Autolanding Pada UAV (Unmanned Aerial Vehicle) Menggunakan Kontroler PID-Fuzzy

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) Autolandng Pada UAV (Unmanned Aeral Vehcle) Menggunakan Kontroler PID-Fuzzy Mulyan, Katjuk Astrowulan, Joko Susla. Jurusan Teknk Elektro, Fakultas Teknolog Industr, Insttut Teknolog Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Aref Rahman Hakm, Surabaya E-mal: katjuk@ee.ts.ac.d jokosus@ee.ts.ac.d Abstrak UAV (Unmanned Aeral Vehcle) merupakan sebuah kendaraan udara tanpa awak yang dkendalkan oleh atau tanpa seorang plot (autoplot). Autoplot merupakan suatu sstem yang dapat memandu gerak terbang pesawat tanpa adanya campur tangan dar manusa. Sstem autoplot adalah suatu sstem kontrol gerakan pesawat terbang yang mengatur gerakan pesawat terbang agar tetap pada jalur yang sudah dtentukan sehngga pesawat dapat bergerak dar suatu tempat ke tempat lan dengan aman secara otomats. Bentuk UAV yang sangat rngan dan kecl membuat UAV rentan terhadap gangguan angn yang menyebabkan terjadnya kecelakaan terutama pada saat melakukan pendaratan atau landng. Untuk mengatas permasalahan tersebut, dbuatlah sstem kontrol pada proses landng untuk menjaga agar UAV tahan terhadap gangguan tersebut. Sstem kontrol yang dmaksud adalah dengan drancangnya kontroler PID- Fuzzy. Penggunaan algortma PID-Fuzzy dlakukan untuk mengatur sudut ptch pesawat selama proses landng Dengan drancangnya kontroler PID-Fuzzy, hasl smulas rancangan gerak pesawat memberkan nla output yang mendekat nla setpont yang dberkan dengan nla error sebesar 5%. Kata Kunc UAV (Unmanned Aeral Vehcle), Kontroler PID-Fuzzy, Autolandng P I. PENDAHULUAN enggunaan UAV (Unmanned Aeral Vehcle) dewasa n sangat luas dgunakan msalnya untuk pencaran korban bencana alam, pengnderaan jauh, memontorng kawasan perhutan dan daerah perbatasan, bahkan untuk daerah dengan permukaan yang tdak rata dan dengan kontur ketnggan yang berbeda-beda dapat dlakukan oleh UAV. UAV juga dapat dlakukan untuk ms kemlteran yang berbahaya sepert untuk menyusup dan mengnta daerah musuh yang tdak bsa djangkau sekalpun UAV juga dgunakan dalam aplkas spl, sepert pemadam kebakaran atau pekerjaan keamanan nonmlter, sepert pengawasan dar ppa. Sngkatan UAV telah dperluas dalam beberapa kasus untuk UAV (sstem kendaraan tak berawak). Federal Avaton Admnstraton telah mengadops sstem kelas generk pesawat tak berawak- UAS (Unmanned Arcraft System) awalnya dperkenalkan oleh Angkatan Laut AS untuk mencermnkan kenyataan bahwa n bukan hanya pesawat, tetap sstem, termasuk stasun tanah dan elemen lannya. Bentuk UAV yang sangat kecl dan relatf murah baya operasonalnya membuat banyak pertmbangan utama mengapa banyak phak menggunakannya. Akan tetap, dengan bentuk UAV yang demkan membuat UAV rentan terhadap gangguan angn terutama pada saat melakukan landng. Oleh karena tu, dbuatlah sstem kontrol autolandng pada UAV dengan memberkan kontroler PID Fuzzy agar kendaraan n dapat melaksanakan tugasnya dengan bak. Kontroler PID Fuzzy sebenarnya merupakan kontroler PID yang setap parameternya dtunng dengan menggunakan logka fuzzy, dmana kontroler PID adalah gabungan dar kontroler Proporsonal, Integral, dan Dfferensal dengan setap kelebhan yang dmlk oleh setap kontroler. Pada konds operas tertentu (sepert msalnya serng terjad pada gangguan proses atau parameter proses yang berubah-ubah), parameter kontrol n harus serng d-tuned agar knerjanya tetap bak. Pada aplkas n, fuzzy berfungs menghtung parameter kontrol PID berdasarkan konds snyal error (sebaga nput dar Fuzzy). Selan tu dengan adanya algortma fuzzy n bsa menutup kekurangan dar aks kontrol PID. II. TINJAUAN PUSTAKA A. UAV (Unmanned Aeral Vehcle) [1], [] UAV (Unmanned Aeral Vehcle) merupakan sebuah kendaraan udara tanpa awak yang dkendalkan atau tanpa seorang plot (autoplot). Autoplot merupakan suatu sstem yang dapat memandu gerak terbang pesawat tanpa adanya campur tangan dar manusa. Dengan adanya sstem n seorang plot tdak harus mengontrol secara penuh gerakan pesawat tanpa harus berada d dalamnya. UAV pertama dkenalkan pada Perang Duna ke 1 pada tahun 1917 yang dbawa oleh mlter Amerka Serkat. UAV juga dkenal sebaga kendaraan jarak jauh yang dkemudkan atau RPV (Remotely Ploted Vehcle) dmana sebagan besar fungsnya yatu pada ms kemlteran. Untuk membedakan UAV dar rudal, sebuah UAV ddefnskan sebaga kendaraan, dapat dgunakan kembal dan mampu dkendalkan, penerbangan berkelanjutan, bertngkat dan ddukung oleh jet atau mesn yang salng berhubungan. Oleh karena tu, rudal jelajah tdak danggap UAV, karena sepert banyak peluru kendal lan,

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) 1-5 kendaraan tu sendr adalah senjata yang tdak dgunakan kembal, meskpun juga tak berawak dan dalam beberapa kasus jarak jauh juga dpandu. penggunaan UAV dewasa n sangat luas dgunakan msalnya untuk pencaran korban bencana alam, pengnderaan jauh, memontorng kawasan perhutan dan daerah perbatasan, bahkan untuk daerah dengan permukaan yang tdak rata dan dengan kontur ketnggan yang berbeda-beda dapat dlakukan oleh UAV. UAV juga dapat dlakukan untuk ms kemlteran yang berbahaya sepert untuk menyusup dan mengnta daerah musuh yang tdak bsa djangkau sekalpun UAV juga dgunakan dalam aplkas spl, sepert pemadam kebakaran atau pekerjaan keamanan nonmlter, sepert pengawasan dar ppa. B. Autolandng[3] Autolandng yang dmaksud dsn adalah gerakan landng secara autoplot. Autoplot merupakan suatu sstem yang dapat memandu gerak terbang pesawat tanpa adanya campur tangan dar manusa. Dengan adanya sstem n seorang plot tdak harus mengontrol secara penuh gerakan pesawat tanpa harus berada d dalamnya. Sstem autoplot adalah suatu sstem kontrol gerakan pesawat terbang yang mengatur gerakan pesawat terbang agar tetap pada jalur yang sudah dtentukan sehngga pesawat dapat bergerak dar suatu tempat ke tempat lan dengan aman secara otomats, Suatu sstem autoplot yang drancang dengan bak dan terntegras dengan tepat dengan sstem kontrol yang tepat dapat menghaslkan respon yang bak. Dengan autoplot gerakan pesawat dapat dlakukan secara otomats mula dar take-off (autotak-eoff) sampa landng (autolandng) pada ketnggan tertentu. Akan tetap autoplot tergantung dar jens pesawat dan sstem pengaturannya. Pada sstem autolandng merupakan sstem pengaturan yang kompleks. Oleh karenanya pada Tugas Akhr yang datur adalah sstem pengaturan sudut ptch. C. Gerak Dasar Pesawat [3] Gerak dasar pesawat terbang dkendalkan oleh kontrol permukaan pesawat terbang. Kontrol permukaan pada pesawat terbang terdr dar aleron, rudder, dan elevator. Aleron adalah kontrol permukaaan yang mengontrol gerak gulng (rollng) pesawat. Aleron terletak pada sayap pesawat. Rudder adalah kontrol permukaan yang dapat membelokkan hdung pesawat ke kanan atau ke kr. Rudder tersambung d bagan belakang dar vertcal stablzer. Selama penerbangan rudder dgunakan untuk menggerakkan ujung depan pesawat pesawat ke kanan dan ke kr. Rudder dgunakan bersama dengan aleron untuk belok selama penerbangan Sedangkan elevator adalah kontrol permukaan yang mengatur gerak nak turun pesawat. Elevator terpasang d bagan belakang horzontal stablzer yang dgunakan untuk menggerakkan badan pesawat nak maupun turun selama pesawat berada d udara. Gambar 1 Kontrol permukan pesawat[3] D. Landng Pesawat [4] Proses pendaratan (landng) pada pesawat yatu, algnment, glde-slope trackng, flare manoeuvre, touchdown, dan taxng. Pada fase algnment, pesawat terbang bergerak lurus sejajar dengan perpanjangan gars landasan pada ketnggan konstan. Dan pada fase glde-slope trackng, pesawat terbang mengkut lntasan gars lurus menurun dengan sudut konstan dengan tetap menjaga poss pesawat tepat lurus d atas sumbu landasan. Ketka pesawat terbang telah mendekat landasan, sudut kemrngan d perkecl sampa 0 0 (nol derajat) sehngga lntasan menurun bukan lag berupa gars lurus, tap berbentuk menyerupa kurva eksponensal turun, fase n dsebut dengan flare manoeuvre. Gambar Proses landng pesawat[5] A. Arstektur Navgas UAV III. PERANCANGAN SISTEM Sstem navgas pada UAV dapat dlhat pada Gambar 3.9. Perancangan sstem kontrol UAV menggunakan kontrol Arduplot Msson Planer, bertujuan untuk membentuk atau mengontrol gerak dar pesawat UAV. Program yang tertanam dalam mkrokontroler akan daktfkan secara manual dar remote control dengan perntah mode autoplot sehngga program akan menjalankan algortma kontrol yang tertanam dalam mkrokontroler Blok dagram untuk sstem autolandng dapat dlhat pada Gambar 3 Gambar 3 Remote Control Rancangan Gerak Recever Mkrokontroler Sensor Aktuator Arstektur Sstem Navgas UAV Plant

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) B. Identfkas Sstem Dalam Tugas Akhr n kebutuhan sstemnya berupa sebuah pesawat yang berbahan dasar gabus beserta komponen yang ada ddalam pesawat, GPS sebaga sensor yang dgunakan untuk pembacaan data poss lntang, bujur, sudut arah, sudut roll, ptch, dan yaw serta arduno msson planner. Pesawat yang dgunakan adalah pesawat jens fxed-wng tpe Hobby Kng EPP FPV. Selan tu terdapat GPS atau Global Postonng System yatu sstem untuk menentukan letak d permukaan bum dengan bantuan penyelarasan snyal satelt. GPS memberkan nla keteltan poss dalam spektrum yang cukup luas, mula dar meter sampa dengan mlmeter. Keteltan poss GPS metode absolut dengan data psedorange antara 3-6 meter. Gambar 4 Model Pesawat C. Arduplot Mega, IMU, dan Arduno Arduplot mega merupakan perangkat mkrokontroler yang akan dgunakan dalam sstem n. Mkrokontroler n dplh karena sangat sesua untuk daplkaskan pada perancangan autoplot UAV serta dengan perangkat lunak yang open source dapat memudahkan dalam pengembangan program autoplot. Gambar 5 Arduplot Mega IMU atau Inertal Measurement Unt merupakan perangkat yang dbutuhkan untuk membentuk suatu sstem autoplot dsampng GPS dan Arduplot mega sebaga mkrokontroler. Dengan adanya beberapa sensor yang telah terntegras dalam IMU, dharapkan akan memnmalsas adanya nose dalam komunkas data antara sensor menuju mkrokontroler Bentuk IMU dapat dlhat pada Gambar 6 Gambar 6 Rangkaan IMU Arduno dpaka untuk mendowload program yang kta buat dar komputer ke dalam Mkrokontrol Arduplot Mega. Software dar Arduno memlk bahasa pemrograman sendr. Arduno merupakan sstem mkrokontroler yang relatf mudah dan cepat dalam membuat aplkas elektronka maupun robotka. Sedangkan untuk mengamat perubahan yang terjad menggunakan APM (Arduplot Planner Mega). Pada APM dapat mengubah parameter kontrol, mengambl data dan mengubah setngan mode sesua yang kta ngnkan Gambar 7 D. Identfkas Sstem Tamplan Arduno dan Ardu Planner Mega[7] Identfkas merupakan sebuah proses yang pentng dalam sklus pengaturan. Identfkas dperlukan untuk mengetahu karakterstk dar suatu sstem bedasarkan model matemats yang telah dperoleh. Pada Tugas Akhr n dentfkas dlakukan dengan member sudut acak terhadap pesawat melalu defleks elevator kemudan mengamat keluaran sudut ptch dar pesawat. Hasl dentfkas plant memperoleh fungs alh dapat dlhat pada Tabel 1 sebaga berkut: Tabel 1 Fungs Alh Plant Kecepatan Propeller Fungs alh plant 1% G(s) = 3,438s 8,507 s 8,943,47 48% G(s) = 11,6s 4,956 s 5,09 4,044 7% G(s) = 9,6s 74,67 s 13,14s 19,3 E. Perancangan Kontroler Pada peneltan n kontroler PID-Fuzzy dgunakan untuk menjaga kestablan sudut ptch pesawat saat terbang mengkut lntasan yang telah drencanakan Untuk mendapatkan besarnya sudut ptch, maka dsetap persamaan ptch rate harus dkalkan dengan ntegrator. Karena PID hanya bsa dhtung dengan pendekatan orde dua, sementara fungs alh plant adalah orde tga, maka dberlah kompensator yang berfungs sebaga flter. G(s) = 11,6s 4,956 1 x s 5,09 4,044 s = 4,956((11,6/ 4,956) s 1) s( s 5,09s 4,044) s Untuk nla kompensatornya adalah ( 11,6/ 4,956) s 1 Sehngga nla fungs alh yang baru 4,956 G(s) = ( s 5,09s 4,044) Fungs alh nla yang dpaka untuk mencar nla parameter dar kontroler PID dengan rumus : K n jka fungs alh plant adalah G(s) = (3.1) s ns n maka nla = (3.) n 1 = (3.3) d n

4 Sudut Ptch (derajat) Ketnggan (meter) JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) Kp = * K Tabel Nla Perhtungan Parameter Kontroler PID Kp (3.4) 3.438s s s s s s 13.14s 19.3 Hasl dar error reference yang dngnkan menjad nputan nla fuzzy. Pada kontroler n, dgunakan tga buah fungs keanggotaan yang dgunakan untuk mendefnskan setap masukan dan keluarannya. Untuk setap nla masukan, range nla keanggotaan fuzzynya adalah [ ]. Aturan dasar drancang berdasarkan nla error dan perubahan nla error reference pada konds perubahan kecepatan propeler. Setelah tu dlakukan pengujan dengan cara memasukkan nla x, kemudan dlhat apakah nla outputnya sudah sesua atau belum dengan nla nput yang dberkan. IV. IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN SISTEM d Sedangkan pada sudut ptchnya, kontroler mampu mengkut sudut ptch yang dngnkan. B. Hasl Implementas Pengamblan data mplementas dlakukan dengan cara mengatur perntah pada Ardu Mega Planer dengan perntah NAV_LAND. Kemudan pada nla parameternya dmasukkan nla parameter kontroler yang sudah dlakukan pada hasl smulas. Nla parameternya melput nla ketnggan, alttude dan longtudenya. Kemudan pada program d ardunonya dmasukkan parameter nla kontroler. Untuk nla parameter yang pertama pada Ardu Mega Planner dberkan nla 10 yang berart ketnggan yang dngnkan ketka pesawat mula autolandng. Sedangkan untuk parameter kedua dan ketga adalah nla alttude dan longtudenya. Untuk nla alttude dan longtudenya ddapat dengan cara memplot daerah yang akan djadkan ttk awal dan ttk akhr ketka pesawat melakukan autolandng. Setelah ttk awal dan ttk akhr sudah dplot, maka muncul nla alttude dan longtudenya. Sedangkan untuk nla parameter kontroler PID-Fuzzy, dprogram melalu Arduno dengan nla sebesar Kp = 4, K = 0,39488, Kd = 0,9. Pada Gambar 10 adalah tamplan Ardu Mega Planner, sedangkan pada Gambar 11 adalah tamplan Google Earth yang menamplkan data hasl mplementas autolandng. A. Hasl Smulas Setelah selesa mengntegraskan komponen - komponen penyusun sstem kontrol proses yang dbangun, langkah selanjutnya adalah menjalankan dan melakukan pengujan terhadap sstem tersebut. Pengujan dlakukan dengan menggunakan smulas rancangan gerak yang sudah dber kontroler PID-Fuzzy. Hasl smulas bsa dlhat pada Gambar 8 dan Gambar 9. Pada Gambar 8 adalah hasl smulas dengan pemberan kontroler PID-Fuzzy. Sedangkan pada Gambar 9 adalah hasl smulas sudut ptch dengan pemberan kontroler PID-Fuzzy. Gambar 10 Tamplan Ardu Mega Planner[7] 10 8 Rancangan Gerak Respon Dengan Kontroler Tme (detk) Gambar 8 Hasl Smulas Autolandng 0-5 Sudut Ptch Rancangan Gerak Sudut Ptch Dengan Kontroler Gambar 11 Tamplan Google Earth Tme (detk) Gambar 9 Hasl Smulas Sudut Ptch Dar hasl smulas dapat dambl kesmpulan bahwa kontroler dapat mengkut rancangan gerak yang dberkan. Hasl mplementas Autolandng (dtunjukkan pada Gambar 11 yang berwarna hjau) memberkan nla yang berbeda dengan setpont yang dberkan (dtunjukkan pada Gambar 11 yang berwarna htam). Hal n dsebabkan karena akuras sensor GPS yang kurang akurat sehngga mengakbatkan perbedaan nla pembacaan respon hasl mplementas.

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (01) V. KESIMPULAN/RINGKASAN Dar berapa percobaan dan pengujan yang dlakukan dalam peneltan Tugas Akhr n, dapat dambl beberapa kesmpulan, yatu: 1. Hasl smulas sstem dengan kontroler PID-Fuzzy memberkan nla keluaran yang mendekat nla setpont yang dberkan dengan nla error sebesar 5%. Pada hasl Implementas, nla parameter kontroler yang dberkan adalah sebesar Kp = 4, K = 0,39488, dan Kd = 0,9 3. Hasl mplementas autolandng memberkan nla yang berbeda dengan setpont yang dberkan. Hal n dsebabkan karena akuras sensor GPS yang kurang akurat sehngga mengakbatkan perbedaan nla pembacaan respon hasl mplementas. UCAPAN TERIMA KASIH Terma kash penuls ucapkan kepada bu tercnta atas segala dukungan moral, mater, semangat, dan doanya yang tak pernah berhent mengalr; kepada Pak Katjuk, Pak Joko, Pak Rusdhanto selaku dosen pembmbng yang telah memberkan banyak arahan, dukungan dan motvas dalam proses pengerjaan Tugas Akhr, dan kepada s Plot Andre serta teman-teman UAV Hery dan Nurdn untuk kerjasamanya. DAFTAR PUSTAKA [1] Mclean, D., Automatc Flght Control Systems, Prentce Hall, Hertfordshre, Ch., [] Valavans, P., Kmon, Advances n Unmanned Aeral Vehcles, State of the Art and the Road to Autonomy, Ch. 1, 007 [3] Huda, T., Perancangan dan Implementas Kontroler Fuzzy Predktf Untuk Trackng Ketnggan Aktual Pada UAV (Unmanned Aeral Vehcle), Tugas Akhr, Jurusan Teknk Elektro, Insttut Teknolog Sepuluh Nopember, Surabaya, 01 [4] Rseborough,P. Automatc Take-Off and Landng Control for Small UAV s. BAE Systems Australa, Melbourne [5] Upadana, P.M.A., Perancangan dan Implementas Kontroler PID Predktf Pada Proses Landng UAV (Unmanned Aeral Vehcle), Tugas Akhr, Jurusan Teknk Elektro, Insttut Teknolog Sepuluh Nopember, Surabaya, 01 [6] Membala, A., Perancangan dan Implementas Predktf State Feedback Untuk Trackng Waypont Berdasarkan Pada Gerakan Longtudnal UAV (Unmanned Aeral Vehcle), Tugas Akhr, Jurusan Teknk Elektro, Insttut Teknolog Sepuluh Nopember, Surabaya, 01. [7], DIY Drones, <URL: 9 Me 01