Perancangan Sistem Tracking Quadrotor untuk Sebuah Target Bergerak di Darat Menggunakan Sistem Fuzzy

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: ( Print) A-58 Perancangan Siste Tracking Quadrotor untuk Sebuah Target Bergerak di Darat Menggunakan Siste Fuzzy Mochaad Raa Raadhan, Rusdhianto Effendi A.K. Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopeber (ITS) Jl. Arief Rahan Haki, Surabaya Indonesia e-ail: Abstrak Dala dunia iliter, pesawat tanpa awak dapat digunakan sebagai pesawat pengintai. Pesawat pengintai digunakan untuk engupulkan data intelijen, penyadapan atau peantauan posisi taktis. Salah satu isi pesawat tanpa awak yaitu elakukan tracking kendaraan tepur atau target bergerak lain yang berada di darat. Pada Tugas Akhir ini dibahas tentang quadrotor yang ditugaskan untuk elakukan tracking terhadap target yang bergerak di darat. Pengenalan posisi quadrotor dan target enggunakan siste kaera Optitrack. Dirancang algorita progra untuk dapat ebedakan di ana posisi quadrotor dan posisi target berada. Digunakan etode kontrol logika fuzzy odel Madani untuk engatur keseibangan sudut roll dan pitch quadrotor saat terbang. Selain pada pengaturan keseibangan, kontrol logika fuzzy digunakan pula pada pengaturan posisi quadrotor pada subu X dan Y. Nilai paraeter etode kontrol logika fuzzy diperoleh secara eksperiental. Hasil ipleentasi enunjukkan bahwa kontrol logika fuzzy dapat diterapkan pada quadrotor untuk enjaga kestabilan karena apu epertahankan sudut roll dan pitch quadrotor di sekitar sudut ±5 dengan sipangan terjauh sebesar 4,45 dan -7,45 serta pada pengaturan posisi, quadrotor dapat bergerak enuju posisi yang dikehendaki dengan error posisi aksial sebesar 0,29 eter dan -0,28 eter pada subu X dan Y. Saat ipleentasi tracking target, quadrotor apu bergerak engikuti target yang bergerak dengan error posisi aksial saat tracking sebesar 0,83 eter dan 1,51 eter. Kata Kunci Kontrol Logika Fuzzy, Quadrotor, Tracking I. PENDAHULUAN eiring dengan keajuan teknologi, berkebang pula Skegunaan pesawat tanpa awak. Pesawat tanpa awak dapat difungsikan untuk berbagai tujuan. Dengan karakteristik yang beraca aca, pesawat tanpa awak dapat digunakan untuk berbagai aca aplikasi, seperti pengabilan gabar dari udara, peantauan lahan yang luas dan pengaanan daerah perbatasan negara. Dala dunia iliter, pesawat tanpa awak dapat digunakan sebagai pesawat pengintai. Pesawat pengintai dapat digunakan untuk engupulkan data intelijen, penyadapan atau peantauan edan perang. Adapun salah satu isinya yaitu elakukan tracking kendaraan atau target bergerak yang berada di darat. Salah satu jenis pesawat tanpa awak adalah quadrotor. Quadrotor eiliki epat buah otor penggerak dan baling - baling di tiap ujung kerangka utaa yang enghadap searah. Dengan konfigurasi yang deikian, quadrotor dapat lepas landas dan endarat secara vertikal (VTOL), bergerak ke segala arah serta dapat elayang di udara (hover). Dengan keapuan tersebut, quadrotor dapat digunakan untuk elakukan tracking terhadap objek yang bergerak di darat. Dala penelitian ini akan dibahas penggunaan etode kontrol logika fuzzy sebagai pengendali kestabilan sudut roll dan pitch serta sebagai pengendali posisi quadrotor pada subu X dan Y. Pada akalah ini terbagi enjadi lia bagian. Bagian I berisi pendahuluan. Bagian II adalah teori dasar yang digunakan pada penelitian. Bagian III enjelaskan perancangan siste. Bagian IV ebahas engenai hasil siulasi dan ipleentasi. Bagian V berisikan kesipulan. II. TEORI QUADROTOR A. Quadrotor Quadrotor erupakan salah satu pesawat tanpa awak yang enggunakan 4 buah otor penggerak yang dipasang pada ujung - ujung dari tiang sietris berbentuk +. Pada setiap otor terpasang baling baling yang bertujuan untuk enghasilkan daya angkat sehingga quadrotor dapat elayang. Secara uu quadrotor eiliki pengaturan otor depan dan otor belakang yang berputar searah jaru ja, sedangkan otor kiri dan otor kanan berputar berlawanan arah jaru ja. Motor otor tersebut bersifat independen, yaitu kecepatannya dapat berbeda untuk satu otor dengan otor yang lain. Dengan engatur kecepatan dari setiap otor, aka pergerakan dari quadrotor dapat berubah. Quadrotor akan terbang dengan syarat gaya angkat dari quadrotor lebih besar dari gaya gravitasi. Pada kondisi titik berat yang seibang dan karakteristik otor yang saa, kondisi hover tercapai saat seua otor eiliki kecepatan yang besarnya saa. Quadrotor eiliki kelebihan untuk dapat bergerak ke segala arah. Untuk dapat enuju posisi tertentu, quadrotor eiliki 4 pergerakan dasar yang digunakan berdasarkan pengaturan kecepatan keepat otor, yaitu: 1) Throttle (U1) Gerakan throttle yaitu gerakan enaikan dan enurunkan posisi quadrotor pada subu vertikal. Pergerakan ini terjadi ketika kecepatan dari keepat otor dipercepat atau diperlabat dengan nilai penabahan yang saa.

2 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: ( Print) A-59 Optitrack Optitrack Quadrotor WiFi Target Gabar 1. Gerak Roll, Pitch dan Yaw Pada Quadrotor[1] 2) Roll (U2) Gerakan roll yaitu gerakan perputaran quadrotor pada subu X. Besar sudut roll disibolkan dengan sibol φ. Pergerakan ini terjadi ketika kecepatan otor kiri, dipercepat atau diperlabat, dan kecepatan otor kanan diubah sebaliknya. 3) Pitch (U3) Gerakan pitch yaitu gerakan perputaran quadrotor pada subu Y. Besar sudut pitch disibolkan dengan sibol θ. Pergerakan yang terjadi ketika kecepatan otor depan, dipercepat atau diperlabat, dan kecepatan otor belakang diubah sebaliknya. 4) Yaw (U4) Gerakan yaw yaitu gerakan perputaran quadrotor pada subu Z. besar sudut yaw disibolkan dengan sibol ψ. Pergerakan ini terjadi dengan cara epercepat atau eperlabat otor depan dan belakang sedangkan kecepatan otor kiri dan kanan diubah sebaliknya. Gerak Roll, Pitch dan Yaw ditunjukkan pada Gabar 1. Dari pengaturan perubahan kecepatan untuk setiap otor, dapat diatur sinyal kontrol yang bekerja[2], yaitu: U 1 = F T1 + F T2 + F T3 + F T4 U 2 = F T2 F T4 U 3 = F T1 F T3 U 4 = (F T1 + F T3 F T2 F T4 )d dengan F Ti adalah gaya thrust yang dihasilkan untuk setiap otor yang berputar, d adalah koefisien faktor drag dan adalah assa total dari quadrotor. B. Model Mateatika Quadrotor[2] Model ateatika quadrotor diperoleh dari hasil identifikasi fisik. Dengan enggunakan pendekatan Newton Euler diketahui hubungan antar gaya yang bekerja pada siste. Persaaan dinaika quadrotor pada gerak rotasi dan translasi dapat dituliskan sebagai berikut: p = L qr (J J xx J zz J yy ) (5) xx q = M J yy pr J yy (J xx J zz ) (1) (2) (3) (4) (6) (7) OptiHub Koputer Host Joystick Gabar 2. Arsitektur Siste Tracking Target r = N J zz pq J zz (J yy J xx ) x = U 1 ( sin φ sin ψ + cos φ sin θ cos ψ) y = U 1 ( sin φ cos ψ + cos φ sin θ sin ψ) OptiHub z = U 1 (cos φ cos θ g) dengan p, q, r adalah kecepatan sudut quadrotor untuk setiap subu pada frae bodi, sedangkan x, y, z adalah posisi quadrotor pada frae bui. L, M, dan N adalah oen roll, pitch dan yaw pada frae bodi. J xx, J yy, J zz adalah oen inersia pada subu x, y dan z. U 1 adalah gerak throttle, adalah assa quadrotor dan g adalah percepatan gravitasi. III. PERANCANGAN SISTEM TRACKING A. Siste Tracking Target Arsitektur siste tracking target terdiri dari koputer host, quadrotor, siste kaera Optitrack, robot target dan joystick seperti yang ditunjukkan pada Gabar 2. Pada Gabar 2, koputer host engirikan progra pergerakan quadrotor elalui kounikasi wireless. Digunakan joystick USB sebagai peicu terbang atau sakelar pengaktifan quadrotor. Joystick berguna sebagai sakelar pengaan ketika quadrotor tiba tiba berada dala keadaan tidak stabil dan harus dihentikan. Keudian target dikendalikan elalui koputer host enggunakan kounikasi wireless. Pergerakan quadrotor dan target dibaca oleh kaera Optitrack. Data posisi kedua objek dikirikan enuju koputer host elalui kounikasi USB. Data yang diperoleh dikirikan kebali oleh koputer host enuju quadrotor untuk elakukan aksi koreksi posisi, sehingga quadrotor dapat elakukan tracking terhadap target. Untuk ebaca posisi target dan quadrotor digunakan siste kaera Optitrack. Pada siste yang dirancang, terdiri dari ena buah kaera yang dipasang di dala ruangan. Kaera kaera tersebut diletakkan di dinding bagian atas ruang pada sudut yang berbeda. Setiap kaera dihubungkan dengan hub yang dihubungkan ke koputer host dengan enggunakan kounikasi USB. Pada bodi quadrotor dan target ditepelkan arker reflektif, yaitu benda berbentuk (8) (9) (10)

3 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: ( Print) A-60 Gabar 4. Kontroler Logika Fuzzy de(k) = e(k) e(k 1) Gabar 5. Fungsi Keanggotaan Error dan Delta Error Gabar 3. Diagra Alir Penentuan Data Posisi Target bola yang terbuat dari bahan khusus yang dapat dideteksi oleh kaera Optitrack. Sehingga posisi quadrotor dan target pada subu X, Y dan Z dapat diketahui. Data yang dikiri Optitrack kepada koputer host, berupa data posisi X, Y, Z untuk setiap arker yang terbaca. Naun data tersebut belu dapat dipastikan apakah data posisi quadrotor atau data posisi robot target karena quadrotor dan robot target enggunakan jenis arker yang saa. Oleh karena itu, dirancang algorita progra, yang digunakan untuk engenali data posisi apakah data posisi tersebut adalah data posisi quadrotor atau data posisi robot target. Data yang dikiri erupakan data untuk setiap arker, dengan forat data posisi X, Y, Z secara berurutan. Untuk enyeleksi data posisi dari robot target, digunakan perintah perbandingan less than. Pada subu Z, data posisi quadrotor dan data posisi robot target dapat dipastikan berbeda karena ketinggian quadrotor dan robot target tidak akan saa. Bila terdapat data untuk subu Z kurang dari 30 c, ditentukan data tersebut erupakan data posisi untuk target. Sebaliknya bila data posisi pada subu Z lebih dari 30 c aka data tersebut erupakan data posisi untuk quadrotor. Setelah diketahui data posisi pada subu Z, dapat diketahui data posisi subu X dan Y untuk quadrotor dan robot target. B. Perancangan Kontroler Kontroler dirancang untuk engatasi asalah kestabilan dan sebagai pengendali posisi quadrotor. Metode yang dipilih adalah etode kontrol logika fuzzy. Pada penelitian ini, etode kontrol logika fuzzy digunakan sebagai kontroler gerak rotasi sudut roll dan pitch dan kontroler gerak translasi pada subu X dan Y. Kontroler yang dirancang yaitu kontroler logika fuzzy PD dengan asukan berupa sinyal error dan delta error, yaitu e(k) = r(k) y(k) (11) dan (12) Tabel 1. Basis aturan hubungan error dengan delta error E NB NK N PK PB ΔE NB NK N PK PB Dengan error erupakan selisih antara nilai set point r dengan nilai respons keluaran y pada waktu k. Delta error erupakan nilai error saat k dikurangi error pada saat k 1. Pada kontroler logika fuzzy yang dirancang, digunakan lia sub-hipunan fuzzy berbentuk segitiga dengan jarak yang saa. Berdasarkan logika bahasa, kelia sub-hipunan fuzzy tersebut dibagi enjadi negatif besar, negatif kecil, nol, positif kecil dan positif besar. Agar daerah kerja untuk fungsi keanggotaan tidak perlu diubah, aka ditabahkan koponen pengali. pengali yang digunakan yaitu Ke dan Kd. Ke erupakan paraeter kontroler yang digunakan sebagai pengali nilai error. Kd erupakan paraeter kontroler yang digunakan sebagai pengali nilai delta error. Untuk endapatkan sinyal kontrol yang dapat eperbaiki respons siste, diperlukan pengaturan paraeter Ke dan Kd. Pencarian paraeter Ke dan Kd dilakukan dengan cara tuning eksperiental. Proses tuning dilakukan dengan etode trial and error yaitu ebandingkan respons keluaran untuk setiap perubahan nilai Ke dan Kd hingga diperoleh respons siste yang sesuai. Pengabilan keputusan dilakukan dengan enggunakan aturan If Then pada kedua variabel asukan untuk endapatkan nilai keluaran. Kobinasi aturan If Then enggunakan lia asukan dari fungsi keanggotaan error dan lia asukan dari fungsi keanggotaan delta error sehingga kobinasi aturan berjulah 25 buah. Untuk enyederhanakan seluruh aturan If Then tersebut, aka

4 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: ( Print) A-61 Gabar 6. Diagra Blok Untuk Siste Pengaturan Gerak Rotasi Gabar 7. Diagra Blok Untuk Gerak Translasi Subu X Gabar 9. Respons Siulasi Sudut Roll Gabar 8. Diagra Blok Untuk Gerak Translasi Subu Y. aturan dibuat dala bentuk tabel yang ditunjukkan pada Tabel 1.Hasil dari proses inferensi berupa hipunan fuzzy diubah enjadi nilai tegas pada proses defuzzifikasi. Teknik yang dipilih adalah enggunakan etode center of gravity berikut y = r i=1 y i μ i (y)dy (13) r μ i (y)dy i=1 Quadrotor dapat dikatakan stabil ketika pada saat diterbangkan dapat elayang di udara (hover). Untuk dapat elakukan hover, Quadrotor harus seibang, yaitu sudut roll dan pitch harus dibuat endekati nol. Sinyal kontrol yang tidak sesuai enyebabkan quadrotor tidak stabil dan sulit untuk dikendalikan. Oleh karena itu, kontroler diperlukan untuk engatur kecepatan setiap otor sedeikian rupa sehingga sudut roll, pitch dan yaw yang dihasilkan selalu endekati nol. Berikut erupakan diagra blok untuk siste pengaturan gerak rotasi pada quadrotor untuk n=2,3,4 adalah gerak roll, pitch dan yaw berturut - turut. Pada quadrotor, terdapat pergerakan yang dapat epengaruhi pergerakan lain. Gerakan rotasi sudut roll epengaruhi posisi quadrotor pada subu Y dan gerakan rotasi sudut pitch epengaruhi posisi quadrotor pada subu X. Oleh karena itu, untuk engatur posisi quadrotor pada subu X dan Y, kontroler posisi dirancang secara cascade dengan kontroler sudut. IV. PENGUJIAN PENGATURAN KESTABILAN DAN POSISI QUADROTOR Pengujian dilakukan untuk engetahui apakah siste yang dirancang sesuai dengan harapan serta enguji perfora kontroler fuzzy sebagai pengendali kestabilan sudut roll dan pitch serta pengendali gerak translasi pada subu X dan Y untuk tracking target pada quadrotor. Gabar 10. Respons Siulasi Posisi di Subu X A. Hasil Siulasi Siulasi pengaturan sudut roll dan sudut pitch dilakukan dengan enggunakan berbagai kondisi sudut awal yang berbeda. Respons yang diperoleh untuk pengaturan sudut roll ditunjukkan pada Gabar 9. Dari hasil siulasi yang didapat, walau dengan pengujian beberapa kondisi sudut awal yang berbeda, respons sudut roll dapat kebali ke sudut 0. Pada pengujian dengan sudut awal 10, dapat kebali enuju 0 dala waktu kurang dari 3 detik tanpa terjadi osilasi. Respons sudut pitch yang diperoleh tidak berbeda dengan respons sudut roll karena paraeter kontroler yang digunakan saa dengan kontroler sudut roll. Pada siulasi pengaturan posisi, quadrotor diperintahkan bergerak ke posisi satu eter dari titik 0 pada subu X dengan kondisi awal sudah berada pada ketinggian 2 eter. Respons posisi quadrotor di subu X dapat dilihat pada Gabar 10. Terlihat pada Gabar 10, quadrotor bergerak dari posisi nol enuju posisi satu eter selaa epat detik. Kontroler posisi dapat engendalikan posisi quadrotor sesuai dengan referensi tanpa terjadi osilasi. Pada kontroler posisi pada subu Y dilakukan pengujian yang serupa, diperoleh respons posisi yang saa dengan kontroler posisi pada subu X. Hal tersebut terjadi karena paraeter kontroler yang digunakan saa dengan paraeter pada kontroler posisi pada subu X.

5 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: ( Print) A-62 Gabar 11. Respons Posisi Quadrotor di Subu X Gabar 14. Respons Sudut Pitch Saat Hover Gabar 12. Respons Posisi Quadrotor di Subu Y Gabar 15. Posisi Quadrotor dan Target Pada Subu X Gabar 13. Respons Sudut Roll Saat Hover B. Hasil Ipleentasi Pada ipleentasi, quadrotor diperintahkan untuk elakukan hover pada posisi (0,0) untuk subu X dan Y. Respons posisi quadrotor pada subu X dan subu Y ditunjukkan pada Gabar 11 dan Gabar 12. Quadrotor berusaha epertahankan posisi di (0,0). Masih terdapat osilasi posisi di subu X dan Y dengan error posisi aksial sebesar 0,29 eter dan 0,28 eter. Walau deikian, osilasi yang terjadi kurang dari ±0,3 eter dan sipangan yang terjadi tidak ebesar. Sinyal kontrol yang berasal dari kontroler posisi pada subu X dan Y dijadikan sinyal referensi untuk kontroler sudut pitch dan roll. Gabar 16. Posisi Quadrotor dan Target Pada Subu Y Gabar 13 enunjukkan referensi sudut roll yang bergerak dala range ±5. Referensi sudut roll dibatasi untuk tidak elebihi 5 agar sudut roll quadrotor yang dihasilkan tidak ekstre. Pergerakan quadrotor dengan sudut roll yang ekstre dapat enyebabkan quadrotor enjadi tidak stabil. Terlihat respons eiliki sipangan sudut roll kurang dari ±5 dengan sipangan terjauh sebesar 4,54. Hal yang saa terjadi pada pengaturan posisi pada subu X. Untuk enjaga posisi quadrotor pada subu X agar tetap berada pada posisi 0, aka sinyal keluaran kontroler posisi X dijadikan sinyal referensi untuk kontroler sudut pitch. Pada

6 JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 3, No. 1, (2014) ISSN: ( Print) A-63 Gabar 14 terlihat sinyal referensi berubah enyesuaikan posisi quadrotor pada subu X. Kontroler sudut pitch akan eberikan sinyal kontrol kepada quadrotor agar respons sudut pitch sesuai dengan referensi yang diberikan. Terlihat respons sudut pitch eiliki sipangan di sekitar ±5 dengan sipangan terjauh yang terjadi sebesar -7,45. Dengan enggunakan kontroler logika fuzzy yang sebelunya telah diuji, dilakukan proses tracking target bergerak. Pergerakan target bergerak dikendalikan secara anual elalui koputer host enggunakan kounikasi wireless. Posisi target diikuti oleh quadrotor dengan ketinggian dan orientasi quadrotor yang tetap. Posisi quadrotor dan target saat proses tracking terlihat pada Gabar 15 dan Gabar 16. Ketika progra ulai dijalankan, quadrotor asih berada perukaan tanah. Quadrotor baru terbang pada detik ke-30. Setelah detik ke-40, quadrotor ulai elakukan tracking terhadap target. Dari Gabar 15 dan Gabar 16 terlihat target bergerak dengan kecepatan yang berubah sehingga asih terdapat error posisi antara quadrotor dengan target. Error posisi aksial pada subu X dan subu Y sebesar 0,83 eter dan 1,51 eter. V. KESIMPULAN Dari hasil pengujian rancangan siste kontrol pada siulasi dan ipleentasi dapat diabil kesipulan bahwa : Kontroler logika fuzzy dapat digunakan pada quadrotor untuk engendalikan kestabilan sudut roll dan pitch saat hover di sekitar sudut ±5 dengan sipangan terjauh sudut roll dan pitch sebesar 4,54 dan -7,45. Kontroler logika fuzzy dapat digunakan untuk engendalikan quadrotor enuju posisi yang dikehendaki dengan error posisi aksial sebesar 0,29 eter dan -0,28 eter pada subu X dan subu Y. Dengan enggunakan siste pengenalan posisi quadrotor dan target, quadrotor dapat elakukan tracking terhadap target yang bergerak di darat dengan error posisi aksial sebesar 0,83 eter dan 1,51 eter pada subu X dan subu Y. DAFTAR PUSTAKA [1]. Quanser Qball-X4, User Manual Quanser Qball, Quanser. [2]. Milionis, Georgios, A Fraework for Collaborative Quadrotor Ground Robot Mission. Naval Postgraduate School, Deseber 2011.