paper TA - Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

RANCANG BANGUN SISTEM AIR BEARING SEBAGAI ALAT
UJI PERGARAKAN TIGA AXIS PADA PROTOTYPE NANO
SATELLITE
Zainul Arifin1, Bambang Sumantri2, Nu Rhahida Arini2
Penulis, Mahasiswa Jurusan Teknik Elektronika PENS - ITS
2
Dosen Pembimbing, Staf Pengajar di Jurusan Teknik Elektronika PENS - ITS
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Electronics Engineering Polytechnic Institute of Surabaya
Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya
Kampus ITS Sukolilo, Surabaya 60111, INDONESIA
email : [email protected]
[email protected]
[email protected]
1
Abstrak— Satelit adalah benda yang
mengorbit benda lain dengan periode revolusi dan rotasi
tertentu. Satellite menurut ukuranya dibagi menjadi
beberapa bagian salah satunya adalah nano-satellite.
Projek ini berjudul ”Rancang bangun pergerakan tiga
axis pada simulator nano satellite menggunakan sistem air
bearing”, nano satellite adalah satellite yang mempunyai
masa yang berkisar antara 10 kg- 30 kg, sedangkan sistem
air bearing adalah sistem yang menggunakan peran udara
dalam kerjanya.
Pada projek ini di maksudkan untuk mengatur posisi
suatu piringan yang bertujuan sebagai simulasi pergerakan
satellite sewaktu berada pada tempat yang hampa udara, Hal
ini digunakan untuk mengatur, dan melakukan tes pada sifat
udara terhadap benda, aktuator, dan algoritma pada
kerangka eksperimental. sensor tekanan yang berfungsi
sebagai penyetabilan udara yang menuju spherical bearing,
sedangkan dalam pengaturan katupnya di jalankan oleh
motor yang di control menggunakan microcontroller hal ini
di maksudkan agar udara yang masuk ke spherical bearing
tetap (stabil) dan pergerakan bendapun teratur .
Sebuah computer digunakan untuk memprogram,
dengan tujuan untuk mangatur sikap dan control pergarakan
yang biasanya menggunakan Code Vision AVR.
Pendahuluan
Perkembangan teknologi yang cukup pesat membuat
manusia terus berupaya untuk menciptakan alat-alat dengan
temuan terbaru, nano satelit merupakan alat yang berperan
penting dalam teknologi informasi dan komunikasi, baik
dalam lingkup nasional maupun internasional, dimana di
semua pergerakan sudutnya berperan penting pada
keakuratan informasi yang dia dapat.
Sistem ADCS (Atittude Determination and control
system) yaitu sub sistem dalam satellite yang berfungsi
untuk mengetahui dan mengontrol perilaku satellite. Untuk
dapat mengembangkan sub sistem ini, di perlukan beberapa
peralatan percobaan satu dintaranya adalah ”Alat Uji Tiga
Axis dengan Sistem Air Bearing “. alat ini di gunakan untuk
mensimulasikan kondisi satellite yang melayang diangkasa
dengan gaya gesekan yang mendekati nol (0).prinsip kerja
dari alat ini adalah bagaimana kita dapat mengangkat sebuah
benda dengan masa tertentu dengan memberikan gaya
keatas daru aliran udara dengan tekanan dan aliran tertentu.
I. DASAR TEORI
Pada bab ini dibahas mengenai dasar-dasar teori yang
berhubungan dengan mekanik, udara dan sensor tekanan.
2.1. State of Art: Sistem Bantalan Udara (Air Bearing
System)
Sistem bantalan udara banyak digunakan karena rugirugi yang disebabkan oleh gaya gaya gesek sangat kecil.
Sistem ini banyak digunakan pada aplikasi pengaturan posisi
yang presisi dan juga pada sistem pengaturan putaran yang
memerlukan kecepatan tinggi. Prinsip kerja sistem bantalan
udara ini adalah dengan cara mengalirkan udara dengan
Kata kunci : satellite, Air Bearing, microcontroller,
spherical bearing
1
tekanan tertentu dari sumber eksternal ke atmosfer melalui
permukaan dua sistem bantalan sehingga akan terbentuk
lapisan udara diantara permukaan kedua bantalan tersebut
yang berfungsi sebagai pelumas, seperti ditunjukkan pada
gambar 1.
Gambar 2. Bentuk standard sistem bantalan udara dengan
bentuk bola (Meissner, 2009)
Pada model tabletop, komponen ADCS yang diuji
diletakkan diatas meja. Sedangkan model umbrella didesain
agar pusat massa dari sistem berada dekat pada pusat rotasi
dengan cara meletakkan komponen ADCS yang diuji
menggantung di bawah umbrella. Model dumbbell didesain
untuk mengurangi interferensi dari struktur dengan cara
meletakkan komponen yang diuji menjauhi titik pusat rotasi.
Pada tahun 2007, California State Polytechnic
Institute (Cal Poly) telah membuat alat uji pergerakan tiga
aksis dengan menggunakan spherical air bearing
(Mittelsteadt and Mehiel, 2007). Alat uji ini mampu menguji
satelit untuk berputar pada sumbu-z sebesar 360°, pada
sumbu-x dan y sebesar ±30°.
Virginia Polytechnic Institute and State University
juga mengembangkan alat uji pergerakan tiga aksis dengan
menggunakan spherical air bearing. Alat uji yang mereka
kembangkan menggunakan model dumbbell seperti terlihat
pada gambar 3. Pada tahun 2003, Georgia Institute of
Technology (GIT) telah mengembangkan alat uji pergerakan
tiga aksis dengan menggunakan spherical air bearing yang
memiliki kemampuan untuk menguji sistem ADCS dengan
berat sampai dengan 136 kg .
Gambar 1. Sistem bantalan udara
Newport Corporation telah mengembangkan sistem
bantalan udara untuk sistem pergerakan satu axis dan dua
axis (Newport corporation, 2011). Sistem ini digunakan pada
peralatan untuk mengetest dan proses fabrikasi peralatan
semikonduktor yang memerlukan kepresisian tinggi.
Pada penelitian dan pengembangan sistem satelit
khususnya nano satelit, ketersedian peralatan dan fasilatas
untuk melakukan testing unjuk kerja subsistem-subsistem ini
harus tersedia dengan memperhatikan kondisi lingkungan
dimana satelit ini mengorbit. Pada pengembangan subsistem
ADCS yang berfungsi untuk mengatur perilaku satelit di
orbitnya, maka alat uji harus dibuat dengan memperhatikan
perilaku satelit di orbitnya dimana satelit dapat melayang
bebas diruang angkasa dengan gangguan yang disebabkan
gesekan mendekati nol. Pada orbitnya, satelit dapat bergerak
bebas pada tiga aksisnya yaitu roll, pitch dan yaw. Untuk
dapat menguji subsistem ADCS ini, maka harus tersedia alat
uji pergerakan tiga aksis dengan gaya gesek yang kecil
sehingga menyerupai keadaan saat satelit berada pada
orbitnya. Saat ini alat uji yang banyak digunakan adalah alat
uji yang menggunakan prinsip bantalan udara. Salah satu alat
uji yang pergerakan tiga aksis untuk menguji perilaku satelit
pertama kali dibuat oleh NASA pada tahun 1959 (Schwartz,
Peck and Hall, 2003). Schwartz dkk. melakukan review
tentang perkembangan penggunaan alat uji pergerakan tiga
aksis dengan menggunakan bantalan udara dengan bentuk
bola (spherical air bearing). Terdapat tiga macam tipe dasar
alat yang telah dikembangkan, yaitu tabletop (gambar 2.a.),
umbrella (gambar 2.b.), dumbbell (gambar 2.c.).
Gambar 3. Alat uji pergerakan tiga aksis dengan
menggunakan spherical air bearing yang dikembangkan
Virginia Polytechnic Institute and State University (Smith,
1964)
2
didesain untuk mengendalikan besarnya tekanan udara yang
diberikan.
a
b
Gambar 2.5. Spherical Bearing(a. Mangkok, b. ¾ Bola)
.
A. MIKROKONTROLER ATMEGA 16
Mikrokontroller adalah suatu alat elektronika digital
yang mempunyai masukan dan keluaran serta kendali
dengan program yang bisa ditulis dan dihapus dengan cara
khusus.
Pada
sebenarnya
dasarnya,
hanya
cara
membaca
kerja
mikrokontroller
dan
menulis
data.
Mikrokontroller merupakan komputer di dalam chip yang
digunakan untuk mengontrol peralatan elektronik, yang
menekankan efisiensi dan efektivitas biaya.
AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit
Gambar 4. Alat uji pergerakan tiga aksis dengan
menggunakan spherical air bearing yang dikembangkan GIT
(Jung and Tsiotras, 2003)
buatan Atmel, berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction
Set Computer). Hampir semua instruksi dieksekusi dalam
satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general-
2.1 Sistem Aliran Udara
Prinsip kerja spherical air bearing system adalah
dengan mengalirkan udara bertekanan pada kedua
permukaan bantalan yang berbentuk mangkok dan bola
seperti pada gambar 2.2. Besarnya tekanan udara yang
diberikan ini tergantung pada beban yang diuji serta luas
outlet udara yang keluar. Untuk menentukan berapa tekanan
yang di perlukan, berapa luas pemukaan yang harus di buat,
dan berapa beban maksimum yang akan diuji, dengan
menggunakan teori tekanan yang diartikan sebagai gaya
persatuan luas dimana arah gaya tegak lurus dengan luas
permukaan, yaitu:
purpose, timer/counter fleksibel dengan mode compare,
interrupt internal dan eksternal, serial UART, programmable
Watchdog Timer, dan mode power saving, ADC dan PWM
internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable
Flash on-chip yang mengijinkan memori program untuk
diprogram ulang dalam sistem menggunakan hubungan
serial SPI.
۴
ࡼ = ..............................................................................................(2.1)
‫ۯ‬
Dimana P (Pascal) adalah tekanan udara yang harus
diberikan untuk mengangkat beban sebesar F (Newton)
yang dialirkan melalui outlet dengan luasan A (m2). Tekanan
udara yang mengalir pada outlet spherical air bearing
system ini harus dibuat konstan agar benda uji dapat tetap
melayang. Sehingga sebuah algoritma sistem kendali harus
Gambar 4. Mikrokontroler ATMega 16
3
Satuan gaya (F) adalah Newton (N), satuan
A. CODEVISION AVR
CodeVision AVR adalah suatu C cross-compiler, yang
mengembangkan pada integrasi external dan program
generator otomatis yang dirancang untuk keluarga ATMEL
AVR Microcontrollers. Aplikasinya dirancang untuk dapat
bekerja di Windows 95, 98, NT 4, 2000 dan XP sistem
operasi. Implementasi C cross-compiler hampir semuanya
unsur-unsurnya menggunakan bahasa C, seperti diijinkan oleh
arsitektur AVR, dengan beberapa fasilitas yang ditambahkan
untuk keunggulan dari spesifikasi dari AVR dan juga
beberapa tambahan fasilitas pada sistem embedded yang
diperlukan. Pada Codevision AVR terdapat perangkat lunak
untuk built-in pada Program AVR Chip In-System yang
memungkinkan untuk transfer data secara otomatis ke
mikrokontroler.
a.
luas adalah meter persegi (m2). Karena tekanan
adalah gaya per satuan luas maka satuan tekanan
adalah N/m2. Nama lain dari N/m2 adalah pascal
(Pa).
Pascal
dipakai
sebagai
satuan
Tekanan
penemunya bernama Blaise Pascal. Kita akan
berkenalan lebih dalam dengan om Pascal pada
pokok bahasan Prinsip Pascal.
Tekanan(P) memiliki perbandingan terbalik
terhadap luas permukaan (A), semakin besar luas
permukaan maka akan semakin kecil tekanan begitu
pula sebaliknya, semakin kecil luas pemukaan maka
BAB III
semakin besar tekanan yang di hasilkan. Perhitungan
PERENCANAAN SISTEM
di atas di peroleh dari rumus tekanan jika bidang
dalam keadaan tegak lurus.
Desain Mekanik
Di umpamakan :
Tekanan diartikan sebagai gaya persatuan luas
dimana arah gaya tegak lurus dengan luas permukaan.
1 bar = 14.5 Psi
Tekanan dan luas penampang itu berbanding terbalik,
݉ = 10 ݇݃
Semakin besar luas permukaan (A) maka akan semakin kecil
݃ = 9.8
tekan brgitu pula sebaliknya.
‫ = ݎ‬1 ܿ݉ = 1‫ݔ‬10ିଶ m
݈‫ ݎߨ = ݊ܽݎ݈ܽ݇݃݊݅ ݏܽݑ‬ଶ
Sensor
tekanan
‫ = ܣ‬3.14 ‫( ݔ‬10ିଶ )²
‫ = ܨ‬P. A
݉. ݃ = P. A
Udara didalam pipa
10 ݇݃ ‫ ݔ‬9.8 = P ‫( ݔ‬3.14 ‫ ݔ‬10ିଶ )²
98 = P ‫( ݔ‬3.14 ‫ ݔ‬10ିସ )
ܲ=
Udara Dari kompressor
ଽ଼
ଷ.ଵସ ௫ ଵ଴షర
ܲ = 31.2 ‫ ݔ‬10ସ ܰൗ݉ଶ = 3.12 ‫ = ݎܽܤ‬45.24 Psi
Jadi tekanan yang di butuhkan untuk mengangkat
Gambar 5. Simulasi masuknya udara kedalam pipa
beban 10 kg, dengan luas permukaan (A)=2 cm²
adalah 45.24 Psi
Pada mekanik diatas didasarkan oleh rumus berikut :
ܲ=
୊
Tekanan(P) memiliki perbandingan terbalik terhadap
୅
luas permukaan (A), semakin besar luas permukaan
‫ = ܨ‬P. A
maka akan semakin kecil tekanan begitu pula
P = tekanan
sebaliknya, semakin kecil luas pemukaan maka
F = gaya
semakin besar tekanan yang di hasilkan.
A = luas permukaan.
Perhitungan di atas di peroleh dari rumus tekanan
jika bidang dalam keadaan tegak lurus.
4
clock. Sistem minimum (sismin) mikrokontroler
Untuk menghasilkan udara dengan aliran
dan tekanan yang teratur, maka diperlukan peralatan
adalah rangkaian elektronik minimum yang
antara lain:
diperlukan untuk beroperasinya IC mikrokontroler.
Sismin ini kemudian bisa dihubungkan dengan
a.
Sensor tekanan
Sensor
ini
rangkaian lain untuk menjalankan fungsi tertentu.
digunakan
untuk
membaca
Di keluarga mikrokontroler AVR atmega 16 adalah
besarnya tekanan udara yang diberikan kepada sistem
salah satu seri yang sangat banyak digunakan.
bantalan udara sehingga besarnya tekanan dapat
Arsitektur ATMega16
dikendalikan.
* Saluran IO sebanyak 32 buah, yaitu Port A, Port
B, Port C dan Port D
* ADC 10 bit sebanyak 8 Channel
* Tiga buah timer / counter
* 32 register
* Watchdog Timer dengan oscilator internal
* SRAM sebanyak 512 byte
* Memori Flash sebesar 8 kb
* Sumber Interrupt internal dan eksternal
Gambar 6. Sensor Tekanan[3]
Sensor
inilah
mikrokontroller
yang
yang
* Port SPI (Serial Pheriperal Interface)
dihubungkan
kemudian
* EEPROM on board sebanyak 512 byte
dari
*Komparator analog
microcontroller akan di tampilkan melalui LCD.
* Port USART (Universal Shynchronous
Pada lcd ini nilai tekanan akan terbaca jika tekanan
Ashynchronous Receiver Transmitter)
nilainya kurang atau lebih maka sensor tekanan
akan
mengirim
instruksi
ke
microcontroller
Konfigurasi Pin ATMega16
sehingga microcontroller mengatur pergerakan
VCC merupakan Pin yang berfungsi sebagai
motor, dan pada motor inilah yang fungsinya
pin masukan catudaya
menggerakan katup sehingga inputan udara dapat
GND merupakan Pin Ground
di atur sesuai tekanan yang dibutuhkan untuk
Port A (PA0…PA7) merupakan pin I/O dan
mengangkat benda.
b.
pin masukan ADC
Pembuatan Perangkat Lunak
Port B (PB0…PB7) merupakan pin I/O dan
Mikrokontroler adalah suatu keping IC
pin yang mempunyai fungsi khusus yait
dimana terdapat mikroprosesor dan memori
Timer/Counter, komparator Analog dan SPI
program (ROM) serta memori serbaguna (RAM).
Port C (PC0…PC7) merupakan port I/O dan
Mikrokontroler AVR (Alf and Vegard’s Risc
pin yang mempunyai fungsi khusus, yaitu
prosesor) memiliki arsitektur RISC 8 bit, di mana
komparator analog dan Timer Oscillator
semua instruksi dikemas dalam kode 16-bit (16-bits
Port D (PD0…PD1) merupakan port I/O dan
word) dan sebagian besar instruksi dieksekusi
pin fungsi khusus yaitu komparator analog dan
dalam 1 (satu) siklus clock, berbeda dengan
interrupt eksternal serta komunikasi serial
instruksi MCS 51 yang membutuhkan 12 siklus
5
RESET merupakan pin yang digunakan untuk
Actuator
mereset mikrokontroler
adalah
penggerak,
dan
dalam
hal
ini
pengeraknya adalah motor adapaun rangakaian driver
XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan
motor tersebut dapat dilihat dibawah ini :
clock eksternal
AVCC
merupakan
pin
masukan
untuk
tegangan ADC
AREF merupakan pin masukan tegangan
referensi untuk ADC
Untuk
membuat
rangkaian
system
minimum
Atmega16 diperlukan beberapa komponen yaitu:
1.
IC mikrokontroler ATmega16
2.
1 XTAL 11.592 MHz atau 12 MHz
(XTAL1)
3.
3 kapasitor kertas yaitu dua 22 pF (C2 dan
Gambar 8. Rangkaian driver
C3) serta 100 nF (C4)
4.
1 kapasitor elektrolit 4.7 uF (C12) 2 resistor
Cara kerja driver dijelaskan dari table dibawah ini :
yaitu 100 ohm (R1) dan 10 Kohm (R3),
push button
Input
Untuk rangkaian control kita menggnunakan
A
B
C
D
minimum system yang skematiknya bias dilihat
dilih
1
1
0
0
0
0
1
1
0
0
0
0
dibawah ini :
U?
VCC
1
2
3
4
5
6
7
8
R?
1K
C?
Cap
100 F
14
15
16
17
18
19
20
21
GND
9
12
13
C?
PD0
PD1
PD2
PD3
PD4
PD5
PD6
PD7
(XCK/T0)
(T1)
(AIN0/INT2)
(AIN1/OC0)
(SS)
(MOSI)
(MISO)
(SCK)
(RXD)
(TXD)
(INT0)
(INT1)
(OC1B)
(OC1A)
(ICP)
(OC2)
PA0
PA1
PA2
PA3
PA4
PA5
PA6
PA7
(ADC0)
(ADC1)
(ADC2)
(ADC3)
(ADC4)
(ADC5)
(ADC6)
(ADC7)
PC0 (SCL)
PC1 (SDA)
PC2 (TCK)
PC3 (TMS)
PC4 (TDO)
PC5 (TDI)
PC6 (TOSC1)
PC7 (TOSC2)
VCC
AVCC
AREF
RESET
XTAL2
XTAL1
GND
GND
40
39
38
37
36
35
34
33
22
23
24
25
26
27
28
29
X
XTAL
Motor
berputar CW
Motor
berputar
CCW
Motor
10
30
32
31
11
Tabel 1. Simulasi kerja driver
GND
ATmega16-16PI
2
1
Cap
22pF
C?
PB0
PB1
PB2
PB3
PB4
PB5
PB6
PB7
U?
VCC
1
IN
GND
OUT
3
GND
Cap
22pF
C?
Cap
100pF
7805
2
S?
SW-PB
Kondisi
motor
C?
Cap
100pF
Jika A dan B aktif maka motor berputar CW.
GND
Gambar 7. Rangkaian minimum system dan kofigurasi pin
Jika C dan D aktif maka motor berputar CCW.
Jika tidak ada sinyal input yang aktik maka motor
Minimum sistem tidak akan berfungsi tanpa adanya I/O
berhenti.
dalam hal ini I/O tersebut berupa driver motor. Driver
Itulah cara kerja motor stepper.
motor ada banyak namun yang saya gunakan adalah
driver motor dengan relay
ay karena selain rangkaianya
simple, pengecekan komponen mudah harganya pun
terjangkau.
a.
Actuator
6
Ada pun sistem dari alat ini adalah seperti blog
flowchart dibawah ini :
DAFTAR PUSTAKA
Gambar 9. Flowchart system
Penjelasan :
Input yang berupa fluida (gas) dari kompresor
mengalir menuju katup,
pada katup inilah udara yang masuk ke penyangga
diatur (berapa udara yang harus keluar)
tekanan udara di deteksi oleh sensor tekanan jika
tekanan sudah memenuhi (dapat mengangkat beban
dengan ideal) maka sensor tidak perlu mengirim
instruksi pada microcontroller untuk menggerakan
katup.
Spherical bearing sebagai bantalan beban agar bisa
bergerak dengan leluasa
7
[1]
Jung, D., and P. Tsiotras. "A 3-DoF experimental testbed for integrated attitude dynamics and control
research." AIAA Guidance, Navigation, and Control
Conference and Exhibit. 2003.
[2]
Meissner, David M. A Three Degrees of Freedom Test
Bed for NanoSatellite and CubeSat Attitude Dynamics,
Determination, and Control. Thesis, Monterey,
California: Naval Postgraduate School, 2009.
[3]
Mittelsteadt, C. O., and E. A. Mehiel. "The cal poly
spacecraft attitude." AIAA Guidance, Navigation and.
2007.
[4]
Newport corporation. http://www.newport.com/AirBearing-Systems/492183/1033/catalog.aspx (accessed
maret 3, 2011).
[5]
Schwartz, J. L., M. A. Peck, and C. D. Hall. "Historical
review of air-bearing spacecraft simulators." Journal of
Guidance, Control and Dynamics, vol.26, no. 4,, 2003.
[6]
Smith, G. A. "Dynamic Simulators for Test of Space
Vehicle Attitude." Virginia Polytechnic Institute
Proceedings of the Conference on the Role of
Simulation in Space Technologies. 1964.
[7]
Ogata, Katsuhiko. " Modern Control Engineering Third
Edition." University of minnesota . 1990.