JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5 1

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Desain dan Ipleentasi Kontroler Fuzzy- Model Reference Adaptive Control (Fuzzy- MRAC) untuk Proses Take-off pada Unanned Aerial Vehicle (UAV) Quadcopter Fariz Prawirayuda, Katjuk Astrowulan, Rusdhianto Effendie A.K.. Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopeber (ITS) Jl. Arief Rahan Haki, Surabaya E-ail: katjuk@ee.its.ac.id, ditto@ee.its.ac.id Abstrak Dengan perkebangan teknologi yang pesat, banyak penelitian yang dilakukan berhubungan dengan Unanned Aerial Vehicle (UAV) khususnya pada quadcopter. Hal ini diungkinkan di era inforasi ini untuk erancang siste penerbangan tanpa awak yang kuat dengan kapasitas sebenarnya dengan biaya yang relatif rendah. Kontroler dengan etode MRAC (Model Reference Adaptive Control) dikenal sebagai kontroler yang dapat eberikan aksi pada plant untuk eenuhi spesifikasi desain sesuai perforansi yang diinginkan. Sifat kontrolernya eaksa respon plant untuk dapat enyerupai respon referensi odel. Respon odel dapat berupa waktu diskrit atau kontinyu, linear aupun nonlinear bergantung dari kesanggupan plant untuk dapat engadaptasi. Metode MRAC dengan eanfaatkan kontroler fuzzy (atau sering disebut fuzzy-mrac) erupakan etode kontrol yang sederhana karena tidak ebutuhkan anipulasi ateatis. Dasar dari proses take-off quadcopter yaitu perlakuan proses elevasi ke tepat lebih tinggi pada lintasan vertikal yang eiliki kelebihan tidak ebutuhkan ruang pergerakan yang cukup luas. Dari hasil pengujian quadcopter dengan etode fuzzy-mrac didapatkan respon yang hapir enyerupai respon referensi odel. Kontroler erespon dengan eberikan sinyal kontrol dan terdapat keterlabatan sebesar 3 waktu sapling (0,135s). S Kata Kunci Quadcopter, Fuzzy-MRAC, Kontrol Adaptif. I. PENDAHULUAN eiring perkebangan teknologi yang pesat, banyak penelitian yang dilakukan berhubungan dengan Unanned Aerial Vehicle (UAV). Hal ini diungkinkan sekarang untuk erancang siste penerbangan tanpa awak yang kuat dengan kapasitas sebenarnya dengan biaya yang relatif rendah. Meskipun keajuan yang telah nyata, para pengebang asih harus enghadapi asalah terkait dengan kontrol dari siste tersebut, terutaa gangguan yang dihasilkan dari hebusan propeller (baling-baling).tidak enutup keungkinan penerbangan indoor yang diyakini eiliki zero-noise dapat engganggu penerbangan UAV quadrotor karena sifat dari fisiknya yang relatif ringan dan udah terganggu dari lingkungan bahkan dari hebusan propeller pada quadrotor itu sendiri. Perubahan yang terjadi pada atosfer (seperti angin, cuaca, dll) dapat erubah letak ataupun posisi dari UAV hingga tidak encapai kestabilan dari yang diharapkan. Menurut analisis dengan etode Model Reference Adaptive Control (MRAC) dipandang sebagai etode analisis andiri yang dapat digunakan untuk enentukan paraeter desain kontroler. Menggunakan analisis ini, sifat perubahan paraeter plant dari quadrotor akan dianggap sebagai ketidakpastian dan tugas dari MRAC untuk enentukan paraeter agar respon diharapkan sesuai dengan referensi odel. Pergerakan take-off yang dilakukan oleh quadcopter saa dengan pergerakan take-off helikopter pada uunya. Dala penelitian tugas akhir ini akan dikebangkan suatu etode MRAC enggunakan kontroler logika fuzzy yang digunakan untuk tracking kecepatan take-off dari UAV quadcopter, yakni bagaiana enciptakan penerbangan vertikal yang nyaan bagi quadcopter untuk encapai titik yang telah ditentukan. II. TEORI PENUNJANG A. Quadcopter UAV (Unanned Aerial Vehicle) quadcopter erupakan helicopter dengan epat rotor, kendaraan dinais, dan eiliki ena derajat kebebasan. Tidak seperti helicopter pada uunya yang eiliki epat sudut perubahan pada satu rotor. Gabar 1. Bentuk fisik quadcopter Setiap rotor dari quadcopter enghasilkan gaya dorong dan torsi terhadap pusat rotasi dengan ukuran tertentu, dan

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) tentu juga gaya drag yang berkebalikan dengan arah terbang dari quadcopter. Propeller dari quadcopter dibagi enjadi dua pasang yang satu pasang (depan-belakang) berputar searah jaru ja (clockwise/cw) dan sepasang lagi (kiri-kanan) berputar berbalik arah putaran jaru ja (counterclockwise/ccw). Sebagai akibatnya, julah keseluruhan torsi akan enjadi nol jika seluruh propeller berputar dengan kecepatan yang saa. perlahan, efek dari oentu badan quadcopter pada gerakan translasi dapat diabaikan. Frae yang digunakan pada quadcopter dikatakan rigid dan sietris. Dinaika pada quadcopter yang diasusikan rigid terhadap gaya dan oentu yang terjadi dapat direpresentasikan dengan persaaan Euler-Newton. Kita representasikan rotasi dari quadcopter terhadap frae bui yang ditunjukkan pada persaaan 1. a. Pergerakan Quadcopter Untuk endefinisikan sikap dari pesawat quadcopter terhadap sekeliling pusat assa, telah ditetapkan oleh para insinyur aerospace dengan endefinisikan dala 3 paraeter dinaik, yaitu sudut roll, pitch,dan yaw. Ketiga paraeter ini sangat dibutuhkan karena gaya yang terjadi di sekeliling pusat assa quadcopter, untuk engontrol aksi dari quadcopter, engakibatkan pergerakan roll, pitch, aupun yaw. R x φ = R z ψ = cosφ sinφ 0 sinφ cosφ cosψ sinψ 0 sinψ cosψ ; R y θ = cosθ 0 sinθ sinθ 0 cosθ R B E = R φ, θ, ψ = R z ψ R y θ R x φ cψcθ cψsθsφ cφψ cψsθcφ + sψsφ R B E = sφcθ sψsθsφ + cψcφ sψsθcφ sφcψ sθ sφcθ cθcφ (1) Dan persaaan dinaika dari quadcopter pada gerak translasi dan rotasi dapat dituliskan pada persaaan 2-7. Gabar 2. Sikap-sikap dasar quadcopter Perubahan sudut pitch dilakukan dengan engubah kecepatan putar propeller 1 dan 4 (depan dan belakang) yang engakibatkan pergerakan translasi aju atau undur. Pergerakan aju apabila kecepatan putar propeller 4 (belakang) lebih cepat dari propeller 1 (depan) dan untuk undur sebaliknya. Jika elakukan aksi yang saa untuk propeller 2 dan 3 (kiri dan kanan) akan eberi perubahan pada sudut roll dan engakibatkan quadcopter bergerak enyaping. Pergerakan yaw eanfaatkan ketidaksetibangan torsi aerodinais dengan eningkatkan kecepatan putar propeller tiap pasang. Propeller 1 dan 4 (depan dan belakang) engakibatkan berputar ke kiri dan propeller 2 dan 3 (kiri dan kanan) berputar ke kanan. Sehingga dengan engubah ketiga sudut dari quadcopter eungkinkan untuk elakukan aneuver ke berbagai aca arah. b. Dinaika Quadcopter[4] Jenis pesawat seperti quadcopter dipengaruhi banyak efek fisik ketika elakukan penerbangan. Efek aerodinais akibat blade flapping dan rotasi baling-baling dapat epengaruhi siste. Mengubah kecepatan dari putaran baling-baling akan enyebabkan inertial counter torques. Selain itu ketika helikopter atau quadcopter berputar atau bergerak aju, terjadi efek gesekan yang epengaruhi seluruh siste. Oleh karena itu, peodelan dinaika dari siste ini dikatakan cukup kopleks. Model dinais ditunjukkan dengan beberapa asusi penyederhanaan. Ketika quadcopter bergerak secara x = cosφsinθcosψ + sinφsinψ U1 y = cosφsinθsinψ sinφcosψ U1 z = g + cosφcosθ U1 φ = θ = ψ = Iyy Izz Ixx Izz Iyy Iyy Ixx Iyy Izz qr + Jr Ixx qω + 1 Ixx pr Jr Ixx pω + 1 Iyy pq + 1 Izz (2) (3) (4) U2 (5) U3 (6) U4 (7) Gaya yang terjadi pada quadcopter seperti gaya thrust, roll, pitch, dan yaw seperti terlihat pada persaaan U1 = b Ω Ω Ω Ω 4 = F 1 + F 2 + F 3 + F 4 (8) U2 = bl Ω Ω 4 (9) U3 = bl Ω Ω 3 (10) U4 = d Ω Ω 2 2 Ω Ω 4 (11) B. Kontroler Logika Fuzzy[3] Secara uu, logika fuzzy adalah sebuah etodologi berhitung dengan variabel kata-kata (linguistic variable), sebagai pengganti berhitung dengan bilangan,naun kata-kata jauh lebih dekat dengan intuisi anusia. Manusia bisa langsung erasakan nilai dari variabel kata-kata yang sudah dipakai sehari-hari. Deikianlah fuzzylogic eberi ruang dan bahkan engeksploitasi toleransi terhadap ketidakpresisian. Fuzzy logic ebutuhkan ongkos yang lebih urah dala eecahkan berbagai asalah yang bersifat fuzzy. Dengan kata lain Logika Fuzzy adalah salah satu pendekatan logika anusia diana nilai dari suatu kejadian digunakan dala beberapa kelas kejadian yang direpresentasikan dala bentuk istilah bahasa yang tingkat kebenarannya terletak antara nol sapai dengan satu.

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Gabar 3. Diagra blok kontroler logika fuzzy Kontroler logika fuzzy terdiri dari 4 eleen: 1. Fuzzification interface, engubah input kontroler enjadi inforasi yang dapat diolah oleh inference echanis untuk engaktifkan dan epergunakan aturan. 2. Rule base (kupulan aturan if-then), yang ana berisi hitungan logika fuzzy berupa deskripsi linguistic dari pengguna untuk endapatkan kontrol yang baik. 3. Inference echanis (atau fuzzy inference), yang berusaha enyaai pengabilan keputusan yang telah dibentuk oleh pengguna dala enginterpretasikan dan enggunakan knowledge dala pengontrolan terbaik dari plant. 4. Defuzzification interface, engubah hasil kesipulan dari interference echanis enjadi input nyata untuk proses (plant). C. Fuzzy-MRAC[1,2,7] Dala endesain siste kontrol adaptif berdasarkan peodelan ateatika dan ipleentasi dari suatu siste secara uu terlihat copleks karena dibutuhkan algorita koputasi yang endetail. Tetapi dala kasus fuzzy, siste adaptasi yang diipleentasikan enggunakan fuzzy lebih sederhana karena tidak dibutuhkan anipulasi ateatis. Model referensi digunakan untuk enentukan perforansi yang diinginkan agar eenuhi spesifikasi desain. sebagaiana sehingga kebutuhan standar stabilitas terpenuhi[7]. Atau dengan kata lain, adanya keinginan untuk endesain kontroler yang eperhitungkan sinyal kontrol, sedeikian sehingga siste kontrol keseluruhan erespon secara dinais seperti referensi odel yang ditetapkan. Keterbatasan dari desain PID yaitu paraeter kontroler harus disetel ulang untuk endapat respon yang diinginkan dan juga dibutuhkan penyetelan ulang jika ada perubahan nilai beban. Siste terpengaruh oleh kondisi lingkungan, karena itu bukan suatu siste yang robust (sensitivitas terhadap pengaruh yang tidak dipertibangkan). Siste kontrol fuzzy berdasar odel reference adaptive control sudah sering dilaporkan dala beberapa penelitian. Koponen utaa dari siste ini adalah referensi odel, kontroler logika fuzzy, dan ekanise adaptasi. Referensi odel enunjukan karakteristik perfoansi dari keseluruhan siste yang diinginkan. Pada uunya berbentuk siste linear orde 1 atau orde 2 well daped walaupun juga bisa dala bentuk non-linear. Kontroler logika fuzzy secara direct dapat diipleentasikan enggunakan kontrol adaptif sederhana. Peran dari ekanise adaptif yaitu untuk enyesuaikan karakteristik kontroler logika fuzzy pada inner loop. Sinyal yang diolah berupa output dari odel referensi dan dikurangi output plant untuk engecilkan nilai error output plant. Mekanise adaptasi pada outer loop dapat dibagi enjadi 2, inverse odel plant yang didesain untuk eberikan indikasi dari koreksi yang dibutuhkan terhadap sinyal output plant, dan eng-update algorita untuk engkoreksi FLC pada inner loop. Nilai yang terbarui dari inverse odel plant engubah karakteristik FLC sedeikian sehingga respon output-nya terubah oleh nilai koreksi. Diagra blok FMRAC dapat dilihat pada gabar 4. Siste adaptasinya dapat diubah dengan engatur ulang nilai tengah fungsi hipunan fuzzy pada inner loop. Nilai error dan perubahan error yang terukur antara nilai output plant dan output referensi odel digunakan untuk ekanise adaptasi logika fuzzy. Keudian ekanise ini eaksa siste untuk eberi respon output seperti odel dengan cara engubah nilai tengah fungsi hipunan fuzzy atau enabahkan sinyal adaptif ke output kontroler fuzzy. Gabar 4. Diagra blok Fuzzy-MRAC Ide endasar dari MRAC sebenarnya untuk eperkenalkan suatu standar stabilitas uu kedala prosedur desain dan engikuti huku kontrol adaptif III. PERANCANGAN SISTEM Siste quadcopter yang dirancang seperti siste penerbangan pada uunya, epat rotor yang diatur oleh ikrokontroler serta feedback dari beberapa sensor seperti pada gabar 5. Seperti pada gabar, ikrokontroler ATMEGA128 difungsikan sebagai otak dari seluruh siste. Selain sebagai kontroler dapat bekerja sebagai peneria perintah dari reote control transitter dan engiri data secara serial ke ground station via Wizfi220. Reote terdapat 6 channel diana 4 channel digunakan sebagai ode anual untuk engatur roll, pitch, yaw, dan throttle, 2 channel sisanya dapat difungsikan sebagai ode otoatis. Pengirian data ketinggian, sudut, serta kecepatan tiap otor dikiri elalui wizfi220 dan ditapilkan pada ground station.

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Y t = r t. (1 e t/τ ) (12) Respon Y (t) erupakan respon referensi odel terhadap set point (r(t)). Respon ini yang selanjutnya dibandingkan dengan respon plant dengan cara enguranginya seperti pada persaaan 13. Y e t = Y t Y(t) (13) Gabar 5. Spesifikasi siste quadcopter Sesuai dengan judul tugas akhir fuzzy-mrac digunakan pada proses take-off diana yang dikontrol adalah ketinggian (Z) yang didapat dari sensor ultrasonik PING))). Dengan kontroler FMRAC, Quadcopter diharapkan dapat encapai titik vertikal yang ditentukan, kestabilan pada sudut roll dan pitch dikontrol oleh kontoler PD. Data yang di olah berupa feedback yang didapat dari acceleroeter. Respon sensor acceleroeter asih dikatakan labat karena data yang didapat asih berupa sudut, sehingga dibutuhkan sensor gyroscope yang bekerja ketika ada percepatan sudut. A. Perancangan Siulasi Sebelu elakukan siulasi perlu adanya bentuk odel plant yang akan dikontrol. Setelah adanya plant dapat elakukan proses kontrol dengan engubah paraeter kontrol ataupun referensi odel. Perancangan yang dilakukan yaitu pada peodelan dinaik untuk endapatkan plant yang dapat dikontrol dan perancangan kontroler. Dengan enggunakan odel dinaik dari persaaan Nilai yang telah didapatkan dari quadcopter yaitu: = 1,243, I xx = 2,3x10-3, I yy = 2,3x10-3, I zz =1,523x10-3, Jr = 3,375x10-5, b = 1,9152x10-6, d = 9x10-7. B. Perancangan Ipleentasi Kontroler yang digunakan adalah Fuzzy-MRAC untuk ketinggian dan Proportional Derivative untuk sikap roll dan pitch. Penggunaan kontroler dititikberatkan pada kontroler fuzzy-mrac dan kontroler PD enggunakan paraeter yang telah ada. Metode fuzzy-mrac dasarnya erupakan kontroler fuzzy seperti pada uunya, perbedaannya seperti yang dijabarkan pada bab sebelunya, hipunan dari kontroler fuzzy dapat diset ulang sesuai besarnya nilai error dari pengurangan respon plant dengan respon odel referensi. Model referensi enggunakan orde 1 dala doain waktu agar dapat digunakan pada perograan ikrokontroler. Sehingga persaaan odel referensi seperti pada persaaan 12. Y kt = 1 τs+1. r(kt) Nilai yang dihasilkan oleh Y e (t) enjadi referensi inverse odel plant untuk endapatkan nilai p(t) untuk engubah hipunan elalui knowledge base odifier. Banyaknya hipunan yang digunakan untuk kontroler fuzzy sebesar 3 buah [-1,0,1] karena seakin banyak hipunan yang digunakan seakin laa proses yang dilakukan oleh ikrokontroler Sinyal yang dikiri ke ESC berupa sinyal PWM, sehingga seakin lebar pulsa yang dikiri seakin laa waktu yang dibutuhkan otor untuk erespon data dari ikrokontroler. Respon plant diharapkan dengan cepat enyesuaikan terhadap perubahan respon referensi odel, aka seakin lebar pulsa yang dikiri ke ESC akan engakibatkan keterlabatan respon dari plant. Nilai error yang akan dikontrol enggunakan fuzzy dapat disesuaikan terhadap hipunan yang telah ditetapkan, yaitu dengan engubah tiap gain K p, K d, dan K u. Kobinasi antara gain K p dan K u berpengaruh terhadap kecepatan respon encapai titik setpoint. Untuk gain K d berpengaruh dala ereda osilasi. IV. IMPLEMENTASI DAN ANALISIS DATA Ipleentasi dilakukan elalui percobaan enggunakan 2 propeller terlebih dahulu dan elakukan proses take-off secara anual dengan eegang salah satu kaki quadcopter. Perlakuan ini guna enguji jika kontroler apu eberi sinyal kontrol. Ketinggian quadcopter diubah-ubah guna enguji sinyal kontrol terhadap perubahan ketinggian. Perubahan sinyal kontrol dapat dilihat pada gabar grafik dibawah. z [c] Sinyal Kontrol Respon Ketinggian vs Referensi Model Tie Sapling [k] Sinyal Kontrol Quadcopter Tie Sapling [k] Gabar 6. Grafik respon plant dengan sinyal kontrol Dari grafik cukup dapat enjelaskan bahwa disaat respon plant lebih kecil dari referensi odel aka sinyal kontrol akan bernilai positif, dan begitu pula sebaliknya akan bernilai negatif. Untuk selanjutnya kontroler digunakan pada proses take-off.

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) Proses peningkatan ketinggian dari quadcopter untuk dapat encapai setpoint dilakukan dengan perubahan sinyal kontrol engacu pada respon referensi odel. Seakin besar error antara respon plant dengan respon referensi odel aka seakin besar sinyal kontrol yang dihasilkan begitu juga sebaliknya. [7]. Mroufel, A., Massou, M. and Belabbes, B Model Reference Adaptive Fuzzy Controller for Peranent Magnet Synchronous Motor. Mediaira Scienc Publisher. [8]. Luukkonen, Teppo Modelling and Control of Quadcopter. Finlandia: Aalto University. [9]. Doingues, Jorge Miguel Brito Quadcopter Prototype. Instituto Superior Tecnico. V. PENUTUP Dari pebahasan pada bab-bab sebelunya dapat diketahui bahwa penggunaan Fuzzy-MRAC ebantu pengguna untuk dapat encari respon plant yang kita inginkan sesuai respon referensi odel yang dapat kita tentukan sendiri. Kesipulan yang dapat diabil dari Tugas Akhir ini, yaitu: 1. Kontroler Fuzzy-MRAC lebih sederhana dari kontroler adaptif pada uunya, karena tidak dibutuhkan anipulasi ateatis. 2. Sinyal kontrol yang dihasilkan oleh kontroler fuzzy- MRAC eaksa plant untuk dapat enghasilkan respon seperti respon referensi odel. 3. Adanya tabrakan angin yang dihasilkan oleh hebusan propeller terhadap ground di awal penerbangan engakibatkan turbulensi. 4. Dala pengujian quadcopter dengan etode fuzzy- MRAC didapatkan respon yang hapir enyerupai respon referensi odel. Naun, respon kontroler terdapat keterlabatan sebesar 3 waktu sapling (0,135s) dengan error steady state sebesar 16c. Dala pengebangannya untuk proses take-off disarankan untuk enabahkan sensor posisi seperti GPS. Karena dala penelitian ini enggunakan tiga jenis sensor sudah dapat ebantu proses kontrol plant. Dengan ketiga aca sensor yang digunakan dala penelitian ini hanya dapat eonitor sikap quadcopter seperti roll, pitch, yaw dan throttle, diana sensor gyroscope digunakan ebaca kecepatan sudut bukan kecepatan translasi. Untuk pengebangan kontroler quadcopter enggunakan ATMEGA128 dianjurkan untuk tidak enggunakan kontroler fuzzy, karena eksekusi kontroler lebih laa dari sinyal yang dibutuhkan untuk satu siklus putaran otor (sinyal PWM) sehingga terdapat keterlabatan pada respon plant. DAFTAR PUSTAKA [1]. Astro, Karl Johan and Bjorn Wittenark Adaptive control 2 nd edition. Prentice Hall. [2]. Kadjoudj, Mohaed., Noureddine Golea, and Mohaed El Hachei Benbouzid Fuzzy Rule Based Model Reference Adaptive Control for PMSM Drives, Serbian Journal of Electrical Engineering. Batna: University of Batna, [3]. Mustofa, Arief Perancangan dan Ipleentasi Kontroler Neuro Fuzzy Radial Basis Function Untuk Pergerakan Robot Manipulator 4- Dof, Tugas Akhir. Surabaya: Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS. [4]. Bresciani, Toasso Modelling, Identification and Control of a Quadcopter Helicopter. Swedia: Departent of Autoatic Control, Lund University. [5]. Kadwane, S.G., Kuar, A., Karan, B.M Dynaic Back Propagation based MRAC with Fuzzy Eulator for DC-DC Converter. India: Birla Institute of Technology. [6]. Passino, Kevin M. and Yurkovich, Stephen Fuzzy Control. Ohio: Departeent of Electrical Engineering, The Ohio State University.