UNIVERSITAS DIPONEGORO TUGAS AKHIR ISWAN PRADIPTYA L2E FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN

Transkripsi

1 UNIVERSITAS DIPONEGORO RANCANG BANGUN WAHANA TERBANG TANPA AWAK QUADROTOR DENGAN SISTEM KENDALI KESTABILAN ORIENTASI ROLL DAN PITCH TUGAS AKHIR ISWAN PRADIPTYA L2E FAKULTAS TEKNIK JURUSAN TEKNIK MESIN SEMARANG MARET 2011 i

2 ii

3 iii

4 iv

5 v

6 ABSTRAK Wahana terbang tanpa awak dengan konfigurasi empat rotor merupakan pengembangan dari teknologi Vertical Take-Off and Landing (VTOL) aircraft. Penelitian ini difokuskan pada proses rancang bangun wahana terbang tanpa awak yang disebut dengan quadrotor dengan sistem kontrol attitude. Perancangan sistem kendali diawali dengan mengembangkan model dinamika dari sistem. Teknik kontrol Proportional Integral Derivative (PID) diaplikasikan dengan data umpan balik yang diperoleh dari sensor Inertial Measuring Unit (IMU) enam derajad kebebasan. Sistem kendali attitude dikembangkan dalam dua mode kontrol, mode acro dan mode auto. Dari hasil pengujian, nilai parameter proporsional (Kp) pada mode acro berada pada nilai aman antara 0,5 hingga 0,85 dan nilai parameter diferensial (Kd) bisa diatur sesuai dengan kemampuan pilot, yang secara signifikan mempengaruhi transient response sistem. Nilai parameter PID mode auto cenderung lebih mudah dicari. Nilai Kp berada pada nilai aman antara 2,5 hingga 4,5 dan nilai Kd secara signifikan menghilangkan osilasi. Nilai optimal Kd dicapai pada 0,0065. Kata kunci: Quadrotor, kontrol PID, attitude, IMU, VTOL vi

7 ABSTRACT Unmanned aerial vehicle (UAV) with four-rotor configuration is the development of Vertical Take-Off and Landing (VTOL) technology. This research is focused on the attitude control system design of the UAV called quadrotor. The design of the control system was initiated with developing dynamics model of the system. Proportional Integral Derivative (PID) control technique is applied with the feedback data obtained from six degrees of freedom Inertial Measurement Unit (IMU) sensor. The attitude control system is developed in two control modes, acro and auto mode. The experimental results show that the proportional parameter (Kp) value in acro mode is safe, ranging from 0.5 to 0.85 and differential parameter (Kd) value can be tuned in accordance with the pilot s ability, which significantly affect the transient response of the system. The values of PID parameter in auto mode tend to be easier to tune than acro mode. The value of Kp in auto mode is safe, ranging from 2.5 to 4.5 and the value of Kd significantly eliminates the oscillation, the optimal value of Kd is reached at key words : Quadrotor, PID control, attitude, IMU, VTOL vii

8 HALAMAN PERSEMBAHAN Ku persembahkan untuk almarhum Ibu, Bapak dan Keluarga viii

9 KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT, yang telah melimpahkan rahmat dan karunia-nya serta nikmat sehat sehingga tugas akhir yang merupakan tahap akhir dari proses memperoleh gelar sarjana di Teknik Mesin Universitas Diponegoro ini dapat terselesaikan. Penyelesaian tugas akhir ini tidak lepas dari orang-orang yang telah membantu, oleh karenanya, penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Bapak Dr. Susilo Adi Widyanto ST., MT., selaku pembimbing utama yang telah begitu banyak memberikan bantuan, bimbingan, pengarahan serta pengetahuan dalam pengerjaan dan penyelesaian tugas akhir ini. 2. Bapak Muhammad Thoha, yang telah memberikan informasi dan saran dalam menyelesaikan tugas akhir ini. 3. Rekan Tugas Akhir Yuniawan Wijanarko dan teman-teman angkatan 2006 yang telah memberikan dorongan dan semangat sampai tugas akhir ini selesai. Penulis sadar banyak kekurangan dalam tugas akhir ini, maka dari itu besar harapan untuk memberikan kritik maupun saran yang membangun. Semoga laporan tugas akhir ini dapat bermanfaat bagi semua yang membaca. Semarang, Maret 2011 Penulis ix

10 DAFTAR ISI HALAMAN JUDUL... i HALAMAN TUGAS SARJANA... ii HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS... iii HALAMAN PENGESAHAN... iv HALAMAN PERSETUJUAN PUBLIKASI... v ABSTRAK... vi ABSTRACT... vii HALAMAN PERSEMBAHAN... viii KATA PENGANTAR... ix DAFTAR ISI... x DAFTAR TABEL... xiii DAFTAR GAMBAR... xiv NOMENKLATUR... xviii BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar belakang Tujuan Penetian Batasan Masalah Metodologi Peneltian Sistematika Penulisan... 5 BAB II DASAR TEORI 2.1 Sejarah Perkembangan Helikopter ,1.1 Perkembangan Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Konfigurasi Wahana Tak Berawak Skala Kecil Perbandingan Helikopter dan Wahana Terbang Lainnya Dinamika Quadrotor UAV Sistem Kontrol Proporsional Integral Derivatif x

11 2.4.1 Kontroler Proporsional Kontroler Integral Kontroler Diferensial Kontroler PID Penalaan Parameter Kontrol PID Pemrograman Mikrokontroler Perangkat Lunak CodeVision AVR Sekilas Tentang Struktur Pemrograman Bahasa C Algorithma Sensor Fusion Untuk Estimasi Sudut Attitude Akselerometer Gyroscope Penggabungan Sensor Giroskop dan Akselerometer BAB III DESAIN DAN PEMBUATAN QUADROTOR 3.1 Desain dan Spesifikasi Perangkat Mekanik Badan Utama Quadrotor Motor DC Tanpa Sikat dan Propeler Desain dan Spesifikasi Perangkat Keras Elektronik Sistem Kontrol Tertanam Mikrokontroler ATMega 16U Sensor Inertial Measuring Unit Sinyal Masukan Sistem Kontrol Quadrotor Kontroler Kecepatan Elektronik Motor BLDC Perangkat Antar Muka dengan Pengguna (User Interface) Desain Piranti Lunak Pengaturan Register untuk Proses Inisialisasi Mikrokontroler Subrutin Program Pengukuran Lebar Pulsa receiver Futaba Subrutin Program Estimasi Sudut Euler untuk Attitude Angle Implementasi Sistem Kontrol PID Desain Keluaran Sinyal PWM Motor xi

12 BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISA KESTABILAN 4.1 Data Pengujian Gaya Angkat Rotor Hasil Pengujian Respon Kontrol Kestabilan Attitude Sistem Kontrol PID Mode Acro Sistem Kontrol PID Mode Auto BAB V PENUTUP 6.1 Kesimpulan Saran DAFTAR PUSTAKA 124 LAMPIRAN xii

13 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Perbandingan Beberapa Jenis Konfigurasi dan Prinsip Terbang Wahana Terbang Tanpa Awak Tabel 2.2 Perbandingan Skala Nilai Konfigurasi Prinsip Terbang Tabel 2.3 Perbandingan Berbagai Konfigurasi dari VTOL Tabel 2.4 Penalaan Paramater PID dengan Metode Kurva Reaksi Tabel 2.5 Penalaan Paramater PID dengan Metode Osilasi Tabel 2.6 Beberapa Compiler C untuk mikrokontroler AVR Tabel 3.1 Perbedaan seri AVR berdasarkan kapasitas memori Tabel 3.2 Spesifikasi sensor ADXL Tabel 3.3 Keterangan Fungsi pin sensor ADXL Tabel 4.1 Data hasil pengujian gaya angkat xiii

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Helical Air Screw, hasil rancangan Leonardo Da Vinci... 6 Gambar 2.2 Gyroplane... 7 Gambar 2.3 Adaptive and Reflective Middleware System (ARMS)... 8 Gambar 2.4 Klasifikasi wahana udara tak berawak... 9 Gambar 2.5 Konsep konfigurasi kecepatan putar dari quadrotor, lebar anak panah proporsional dengan besarnya kecepatan putar rotor Gambar 2.6 Kerangka acuan absolut pada bumi dan kerangka acuan bodi quadrotor Gambar 2.7 Sistem kontrol PID Gambar 2.8 Diagram blok kontroler proporsional Gambar 2.9 Proportional band dari kontroler proporsional tergantung pada penguatan Gambar 2.10 Kurva sinyal kesalahan e(t) terhadap t dan kurva u(t) terhadap t pada pembangkit kesalahan nol Gambar 2.11 Blok diagram hubungan antara besaran kesalahan dengan kontroller integral Gambar 2.12 Perubahan keluaran sebagai akibat penguatan dan kesalahan Gambar 2.13 Blok diagram kontroler diferensial Gambar 2.14 Kurva waktu hubungan input-output kontroler diferensial Gambar 2.15 Blok diagram kontroler PID Gambar 2.16 Hubungan dalam fungsi waktu antara sinyal keluaran dengan masukan untuk kontroller PID Gambar 2.17 Kurva respons tangga satuan yang memperlihatkan 25 % lonjakan maksimum Gambar 2.18 Respon tangga satuan sistem Gambar 2.19 Kurva Respons berbentuk S Gambar 2.20 Sistem untaian tertutup dengan alat kontrol proporsional Gambar 2.21 Kurva respon sustain oscillation xiv

15 Gambar 2.22 Kurva respon quarter amplitude decay Gambar 2.23 IDE perangkat lunak CodeVisionAVR versi a Gambar 2.24 Code Generator yang dapat digunakan untuk menginisialisasi registerregister pada mikrokontroler AVR Gambar 2.25 Model ilustrasi akselerometer dalam ruang anti gravitasi Gambar 2.26 Model akselerometer yang diberi percepatan setara dengan 1g Gambar 2.27 Model akselerometer yang diletakkan diatas permukaan bumi Gambar 2.28 Model akselerometer yang dirotasi 45 derajad searah jarum jam Gambar 2.29 Model kerangka acuan akselerometer tiga dimensi Gambar 2.30 Model vektor gaya pada akselerometer Gambar 2.31 Model vektor tiga dimensi dari giroskop Gambar 2.32 Arah orientasi data keluaran sensor ADXL Gambar 3.1 Badan utama quadrotor versi Gambar 3.2 Badan utama quadrotor versi Gambar 3.3 Konstruksi penjepit boom Gambar 3.4 Badan utama quadrotor versi 2 dengan pelindung komponen elektronik Gambar 3.5 Desain quadrotor versi Gambar 3.6 Quadrotor versi Gambar 3.7 Motor DC Brushless C Gambar 3.8 Propeler GWS HD9050 CCW Gambar 3.9 Propeler GWS counter rotating HD9050 CW Gambar 3.10 Desain perangkat keras quadrotor yang dikembangkan Gambar 3.11 Konfigurasi Pin dari ATMEGA Gambar 3.12 Akselerometer ADXL Gambar 3.13 Blok diagram sensor ADXL Gambar 3.14 Konfigurasi pin sensor ADXL Gambar 3.15 Sensor Gyroscope LPR530AL dan LPY530ALH Gambar 3.16 Blok diagram sensor LPR530AL Gambar 3.17 Konfigurasi kaki-kaki dan orientasi sensor LPR530AL Gambar 3.18 Blok diagram LY530ALH xv

16 Gambar 3.19 Konfigurasi kaki-kaki sensor LY530ALH Gambar 3.20 Subsistem sinyal masukan sistem kontrol Gambar 3.21 Kontrol gerakan dengan Transmiter Futaba 2.4 Ghz Gambar 3.22 Sequence signal yang dihaslkan IC decoder Futaba enam jalur Gambar 3.23 Mixing sinyal kontrol Gambar 3.24 Esc E-Sky 25 A Gambar 3.25 Perangkat pengendali kecepatan putaran motor Gambar 3.26 Perangkat K-125R Gambar 3.27 GUI GyroScope 6 Channel Gambar 3.28 GUI Iclin Gambar 3.29 WTM Monitor Gambar 3.30 Diagram alir sistem kontrol utama quadrotor Gambar 3.31 CodeWizard AVR Gambar 3.32 Diagram alir sistem kontrol PID mode acro Gambar 3.33 Diagram alir fungsi sistem kontrol PID mode auto Gambar 4.1 Pengujian gaya angkat rotor Gambar 4.2 Grafik gaya angkat PWM motor depan Gambar 4.3 Grafik gaya PWM motor belakang Gambar 4.4 Grafik gaya angkat PWM motor kanan Gambar 4.5 Grafik gaya angkat PWM motor kiri Gambar 4.6 Grafik perbandingan gaya angkat keempat rotor Gambar 4.7 Perangkat pengujian performa sistem control Gambar 4.8 Kestabilan sudut roll pada kondisi hover pada mode kontrol acro Gambar 4.9 Kontrol sudut roll quadrotor mode acro pada gerak ke kanan Gambar 4.10 Kontrol sudut roll quadrotor mode acro pada gerak ke kiri Gambar 4.11 Respon kotrol roll dengan gangguan gaya luar Gambar 4.12 Kestabilan sudut pitch pada kondisi hover pada mode kontrol acro 115 Gambar 4.13 Kontrol sudut pitch quadrotor mode acro pada gerak maju Gambar 4.14 Kontrol sudut pitch quadrotor mode acro pada gerak mundur Gambar 4.15 Respon kotrol pitch dengan gangguan gaya luar Gambar 4.16 Kestabilan sudut roll pada kondisi hover pada mode kontrol auto. 118 xvi

17 Gambar 4.17 Respon PID sudut roll mode auto dengan simpangan negative Gambar 4.18 Respon PID sudut roll mode auto dengan simpangan positif Gambar 4.19 Respon PID sudut roll dengan gangguan luar pada mode auto Gambar 4.20 Kestabilan sudut pitch pada kondisi hover pada mode kontrol auto 120 Gambar 4.21 Respon PID sudut pitch mode auto dengan simpangan positif Gambar 4.22 Respon PID sudut pitch mode auto dengan simpangan negatif Gambar 4.23 Respon PID sudut pitch mode auto dengan gangguan xvii

18 NOMENKLATUR Simbol Keterangan Satuan Adc Nilai hasil konversi keluaran sensor akselerometer sumbu x Adc Nilai hasil konversi keluaran sensor akselerometer sumbu y Adc Nilai hasil konversi keluaran sensor akselerometer sumbu z AdcGyro Hasil konversi ADC sinyal giroskop pada sumbu Y AdcGyro Hasil konversi ADC sinyal giroskop pada sumbu Z A Sudut vektor Rx terhadap vektor R derajad A Sudut vektor Ry terhadap vektor R derajad A Sudut vektor Rz terhadap vektor R derajad b Faktor gaya dorong rotor C C C C(t) d D e e E ( ) Cosinus sudut pitch Cosinus sudut roll Cosinus sudut yaw Sinyal keluaran sistem Faktor drag Suku derivatif Kerangka inersia bumi Kerangka inersia yang pada bodi quadrotor Sinyal kesalahan F Gaya dorong rotor i N g Percepatan gravitasi bumi m/s 2 g ( ) Asumsi torsi giroskopik N.m I Matrik diagonal I Suku Integral xviii

19 I Inersia quadrotor terhadap sumbu x N.m.s 2 I Inersia quadrotor terhadap sumbu y N.m.s 2 I Inersia quadrotor terhadap sumbu z N.m.s 2 I Inersia rotor N.m.s 2 Invert Nilai kalibrasi orientasi giroskop sumbu Y Invert Nilai kalibrasi orientasi giroskop sumbu X K K K K Konstanta proporsional Konstanta integral Konstanta diferensial Konstanta proporsional maksimum L Panjang lengan quadrotor m m Massa quadrotor kg M Torsi yang diaplikasikan pada quadrotor N.m M Torsi giroskopik N.m M(s) Sinyal kontroler P Suku proporsional P Pita proporsional db r Matrik percepatan linier quadrotor r R Transpose vektor posisi Matriks rotasi R Vektor resultan akselerometer g R Vektor akselerometer pada sumbu x g R Vektor akselerometer pada sumbu y g R R proyeksi dari R vektor gaya inersia pada bidang XZ proyeksi dari R vektor gaya inersia pada bidang YZ Rate Nilai Kecepatan sudut pitch hasil konversi sensor derajad/detik Rate Nilai Kecepatan sudut roll hasil konversi sensor derajad/detik Rx Nilai konversi sensor akselerometer pada sumbu x g Ry Nilai konversi sensor akselerometer pada sumbu y g Rz Nilai konversi sensor akselerometer pada sumbu z g xix

20 Rx Nilai vektor sensor IMU terenstimasi pada sumbu x g Ry Nilai vektor sensor IMU terenstimasi pada sumbu y g Rz Nilai vektor sensor IMU terenstimasi pada sumbu z g Rx Nilai vektor giroskop pada sumbu x rad/s Ry Nilai vektor giroskop pada sumbu y rad/s Rz Nilai vektor giroskop pada sumbu z rad/s S S S Sinus sudut pitch Sinus sudut roll Sinus sudut yaw t waktu detik T Gaya angkat total quadrotor N T T Parameter integral Parameter diferensial T Waktu tunda detik T Periode sinyal osilasi detik u Kontrol Throttle N u Kontrol Roll N. m u Kontrol Pitch N. m u Kontrol Yaw N. m U(t) Sinyal masukan sistem V Vektor akselerometer pada sumbu z g Volts Tegangan keluaran akselero pada keluaran sumbu x volt Volts Tegangan keluaran akselero pada keluaran sumbu y volt Volts Tegangan keluaran akselero pada keluaran sumbu z volt V Tegangan referensi ADC volt V Nilai tegangan offset akselerometer volt V Nilai tegangan offset giroskop volt w Bobot kepercayaan terhadap giroskop x Percepatan linier pada sumbu x m/s 2 xx

21 y Percepatan linier pada sumbu y m/s 2 z Percepatan linier pada sumbu z m/s 2 φ Sudut roll derajad φ Percepatan sudut roll rad/s 2 φ Kecepatan sudut roll rad/s θ Sudut pitch derajad θ Kecepatan sudut pitch rad/s θ Percepatan sudut pitch rad/s 2 ψ Sudut yaw derajad ψ Kecepatan sudut yaw rad/s ψ Percepatan sudut yaw rad/s 2 Ω Transpose vektor rotasi ω Kecepatan putaran rotor i rad/s ω Kecepatan putaran rotor 1 rad/s ω Kecepatan putaran rotor 2 rad/s ω Kecepatan putaran rotor 3 rad/s ω Kecepatan putaran rotor 3 rad/s xxi