## PERANCANGAN ALAT UJI STATIS PROPELLER THRUST GAUGE UNTUK UAV LISTRIK SKALA KECIL
Yoan Ario Suwandito 1) , Bobie Suhendra 2) , Deri Teguh Santoso 3) ,
1,2,3 Fakultas Teknik, Universitas Singaperbangsa Karawang email: 1 arioyoan4@gmail.com, 2 bobie.suhendra@staff.unsika.ac.id, 3 deri.teguh@ft.unsika.ac.id.

## Abstract
Static  testing  of  the  propeller  is  necessary  to  take  into  account  the  amount  of  thrust  generated  by  the propeller before it is attached to the propulsion system. However, for small-scale static testing, especially on the Unmanned Aerial Vehicle (UAV) propulsion system, it is still difficult to find. So the purpose of this research is  to  design  and  manufacture  a  static  test  tool  for  propeller  thrust  combined  with  a  DC  brushless  motor, especially  in  the  Unmanned  Aerial  Vehicle  (UAV)  propulsion  system.  This  test  tool  uses  the  Arduino  Uno Atmega 328 as its microcontroller which is directly integrated with the load cell sensor which functions as the main measuring tool for the amount of thrust generated by the propeller rotation. In the load cell, there is a change in voltage in the strain gauge resulting in a change in resistance, then the results of the change will be read by the HX711 module. The HX711 module will convert the analog signal generated by the load cell into a digital signal, making it easier for Arduino to read data. Measurement results in data from Arduino will be displayed via the 16x2 LCD. This research proposes a simple propeller thrust gauge static test that can measure forces from 0 N to 49 N with an error rate of 0.479%.

## Keywords: thrust, Unmanned Aerial Vehicle (UAV), propeller

## 1. PENDAHULUAN
Selama  dekade  terakhir, Unmanned  Aerial Vehicle (UAV) atau biasa disebut drone telah menjadi aset  berharga  dan  telah  digunakan  pada  industri, akademisi,  serta  penghobi.  Hal  ini  dipicu  oleh kemajuan  dalam  aplikasi  mikrokontroler,  teknologi penginderaan,  serta  sistem  kontrol.  Oleh  karena  itu UAV  dengan  cepat  menjadi  kebutuhan  penting terutama di bidang militer [1]. Sebagian besar UAV membutuhkan baling-baling pada sistem propulsinya, baling-baling tersebut dikombinasikan dengan motor brushless karena  jenis  motor  ini  memiliki  putaran yang sangat tinggi namun tidak memerlukan banyak konsumsi  energi  dari  baterai,  motor  ini  juga  tidak cepat  panas  karena  sudah  tidak  disertai  sikat  untuk panghantar  arus  listriknya  [2].  Efisiensi  motor berkaitan  dengan  daya  tahan  terbang  pada  suatu pesawat,  mengingat  daya  baterai  yang  digunakan terbatas [3]. Karena sumber energi utama pada UAV adalah baterai, maka penggunaan energi pada baterai sangat  penting  dan  perlu  diperhatikan.  Tenaga  dari baterai  merupakan  salah  satu  faktor  yang mempengaruhi  peforma  UAV  dalam  melakukan penerbangan [4].
Untuk mengoptimalkan durasi terbang (flytime) pada  UAV,  salah  satu  upaya  yang  dapat  dilakukan adalah  pemilihan motor  brushless dan  pemilihan baling-baling  yang  tepat  [5].  Hal  tersebut memungkinkan  pesawat  dapat  terbang  lebih  lama dalam  melakukan  misi  penerbangan.  Propulsi  UAV yang optimal memiliki target dengan konsumsi energi yang  kecil  namun  menghasilkan  gaya  dorong  yang cukup besar. Dengan hal ini durasi terbang pada UAV dapat  lebih  panjang,  serta  efisiensi  propulsi  pada UAV  dapat  dikatakan  efisien  [6].  Untuk  menetukan peforma propulsi yang optimal, maka harus dilakukan eksperimen pengujian untuk menentukan output yang dihasilkan pada propulsi UAV yang akan digunakan.
Pengujian  kinerja  baling-baling  dan motor brushless dapat dilakukan dengan menggunakan alat uji pengukur gaya dorong statis. Keberadaan alat uji masih  terbatas  dan  belum  banyak  ditemukan  pada beberapa  laboratorium.  Meskipun  ada beberapa  alat yang  dapat  ditemukan di e-commerce ,  namun  harga alat  tersebut  cukup  mahal.  Oleh  karena  itu  peneliti melakukan  pembuatan  alat  uji  gaya  dorong  secara mandiri.
Alat uji  statis thrust gauge ini dirancang untuk menentukan sistem propulsi yang efisien. Pengujian
prinsip ini dapat dikatakan cukup murah dan mudah dalam melakukan pengukuran kinerja sistem propulsi UAV  elektrik.  Penelitian  yang  dilakukan  untuk menguji kinerja baling-baling dilakukan dengan cara membandingkan data hasil perhitungan dengan data eksperimen  [7].  Kinerja  teoritis  pada  motor  dan baling-baling  dihitung  dan  dilakukan  perbandingan dengan temuan hasil eksperimen pada pengujian gaya dorong  statis.  Hal  ini  dilakukan  untuk  memeriksa keakuratan  model  dan  mempermudah  pemilihan sistem  propulsi  seperti  pemilihan  motor  serta pemilihan  baling-baling  yang  tepat  sebelum digunakan untuk aplikasi penerbangan.
Penelitian  ini  mengusulkan  sebuah  alat pengujian  statis  baling-baling  dan motor  brushless sederhana  yang  dapat  digunakan  untuk  melakukan eksperimen  baling-baling  serta motor  brushless dalam skala kecil, terutama melakukan percobaan di rumah  maupun  dalam  lingkup  pendidikan.  Konsep perancangan  menggunakan  sensor load  cell untuk membaca tegangan yang terjadi pada sistem propulsi berupa sinyal analog [8] yang kemudian diteruskan ke modul  HX711  untuk  diterjemahkan  menjadi  sinyal digital  sebelum  diproses  oleh  mikrokontroler  [9]. Hasil  pembacaan  dari  sensor  tersebut  kemudian diolah  pada  mikrokontroler  Arduino  atmega  328 kemudian ditampilkan langsung melalui LCD 16x2.

## 2. METODE PENELITIAN
Tujuan  dari  penelitian  ini  adalah  untuk mengembangkan  sistem  pengukuran  yang  sesuai dalam  melakukan  pengukuran  parameter  dari beberapa  kombinasi  sitem  propulsi  pada  UAV  yang akan  digunakan  pada drone  singlerotor maupun multirotor .  Data  hasil  pengukuran  akan  digunakan untuk  medapat  persamaan  matematis  yang menggambarkan  perilaku  terhadap  baling-baling dalam  kondisi  yang  berbeda.  Parameter  tersebut biasanya daya yang dihasilkan terhadap gaya dorong, kecepatan  putar  baling-baling,  dan  arus  listrik  yang dibutuhkan oleh propulsi terhadap gaya dorong yang dihasilkan.

## A. PERANCANGAN SISTEM
Untuk pengaturan alat uji, penulis menggunakan
Arduino UNO Atmega 328 sebagai
mikrokontrolernya yang terintegrasi langsung dengan sensor load  cell dengan  kapasitas  beban  maksimal sebesar  5kg.  Hasil  pengukuran  pada load  cell akan ditampilkan  langsung  pada  LCD  yang  terhubung
dengan mikrokontroler sehingga hasil dapat langsung diketahui  saat  melakukan  eksperimen.  Untuk  bahan uji  yang  akan  dilakukan  pengujian,  peneliti menggunakan motor  brushless  EMAX  ECO  II  2306 2400KV yang dikombinasikan  dengan  baling-baling Gemfan  5226 yang  memiliki  3  buah  bilah.  Untuk mengoperasikan motor brushless peneliti menggunakan baterai jenis Li-Po (Lithium Polymer) empat  sel  dengan  kapasitas  7200mAh  dan ESC sebesar 40A. Sedangkan untuk mengontrol parameter propulsi menggunakan pengontrol jarak jauh dengan transmitter frekuensi 2.4 Ghz. Hal ini dilakukan untuk faktor  kemanan  sehingga  dilakukan  pengontrolan dengan  jarak  yang  cukup  aman.  Kemudian  alat pengujian  dirangkai  dengan  skema  terlihat  pada gambar 1.
Gambar 1. Skema Load Cell
Kemudian  untuk  bahan  uji  memiliki  rangkaian terpisah  dengan  alat  uji.  Karena  bahan  uji  memiliki spesifikasi  yang  berbeda  serta  perlakuan  yang berbeda. Sehingga bahan uji dirangkai menggunakan skema pada gambar 2.

## Gambar 2. Skema Propulsi

## B. PERALATAN PENELITIAN
Pada penelitian ini dibutuhkan peralatan berupa: bor tangan, obeng, dan kunci hex. Sedangkan bahan yang  diperlukan,  yaitu: motor  brushless,  ESC, arduino nano, baterai Li-Po , load cell, modul hx711 , mur dan baut.

## C. PEMROGRAMAN
Program  ini  disematkan  ke  mikrokontroler, dalam hal ini arduino nano sebagai mikrokontrolernya  yang  berfungsi  sebagai  capaian
keluaran yang diharapkan. Mikrokontroler ini sebagai pusat  pengolah  data  hasil  input  dari  sensor  yang terintegrasi,  sedangkan  program/  perintah  yang  di tanamkan  merupakan  suatu  implementasi  dari  apa yang  peneliti  inginkan  dalam  proses  pengukuran sehingga  diperoleh  hasil  yang  diinginkan.  Sketsa program diperlihatkan pada gambar 3.
Gambar 3. Pemrograman Sensor Load Cell

## D. LANGKAH PENELITIAN
Pembuatan  alat  dimulai  dari  persiapan  seperti kelengkapan  alat  dan  bahan,  kalibrasi  sensor  alat ukur, kalibrasi kontrol bahan uji hingga proses desain alat  uji.  Kemudian  dilanjutkan  dengan  proses perancangan yang telah direncanakan terkait alat uji yang  dapat  melakukan  pengujian  gaya  dorong (thrust) statis.  Setelah  semua  terpenuhi  berdasarkan rancangan  yang  telah  dibuat,  kemudian  dilakukan pemasangan  rangkaian  elektronik  beserta  bahan  uji nya.  Setelah  alat  uji  siap  digunakan,  kemudian dilanjutkan  dengan  pengujian  dan  simulasi  disertai dengan  pengambilan  data  dan  perhitungan  untuk menentukan  tingkat  keberhasilan  pengukuran  pada alat uji yang telah dibuat.

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN A. IMPLEMENTASI HASIL PERANCANGAN
Desain yang telah dirancang pada aplikasi CAD ( Computer  Aided  Design) kemudian  di  cetak menggunakan  printer  3  dimensi  menggunakan material ABS (Acrylonitrile Butadiene Styrene) untuk selanjutnya  dilakukan  pemasangan  sensor load  cell yang telah di rangkai sesuai skema yang telah di buat sebelumnya.  Alat  ukur  yang  telah  dirancang kemudian  dipasangkan  pada  landasan  supaya  alat ukur  dapat  menahan  gaya  dorong  yang  dihasilkan oleh  propulsi  karena  dapat  memengaruhi  hasil pengukuran.  Berikut  ini  adalah  hasil  desain  yang
dilakukan  pada  aplikasi  CAD  sebelum  di  cetak menggunkan printer 3 dimensi.
Gambar 4. Desain Alat Ukur
Pada  ujung  sensor load  cell akan  di  pasang sebuah  propulsi  UAV  elektrik  yang  akan  dilakukan pengukuran.  Pada  pengujian  ini  akan  dilakukan variasi kecepatan putar pada propulsi sehingga akan dihasilkan perbedaan hasil gaya dorong yang terjadi. Hasil  akhir  dari  perancangan  alat  ukur  ini  dapat dilihat pada gambar 5.
Gambar 5. Pelaksanaan
Menurut aturan ISO-13342 tentang “Pengukuran Dorong  Statis  Pada  Motor  Tempel”  bahwa pengukuran  gaya  dorong  harus  dilakukan  secara horizontal  dengan  satuan  gaya  (Newton)  dan  tanpa halangan baik di depan maupun di belakang bahan uji pada jarak 3 meter [10]. Sehingga penulis membuat rancangan  alat  uji  sedemikian  rupa.  Kemudian dilanjutkan  dengan  proses  pengujian  alat  uji menggunakan  propulsi  yang  akan  dilakukan pengujian.

## B. HASIL PENGUKURAN SENSOR LOAD CELL
Pengujian  sistem  pengukuran  gaya  dorong menggunakan sensor load cell ini dilakukan dengan cara  mengukur  gaya  dorong  pada  propulsi  UAV elektrik dengan variasi kecepatan putar yang berbeda. Dimana propulsi UAV elektrik tersebut akan berputar dan  menghasilkan  gaya  dorong  yang  langsung diterima oleh sensor load cell pada  alat pengukuran tersebut. Selanjutnya, saat propulsi tersebut berputar dan  menghasilkan  gaya  dorong,  maka  LCD  akan menampilkan  hasil  ukur  sensor  load  cell  tersebut. Hasil  pengukuran  pada  pengujian  yang  telah dilakukan ditunjukan pada Tabel sebagai berikut.
Tabel 1. Hasil Ukur Kecepatan 15300 rpm
Pengukuran Hasil Ukur Error ke (N) (%) 1 3,94 0,896 2 3,91 0,128 3 3,89 0,384 4 3,93 0,640 5 3,92 0,384 6 3,92 0,384 7 3,9 0,128 8 3,89 0,384 9 3,87 0,896 10 3,88 0,640 Rata - rata hasil 3,91 0,487
Berdasarkan  hasil  pada  tabel  1  diperoleh persentase simpangan (error) pada masing – masing pengukuran  memiliki  nilai  error  yang  bervariasi. Sehingga  rata  –  rata  nilai  error  dari  10  pengukuran diperoleh  sebesar  0,487%,  sehingga  sesuai  toleransi yang diperbolehkan dimana nilai masksimum sebesar 5%. Pengujian alat ukur gaya dorong propulsi UAV elektrik kembali dilakukan dengan variasi kecepatan putar yang berbeda dan hasil pengukuran ditunjukan pada tabel 2.
Tabel 2. Hasil Ukur Kecepatan 13900 rpm
Pengukuran Hasil Ukur Error ke (N) (%) 1 3 0,334 2 2,98 0,334 3 2,97 0,668 4 3,02 1,000 5 2,98 0,334 6 3,01 0,668 7 2,96 1,000 8 2,98 0,334 9 3,01 0,668 10 2,99 0,000 Rata - rata hasil 2,99 0,534
Berdasarkan  hasil  pada  tabel  2  diperoleh persentase simpangan (error) pada masing – masing pengukuran  memiliki  nilai  error  yang  bervariasi. Sehingga  rata  –  rata  nilai  error  dari  10  pengukuran diperoleh sebesar 0,534%, sedangkan toleransi yang diperbolehkan dimana nilai masksimum sebesar 5%. Pengujian  alat  ukur  gaya  dorong  propulsi  UAV elektrik kembali dilakukan dengan variasi kecepatan putar yang berbeda dan hasil pengukuran ditunjukan pada tabel 3.
Tabel 3. Hasil Ukur Kecepatan 21400 rpm
Pengukuran Hasil Ukur Error ke (N) (%) 1 6,78 0,803 2 6,70 0,387 3 6,77 0,654 4 6,74 0,208 5 6,74 0,208 6 6,70 0,387 7 6,72 0,089 8 6,69 0,535 9 6,74 0,208 10 6,68 0,684 Rata - rata hasil 6,73 0,416
Berdasarkan  hasil  pada  tabel  3  diperoleh persentase simpangan (error) pada masing – masing pengukuran  memiliki  nilai  error  yang  bervariasi. Sehingga  rata  –  rata  nilai  error  dari  10  pengukuran diperoleh  sebesar  0,416%,  sehingga  sesuai  toleransi yang diperbolehkan dimana nilai masksimum sebesar 5%.

## C. ANALISA PENGUJIAN
Berdasarkan  tabel  1,  tabel  2,  dan  tabel  3, perbedaan  hasil  ukur  pada  alat  pengukuran  tersebut untuk  mengukur  propulsi  UAV  elektrik  dengan variasi  kecepatan  yang  berbeda  dapat  ditampilkan pada tabel 4.

## Tabel 4. Hasil Ukur Propulsi UAV Elektrik
Kecepatan Putar Rata - rata Rata - rata
(rpm) Hasil Ukur Error (N) (%) 13900 2,99 0,534 15300 3,91 0,487 21400 6,73 0,416
Berdasarkan data yang ditampilkan pada tabel 4, dapat diperoleh hasil rata – rata error dari keseluruhan pengukuran  adalah  sebesar  0,479  %  sehingga  alat ukur  yang  penulis  rancang  mendekati  nilai sebenarnya.

## 4. KESIMPULAN
Berdasarkan  hasil  perancangan  dan  pengujian yang telah dilakukan, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut :
a. Proses  kalibrasi  sensor  load  cell  sangat berpengaruh  terhadap  besar  nya  nilai  error (simpangan), sehingga pada proses pemrograman terdapat  faktor  pengali  yang  digunakan  untuk melakukan  kalibrasi  dan  menentukan  nilai ketelitian dari hasil pengukuran.
b. Pada alat pengukuran yang penulis rancang sudah dilengkapi  fitur  Fungsi  TARE,  yang  berfungsi untuk  mengabaikan  bobot  yang  tidak  perlukan dalam proses pengukuran.
c. Besar  nilai  error  (simpangan)  pada  alat  yang dirancang  penulis  masih  seusai  dengan  nilai toleransi yang diperbolehkan, yaitu sebesar 0,479 % sedangakan nilai toleransi maksimal nya adalah sebesar 5%.

## 5. REFERENSI
[1] M.  P.  S.  T.  Martin,  "UAV  Market,"  in
UNMANNED AERIAL VEHICLES: FUNDAMENTALS, COMPONENTS,
MECHANICS,  AND  REGULATIONS , London,  Nova  Science  Publisher,  2021, pp. 13-15.
[2]   K.  Ozer  and  M.  Yilmaz,  "Design  and Analysis  of  a  High  Power  Density Brushless  DC  Motor  for  a  Multi-Rotor Unmanned Aircraft," International
Conference  on  Electrical  and  Electronics Engineering, vol. X, pp. 1-3, 2021.
[3]   M. H. Bilgehan, H. Mustafa and K. Hakan, "Estimation  of  UAV  flight  time  and Battery Consumption for photogrammetric application  using  multiple  machine learning algorithms," Engineering
Research Express, vol. IV, pp. 2-3, 2022.
[4]   N.  Mehendale,  "Investigating  the  Battery Life Issues in Unmanned Aerial Vehicles: An Analysis  of  Challenges  and  Proposed Solutions," K.  J.  Somaiya  College  of
Engineering, vol. IX, pp. 2-3, 2023.
[5]   C. Cruzatty, E. Sarmiento, E. Valencia and E. Cando, "Design methodology of a UAV propeller  implemented  in  monitoring activities," ELSEVIER  Materials  Today:
Proceeding, vol. X, pp. 1-2, 2022.
[6]   A. Elghazali and S. S. Dol, "Aerodynamic Optimization of Unmanned Aerial Vehicle through Propeller Improvements," Journal of Applied Fluid Mechanics, vol. XII, pp.
1-3, 2019.
[7]   M. Scanavino, A. Vilardi and G. Guglieri, "An  Experimental  Analysis  on  Propeller Performance  in  a  Climate-controlled Facility," Journal of Intelligent & Robotic Systems, vol. V, pp. 3-4, 2020.
[8]   A.  Wibowo  and  L.  A.  Supriyono, "ANALISIS  PEMAKAIAN  SENSOR
LOADCELL  DALAM  PERHITUNGAN BERAT  BENDA  PADAT  DAN  CAIR BERBASIS MICROCONTROLLER,"
ELKOM, vol. XII, p. 1, 2019.
[9]   Y.  Mukhammad,  A.  Santika  and  S. Haryuni,  "Analisis  Akurasi  Modul Amplifier HX711 untuk Timbangan Bayi," Jurnal Teknik Elektromedik Indonesia, vol. IV, p. 26, 2022.
[10] International Standard ISO 13342, 2019.