rancang bangun rotator elevasi satelit nano …
TRANSCRIPT
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
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