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