigi 2b

Roda gigi 3a

Roda gigi heliks

Gambar desain gear box

Metodologi

Tempat Potensiometer

Casing kananCasing kiri

Posisi baut gear box dan casing

Gambar desain casing rotator

Hasil Awal Desain Mekanika

Gambar hasil desain awal rotator elevasi

Frame antena

Potensiometer

Motor Gearbox

Metodologi

Interface ATMEGA 8353Encoder,

Motor, Roda Gigi, Antena

Potensiometer

Input Derajat

Input TranduserKomparatorSignal

ke Input

Eror/Signal

MikrokontrolerTegang

an

Plant atau Proses

Output Derajat

SensorSignal derajat aktual

Data Dera

jat

Gambar blok diagram fungsional desain kontrol

Hasil awal desain kontrol

Variabel hasil

Kecepatan angular antena sesuai pergerakan satelitTorsi minimum yang dibutuhkan motorReduksi roda gigiDimensi detail komponenJenis material dan keamanan material komponenDiagram kontrolBiaya total pembuatan alat

PERANCANGANRancanganMekanika

ProsesManufakturing Biaya

PembuatanAnalisaNumerik

SistemKontrol

UjiUnjuk Kerja Gambar

Teknik

Rancangan Mekanika

1. Perhitungan Kecepatan Angular Satelit

Kecepatan translasi satelit diangkasa luar (V) = 6.765 km/sJarak satelit dengan permukaan bumi dalam hal ini antena (R) = 700 kmDari Informasi tersebut dapat dihitung bahwa:

* Nilai tersebut nantinya akan digunakan untuk merancang kecepatan rotator elevasi ini.

Rancangan Mekanika

2. Perhitungan Gaya yang Terjadia. Gaya Hambat

*Berapa kecepatan translasi antena pada pusat gaya yang bekerja?

Dimana: ρ = massa jenis udara (1.23 Kg/m3)Cd = coeffisien of drag (Cd = 1.28 bidang kontak berupa flat plate)A = Bidang luasan antenna mikrostrip (500mm × 250mm)V = Kecepatan translasi antenna

Rancangan MekanikaBisa didapat melalui persamaan:

Dimana: ẋ = jarak gaya terpusat dari titik tengah antenan = untuk fungsi kuadratik maka bernilai 2p = Panjang antenaLb =panjang batangR =Jarak gaya terpusat dari pusat putar antenaV =kecepatan translasi suatu titik dimana bekerja gaya hambat

V = 2.096×10-3 m/s

Gambar Freebody diagram jarak gaya hambatansatu sisi antena

Fd = - 2.15 × N(tanda minus menunjukan gaya berlawanan arah dengan kecepatan antena)

Rancangan Mekanika

2. Perhitungan Gaya yang Terjadia. Gaya Permukaan Akibat Angin

Dimanav = Kecepatan angin rata-rata di IndonesiaA = Luasan penampang antena

Fs = 5.3 N

* Gaya permukaan ini bekerja terpusat pada titik ditengah-tengah dari bidang antena

Gambar gaya permukaan pada antenaketika terkena tekanan angin

Rancangan Mekanika

2. Perhitungan Gaya yang Terjadic. Gaya Berat

Dihasilkan:Gaya berat antena&frame Wa = 9.8NGaya berat batang Wb = 2.45 N

Rancangan Mekanika

Gambar Freebody diagram gaya-gaya yang terjadi padaantena untuk perhitungan torsi

Rancangan Mekanika

Didapat Torsi minimal yang dibutuhkan ialah 1.37 Nm

α = 25.250

Berapa posisi sudut α yang dipakai untuk mendapatkan nilai torsi terbesar?

*Bisa didapat dengan menggunakan program matlab (newton raphson)

D’Alembert

*Sehingga harus dipilih motor yang memiliki torsi lebih besar dari nilai tersebut

Rancangan Mekanika3. Perancangan Roda gigi

Roda gigi 1 jenis spur geardg1= 5.8 cm = 2.28 inNt1 = 54Roda gigi 2a jenis spur geardg2a = 1.1 cm = 0.43 inNt2a = 11Roda gigi 2b jenis spur geardg2b = 5.2 cm = 2.04 inNt2b = 50Roda gigi 3a jenis spur geardg3a = 1.2 cm = 0.472 inNt3a = 12Roda gigi pasangan wormdg = 5.4 cm = 2.13 inNtg = 50Roda gigi WormNtw = single lead= 0.35 cmdW = 1.3

Gambar Rancangan roda gigi reduksi putaran motor

*karena spesifikasi motor yang telah dipilih 103 rpmuntuk mereduksi menjadi 0.1 rpm

Rancangan Mekanika3. Perancangan Poros & Bantalan

Poros 1 material AISI 1010 HR d ≥ 0.708cm d = 1.5 cmBantalan sisi Asingle row deep groove ball bearing tipe 61802 5,528 x 1010 hrBantalan sisi Bsingle row deep groove ball bearing tipe 61802 3,481 x 1010 hr

Poros 2 material AISI 1010 HR d ≥ 0.5cm d = 0.5 cmBantalan sisi Asingle row deep groove ball bearing tipe 618/5 27,24 x 108 hrBantalan sisi Bsingle row deep groove ball bearing tipe 618/5 1,05 x 108 hr

Poros 3 material AISI 1010 HR d ≥ 0.311cm d = 0.4 cmBantalan sisi Asingle row deep groove ball bearing tipe 618/4 25,21 x 108 hrBantalan sisi B single direction thrust ball bearing tipe BA4. 1,735 x 1011 hr

Proses Manufakturing Rotator1. Roda Gigi

Gambar hasil pembuatan roda gigi lurus dan cacing

Proses Manufakturing Rotator2. Gear Box

Gambar hasil pembuatan roda gigi lurus dan cacing

Proses Manufakturing Rotator3. Poros

Gambar proses dan hasil pembuatan poros

Proses Manufakturing Rotator4. Casing

Gambar proses pengerjaan casing

Proses Manufakturing Rotator5.Batang penyangga

Gambar hasil pengerjaan batang penyangga

Assembly

Hasilnya seperti apa?*pasang gearbox *pasang sensor *pasang casing

Add Your Text

Hardware Rotator

Add Your Text

Gambar rotator elevasi.

Biaya Pembuatan Rotator

No. Barang Tipe Harga Jumlah Total

1 motor dc servo GM32 series Rp 385,000.00 1 Rp 385,000.00

2 potentiometer multiturn Rp 125,000.00 1 Rp 125,000.00

3 Relay Omron Rp 12,000.00 4 Rp 48,000.00

4 microcontroler atmega Rp 195,000.00 1 Rp 195,000.00

5 op-amp lm324 Rp 1,000.00 1 Rp 1,000.00

6 soket ic Rp 300.00 1 Rp 300.00

7 spicer Rp 650.00 8 Rp 5,200.00

8 header 1*40 Rp 1,000.00 5 Rp 5,000.00

9 black house lp Rp 250.00 40 Rp 10,000.00

10 pcb lubang Rp 4,500.00 1 Rp 4,500.00

11 power supply 24V-2A Rp 170,000.00 1 Rp 170,000.00

12 lcd 16*2 Rp 60,000.00 1 Rp 60,000.00

13 kabel ac Rp 7,500.00 1 Rp 7,500.00

14 kabel pelangi 20p Rp 24,000.00 1 Rp 24,000.00

15 can 1gp Rp 4,000.00 1 Rp 4,000.00

16 black house Rp 300.00 20 Rp 6,000.00

17 usb to serial arduino Rp 165,000.00 1 Rp 165,000.00

18 transistor npn Rp 1,000.00 4 Rp 4,000.00

19 resistor Rp 300.00 6 Rp 1,800.00

Total Biaya Komponen Rp 1,221,300.00

Total Biaya Manufakturing Rp 3,500,000.00

Total Biaya Rotator Rp 4,721,300.00

Tabel biaya pembuatan rotator elevasi

Analisa Numerik Batang Penyangga

Displacement Solution Stress Solution

Strain Solution

Sistem Kontrol

Terjadi perubahan rancangan desain kontrol

1. Driver motor

H-Bridge

Rangkaian Relay

Sistem Kontrol

Lader Diagram LogikaDriver Motor DC dengan Relay

Gambar ladder diagram

CR1 CR2 Port C1

CR2 CR1 Port C2

Motor

12V

10V

A B

CR2

CR1 CR1

CR2

A B

Sistem Kontrol

2. Penggunaan Encoder

U/ Lebih efisien : dimensi & biaya

Uji Unjuk Kerja Rotator

Melalui visual basic input

PosisiDerajatAntena

Posisi input output “cocok” motor mati.

Pengujian Sensor PotensiometerKetelitian : 1.5 derajat

“send” & “system on”Mikrokontroler bekerja

Relay mendapat signalmotorPotensiometer membaca posisi EROR = Output Aktuator-Input VB

Uji Unjuk Kerja Rotator

Video Uji Rotator

Uji Unjuk Kerja Rotator

No

Sudut (derajat)

Sample 1 Sample 2 Sample 3

in out Eror in out Eror in out Eror

1 10 10 0 60 61 1 135 136 1

2 10 9 1 60 61 1 135 136 1

3 10 10 0 60 58 2 135 137 2

4 10 11 1 60 59 1 135 136 1

5 10 10 0 60 59 1 135 136 1

Tabel hasil pengujian rotator

Eror maksimum : 20

Eror minimum : 00

Range Eror : 00 - 20

Average eror : 0.9330

KesimpulanKesimpulanSistem mekanis komponen roda gigi lurus sebanyak 4 buah material aman berupa

VCN 150 yang mudah didapatkan dipasaran, pasangan roda gigi cacing-helixs denganmaterial aman roda gigi cacing berupa VCN 150 dan roda gigi helixs berupa cast iron, 3buah poros dengan kondisi aman diameter poros 1 yang digunakan yakni 1.5 cm, diameterporos 2 yakni 5 mm dan diameter poros 3 yakni 4 mm, keseluruhan material yang amanyang digunakan yakni AISI 1010 HR. Sedangkan untuk material casing yang digunakanyakni aluminium karena mudah untuk dimanufakturing dan berat yang relatif lebih ringan.

Sistem kontrol Motor DC tanpa sensor encoder cukup dengan sensor potensiometersaja, driver motor berupa rangkaian 4 buah relay 12 V, power supply 24 V, mikrokontrolerjenis ATMEGA 8535 dengan keunggulan berupa memori yang relatif besar dan terdapatport analog yang bisa digunakan untuk data sensor potensiometer, layar LCD yangdigunakan sebagai tampilan inputan dan output yang terjadi, serta rangkaian resistor dantransistor tambahan untuk menghubungkan mikrokontroler dengan relay 12 V.Untuk proses manufakturing dari rotator elevasi ini terdiri dari proses pembuatan komponen

mekanis berupa:pembuatan roda gigi, pembuatan gear box, pembuatan poros, pembuatancasing, pembuatan batang penyangga.

KesimpulanKesimpulanGaya gaya permukaan akibat tekanan angin, gaya berat antena dan frame, gaya berat

batang penyangga dan gaya hambatan dimana masing-masing bernilai 5.3N, 9.8N, 2.45N,Terjadi pada saat antena berada pada posisi sudut 25.250 dari sumbu horizontal. Posisitersebut didapat berdasarkan perhitungan dengan menggunakan MATLAB yakni melaluipersamaan newton raphson. Dimana dari hasil perhitungan torsi minimal yang ditanggungpada bagian aktuator sebesar 1.37 Nm sedangkan torsi minimal yang harus dimiliki motormelalui sistem roda gigi reduksi ini yakni sebesar 0,00143 Nm. Untuk harga torsi tersebut,motor dc dengan jenis GM320051Series ini mampu mengatasi beban yang ditanggungantena, dimana berdasarkan datasheet motor DC jenis ini diketahui bahwa memiliki torsisebesar 2.2 Nm.Analisa numerik ANSYS displacement terbesar yakni pada ujung bidang atas komponen

dengan harga sebesar -0.36593E-02mm pada arah sumbu X, -0.29315E-01mm pada arahsumbu Y, 0.15836mm pada arah sumbu Z dengan resultan sebesar 0.16108mm. Sedangkanuntuk hasil tegangan memiliki nilai sebesar -45.419N/mm2 Pa pada S1, 12.570 N/mm2 padaS2, 8.1455N/mm2 pada S3 dan SINT tegangan sebesar 41.912 N/mm2 serta SEQU sebesar38.559N/mm2. Sementara untuk regangan terbesar yang terjadi memiliki nilai-nilai yakni0.19182E-03mm/mm pada arah sumbu X, 0.46567E-04mm/mm pada arah sumbu Y,0.70090E-10mm/mm pada arah sumbu Z dan resultan sebesar 0.19891E-03mm/mm.

KesimpulanKesimpulanKetelitian telah ditentukan diawaleror yang terjadi maksimal hanya 10. Berdasarkan

pengujian 1.50. Hal yang paling berpengaruh atas ketelitian rotator ini ialah sensorpotensiometer . Dimana apabila semakin lebar bacaan hambatan yang dimiliki olehpotensiometer ini maka bilangan pembagi putaran 1800 akan semakin besar juga, dengandemikian akan didapat ketelitian rotator yang akan semakin tinggi. Sedangkanberdasarkan hasil pengujian langsung dengan menetapkan 3 buah sample posisi derajatyakni 100, 600, 1350 didapatkan range eror yang terjadi yakni 00 -20. Harga eror sebesar 20

tersebut yang melebihi 1.50 ini dapat terjadi karena, bacaan pada busur derajat yangdigunakan sebagai visualisasi posisi sudut tidak memiliki ketelitian hingga 0.50 sehinggaketika suatu ketika dihasikan posisi 30.50 maka yang dibaca adalah 300 tau 310, selain itujuga dikarenakan oleh sistem power supply yang digunakan akan tetap mengirim tegangansisa kepada motor walaupun sistem telah mati akibat terdapatnya komponen elektronikkapasitor yang memiliki sifat menyimpan muatan sejenak. Secara keseluruhan dengan erorsampai sebesar 20 ini masih memungkinkan berlangsungnya proses pengiriman informasidari dan menuju spacecraft dengan baik, hal ini dikarenakan oleh antena yang digerakanoleh rotator elevasi satelit nano ini ialah jenis antena mikrostrip.

LOGO