## RANCANG BANGUN PLATFORM GYMBAL UNTUK PAYLOAD UAV
(DEVELOPMENT OF PLATFORM GYMBAL FOR UAV PAYLOAD)
Gunawan S. Prabowo Peneliti Bidang Teknologi Avionik, Pustekbang, LAPAN e-mail: gunawan_prab@yahoo.com,

## ABSTRACT
Have  been  developing  a  platform  gymbal  sistem,  this  work  beginning  from conceptual  desain,  preliminary  design,  trade  off  component,  and  continued  with critically  design,  analysis  and  integration  in  the  laboratory.  Also  integration  with kamera sistem for surveillance mission. This platform have designed to maintenance in Z direction axes. IMU is used for provide reference of airframe and servo as a actuator. In the parsial test, the eror in each axes is about 0,6º.
Keywords: Gymbal, IMU, Servo, Surveillance

## ABSTRAK
Dalam  penelitian  ini,  telah  dilakukan  rancang  bangun platform  gymbal ,  dari penyusunan  konsep  dan  desain  awal,  sampai trade  off komponen  pendukung  sistem gymbal .  Kemudian  dilanjutkan  dengan  melakukan  desain  rinci,  analisis  desain  dan kontrol,  integrasi  skala  lab  dan  menguji  dilapangan  secara  awal  sampai  terwujud sistem gymbal yang  dapat  dimuati  kamera  untuk  misi surveillance . Platform ini mempunyai  kemampuan  secara  otomatis  selalu  mengarah  pada  sumbu  Z  dengan memanfaatkan  IMU  secara  aktif  sebagai  referensi  posisi  secara  3  sumbu  dan memanfaatkan  servo  sebagai  aktuator.  Pada  uji  secara  parsial, error tiap  sumbu terhadap arah yang diinginkan adalah sebesar 0,6 º.
Kata Kunci: Gymbal, IMU, Servo, Surveillance

## 1  PENDAHULUAN
Unmanned  Aircraft  Vehicle (UAV) adalah  sebuah  wahana  terbang  tak berawak, dalam bahasa Indonesia sering disebut  dengan  istilah  Pesawat  Udara Nir-Awak  (PUNA)  atau  Pesawat  Terbang Tanpa  Awak  (PPTA).  Saat  ini  UAV  telah diaplikasikan dalam berbagai keperluan, baik sipil maupun militer ( dual use ).
Unsur-unsur  penting  pengem- bangan  sistem  UAV  adalah:  Sistem Kendali,  Sistem  Muatan, Airframe ,  TTC dan Data Handling . Diantara sub sistem tersebut,  sistem  muatan  akan  menjadi ciri dari kegunaan dan misi dari pesawat PUNA.
Kecanggihan  dari  pesawat  PUNA akan  tergantung  pada  misi  yang dijalankan,  dan  misi  akan  tergantung
pada  sistem  muatan  yang  dibawa  oleh PUNA. Sistem muatan PUNA yang cukup terkenal adalah sistem muatan bagi misi pengamatan  atau surveillance dan pemotretan.  Hal  ini  karena  didukung oleh  kemampuan  PUNA  terbang  yang cukup  lama,  dengan  ketinggian  yang ideal untuk pemotretan dengan resolusi yang  tinggi  dan  pada  skala  tertentu dapat  menjadi  substitusi  dari  sistem pemotretan  yang  dilakukan  oleh  sistem lain seperti satelit misalnya.
Kemampuan  menarik  lain  dari PUNA dengan sistem kameranya adalah kemampuan  operasi  PUNA  itu  sendiri yang  bersifat  adaptif,  strategis  (dapat dioperasikan dengan cepat) serta mampu menjalankan  misi  dengan  variasi  yang bermacam-macam  [John  R.  Clapper, 2005].
Dengan  melihat  latar  belakang di  atas,  maka  penelitian  tentang  sistem muatan  menjadi  cukup  penting  dan dapat  dilakukan  secara  dini  dengan memanfaatkan  pesawat  PUNA  yang sudah  tersedia  di  pasaran,  serta  dapat dilakukan secara pararel dengan penelitian  sistem airframe lain  seperti sistem  kendali,  sistem  avionik  maupun sisi ground support sistem.
Di dalam sistem muatan ada sub sistem platform dan muatan  itu  sendiri.
Tujuan  penelitian  ini  adalah  merancang bangun gymbal sebagai platform bagi muatan, yang berkemampuan melakukan orientasi  otomatis  berdasarkan  sumbu yang  telah  ditetapkan  dan  dapat  stabil pada  orientasi  tersebut.  Penelitian  ini merupakan  penelitian  rancang  bangun dengan  titik  berat  pada  penguasaan proses rancang bangun dengan harapan mampu  menangkap  esensi  dari  proses rancang bangun, sehingga platform yang dibangun  merupakan platform spesifik berbasis  pada  karateristik  pesawat PUNA.
Permasalahan  yang  akan  diteliti sebagai berikut:
 Mengetahui karakteristik pesawat selama  terbang,  khususnya  karak- teristik dinamika attitude /sikap pesawat selama terbang;
 Membuat platform yang mampu menahan  dan  mengendalikan  gerakan sekaligus getaran dari pesawat airframe yang ditempati.

## 2  UAV DAN SISTEM PAYLOAD
Di  berbagai  belahan  dunia pengguna  aktif  dari  UAV  adalah  militer dengan  berbagai  tujuan,  misal  untuk pemotretan wilayah musuh atau wilayah konflik  atau  untuk  melakukan  mata- mata  terhadap  musuh.  Sedangkan untuk  keperluan  sipil,  UAV  bisa digunakan  untuk  pemetaan  daerah terpencil  atau  pemotretan,  pemantauan gunung  berapi,  pemantauan  kemacetan atau pemotretan daerah pasca bencana.
Daerah-daerah yang sulit dijangkau oleh pesawat terbang atau transportasi darat dapat dijangkau menggunakan UAV untuk mengumpulkan berbagai informasi. Berikut  adalah  gambaran  penggunaan UAV dalam berbagai aplikasi:
Gambar 2-1: Berbagai  aplikasi  UAV  baik untuk sistem monitoring visual maupun  data  [John  R.  Clapper, 2005]
UAV  terdiri  dari  sistem Aircraft , Payload dan ground  segment ,  seperti halnya  wahana  terbang  pesawat,  UAV. Sistem  ini  didukung  oleh  teknologi aerodinamik, kendali, muatan ( payload ), struktur,  avionik,  propulsi,  TTC,  komu- nikasi dan ground segment .
Salah  satu  yang  menarik  dari UAV, seperti terlihat dalam  Gambar 2-1 adalah  aplikasi  yang  sangat  luas, khususnya  untuk  aplikasi monitoring . Aplikasi  ini  pada  tahap  tertentu  dapat menjadi  substitusi  wahana  terbang  lain seperti wahana satelit.
Airbone  remote  sensing atau airbone  monitoring yang  selama  ini menggunakan pesawat, secara perlahan bergeser  dengan  menggunakan  UAV, disamping lebih murah secara operasional, resiko operasi bisa jadi dapat ditekan.
Salah  satu  unsur  penting  dalam aplikasi  tersebut  adalah  adanya sebuah platform tambahan yang disebut dengan Sistem Gymbal .  Platform  ini  menjadi tempat  bagi  sistem  kamera  yang  ter- sambung ke sistem pesawat.
Gambar 2-2: Gymbal 2-axis  aplikasi  untuk kamera  pengamat  (sumber: www.howstuffworks.com)

## 3  ANALISIS PERSYARATAN DESAIN

## 3.1 Persyaratan Umum
Persyaratan pertama adalah merancang misi gymbal . Misinya adalah mampu  berorientasi  pada  salah  satu sumbu yang telah ditetapkan dalam hal ini  adalah  sumbu  Z  atau  sumbu  arah permukaan bumi.
Persyaratan  umum  dari Gymbal yang akan dibangun meliputi:
 Mampu menangani kondisi vibrasi dari pesawat yang akan ditempati;
 Mampu  tetap  berorientasi  pada  obyek dengan orientasi secara umum,
misalnya akan selalu menghadap pada sumbu  bumi  (sumbu  Z),  meskipun airframe tempat gymbal menempel mengalami  gangguan  yang  menyebab- kan sumbu Z berubah-ubah;
 Pada kondisi tertentu, dengan interupted  process ,  orientasi platform dapat berubah dengan perintah secara real time ;
 Orientasi platform dapat diatur sedemikian  hingga  mampu  bergerak dengan perputaran sampai 180 derajat
pada  sumbu  elevasi  dan  360  derajat untuk sumbu azimuth.

## 3.2 Persyaratan Operasi
Sementara persyaratan operasinya adalah sebagai berikut:
 Gymbal mampu  menangani  masalah vibrasi;
 Gymbal akan secara otomatis menunjuk kamera terarah pada sumbu Z, seperti terlihat di bawah ini:
Gambar 3-1: Orientasi  gymbal  yang  selalu menunjuk  arah  sumbu  Z  pada saat  gerak  rolling  terjadi  pada pesawat
 Dengan  kondisi  di  atas, Gymbal juga harus  mampu  menahan  orientasi kamera  pada  poisisi  pesawat  kondisi Pitching , seperti terlihat sebagai berikut:
Gambar 3-2: Orientasi  gymbal  yang  selalu menunjuk  arah  sumbu  Z  pada saat gerak pitching terjadi pada pesawat
 Berat secara umum adalah 1 Kg sudah termasuk beban kamera;
 Jika  kamera  menangkap  sebuah gambar,  maka  proses  otomatisasi dapat  diinterupsi  oleh Command dari Ground Support ;
 Bersifat  otomatis  yang  merupakan kerja  secara close  loop antara  IMU  (6 DOF),  Mikrokontroler  dan  Sistem  Servo Motor.

## 3.3 Analisis Persyaratan Teknis
Dalam tahap pertama ini, gymbal akan  di mounting ke  pesawat  Avionik-G (pesawat  tanpa  awak  milik  bidang avionik),  spesifikasi  pesawat  tersebut adalah:

## Gambar 3-3: Pesawat avionik-AG
Maka  sesuai  dengan  data  teknis di  atas gymbal yang  akan  di  bangun, akan  mempunyai  persyaratan  atau mass budget nya adalah sebagai berikut:
Tabel 3-1:  TABEL PERSYARATAN
FISIK GYMBAL No. Persya- ratan Ukuran Keterangan 1.  Bobot Maksi mal 3 kg Sudah termasuk sistem data handling : sehingga bobot yang bisa diakomodasi sekitar maksimum 2 kg Bobot ini sudah termasuk sistem elektronik, payload (kamera) dan sistem mekanik 2.  Dimen si Panjang: 15 cm Maks Tinggi: 15 cm Maks Sesuai dengan lebar dan tinggi pesawat dari landasan terbang
Platform  gymbal juga  harus mempunyai kemampuan yang seimbang dengan  dinamika  pesawat,  untuk  itu diperlukan data dinamika pesawat yang akan  menjadi  tempat mounting sistem gymbal tersebut.
Dari  uji  coba  terbang  pesawat tersebut  di  Batujajar,  diketahui  sistem dinamika  pesawat  tersebut  adalah sebagai berikut:
Gambar 3-4: Grafik  dinamika  terbang  UAV dalam mode pitch, yaw dan roll
Dari grafik di atas dapat dianalisis sebagai berikut:
 Kecepatan rolling maksimal adalah 120 derajat/20 second atau 60 derajat/s.
 Kecepatan pitching maksimal  adalah 100  derajat/20 second atau  50 derajat/s.
 Kecepatan yawing adalah  sekitar  180 derajat/s.
Dengan  data  tersebut,  dapat disampaikan  bahwa  gerak  dinamika pesawat  dalam  keadaan  tanpa  kendali dapat diperkirakan.
Sehingga dapat diantisipasi tentang kekuatan  struktur,  penggunaan  sensor gerak  yang  sesuai  serta  komposisi  atau model  awal platform gymbal yang dibangun.

## 4  RANCANGAN DAN ANALISA DESAIN
Dengan pertimbangan syarat desain gymbal yang  telah  disebutkan dalam  bab 3, maka desain gymbal yang dirancang adalah
Gambar 4-1: Desain Gymbal sesuai  dengan persyaratan
Untuk  memenuhi  persyaratan berat, frame  gymbal (tanpa  motor, bearing ,  kamera  dan  sensor  IMU)  ini akan  memiliki  volume  9,712  x10-5  m3. Dengan asumsi bahan  berupa komposit dengan  massa  jenis  5000 kg/m3,  maka massa frame  gymbal adalah  0,486  kg. Detil  perhitungan  massanya  adalah sebagai berikut:

## Tabel 4-1: PERHITUNGAN  BOBOT  TOTAL PAYLOAD GYMBAL
Jum lah Bagian Massa jenis Volu- me Massa 1 Frame yaw 5000k g/m 3 6,23 8x10 - 5 m 3 0,312 kg 1 Frame pitch 5000k g/m 3 2,49x 10 -5 m 3 0,125 kg 1 Frame roll 5000k g/m 3 9,83 9 x10 -6 m 3 0,049 kg 2 motor servo 180° - 0,038 kg 1 motor servo 360° - 0,050 kg 2 Bearing - 0,040 kg 1 IMU - 0,006 kg 1 Kamera - 0,090 kg 2 roda gigi plastik - 0,010 kg Total 0,720 kg
Untuk
persyaratan dimensi, ukuran gymbal sistem  secara  keselu- ruhan  sudah  memenuhi  persyaratan, yakni  tinggi  <  150  mm.  61  mm  dari keseluruhan  tinggi  sistem gymbal akan masuk ke dalam body pesawat
Gambar 4-2: Dimensi gymbal
Akan  dipertimbangkan  pula  per- syaratan  yang  lain  seperti  getaran, kendali  agar  kamera  selalu  mengarah sumbu Z dan encoder untuk mendeteksi putaran yaw .
4.1 Momen Inersia
4.1.1  Momen inersia yaw gymbal
Untuk sistem yaw  gymbal , memiliki  momen  inersia  tensor  dengan satuan kg.m2. Servo motor yaw gymbal mendapatkan  tugas  lebih  berat  dari servo  yang  lainnya,  karena  meng- gerakkan keseluruhan badan gymbal .
Untuk kebutuhan analisa dinamik yaw  gymbal ,  yang  dipakai  adalah  inersia pada  sumbu  Z  yakni  bernilai  Izz  =
dan  nilai  pada  Iyz
dan  Ixz  bisa  diabaikan  karena  nilainya sangat kecil, sekitar 900 kali lebih kecil.
4.1.2 Momen inersia pitch gymbal
Untuk  sistem pitch  gymbal ,  me- miliki  momen  inersia  tensor  dengan satuan kg.m2. Servo motor pitch gymbal mendapatkan  tugas  relatif  lebih  ringan dibanding  dengan  servo  motor  untuk yaw .  Servo  motor pitch hanya  meng- gerakkan frame  pitch  gymbal , frame  roll
gymbal ,  IMU  dan  kamera.  Momen inersianya adalah
Untuk
kebutuhan analisa dinamik pitch  gymbal ,  yang  dipakai adalah  inersia  pada  sumbu  X  yakni bernilai  Ixx  = dan
nilai  pada  Ixy  dan  Ixz  bisa  diabaikan karena  nilainya  sangat  kecil,  sekitar  40 kali lebih kecil.
4.1.3 Momen inersia roll gymbal
Untuk sistem roll gymbal , memiliki momen  inersia  tensor  dengan  satuan kg.m2.  Servo  motor yaw  gymbal men- dapatkan  beban  hanya  menggerakkan kamera, frame  roll dan  IMU.  Paling ringan  dibanding  dengan  servo  motor lainnya. Momen inersianya adalah
Untuk kebutuhan analisa dinamik roll gymbal, yang dipakai adalah inersia pada  sumbu  Y  yakni  bernilai  Iyy
=
dan nilai pada Iyz
dan  Ixy  bisa  diabaikan  karena  nilainya sangat kecil, sekitar 900 kali lebih kecil.

## 4.2 Getaran
Untuk  kasus  sistem gymbal , getaran dan gesekan terjadi pada:
• Mekanisme servo motor
• Roda gigi
• Kopling
• Bantalan peluru (ball bearing)
• Gesekan akibat putaran
untuk  mempermudah  permasalahan, nilai  rasio  redaman  sistem  mekanis diambil  dari  hasil  eksperimen  di Carnegie  Mellon’s  undergraduate  control laboratory .  Hasil  eksperimen  dilakukan
dengan  sebuah  motor  DC,  poros  pejal, kopling  dan  bantalan  didapatkan  nilai damping  ratio  of  the  mechanical sistem (b)  =  3.5077E-6  Nms.  Untuk gymbal sistem,  kita  asumsikan  dengan  nilai- nilai sebagai berikut:
• rasio  redaman  sistem  mekanis yaw gymbal (b yaw ) = 2,8062 x 10-5 Nms • rasio  redaman  sistem  mekanis pitch gymbal (b pitch ) = 7,0154 x 10-6 Nms
• rasio  redaman  sistem  mekanis roll gymbal (b roll ) = 3,5077 x 10-6 Nms
alasan nilai (b yaw ) lebih besar dari yang lain  (8  kali  dari  hasil  eksperimen) karena  pada yaw  gymbal terdapat  dua bantalan,  sepasang  roda  gigi,  kopling dan  membawa  massa  paling  besar. Sedangkan  untuk  bpitch,  memiliki  nilai relatif  lebih  kecil  (2  kali  hasil  eks- perimen)  karena  beban  lebih  kecil, hanya  pada  kopling  dan  massa  yang menengah.  Terakhir  adalah broll ber- nilai  paling  kecil  (sama  dengan  hasil eksperimen).
Gambar 4-3: Hasil pengukuran getaran pesawat dengan variasi putaran engine
Pengukuran  di  atas  dilakukan  di darat  dengan  menggunakan  peralatan uji  getar, output nya  dicatat  secara otomatis  dengan  menggunakan  frekuensi meter  yang  biasa  digunakan  di  uji getaran.
Selain  secara  statik  ( non  flying ), juga  dilakukan  pengukuran  getaran secara  dinamik  ( flying  mode )  dengan menempatkan  beberapa  acelerometer pada beberapa titik-titik yang berpotensi sebagai tempat mounting platform gymbal .  Hasil  pengukurannya  terlihat sebagai berikut:
Gambar 4-4: Hasil tabel pengukuran getaran
Hasil pengukuran di atas menun- jukkan  bahwa  pada  saat cruising (terbang  mendatar)  yaitu  saat  pesawat menjalankan  misinya  berupa  pengam- bilan  gambar,  maka  getaran  minimum yang didapatkan terletak dibagian depan dari front kamera existing yang  sudah ada.  Ini  dapat  menjadi  uji  penempatan pertama  yang  harus  dilakukan  saat integrasi dengan sistem airframe nanti.

## 5 MANUFAKTUR DAN PROTOTYPING
Dengan  memperhitungkan  analisis di atas, pada tahapan ini dicoba dilakukan integrasi  awal  dan  manufaktur platform dengan  menggunakan  bahan  komposit sebagai  bahan  dasar platform  gymbal , kecuali  dijamin  cukup  ringan.  Dengan membuat  sendiri  komposit,    maka  bisa dilakukan  variasi  berat  untuk  men- dapatkan titik masa dan distribusi masa yang diinginkan.

## 5.1 Manufaktur Komposit
Dengan mempertimbangkan berat, maka  dibuatlah  sistem platform dengan komposit  secara  mandiri  sehingga beratnya  dapat  diperhitungkan.  Berikut adalah  hasil platform yang  terbuat  dari komposit.
Gambar 5-1: Prototype platform dengan bahan dasar Komposit

## 5.2 Integrasi Elektronik
Cetakan  tersebut  dibuat  dengan ukuran  sesuai  dengan  gambar  catia yang  dibuat,  sehingga  memudahkan integrasi  sistem  aktuator  ke  dalam platform .  Integrasinya  terlihat  sebagai berikut:
Gambar 5-2: Integrasi  sistem  aktuator  ke dalam sistem platform
Gambar 5-3: Integrasi final prototyping gymbal
Berat platform akhir  adalah  200 gram,  dimana  sudah  termasuk  beban servo dan mounting pada pesawat UAV.

## 5.3 Integrasi Sistem Kamera
Kegiatan  terakhir  sebelum  uji coba  skala  lab  adalah  melakukan mounting sistem  kamera  ke platform yang  sudah  dibangun.  Berat platform kurang  lebih  adalah  sekitar  200  gram, sehingga akan dicoba berat kamera yang mendekati  berat  tersebut.  Untuk  dapat menghasilkan distribusi masa yang baik, maka  dipilih  kamera  canon  sebagai payload dengan  kemampuan  tambahan mempunyai feature GPS  untuk  penelitian lebih  lanjut  di  masa  mendatang, gambarnya terlihat sebagai berikut:
Gambar 5-4: Integrasi kamera ke platform

## 6  KESIMPULAN
Kesimpulan yang diambil adalah:
 Platform  Gymbal yang  dihaslkan  telah mampu beroperasi sesuai dengan misi yang  telah  ditetapkan  yaitu  mampu berorientasi  pada  sumbu  yang  telah ditetapkan (sumbu Z);
 Nilai  rata-rata error dari  setiap  baris pada  masing-masing    sumbu  adalah 0.6 %;
 Tahapan  yang  dijalankan  telah  mem- berikan pengalaman engineering dalam merancang,  membangun  dan  menguji platform  gymbal  autonomous berbasis IMU;
 Desain  yang  telah  dibuat  akan  diuji coba  dengan  pesawat  UAV,  untuk kemudian  mendapatkan rule  of  thumb dalam  mendesain  dan  merancang Platform gymbal

## Ucapan Terima Kasih
Penelitian ini dibiayai oleh Program PKPP (Peningkatan Kemampuan Pereka- yasa  dan  Peneliti  TA  2011).  Pengem- bangan  selanjutnya  dari  penelitian  ini adalah  (1)  pengembangan embedded kamera yang lebih kecil, (2) aplikasi lanjut untuk target  identification ,  (3)  aplikasi untuk untuk berbagai keperluan surveillance.

## DAFTAR RUJUKAN
A.  Schenellbeck,  1998. Integrated  Flight and Payload Control for Directional Payload on UAVs , ICAS Conference. D.E.  Bushey,  2008. Unmanned  Aircraft Flight  and  Research  at  the  United States  Air  Force  Academy ,  Inter-
national  Symphosium  Unmanned Aerial Vehicles. E.W  Frew,  2008. Networking  Issues  for Small UAV , International Symphosium  Unmanned  Aerial
Vehicles.
John  R.  Clapper,  2005. Unmanned Sistem  Road  Map  2007-2032 ,  US Departement Of Defence.
K  Sevcik  and  P.Y  oh,  2008. UAS Simulation Testbed and Framework , International
Symphosium
Unmanned Aerial Vehicles. Kimon  P.  Valavanis,  2008. Unmanned Aerial Sistem , Springer Science.
S.Ates,  I  Beyezit  and  G.Inalhan,  2008.
Design  and  Hardware  in  the  loop of  a  UAV  Microavionics  Sistem  in Manned  Joint  Flight  Network Simulator ,  International  Sympho- sium  Unmanned  Aerial  Vehicles.