BAB I PENDAHULUAN

BAB I PENDAHULUAN
1.1.
LATAR BELAKANG
Di masa lalu, banyak orang berusaha memahami bagaimana burung dapat
mengambang di udara. Mereka ingin tahu bagaimana burung – yang lebih berat
dari udara – dapat mengalahkan gravitasi, terbang, dan berbelok dengan lincah
di antara partikel-partikel udara. Dari rasa ingin tahu ini, berbagai penelitian
mengenai penerbangan pun dimulai. Penelitian-penelitian ini kemudian
melahirkan cerita-cerita fantastis (dari Icarus sampai Superman) sampai pada
sebuah penemuan penting yang disebut the iron bird atau pesawat terbang.
Gambar 1. 1. Glider (salah satu pendekatan cara terbang burung)
Kita sebagai manusia tidak dapat terbang dengan mudah seperti burung. Hal itu
dikarenakan manusia tidak memiliki kemampuan untuk terbang secara
langsung. Otot tangan manusia tidak dapat menghasilkan kekuatan yang cukup
untuk mengangkat beban tubuh – kaki manusia mungkin dapat menahan tubuh
ketika berdiri, tetapi bagaimana membuatnya menjadi suatu sayap? Bahkan jika
tangan manusia sekuat kaki dan dapat menahan beban tubuh, manusia tetap
tidak dapat bergerak / terbang seperti burung.
Pembuatan sayap burung secara langsung sangat sulit dilakukan karena material
yang sanggup menyamai karakteristik sayap burung belum tersedia. Selain itu,
gerakan material tersebut harus mampu menghasilkan prestasi yang setara
dengan prestasi terbang sayap burung dan mampu beradaptasi dengan kondisi
lingkungan yang berbeda-beda.
1
Pada umumnya, burung mengepakkan sayapnya ketika terbang. Kepakan sayap
ini merupakan gerakan ke atas-ke bawah sayap dengan tubuh burung sebagai
pusat pergerakan dan mampu menghasilkan gerakan udara yang dapat
mendorong tubuh burung ke atas (melawan gravitasi bumi). Tentu saja gerakan
sayap burung tidak hanya menyangkut kepakan ke atas-ke bawah seperti itu,
tetapi meliputi gerakan elastis otot-otot sayap yang dapat menciptakan gerakan
yang lebih kompleks dan rumit. Selain itu, gerakan sayap tersebut harus
disesuaikan dengan keadaan burung saat dia terbang. Keadaan ini berhubungan
dengan kondisi lingkungan dan meliputi gerakan menukik dengan cepat,
berbelok dengan lincah, dan mendarat dengan aman pada berbagai posisi tubuh
dan kondisi lingkungan yang berbeda-beda.
Gambar 1. 2. Berbagai manuver burung dalam kondisi lingkungan yang berbeda-beda
Berbagai hal di atas memperlihatkan kepada kita bahwa sayap merupakan alat
yang sangat penting dan seakan-akan menjadi suatu simbol kuat bagi suatu
wahana yang dapat terbang. Sayap juga dapat menjadi petunjuk bagi seorang
perancang untuk mendesain pesawat terbang. Sebagai contoh, sayap burung
memiliki span yang lebih panjang dari chord dan biasanya tebal di bagian depan
kemudian menipis ke belakang dan memiliki suatu lengkungan. Karakteristik ini
2
sangat membantu para perancang dalam pembuatan airfoil. Karena efek dari
ukuran dan kebutuhan fungsional, burung terbang pada Reynold Number yang
lebih rendah dari pesawat terbang dan harus dapat mengepakkan sayapnya.
Akibatnya, airfoil sayap burung tidak terlalu baik bagi pesawat terbang
(terutama untuk pesawat terbang fixed wing) yang terbang pada kecepatan
tinggi. Namun, airfoil sayap burung lebih efektif dari bidang flat dan dapat
menjadi suatu tolok ukur efektifitas airfoil pesawat terbang.
Pembuatan sayap pesawat terbang yang memiliki efektifitas sama dengan sayap
burung merupakan hal yang sangat sulit karena meliputi analisis aerodinamika
yang rumit, sistem kontrol yang sangat kompleks, dan penggunaan material
“cerdas”. Analisisnya meliputi perhitungan matematika yang sangat kompleks
dan harus dapat mengintegrasikan semua persamaan aerodinamika, kontrol,
sekaligus persamaan perubahan struktur yang selalu berubah-ubah terhadap
waktu. Walaupun dengan komputer yang sangat cepat sekalipun, hal tersebut
masih belum dapat dilakukan dengan tepat.
Pemodelan gerakan sayap burung merupakan suatu pekerjaan yang sangat
berat karena meliputi berbagai cabang ilmu pengetahuan, dari elektronika
sampai ilmu hayati. Rancang bangun alat yang dapat membuat gerakan sayap
burung masih sulit dilakukan karena terbatasnya peralatan dan material yang
ada saat ini. Percobaan untuk memperoleh pemodelan sayap burung yang tepat
juga belum dapat dilakukan karena membutuhkan peralatan yang sangat rumit
dan kompleks.
Berangkat dari pemikiran di atas, dilakukanlah rancang bangun suatu alat yang
dapat memodelkan gerakan sayap burung. Rancang bangun ini masih terbatas
pada gerakan sayap burung yang sederhana, misalnya kepakan sayap (flapping
wing) ke atas-ke bawah. Alat ini juga dapat menghasilkan gerakan lain dalam
tiga derajat kebebasan (3 DOF / three degree of freedom) dan dapat menjadi
alat percobaan gerakan-gerakan benda lainnya (selain sayap burung).
3
1.2.
RUMUSAN MASALAH
Untuk memperoleh prestasi kepakan sayap, diperlukan suatu alat yang dapat
bergerak ke atas-ke bawah dalam dua dimensi (misal dalam sumbu x dan y).
Dalam dua dimensi ini, alat menggerakkan benda di sepanjang sumbu x (ke arah
positif dan negatif) dan sumbu y (positif dan negatif). Selain itu, untuk
memperoleh gerakan yang lebih umum dalam dua dimensi tersebut, rancang
bangun alat ditambah dengan satu derajat kebebasan lagi, yaitu gerakan angular
(pada sumbu z). Tambahan ini memungkinkan alat untuk melakukan gerakan
putaran (misal membentuk lingkaran) pada bidang xy.
Untuk memungkinkan gerakan 3 DOF di atas, rancang bangun alat menggunakan
servo yang dipasang pada sumbu x, y, z dalam satu sistem koordinat. Ketiga
servo tersebut dikendalikan oleh mikrokontroler yang terhubung dengan
komputer supaya pergerakan benda sesuai dengan yang diinginkan oleh
komputer. Perangkat-perangkat ini harus didukung oleh perangkat lunak yang
handal untuk memungkinkan komputer mengendalikan alat penggerak.
Permasalahan yang kemudian muncul adalah bagaimana membuat suatu sistem
yang dapat menghasilkan pengukuran yang tepat secara real time dan akurat.
Dalam penelitian ini, masalah tersebut dianggap tidak ada karena pergerakan
peralatan masih terbatas pada pemodelan gerakan dalam sistem open-loop.
Atau dengan kata lain, peralatan dianggap telah memiliki sistem komunikasi
yang sangat cepat (mendekati real-time) dan tidak memiliki kesalahan dalam
pengolahan data (akurat).
Rancang bangun alat ini menggunakan mikrokontroler ATMega8535 untuk
mengendalikan servo pada ketiga sumbu. Mikrokontroler ini juga berkomunikasi
dengan komputer secara serial dengan kecepatan tinggi supaya tidak terjadi
keterlambatan aksi alat terhadap perintah dari komputer (pendekatan keadaan
real time). Mikrokontroler tersebut dihubungkan dengan serial port komputer
yang secara umum telah terdapat di berbagai komputer saat ini.
Implementasi perangkat lunaknya berupa CVAVR untuk memasukkan program
ke dalam mikrokontroler dan MATLAB untuk proses pengendalian servo dan
4
analisis rekaman. Dengan implementasi ini, diharapkan kepakan sayap (flapping
wing) dapat dimodelkan dengan tepat dan real time.
1.3.
SPESIFIKASI DAN BATASAN MASALAH
Alat yang dibuat dapat dianggap sebagai robot tangan (arm robot atau robo
arm) sederhana yang dapat bergerak dalam tiga derajat kebebasan. Sistem
pengendali robot ini (rangkaian elektronik, servo, dan lain-lain) diambil dari
komponen yang telah ada (telah dikembangkan pada penelitian sebelumnya)
dan komponen lain yang dapat diperoleh di pasar lokal di Bandung.
Spesifikasi robot ini adalah:
•
Servo dipasang pada tiga buah sumbu putar (misal x, y, dan z) dan dapat
berjumlah tiga atau lebih tergantung dari kebutuhan dan fungsional
peralatan.
•
Sebagai
pengendali
robot
digunakan
sistem
mikrokontroler
ATMega8535 yang diprogram sesuai dengan kebutuhan pengendalian
semua servo dan satu buah motor DC.
•
Bahasa pemrograman yang digunakan dalam perancangan perangkat
lunaknya adalah bahasa pemrograman C dan MATLAB. Untuk
implementasi di mikrokontroler digunakan Code Vision AVR (CVAVR)
yang menggunakan bahasa C, dan berbagai fasilitas MATLAB (SIMULINK,
GUIDE, m-File) untuk komunikasi dan simulasi.
•
Downloader program ke dalam ATMega 8535 yang digunakan adalah
DT-AVR low cost micro system melalui perangkat lunak CVAVR.
Batasan masalah dari penelitian ini adalah:
•
Sistem yang dikembangkan masih berupa sistem open-loop, dengan kata
lain besar derajat yang dihasilkan servo dianggap sudah sesuai dengan
perintah dari komputer yang diberikan kepada mikrokontroler.
•
Kecepatan gerakan servo sesuai dengan perintah yang ada dalam
perangkat lunak di komputer.
•
Delay pulsa pengendalian semua servo oleh mikrokontroler dianggap
sangat kecil (pulsa ke semua servo dibangkitkan secara bersamaan).
5
•
Faktor keterlambatan dalam komunikasi antar perangkat keras dianggap
tidak ada karena kecepatan komunikasi yang tinggi.
•
Perangkat lunak (MATLAB) yang berjalan di komputer dianggap berjalan
dalam sistem waktu yang sesuai dengan kenyataan.
1.4.
TUJUAN PENELITIAN
Tujuan dari penelitian ini adalah dihasilkannya sebuah alat (robo arm) sederhana
yang memiliki kemampuan untuk:
(a) memodelkan kepakan sayap (gerakan kurva ∞),
(b) memodelkan gerakan berdasarkan suatu persamaan gerak,
(c) menentukan metode terbaik untuk menggerakkan wahana dalam
memodelkan persamaan gerak.
1.5.
METODE PENELITIAN
Metode penelitian dilakukan dengan urutan proses kerja sebagai berikut:
1. Studi literatur mengenai peralatan elektronika, terutama mikrokontroler
dan servo. Selain itu, studi ini juga digunakan untuk mencari persamaan
gerak sayap yang akan diuji.
2. Melakukan perancangan sistem perangkat lunak dan perangkat keras
robot.
3. Implementasi dan pengujian hasil integrasi perangkat lunak dan
perangkat keras.
4. Analisis hasil pengujian baik perangkat lunak, perangkat keras, maupun
fungsional sistem secara keseluruhan.
5. Membuat kesimpulan berdasarkan hasil analisis sebagai tolak ukur
untuk penelitian selanjutnya.
1.6.
SISTEMATIKA PEMBAHASAN
Sistematika pembahasan pada Laporan Tugas Akhir ini terdiri atas enam bab
sebagai berikut:
•
Bab I Pendahuluan
Membahas
latar
belakang
masalah,
rumusan
masalah,
spesifikasi dan batasan masalah, tujuan penelitian, metode
penelitian, serta sistematika pembahasan Laporan Tugas Akhir.
6
•
Bab II Dasar Teori
Membahas pengertian dasar pemodelan yang dilakukan,
pengertian dasar tentang sistem elektronika alat, dan juga
membahas mengenai arsitektur dan algoritma dari perangkat
keras dan lunak yang akan digunakan pada alat. Pada bab ini
juga dibahas teori tentang perangkat keras yang digunakan
seperti servo, mikrokontroler, dan DPIV secara umum.
•
Bab III Perancangan dan Realisasi Perangkat Keras
Membahas proses perancangan dan realisasi perangkat keras
robot, penentuan spesifikasi perancangan, batasan perancangan
yang dibuat, arsitektur perangkat keras secara keseluruhan, dan
juga pembahasan lebih detail dari perangkat keras tersebut.
•
Bab IV Perancangan dan Realisasi Perangkat Lunak
Membahas implementasi perangkat lunak sistem yang meliputi
spesifikasi perancangan, batasan perancangan, serta realisasi
dan integrasi dalam percobaan DPIV.
•
Bab V Pengujian dan Analisis
Membahas hasil-hasil pengujian yang meliputi pengujian
perangkat keras, pengujian perangkat lunak, simulasi pada
komputer, dan juga pengujian fungsional sistem secara
keseluruhan.
•
Bab VI Kesimpulan dan Tindak Lanjut
Mengemukakan kesimpulan yang dapat diambil dari proses
realisasi dan pengujian sistem serta tindak lanjut yang harus
dilakukan sebagai pertimbangan untuk pengembangan sistem di
masa yang akan datang.
7