Perancangan dan Implementasi Kontroler PID untuk Pengaturan Heading dan Pengaturan Arah pada Fixed-Wing Unmanned Aerial Vehicle (UAV)

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, (Sept, 01) ISSN: A-174 Peracaga da Implemetasi Kotroler PID utuk Pegatura Headig da Pegatura Arah pada Fixed-Wig Umaed Aerial Vehicle (UAV) Hery Setyo Widodo, Rusdhiato Effedie A.K, Joko Susila Jurusa Tekik Elektro, Fakultas Tekologi Idustri, Istitut Tekologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahma Hakim, Surabaya Abstrak UAV ( Umaed Aerial Vehicle) merupaka kedaraa udara tapa awak yag dikedalika dari jarak jauh oleh atau tapa seorag pilot ( Autopilot). Kotrol pesawat UAV ada dua variasi utama, variasi pertama yaitu dikotrol melalui pegedali jarak jauh da variasi kedua adalah pesawat yag terbag secara madiri berdasarka program yag dimasuka. Sebuah fixed-wig UAV harus mampu mempertahaka posisiya pada litasa yag sudah ditetuka selama melakuka trackig litasa. Keakurata dalam trackig arah da headig pesawat sagat berpegaruh terhadap keberhasila misi peerbaga pesawat UAV dalam memperthaka litasaya utuk mecapai target. Oleh karea itu pada Tugas Akhir ii diracag sistem pegatura dega megguaka metode kotrol PID utuk megatasi kesalaha dalam mejaga litasa pesawat. Pegatura arah da headig pesawat UAV dilakuka dega memafaatka diamika gerak lateral yag meliputi gerak roll da yaw da iput dari GPS ( Global Positioig System). Dari simulasi diperoleh proses trackig dapat megikuti racaga gerak yag diigika Pergesera litasa pesawat pada saat implemetasi kotroler PID disebabka akurasi GPS yag masih redah yaitu 3 meter. Kata Kuci Fixed-wig UAV ( Umaed Aerial Vehicle), Trackig, Roll, Yaw, Headig, GPS. P I. PENDAHULUAN esawat tapa awak (Umaed Aerial Vehicle) adalah sebuah mesi terbag yag bergerak dega kedali jarak jauh oleh pilot atau mampu megedalika diriya sediri, megguaka hukum aerodiamika utuk megagkat diriya, bisa diguaka kembali da mampu membawa muata baik sejata maupu muata laiya. Pesawat bersayap tetap memafaatka prisip Beroulli, yaitu suatu fluida yag bergerak lebih cepat memiliki tekaa yag lebih redah dibadigka dega fluida yag bergerak lebih lambat. Karea sisi sayap bagia atas lebih pajag daripada sisi sayap bagia bawah (karea kelegkuga permukaa sayap di bagia atas), maka udara yag megalir lebih cepat di bagia atas daripada di bagia bawah. Perbedaa kecepata udara itulah yag meyebabka pesawat dapat terbag. Supaya ada udara megalir di sayap, pesawat harus bergerak pada kecepata tertetu. Peerapa sistem autopilot pada fixed-wig UAV dapat mejadikaya kedaraa yag hadal da dapat beroperasi secara otomatis sesuai dega program yag telah ditaam di dalamya. Keberadaa UAV diharapka mampu memberika kotribusi lebih dalam meagai masalah pertahaa, pegawasa, peyelamata, ataupu misi peyeraga. Utuk megatasi masalah kestabila pada fixed-wig UAV maka diguaka kotroler PID (Proportioal, Itegral, Derivative) secara teritegrasi di dalam microcotroller da ditaam di dalam pesawat. Pemiliha kotroler PID pada peelitia ii karea kotroler ii merupaka jeis kotroler yag palig bayak pegguaaya, kesederhaaa struktur, kemudaha dalam melakuka tuig parameter kotrolya, memiliki respo yag cepat, sederhaa, mudah dipelajari, da mudah diaplikasika [1]. II. MODEL UAV A. Umaed Aerial Vehicle (UAV) UAV pada awalya dibuat dega sagat sederhaa da akhirya dikotrol secara otoom ( autoomous) semaki bayak produksi da diguaka. Saat ii, UAV telah diguaka utuk melakuka misi itelje, pemataua (surveillace), pegitaia ( recoaissace) serta misi seraga (attack). Kotrol UAV ada dua variasi utama, variasi pertama yaitu dikotrol melalui pegedali jarak jauh da variasi kedua adalah pesawat yag terbag secara madiri berdasarka program yag dimasuka ke dalam pesawat sebelum terbag []. Bayak dilaporka bahwa UAV telah berhasil dega tigkat akurasi tiggi dalam melakuka misi itelije, pemataua, pegitaia da seraga dega megguaka roket, rudal da bom. UAV lebih disukai utuk melaksaaka misi yag terlalu "membosaka da berbahaya atau beresiko tiggi" bagi pilot pesawat berawak. UAV juga semaki bayak diguaka utuk keperlua sipil (o militer) seperti pemadam kebakara, keamaa o militer atau pemeriksaa jalur pemipaa, pemataua daerah becaa [3].

2 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, (Sept, 01) ISSN: A-175 Gambar 1. Aplikasi Hukum Beroulli pada Sayap Pesawat B. Sistem Koordiat Pesawat [4] Sistem koordiat pesawat terdiri dari dua macam koordiat yag serig dijadika ajua, yaitu: 1. Sistem koordiat terhadap bumi ( Earth axis system). Sistem ii meetapka sumbu X bumi ke arah utara, sumbu Y bumi ke arah timur, da sumbu Z bumi ke arah bawah.. Sistem koordiat terhadap bodi (Body axis system) Pada sistem koordiat ii, arah sumbu X ditetapka searah dega hidug pesawat, sumbu Y searah dega sayap, sedagka sumbu Z meujuk arah bawa. Sistem koordiat body pesawat diguaka utuk meetuka persamaa gerak pesawat karea sistem ii lebih mudah dimegerti da tidak bergatug pada arah C. Gaya yag Meyebabka Pesawat Dapat Terbag [5] Sebagaimaa kita ketahui, di permukaa bumi ii setiap beda yag beratya lebih berat dari udara ( heavier tha air) pasti aka jatuh ke permukaa bumi. Utuk mempertahaka agar beda tetap berada pada tempatya da tidak jatuh ke bumi, maka dibutuhka Gaya ( Force) sebesar Gaya Gravitasi (G-Force) yag timbul terhadap beda itu, yag dalam seharihari disebut Berat ( Weight). Gaya-gaya yag bekerja pada sebuah pesawat terbag tampak seperti pada Gambar. yag terdiri atas: 1. Gaya Dorog (Thrust) yag medorog pesawat ke depa. Gaya Hambat (Drag) yag arahya ke belakag pesawat, berlawaa dega Gaya Dorog (Thrust) 3. Gaya Agkat (Lift) yag megagkat pesawat ke atas 4. Gaya Gravitasi yag arahya selalu ke bawah, ke pusat bumi Agar pesawat dapat terbag (megudara) melawa Gaya Gravitasi bumi, maka harus ada Gaya yag lebih besar dari Gaya Gravitasi yaitu Gaya Agkat yag dihasilka oleh sayap sebagai akibat adaya Gaya Dorog dari Mesi ( Egie) pesawat. III. PERUMUSAN MASALAH Permaslaha trackig waypoit masih meyisaka permasalaha pergesera litasa yag terlalu pajag atau terlalu jauh sehigga kurag efisie dalam proses trackig. Pegatura arah da da pegatura headig pesawat dirasa perlu dilakuka utuk mejaga posisi pesawat agar tetap berada pada litasa yag terbetuk diatara waypoit yag sudah ditetuka. Gambar. Gaya-gaya yag Bekerja pada Pesawat IV. PERANCANGAN SISTEM A. Idetifikasi Kebutuha Kebutuha sistem dalam pegerjaa Tugas Akhir ii adalah sebuah pesawat mii RC sebagai plat, Iertial Measuremet Uit board utuk megetahui orietasi dari pembacaa sudut roll, pitch da yaw, GPS receiver utuk megetahui posisi pesawat saat ii da seperagkat mikrokotroler Ardupilot Mega 1 yag berfugsi sebagai kotroler da otak dalam perecaaa gerak pesawat serta sebuah komputer sebagai Groud Statio. B. Idetifikasi Plat Idetifikasi yag dilakuka pada Tugas Akhir ii dilakuka secara diamis yaitu dega memberika masuka sudut yag berbeda-beda pada motor servo peggerak rudder da ailero kemudia megukur keluara berupa sudut roll da yaw. Kemudia pegolaha data masuka da keluara dilakuka dega megolah data yag sudah di-import ke dalam software MATLAB dega megguaka program ARX utuk medapatka trasfer fuctio plat seperti pada Tabel 1. Tabel 1 Trasfer Fuctio Plat Kecepata TF Roll TF Yaw Kecepata (0,067s,73) 5,9s 1,64 Redah s,35s 5,48 s 4,001s 10,83 Kecepata Nomial Kecepata Tiggi 73,4s s 7,36s 3,7 s 0,8s 11,3,19s 11,4 s 108,8s 31,17 0,403s 0,196 s 4,74s 13 C. Peracaga Kotroler PID [6] Pada peelitia ii kotroler PID diguaka utuk mejaga posisi pesawat saat terbag megikuti litasa yag telah direcaaka sebelumya. Siyal kesalaha yag diperoleh berasal dari kesalaha headig da arah pesawat terhadap waypoit yag dituju. Dega demikia arah pesawat aka selalu di-update setiap waktu. Siyal keluara kotroler aka dikoversika ke dalam siyal PWM utuk meggerakka rudder da ailero sebagai kemudi utama pesawat. Lagkah-lagkah peracaga kotroler PID berdasarka trasfer fuctio plat : 1. Tetuka trasfer fuctio plat yag aka dikotrol:

3 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, (Sept, 01) ISSN: A-176 Trasfer fuctio Roll : G R (s)= 73,4s s 7,36s 3,7 Trasfer fuctio Yaw : G Y (s)= s 108,8s 31,17 (3.1) (3.). Karea keluara plat merupaka kecepata sudut, maka utuk medapatka keluara berupa sudut maka harus dikalika dega itegrator (s -1 ). Pegalia trasfer fuctio dega itegrator aka meghasilka plat orde 3, sehigga trasfer fuctio plat mejadi : Trasfer fuctio Roll : 73,4s G R (s)= s 7,36s 3,7) Trasfer fuctio Yaw : G Y (s)= s 108,8s 31,17) Trasfer fuctio Roll modified: 73,4s s x R1 s 7,36s 3,7) 73,4 ( s 1) R1 s 7,36s 3,7 Trasfer fuctio Yaw modified: (3.3) (3.4) (3.5) s x Y1 s 108,8s 31,17) 0,0117 ( s 1) (3.6) Y1 s 108,8s 31,17 3. Meetuka parameter plat K, ξ, ω dari trasfer fuctio plat berdasarka [3] berikut : G(s)= K s 1 s Trasfer fuctio Roll : G R1 (s)= 1 7,36 3,7( s s 1) 3,7 3,7 Trasfer fuctio Yaw: G Y1 (s)= 1 108,8 31,17( s s 1) 31,17 31,17 1 (3.7) (3.8) Sehigga dari trasfer fuctio roll da yaw dapat dihitug parameter plat utuk medapatka parameter kotroler sebagai berikut : 1. Trasfer fuctio Roll : G R1 (s)= (3.7) 1 7,36 3,7( s s 1) 3,7 3,7 Sehigga diperoleh ilai parameter plat sebagai berikut : K =.03 (3.9) 3,7 ω = 3.7 4, 8 (3.10). 7,36 3,7 (3.11) Subtitusi hasil Persamaa (3.10) ke Persamaa (3.11). 4,8 7,36 3,7 7,36.4,8, 83 3,7. (3.1) Meghitug parameter kotroler secara aalitik berdasarka [3]..9,7438 3,39 5,583 (3.13) iy 1 1 0,0366 dr...,83.4,8 (3.14) Subtitusi hasil Persamaa (3.9), (3.10), (3.1 ) da ilai τ*=0. ke Persamaa (3.15).,83 K,89 pr (3.15) 0,.4,8.,03. Trasfer fuctio Yaw : G Y1 (s)= (3.8) 1 108,8 31,17( s s 1) 31,17 31,17 Sehigga diperoleh ilai K = 0,04186 (3.16) 31,17 ω = 31,17 5, 583 (3.17) Subtitusi hasil Persamaa (3.17) ke Persamaa (3.18). 108,8 108,8.5, ,17 31,17. (3.18) Meghitug parameter kotroler secara aalitik berdasarka [6]..9, iy 5,583 (3.19) 1 1 0,009 (3.0) dy...9,7438.5,583 Subtitusi hasil Persamaa (3.16), (3.17), (3.18) da ilai τ*=0. ke Persamaa (3.1).9,7438 K py 416,98 (3.1) 0,.5,583.0,04186 Apabila hasil perhituga parameter kotroler secara aalitik masih belum memberika performasi yag diigika

4 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, (Sept, 01) ISSN: A-177 maka dapat dilakuka tuig parameter secara tersetruktur. Metode tuig ii dilakuka utuk medapatka respo yag lebih baik. D. Hasil Simulasi Simulasi dilakuka dega memberika uji siyal step terhadap kecepata sudut yaw da posisi sudut yaw. Hasil simulasi plat utuk pegujia sudut roll da yaw, kecepata sudut roll da yaw, serta pegujia dega kotroler dapat dilihat pada Gambar 3. sampai Gambar 7. Gambar 6. Gambar kurva respo sudut roll dega kotroler PID Gambar 3. Kurva Respo Sudut Roll Dega Siyal Uji Step Gambar 7. Gambar kurva respo sudut yaw dega kotroler PID Gambar 4. Gambar Kurva Respo Kecepata Sudut Yaw dega Siyal Uji Step Gambar 5. Kurva Respo Sudut Yaw dega Siyal Uji Step E. Simulasi Kotroler PID utuk Kestabila Sudut Roll da Yaw Utuk megatasi masalah ketidakstabila yag terjadi pada sudut roll da yaw maka perlu dipasag kotroler PID da parameter-parameterya ditala secara aalitik sehigga didapatka respo sudut roll da yaw seperti pada Gambar 4.5 da Gambar 4.6. Sedagka simulasi proses trackig litasa dilakuka utuk megetahui seberapa hadal kotroler PID yag telah diracag. Hasil simulasi proses trackig dapat dilihat pada Gambar 4.7. Gambar 8. Hasil Simulasi Proses Trackig Litasa I Hasil simulasi proses trackig meujukka bahwa kotroler PID hasil simulasi mampu meberika performasi yag baik dalam mejaga pesawat model utuk bergerak megikuti litasa yag telah ditetuka. F. Hasil Implemetasi Implemetasi kotrol PID dilakuka dega meguji terbag pesawat fixed-wig UAV pada mode auto utuk beberapa waypoit yag telah ditetuka. Hasil Pegujia kotroler PID dilakuka beberapa kali, dega salah satu hasil seperti pada Gambar 9.

5 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 1, (Sept, 01) ISSN: A-178 Pada implemetasi yag dilakuka, kotroler PID belum mampu meaggulagi gaggua berupa agi tetapi mampu utuk megarahka pesawat meuju waypoit yag sudah ditetuka. Hasil implemetasi meujukka bahwa terjadi pergesera posisi litasa pesawat yag sagat sigifika. Litasa waypoit Start Litasa aktual Fiish Gambar 9. Litasa Aktual Pesawat terhadap Litasa Waypoit I dari beliau higga terwujudya tugas akhir ii. Tema-tema Lab Sistem Pegatura yag selalu meemai diskusi atas permasalaha yag dihadapi oleh peulis. Semoga kekeluargaa ii dapat terus terjali selamaya. DAFTAR PUSTAKA [1] Nurdiasyah, M., "Peracaga da Implemetasi Kotroler PID utuk Trackig Waypoit pada Sistem Navigasi UAV ( Umaed Aerial Vehicle) Berbasis GPS ( Global Positioig System)", Tugas Akhir, Istitut Tekologi Sepuluh Nopember, Surabaya, (011). [], Perlukah NKRI Membetuk Skadro UAV (Uas)? Surabaya, 1 May 01.. [3], Pesawat Tapa Awak, Surabaya, May 01. [4] Doald McLea, D. (1990). Automatic Flight Cotrol Systems. Pretice Hall, Hertfordshire,UK. [5], Megapa Pesawat Udara Bisa Terbag?, Surabaya, 30 Mei 01. [6] N. Gamayati, Desai Kotroler Proporsioal Ditambah Itegral Ditambah Differesial (PID), Modul Kuliah Dasar Si stem Pegatura, (010). V. KESIMPULAN Dari hasil pegujia sistem kotrol hasil desai dega simulasi da implemetasi, dapat diambil kesimpula sebagai berikut : Pada simulasi kotrol trackig megguaka kotroler PID mampu memberika respos posisi pesawat yag mampu megikuti siyal referesi dega mempertahaka posisi pesawat pada litasa di atara dua waypoit Tuig ilai parameter kotroler dapat diperoleh gai kotroler yag mampu memberika respos yag lebih baik kesalaha keadaaa tuak pada gerak roll sebesar 0,03 % da 0.14 % pada gerak yaw. Kotroler PID mampu mempertahaka arah pesawat meuju waypoit amu belum mampu mempertahaka posisi terhadap gaggua agi pada litasa yag ditetuka Hasil idetifikasi da pemodela sistem belum sesuai dega plat asliya Sesor GPS kurag akurat utuk diaplikasika pada plat fixed-wig UAV yag berdimesi kecil. UCAPAN TERIMA KASIH Pada kesempata yag berbahagia ii peulis megucapka terima kasih kepada semua pihak yag telah bayak membatu baik secara lagsug maupu tidak lagsug, higga peelitia tugas akhir ii dapat diselesaika. Khususya kepada orag tua, saudara, da sahabat atas do a da dukugaya. Sepesial terimakasih kepada Sagita Ayu Eka Novitasari atas doa, dukuga da perhatiaya sehigga membuat peulis terus bersemagat utuk meyelesaika tugas akhir ii. Bapak Rusdhiato Effedie da Bapak Joko Susila selaku pembimbig Tugas Akhir atas segala bimbiga da motivasi