PENGEMBANGAN QUADROTOR DENGAN GRIPPER UNTUK EVAKUASI SECARA NIRKABEL

Transkripsi

1 HK : J.D. Setiawan dkk. PENGEMBANGAN QADROTOR DENGAN GRIPPER NTK EVAKASI SECARA NIRKABEL Joga Dhara Setiawan 1,*, Munadi, Mochaad Ariyanto 1, Agus Mukhtar 1, dan Tri Bagus Susilo 3 1 Laboratoriu Siste Kontrol dan Robotika Fakultas Teknik, niversitas Diponegoro, Searang Laboratoriu Koputasi Fakultas Teknik, niversitas Diponegoro, Searang 3 Research Assistant Departent of Electrical Engineering, nited Arab Eirat niversity, AE * joga.setiawan@gail.co Disajikan 9-3 Nop 1 ABSTRAK Pada penelitian ini, Desain dan perakitan quadrotor yang dilengkapi dengan gripper akan digunakan sebagai platfor aerial grasping/aerial object interaction. Pengukuran dan estiasi paraeter quadrotor serta pengujian karakteristik brushless DC otor yang digunakan dilakukan untuk proses identifikasi paraeter, pengujian penggenggaan gripper pada berbagai bentuk, assa, dan orientasi dilakukan guna engetahui perfora gripper. Real tie flight siulator (RTFS) quadrotor saat terbang pada kondisi hover dikebangkan dala MATLAB/Siulink. Selanjutnya dikebang odel dinaika nonlinear quadrotor dengan penggenggaan pada beban yang assanya bervariasi, odel tersebut dapat erepresentasikan tingkah laku quadrotor saat terbang ebawa beban. Respon gerak sudut roll, dan pitch terhadap inputnya dilakukan dengan uji terbang quadrotor dala flight test stand. Pengujian input/referensi dan respon gerak sudut roll dala flight test stand dilakukan untuk verifikasi terhadap hasil siulasi yang telah dilakukan. Pada software real tie flight siulator (RTFS) prosentase proses penggunaan koputer (CP tie) bernilai di bawah 1 %, aka dapat dipastikan bahwa software RTFS berjalan secara real tie. Hasil siulasi enunjukkan bahwa seakin besar assa beban yang diangkat oleh quadrotor aka osilasi respon yang ditibulkan akan seakin bertabah dan perubahan respon sudut akan seakin kecil untuk input yang saa. Hasil pengujian input/referensi dan respon gerak sudut roll dala flight test stand enunjukkan bahwa pada perintah/referensi sudut roll yang saa, seakin besar assa beban yang diangkat oleh gripper pada quadrotor, aka seakin kecil perubahan respon sudut roll. Hal tersebut sesuai dengan hasil siulasi yang sudah dilakukan. Kata Kunci: Quadrotor, gripper, beban, real tie flight siulator

2 1137: J.D. Setiawan dkk. HK-147 I. PENDAHLAN Quadrotor eiliki beberapa kelebihan dibandingkan dengan jenis wahana terbang/av lain diantaranya; dapat elakukan VTOL (vertical take-off landing), konstruksi yang lebih sederhana dibandingkan dengan helikopter konvensional, apu terbang hover, tidak seperti AV bertipe fixed wing, energi kinetik lebih kecil dibandingkan dengan helikopter konvensional sehingga lebih aan jika terjadi kecelakaan, eiliki keapuan anuver yang lebih baik dibandingkan dengan AV bertipe fixed wing. Selain itu quadrotor juga eiliki kekurangan yaitu; eiliki sifat konsusi energi yang relatif lebih besar jika dibandingkan dengan AV tipe fixed wing, kontrol kestabilan dari quadrotor sulit dicapai karena sifat dari dinaika yang tidak linier (nonlinear). Bresciani [1] di Lund niversity, dan Bouabdallah [] di Ecole Polytechnique Federal Lausanne, (Bouabdallah, 9) enggunakan lia kontrol yang berbeda. Pertaa didasarkan pada teori Lyapunov untuk sudut oriantasi quadrotor. Kedua dan ketiga didasarkan pada teknik PID dan LQ. Pendekatan keepat dan kelia enggunakan back stepping dan sliding ode. Kekokohan terbaik terhadap gangguan yang besar ini dicapai dengan enggunakan teknik backstepping, Jadi, Bouabdallah engusulkan backstepping integral untuk kontrol penuh quadrotor. Kedua penelitian tersebut telah engebangkan odel ateatis dan desain siste kontrolnya serta enerapkannya pada quadrotor sehingga dapat terbang secara autonoous. Selain didasarkan atas pengebangan penelitian yang telah dilakukan di GRASPLab, niversity of Pennsylvania, SA [3,4,,6] di ana ereka telah ebuat quadrotor terbang secara autonoous, terbang secara aggressive, dan terbang berkelopok tanpa tabrakan satu dengan yang lainnya. Mereka juga engebangkan quadrotor yang dilengkapi dengan gripper dan diaplikasikan secara autonoous pada static roo untuk penyusunan blok-blok kubik seperti yang ditunjukkan pada gabar 1.1. flight siulator quadrotor saat terbang pada kondisi hover dikebangkan dala lingkungan MATLAB/Siulink. Model dinaika nonlinear quadrotor saat terbang ebawa beban yang assanya bervariasi akan dikebangkan dan disiulasikan, odel tersebut diharapkan dapat erepresentasikan tingkah laku quadrotor saat terbang ebawa beban. Respon gerak sudut roll, dan pitch terhadap inputnya dilakukan dengan uji terbang quadrotor dala flight test stand. Pengujian input/referensi dan respon gerak sudut roll dala flight test stand dilakukan untuk verifikasi terhadap hasil siulasi yang telah dilakukan. II. METODOLOGI A. Desain dan Perakitan quadrotor yang dilengkapi gripper Quadrotor dan gripper didesain dala software CAD dala bentuk tiga diensi beserta ekanise grippernya. Setelah desain quadrotor dan gripper dala bentuk 3 diensi selesai, keudian dilakukan fabrikasi ulai dari frae quadrotor hingga koponen gripper, ditunjukkan pada gabar.1.1. Selanjuatnya, quadrotor akan dipasang buah kaera, yang satu untuk keperluan navigasi quadrotor dan yang lain untuk onitoring pada saat gripper elakukan proses penggenggaan terhadap objek yang akan diangkat (aerial grasping). Wireless teleetry juga akan dipasang dala quadrotor untuk proses transfer data terbang quadrotor secara wireless pada saat pengabilan data akuisisi atau DAQ. Gabar 1.1 Quadrotor dengan gripper [6] Penelitian ini enggunakan platfor quadrotor yang digunakan untuk surveillance syste di ana aplikasinya bisa untuk peantauan udara pada bidang iliter, pertahanan dan keaanan, peantauan lalu lintas, dan fotografi udara. Dala penelitian ini ada aplikasi khusus, yaitu fungsi take and place. Fungsi ini eungkinkan quadrotor apu encengkera, engangkat, dan elepas suatu benda sehingga dapat secara cepat dan efektif engevakuasi/eindahkan benda yang dianggap berbahaya bagi keselaatan anusia seperti bahan peledak dan bahan terkontainasi kiia/radiasi. Desain dan perakitan quadrotor yang dilengkapi dengan gripper akan digunakan sebagai platfor aerial grasping/aerial object interaction. Pengukuran dan estiasi paraeter quadrotor serta pengujian karakteristik brushless DC otor yang digunakan dilakukan untuk proses identifikasi paraeter, pengujian penggenggaan gripper pada berbagai bentuk, assa, dan orientasi dilakukan guna engetahui perfora gripper. Real tie Gabar.1.1 Quadrotor yang dilengkapi gripper B. Pengukuran dan estiasi paraeter quadrotor Dala tahap ini, dilakukan pengukuran dan estiasi paraeter quadrotor yang dilengkapi dengan gripper. Supaya quadrotor dapat engangkat beban aksiu 1 kg, aka assa total quadrotor harus didesain epunyai assa seringan ungkin. Pengukuran koponen quadrotor dilakukan dengan enggunakan balance, seperti yang ditunjukkan dala gabar..1. Hasil pengukuran dan estiasi paraeter quadrotor dapat dilihat pada tabel 3.1, dengan enggunakan idealisasi dan asusi tertentu. Persaaan (..1), (..), dan (..3) dilakukan untuk elakukan estiasi perhitungan roll inersia, pitch inersia, dan yaw inersia.

3 HK : J.D. Setiawan dkk. Gabar..1 Pengukuran assa quadrotor engunakan balance I I I yy zz xx h 6 R h 6 l l l R 4 R 4 H 1 (.1.1) H 1 (.1.) (.1.3) C. Pengujian karakteristik brushless DC otor yang digunakan Pengetahuan terhadap karakteristik otor dan propeller yang digunakan quadrotor sangatlah penting. Oleh sebab itu pada penelitian ini, pengujian terhadapa karakteristik otor dan propeller dilakukan enggunakan trust stand seperti yang terlihat pada gabar.3.1. Motor thrust (N) PWM input (%) Gabar.3.3 Pengujian PWM input dan thrust propeller Pada gabar.3. dapat dilihat bahwa korelasi antara input (PWM) dan output (kecepatan sudut rata-rata brushless DC otor/propeller) enunjukkan hubungan yang nonlinear. Brushless DC otor ulai berputar pada saat nilai PWM diulai pada %. Pada gabar.3.3 erupakan hasil pengujian dengan input yang berupa PWM dan output yang berupa thrust yang dihasilkan propeller, dan gabar.3.4 erupakan hasil pengujian dengan input yang berupa PWM dan output yang berupa oen yang dihasilkan, yang diuji enggunakan thrust stand seperti yang ditunjukkan pada gabar.3.1. Motor 1 Motor Motor 3 Motor 4.. Motor oen (N.).1.1. Motor 1 Motor Motor 3 Motor 4 Gabar.3.1 Pengujian karakteristik brushless otor dan propeller Pada pengukuran kecepatan putar otor, digunakan tachoeter. Pada pengujian tahap ini, akan dicari hubungan antara PWM input dan thrust dan oen yang dihasilkan serta hubungan antara PWM input dan kecepatan sudut otor DC. Grafik hasil pengujian tahap ini dapat dilihat pada gabar.3.,.3.3, dan PWM input (%) Gabar.3.4 PWM input dan oen propeller yang dibangkitkan D. Pengujian penggenggaan gripper kondisi statik ntuk engetahui sejauh ana benda-benda yang dapat digengga oleh gripper, aka dilakukan pengujian penggenggaan pada berbagai benda dengan assa dan orientasi yang bervariasi, seperti yang ditunjukkan pada gabar.4.1 dan.4.. Gripper yang diuji enggunakan epat buah jaw/jari, dua jaw/jari saling terhubung sehingga cukup enggunakan satu buah otor servo untuk enggerakkan ekanisenya. 8 Motor angular velocity (rad/s) Average otor velocity PWM input (%) Gabar.3. PWM input dan kecepatan sudut rata-rata propeller

4 1137: J.D. Setiawan dkk. HK-149 Gabar.4.1 Berbagai aca bentuk dan assa benda yang dapat digengga oleh gripper E. Pengebangan Real Tie Flight Siulator Setelah dilakukan penabahan xpc Target pada odel di Siulink, siulasi odel quadrotor dapat dilakukan secara realtie. Seentara pada siulasi sebelunya yang tidak enggunakan xpc Target, siulasi dilakukan secara tidak realtie, di ana, detik di siulasi saa dengan 1 detik di kenyataannya. Naun pada siulasi enggunakan xpc Target ini asih diteukan adanya delay pada tapilan visualisasi 3D nya di Virtual Reality. Hal ini disebabkan karena terbatasnya keapuan dari fasilitas koputer yang digunakan. Pada penelitian ini digunakan 3 buah koputer, di ana 1 koputer digunakan sebagai PC Host 1, 1 koputer digunakan sebagai PC Target dan 1 koputer lagi untuk PC Host untuk enapilkan grafik hasil siulasi, seperti yang ditunjukkan pada gabar..1. Tapilan 3D view quadrotor dapat dilihat pada gabar... digunakan 3 buah koputer, di ana 1 koputer digunakan sebagai PC Host 1, 1 koputer digunakan sebagai PC Target dan 1 koputer lagi untuk PC Host untuk enapilkan grafik hasil siulasi, seperti yang ditunjukkan pada gabar..1. Tapilan 3D view quadrotor dapat dilihat pada gabar... Spesifikasi koputer yang digunakan adalah sebagai berikut: PC Host 1: Intel Core TM Duo CP, E46@.4 GHz,.39 GHz,. GB of RAM PC Target: Intel, Pentiu 4 CP.93 GHz,.93 GHz,.99 GB of RAM PC Host : Intel, Pentiu 4 CP.93 GHz,.93 GHz,.99 GB of RAM Pada penelitian ini, koneksi LAN / Ethernet digunakan untuk enghubungkan satu PC dengan PC yang lain. Hal ini disebabkan karena, koneksi LAN dapat enghantarkan data lebih cepat dibanding dengan koneksi yang lain, seperti RS-3. Gabar..1 Real tie flight siulator hardware (b) (d) Gabar... Hasil siulasi secara visualisasi 3D enggunakan Virtual Reality. (e) Gabar.4. Pengujian statik gripper untuk enggengga berbagai jenis objek (a) Mika bening, (b) Gabus, (c) Paralon (d) Plat aluuniu siku, dan (e) Cutter F. Pengebangan Real Tie Flight Siulator Setelah dilakukan penabahan xpc Target pada odel di Siulink, siulasi odel quadrotor dapat dilakukan secara realtie. Seentara pada siulasi sebelunya yang tidak enggunakan xpc Target, siulasi dilakukan secara tidak realtie, di ana, detik di siulasi saa dengan 1 detik di kenyataannya. Naun pada siulasi enggunakan xpc Target ini asih diteukan adanya delay pada tapilan visualisasi 3D nya di Virtual Reality. Hal ini disebabkan karena terbatasnya keapuan dari fasilitas koputer yang digunakan. Pada penelitian ini G. Pengebangan odel dinaika nonlinear quadrotor dengan pebebanan pada gripper Pada bagian ini akan dibahas peodelan dinaika quadrotor yang dilengkapi gripper dengan ebawa beban pada saat kondisi terbang hover. Pada quadrotor terdapat dua koordinat yaitu koordinat badan/body quadrotor dan koordinat tetap di bui (inertial frae). Keepat vektor koponen thrust propellernya selalu pada arah z positif pada koordinat bodi quadrotor, gaya berat yang diakibatkan oleh assa quadrotor dan assa beban yang diangkat selalu pada arah Z negatif koordinat tetap di bui seperti yang ditunjukkan pada gabar.6.1.

5 HK : J.D. Setiawan dkk. Gabar.6.1 Siste koordinat pada quadrotor Thrust yang dihasilkan oleh epat propeller selalu searah dengan subu z positif pada koordinat badan quadrotor, untuk erubah vektor thrust pada koordinat badan quadrotor kedala koordinat tetap di bui (inertial frae) digunakan atriks rotasi dengan urutan gerak yaw-pitch-roll. Pada gerak rotasi, oen yang disebabkan oleh epat buah propeller pada subu x, y, dan z koordinat bodi quadrotor adalah sebagai berikut xp lb( 4 ) (.6.1) yp lb( 3 1 ) (.6.) zp d( ) (.6.3) Gaya berat beban akan enibulkan oen yang berarah roll dan pitch pada koordinat badan quadrotor karena epunyai lengan oen sebesar lb jika quadrotor elakukan gerak pitch dan roll, seperti yang terlihat pada gabar.6.. ntuk enguraikan vektor gaya berat beban dari koordinat tetap di bui ke dala koordinat badan quadrotor digunakan persaaan sebagai berikut wbx T wby R (.6.4) wbz b g body earth Maka oen yang dihasilkan oleh gaya berat beban pada saat quarotor elakukan gerak roll dan pitch adalah bx by bz body (4.4.14) lbb gcs lbb gs (.6.) Gabar.6. Transforasi gaya berat beban pada koordinat tetap di bui ke koordinat body quadrotor pada saat elakukan gerak roll dan pitch Moen input pada subu x, y, dan z pada koordinat badan quadrotor yang dihasilkan oleh epat buah propeller dapat ditulis dala variable sebagai berikut 3 4 xp yp zp (.6.6) Persaaan gerak nonlinear quadrotor dapat ditulis seperti pada persaaan no (.6.7) X 1 sin sin cos sin cos Y 1 cos sin sin sin cos Z 1 g cos cos I ZZ JTP bx p qr q I XX I XX I XX I XX I ZZ I XX JTP 3 by q pr p I XX 4 r pq I I ZZ ZZ (.6.7.) ntuk peodelan dinaika aktuator lebih detail, dapat dilihat pada referensi (Bouabdallah S, 7), dan (Bresciani T, 8) H. ji terbang dala flight test stand Pada tahap ini uji gerak roll pada flight test stand dilakukan dengan eberikan perintah/referensi sudut roll yang endekati input step. Ada tiga aca uji yaitu uji respon gerak roll tanpa beban, uji respon gerak roll ebawa beban dengan assa 1 gra, dan uji respon gerak roll ebawa beban dengan assa 97 gra. Gabar percobaan uji gerak roll pada flight test stand seperti yang ditunjukkan pada gabar.7.1,.7., dan.7.3.

6 1137: J.D. Setiawan dkk. HK-11 3 Pitch inertia Iyy.34 kg. 4 Yaw inertia Izz.414 kg. Jarak otor terhadap CG L.9 M 6 Thrust factor B N s Gabar.7.1 ji gerak roll tanpa beban Gabar.7. ji gerak roll saat ebawa beban 1 gra 7 Drag factor D N s Pada gabar.3.3, dan.3.4 dapat dilihat bahwa korelasi antara input (PWM) dan outputnya enunjukkan hubungan yang nonlinear untuk keepat brushless DC otor. Hasil pengujian statik pada gabar.4. di atas enunjukkan bahwa gripper yang diuji, dapat enggengga secara kokoh lia buah benda dengan bentuk, orientasi, dan assa yang berbedabeda. Hasil ekseperien enunjukkan bahwa gaya penggenggaan aksiu yang dapat dihasilkan gripper dengan satu buah otor servo ukuran sedang/ediu adalah,984 N. Prosentase proses penggunaan koputer (CP tie) dapat digunakan untuk eastikan bahwa software dapat berjalan secara real tie dengan enggunakan forula sebagai berikut. CP = [1- (T - (T (t))/t ) ] 1 %) Tie TS TET Di ana "T " erupakan periode sapling dari software siulasi dan T (t)" erupakan Task Execution Tie (TET) yang diperoleh dala waktu " ". Pada siulasi ini digunakan periode sapling sebesar.1 detik dan hasil dari verivikasi ditunjukkan pada gabar 3.1. Berdasarkan gabar 3.1 dapat dilihat CP tie bernilai di bawah 1 %, aka dapat dipastikan bahwa software siulasi berjalan secara real tie. TS CP Tie (%) III. Gabar.7.3 ji gerak roll saat ebawa beban 97 gra HASIL DAN PEMBAHASAN Hasil pengukuran dan estiasi paraeter quadrotor yang telah didesan dan dirakit dapat diringkas dala tabel 3.1. Massa quadrotor tersebut asih cukup ringan, sehingga diharapkan dapat ebawa dua buah wireless kaera dan beban tanpa engurangi perfora dari otor brushless yang digunakan. Berdasarkan uji thrust, 4 buah otor enghasilkan thrust aksiu 4 kg, 7 % thrust digunakan untuk engangkat quadrotor dan beban, aka beban aksiu yang dapat diangkat quadrotor adalah sebesar 1. kg. Tabel 3.1 Hasil pengukuran dan estiasi paraeter quadrotor No Paraeter Sibol Nilai Satuan 1 Massa M 1.7 Kg Roll inertia Ixx.34 kg Siulation Tie (second) Gabar 3.1 Prosentase proses penggunaan koputer (CP tie) Pada bagian siulasi, dilakukan dengan eberikan input perintah berupa sudut roll dan ebandingkan respon gerak sudut roll untuk berbagai variasi assa beban. Hasilnya seperti yang ditunjukkan oleh gabar 3. (deg) coand without load b=. kg b=. kg b=.3 kg tie (s) Gabar 3.. Response gerak sudut roll dengan variasi assa beban

7 HK : J.D. Setiawan dkk. Pada gabar 3., dapat dilihat bahwa seakin besar assa beban steady state error yang dihasilkan akan seakin besar dan perubahan sudut respon seakin kecil, serta osilasi seakin eningkat. Pada gabar 3.3, 3.4, dan 3. erupakan perintah/referensi dan respon sudut roll terhadap waktu pada saat uji terbang dala flight test stand. Perintah/referensi sudut roll dilakukan dengan eberikan asukan pada sudut stick roll channel reote control. Roll angle (degree) Gabar 3.3 Perintah dan respon sudut roll saat tidak ebawa beban Roll angle (degree) Gabar 3.4 Perintah dan respon sudut roll saat ebawa beban 1 gra Roll angle (degree) tie (s) Gabar 3. Perintah dan respon sudut roll saat ebawa beban 97 gra Berdasarkan gabar 3.3, 3.4 dan 3. perintah dan respon sudut roll aka dapat diringkas seperti pada tabel 3. saat uji terbang dala flight test stand. Tabel 3. Hasil eksperien efek penabahan assa beban terhadap respon sudut roll Massa beban gr 1 gr 97 gr Perintah/referensi sudut roll ( ) Sudut roll awal ( ) sudut roll steady state ( ) Roll angle reference Roll angle response tie (s) Roll angle reference Roll angle response Roll angle reference Roll angle response tie (s) t Perubahan perintah sudut roll ( ) t Perintah/referensi sudut roll ( ) Sudut roll awal ( ) - sudut roll steady state ( ) t Perubahan perintah sudut roll ( ) t IV. KESIMPLAN Quadrotor yang dirancang asih cukup ringan sehingga diharapkan dapat engangkat beban aksiu 7 gr. Pada software real tie flight siulator (RTFS) prosentase proses penggunaan koputer (CP tie) bernilai di bawah 1 %, aka dapat dipastikan bahwa software siulasi berjalan secara real tie. Hasil siulasi enunjukkan bahwa seakin besar assa beban yang diangkat oleh quadrotor aka osilasi respon yang ditibulkan akan seakin bertabah dan perubahan respon sudut akan seakin kecil untuk input yang saa. Hasil pengujian input/referensi dan respon gerak sudut roll dala flight test stand enunjukkan bahwa pada perintah/referensi sudut roll yang saa, seakin besar assa beban yang diangkat oleh gripper pada quadrotor, aka seakin kecil perubahan respon sudut roll. Hal tersebut sesuai dengan hasil siulasi yang sudah dilakukan. DAFTAR PSTAKA [1] T. Bresciani, 8 Modelling, Identification and Control of a Quadrotor Helicopter, Master Thesis, Lund niversity. [] S. Bouabdallah,7. Design and Control of Quadrotors with Application to Autonoous Flying, PhD Thesis, Ecole Polytechnique Federal Lausanne. [3] Mellinger D, Shen, S., and Kuar, V., 1. Control of Quadrotors for Robust Perching and Landing, Proc. Of the international Powered Lift Conference, Philadelphia, PA,. [4] D. Mellinger, N. Michael, and V. Kuar, Dec. 1, Trajectory Generation and Control for Precise Aggressive Maneuvers, in Int. Syposiu on Experiental Robotics. [] D. Mellinger and V. Kuar, 11. Miniu Snap Trajectory Generation and Control for Quadrotors, Proc. Of the international IEEE International Conference on Robotics and Autoation. [6] Q Lindsey, D Mellinger, V Kuar, June 11. Construction of Cubic Structures with Quadrotor Teas. Robotics: Science and Systes..

8 1137: J.D. Setiawan dkk. HK-13 [7] Joga D S, A. Budiyono, M Ariyanto. 1. Linear Quadratic Regulator Control Design for an Autonoous Sall Scale Helicopter: Proc. of International Conference on Intelligent nanned Syste, ICIS, Bali, Indonesia.