RANCANG BANGUN SISTEM AUTOPILOT QUADCOPTER ROBOT MENGGUNAKAN PENENTUAN POSISI BERBASIS GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) U-BLOK NEO-6

Transkripsi

1 TUGAS AKHIR RANCANG BANGUN SISTEM AUTOPILOT QUADCOPTER ROBOT MENGGUNAKAN PENENTUAN POSISI BERBASIS GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) U-BLOK NEO-6 I PUTU ADINATA MAS PRATAMA JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA BUKIT JIMBARAN-BALI 2015

2 TUGAS AKHIR RANCANG BANGUN SISTEM AUTOPILOT QUADCOPTER ROBOT MENGGUNAKAN PENENTUAN POSISI BERBASIS GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) U-BLOK NEO-6 I PUTU ADINATA MAS PRATAMA NIM JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA BUKIT JIMBARAN-BALI 2015

3 LEMBAR PERNYATAAN ORISINALITAS Tugas Akhir/Skripsi ini adalah hasil karya saya sendiri, dan semua sumber baik yang dikutip maupun dirujuk telah saya nyatakan dengan benar. Nama : I Putu Adinata Mas Pratama NIM : Tanda Tangan : Tanggal : 17 Agustus 2015 i

4 RANCANG BANGUN SISTEM AUTOPILOT QUADCOPTER ROBOT MENGGUNAKAN PENENTUAN POSISI BERBASIS GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM) U-BLOK NEO-6 Tugas Akhir Diajukan Sebagai Prasyarat untuk Memperoleh Gelar Sarjana S1 (Strata 1) pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana I Putu Adinata Mas Pratama JURUSAN TEKNIK ELEKTRO FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS UDAYANA BUKIT JIMBARAN-BALI 2015 ii

5

6 ABSTRAK Ilmu pengetahuan dan teknologi dalam bidang robotika pada saat ini berkembang dengan sangat cepat. Teknologi robotika pada dasarnya dikembangkan dengan tujuan untuk membantu manusia dalam melakukan pekerjaan tertentu, seperti pekerjaan yang berisiko tinggi, pekerjaan yang tidak bisa dikerjakan oleh tangan manusia secara langsung dan pekerjaan yang membutuhkan ketelitian tinggi. Salah satu jenis robot yang paling banyak dikembangkan pada saat ini adalah robot terbang atau yang biasa disebut Drone. Terdapat banyak jenis robot terbang, salah satunya adalah quadcopter. Pada saat ini, quadcopter robot masih dikendalikan secara manual oleh manusia menggunakan remote control dan komunikasi yang terjadi antara remote dengan quadcopter masih dilakukan dalam satu arah. Berdasarkan hal tersebut maka ada suatu keinginan untuk berkontribusi dalam pengembangan teknologi quadcopter yaitu dengan merancang sebuah sistem autopilot quadcopter robot menggunakan penentuan posisi berbasis GPS (Global Positioning System) U-blok NEO-6. Sistem yang dibuat, nantinya dapat membuat quadcopter robot, terbang dengan cara otomatis menggunakan inputan dari koordinat GPS tanpa adanya kontrol manual dari manusia. Manusia hanya perlu menentukan titik kordinat tujuan dari quadcopter. kemudian komunikasi yang terjadi antara komputer dengan quadcopter dapat dilakukan secara dua arah, agar quadcopter dapat memberikan informasi balik kepada komputer, baik itu daya baterai, loss area dan lain sebagainya. Arduino Mega 2560 digunakan sebagai autopilot Base Control yang mengolah semua data input dan output pada system. Modul GPS U-Blok Neo 6 befungsi untuk membaca koordinat Bumi yang digunakan sebagai basis data penerbangan. Hasil yang dicapai dalam penerapan system ini yaitu Quadcopter sudah dapat take off, terbang secara otomatis dari satu koordinat ke koordinat lainya dan landing pada koordinat tujuan yang telah ditentukan. Pengiriman informasi kondisi penerbangan dari quadcopter sudah dapat dilakukan. Pengiriman informasi penerbangan quadcopter meliputi informasi daya batre, jarak tempuh, waktu tempuh, kemiringan pitch dan roll yang ditampilkan pada artificial horizon instrument, posisi kepala quadcopter yang ditampilkan pada heading indicator, ketinggian dari permukaan laut yang ditampilkan pada altimeter indicator, dan juga ketinggian quadcopter dari permukaan tanah. Kata Kunci: Autopilot, Quadcopter, Arduino Mega2560, GPS, GCS iv

7 ABSTRACT Sciences and technology especially robotics is growing so fast at this time. Robotics technology basically was developed aims to helping human for certain jobs. Such as high risk jobs, jobs can t be handled by human hand directly, and high precision jobs. One of robots has been most developed is flying robot or which can be called Drones. There are many variants of flying robot, one of them is quadcopter. At this time, the quadcopter robot still controlled manually by human using remote control and communications that occurs between remote and quadcopter still performed in one directions. Based on these, there is a desire to contribute to the development of quadcopter technology that is creating an autopilot system of quadcopter robot using positioning based on GPS (Global Positioning System) U- Blok Neo 6. The system has been made, will be make a quadcopter robot flying an automatically using input from GPS Coordinates without manual control from the human. The human just need to determine a destination coordinates of quadcopter. Then communications occurs between computer and quadcopter can be performed by two directions, so as the quadcopter can be provide feedback information to the computer, such as battery voltage, loss areas, and etc. The Arduino mega 2560 is used as an autopilot base control the process all of input and output data on the system. GPS U-Blok Neo 6 Module serves to read coordinates of the earth is used as base of flight data. The result of this implementation system is the quadcopter has been able to take off, flying an automatically from one coordinate to another coordinates and landed at destination coordinate was predetermined. Delivery information flight conditions from the quadcopter can be able to performed. Delivery flight information of quadcopter is covers battery voltage information, distances, time, tilt of pitch and roll displayed on artificial horizon instrument, heading position of quadcopter displayed on heading indicator, altitude from above sea level displayed on altimeter indicator, and also altitude from above ground level. Keywords : Autopilot, Quadcopter, Arduino Mega2560, GPS, GCS v

8 KATA PENGANTAR Om Swastyastu puji syukur kehadapan Ida SangHyang Widhi Wasa/Tuhan Yang Maha Esa, karena atas segala limpahan berkat dan Rahmat-Nya, sehingga Tugas Akhir yang berjudul ʻʻRancang Bangun Sistem Autopilot Quadcopter Robot Menggunakan Penentuan Posisi Berbasis GPS (Global Positioning System) U-blok Neo 6 ini dapat diselesaikan dengan tepat waktu. Tugas Akhir ini disusun dalam rangka memenuhi sebagian persyaratan dalam rangka menyelesaikan pendidikan sarjana strata satu (S1) pada Jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana. Dalam penyusunan Tugas Akhir ini, penulis banyak memperoleh petunjuk dan bimbingan dari berbagai pihak. Sehingga pada kesempatan ini perkenankan saya mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada : 1. Bapak Prof. Ir. Ngakan Putu Gede Suardana, MT., Ph.D selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Udayana. 2. Bapak Ir. I Nyoman Setiawan, MT selaku ketua jurusan Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Udayana. 3. Bapak Dr. Ir. Ida Bagus Alit Swamardika, M.Erg Selaku dosen pembimbing I yang telah banyak memberikan arahan, waktu, semangat serta saran-saran selama penyusunan Tugas Akhir ini. 4. Bapak Dr. Ir. Made Sudarma, M.A.Sc. Selaku dosen pembimbing II yang telah banyak memberikan arahan, waktu, semangat serta saran-saran selama penyusunan Tugas Akhir ini. 5. Bapak, Ibu dan keluarga terima kasih atas do a, dukungan, serta saransaran yang selalu diberikan selama penyusunan Tugas Akhir ini. 6. Rekan rekan mahasiswa riset di Laboratorium Teknik Kendali Universitas Udayana. 7. Rekan - rekan mahasiswa UKM Robotec Universitas Udayana. 8. Serta semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu-persatu atas bantuan dan saran yang diberikan sehingga laporan ini bisa selesai tepat pada waktunya. vi

9 Penulis menyadari bahwa Tugas Akhir ini masih jauh dari sempurna. Oleh karena itu, segala segala bentuk ide pengembangan, kritik dan saran yang bersifat membangun sangat diharapkan demi kesempurnaan Tugas Akhir ini. Akhir kata, penulis mohon maaf kepada semua pihak jika dalam pembuatan Tugas Akhir ini melakukan kesalahan baik disegaja maupun tidak disengaja. Semoga usulan Tugas Akhir ini diharapkan dapat bermanfaat dalam pengembangan ilmu sains dan teknologi. Gianyar, 17 Agustus 2015 Penulis vii

10 DAFTAR ISI LEMBAR PERNYATAAN ORISINALITAS... i LEMBAR PENGESAHAN TUGAS AKHIR... ii LEMBAR PERSYARATAM GELAR... iii ABSTRAK... iv ABSTRACT... v KATA PENGANTAR... vi DAFTAR ISI... viii DAFTAR GAMBAR... xii DAFTAR TABEL... xv DAFTAR SINGKATAN... xvi BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Rumusan Masalah Tujuan Manfaat Ruang Lingkup dan Batasan Masalah Sistematika Penulisan... 4 BAB II TINJAUAN PUSTAKA 2.1 State of The Art Review Quadcopter Robot Behavior Based Robotic Komponen Elektronika Inersia Moment Unit MPU Digital Pressure Sensor BMP180 (Barometer) Radio Telemetry HM-TRP Series 100mW Sensor Kompas HMC5885L Arduino Mega GPS (Global Positioning System) U-blok Neo ESC (Electronics Speed Controller) Komponen Penggerak Brushless Motor Propeller PWM (Pulse Width Modulation) Microsoft Visual C# Struktur Bahasa pada Visual C# viii

11 BAB III Struktur Percabangan Struktur Perulangan Arduino IDE Struktur Program Sintaks Variabel Struktur Pengaturan Mode Digital Mode Analog Avionics Instrument Artificial Horizon Indicator Vertical Speed Indicator Altimeter Indicator Heading Indicator METODE PERANCANGAN SISTEM 3.1 Tempat dan Waktu Penelitian Data Sumber Data Metode Pengumpulan Data Jenis Data Metode Penelitian Langkah-Langkah Penelitian Perangkat Keras Bahan Peralatan Kerja Perangkat Lunak Gambaran Umum Sistem Perancangan Perangkat Keras Perancangan Mekanik Quadcopter Robot Perancangan Elektronik Quadcopter Robot Skema Perancangan Board Arduino Mega 2560 Sebagai Autopilot Base Control Perancangan Perangkat Lunak Perancangan Perangkat Lunak Pada Quadcopter (Air Station) Diagram Alir Software Sistem Autopilot Pada Quadcopter (Air Station) Diagram Alir Take Off State Diagram Alir Landing State Diagram Alir True Coordinates Corection ix

12 BAB IV Gambaran Keempat Kemungkinan Posisi untuk Perancangan Metode Penerbangan Perancangan Perangkat Lunak Pada GCS (Ground Control Station) Diagram Alir Software Sisstem Autopilot Pada GCS (Ground Control Station) Perancangan Database Penyimpanan Data Koordinat yang Ditempuh Perancangan Tampilan Software Ground Control Station HASIL DAN PEMBAHASAN 4.1 Realisasi Hasil Perancangan Perangkat Keras Autopilot Quadcopter Realisasi Hasil perancangan Perangkat Lunak GCS Autopilot Quadcopter Pengujian Fungsi Masing-masing Bagian dari Sistem Autopilot Quadcopter Pengujian Komunikasi Antara Quadcoter dengan Computer Pengujian Parsing Data GPS U-Blok Neo Pengujian Perhitungan Jarak Tempuh yang Dibandingkan Dengan Pengukuran Jarak Pada Google Maps Pengujian Konsumsi Daya dari Quadcopter Pengujian Kestabilan Terbang Quadcopter Menggunakan Remote Control Pengujian GPS Lock Position pada Quadcopter Pengujian Sinyal Keluaran Dari Reciever Remote Control Menggunakan Osciloscope Pengujian Pembangkitan Pulsa PWM Menggunakan Arduino Mega Pengujian Pemberian Nilai PWM yang Disimulasikan Dengan Software Naza Assistant Nilai Minimum Nilai Maksimum Nilai Titik Tengah Pengujian Update Posisi Marker Pada Peta Pengujian Menampilkan Data, Menyimpan Data, dan Menghapus Data Pada Database Pengujian Altitude Holding Position Menggunakan Sensor Ping yang Ditampilkan Pada LCD Quadcopter x

13 BAB V Pengujian Terbang Quadcopter Untuk Mengetahui Respon Hasil Altitude Holding Position Pengujian Dan Pembahasan Hasil Pengujian Keseluruhan Sistem Autopilot Quadcopter Pengujian dan Analisis Take Off Autopilot Quadcopter Pengujian dan Analisis Akurasi Posisi Landing dari Quadcopter Pengujian Pengiriman Informasi Penerbangan Quadcopter Ke GCS PENUTUP 5.1 Simpulan Saran DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN Lampiran 1 ( listing Program) Lampiran 2 ( Foto-Foto Penelitian) Lampiran 3 ( Datasheet U-blok Neo 6) Lampiran 4 ( Datasheet Naza M Lite) Lampiran 5 ( Datasheet Mikrokontroler Atmega2560) Lampiran 6 ( Biodata Diri ) xi

14 DAFTAR GAMBAR Gambar 2.1 Arah Putaran Motor Pada Quadcopter Tipe X... 7 Gambar 2.2 Desain Quadcopter... 8 Gambar 2.3 Teknik Penguraian Sistem Kendali Robot Kedalam Unit-unit Fungsional... 8 Gambar 2.4 Orientasi Dari Sensitivitas Sudut dan Putaran MPU Gambar 2.5 Konfigurasi Pin Sensor MPU Gambar 2.6 Skema Pemasangan Sensor MPU Gambar 2.7 Skema Pemasangan Sensor BMP-180 pada Mikrokontroler Gambar 2.8 Bentuk BMP Gambar 2.9 Radio Telemetry HM-TRP (RCTimer) Skema Air Station Gambar 2.10 Radio Telemetry HM-TRP (RCTimer) Skema Ground Station 13 Gambar 2.11 Bentuk Fisik HM-TRP Gambar 2.12 Modul Kompas HMC5883L Gambar 2.13 Arduino Mega Gambar 2.14 GPS U-Blok Neo Gambar 2.15 Skema Pemasangan GPS U-Blok Neo 6 Pada Arduino Gambar 2.16 ESC (Electronics Speed Controller) Gambar 2.17 Brushless Motor Gambar 2.18 Propeller Gambar 2.19 Sinyal PWM Gambar 2.20 Sinyal PWM dan Persamaan V Out PWM Gambar 2.21 Duty Cycle dan Resolusi PWM Gambar 2.22 Visualisasi Artificial Horizon Gambar 2.23 Visualisasi Vertical Speed Indicator Gambar 2.24 Visualisasi Altimeter Indicator Gambar 2.22 Visualisasi Heading Indicator Gambar 3.1 Gambaran Umum Sistem Gambar 3.2 Desain Mekanik Quadcopter Robot (tampak belakang) Gambar 3.3 Desain Mekanik Quadcopter Robot (tampak atas) Gambar 3.4 Skema Perancangan Elektronik Sistem Autopilot Quadcopter Robot Gambar 3.5 Skema Pemasangan Paralel GPS Gambar 3.6 Skema Arduino Mega 2560 sebagai Autopilot Base Control Gambar 3.7 Tampilan Awal Program Arduino IDE Gambar 3.8 Tampilan Pemilihan Board Arduino Mega Gambar 3.9 Diagram Alir Pada Quadcopter (Air Station) Gambar 3.10 Diagram Alir Take Off State Gambar 3.11 Diagram Alir Landing State xii

15 Gambar 3.12 Diagram Alir True Coordinates Corection Gambar 3.13 Diagram Alir True Coordinates Corection (lanjutan 1) Gambar 3.14 Diagram Alir True Coordinates Corection (lanjutan 2) Gambar 3.15 Ilustrasi Empat Kemungkinan Posisi Quadcopter Gambar 3.16 Pemilihan Microsoft Visual C# Gambar 3.17 Diagram Alir Pada GCS (Ground Control Station) Gambar 3.18 Perancangan Database Gambar 3.19 Tampilan Antarmuka GCS Gambar 4.1 Hasil Realisasi Perangkat Keras (Tampak Samping) Gambar 4.2 Hasil Realisasi Perangkat Keras (Tampak Atas dengan Landing Skird) Gambar 4.3 Hasil Realisasi Perangkat Lunak GCS Gambar 4.4 Pengujian Komunikasi Antara Quadcopter dan Computer Gambar 4.5 Pengujian Parsing Data GPS U-blok Neo Gambar 4.6 Koordinat Posisi Pertama Gambar 4.7 Koordinat Posisi Kedua Gambar 4.8 Koordinat Pengukuran Pada Google Maps Gambar 4.9 Pengukuran Arus Quadcopter Gambar 4.10 Pengujian Kestabilan Quadcopter Gambar 4.11 Metode Pengujian GPS Lock Position Quadcopter Gambar 4.12 Pengujian GPS Lock Position di Luar Ruangan Gambar 4.13 Blok Pengujian Sinyal Keluaran Reciever Remote Control Gambar 4.14 Proses Pengujian Sinyal Keluaran Reciever Remote Control Pada Kondisi Steady Gambar 4.15 Proses Pengujian Sinyal Keluaran Reciever Remote Control Pada Kondisi Aileron ke Arah Kanan Gambar 4.16 Proses Pengujian Sinyal Keluaran Reciever Remote Control Pada Kondisi Throtle 60% Gambar 4.17 Blok Pengujian Pembuatan PWM Arduino Mega Gambar 4.18 Hasil Pengujian Pembuatan PWM Arduino Mega 2560 (Aileron dan Elevator) Gambar 4.19 Hasil Pengujian Pembuatan PWM Arduino Mega 2560 (Throtle dan Rudder) Gambar 4.20 Hasil Pengujian PWM Minimum Pada Naza Assistant Gambar 4.21 Hasil Pengujian PWM Maksimum Pada Naza Assistant Gambar 4.22 Hasil Pengujian PWM Titik Tengah Pada Naza Assistant Gambar 4.23 Pengujian Update Posisi Marker Destination Gambar 4.24 Pengujian Update Posisi Marker Current Position Sebelum xiii

16 Kalibrasi Gambar 4.25 Pengujian Update Posisi Marker Current Position Setelah Kalibrasi Gambar 4.26 Pengujian Menampilkan Data Penerbangan Gambar 4.27 Pengujian Menampilkan Informasi Detail Penerbangan Gambar 4.28 Pengujian Altitude Holding Position Gambar 4.29 Hasil Pengujian Altitude Holding Position Ditampilkan Pada LCD Quadcopter Gambar 4.30 Blok Diagram Pengujian Terbang Altitude Holding Position. 89 Gambar 4.31 Proses Pengujian Terbang Quadcopter Dengan Altitude Holding Position Gambar 4.32 Gambaran Data Take Off Autopilot Quadcopter Gambar 4.33 Hasil Kalibrasi Koordinat di Lapangan Bukit Jimbaran Gambar 4.34 Hasil Pengujian Pengiriman Data Penerbangan Dari Quadcopter ke GCS (Ground Control Station) xiv

17 DAFTAR TABEL Tabel 2.1 Spesifikasi HM-TRP Radio Telemetry Tabel 2.2 Keterangan Pin Arduino Mega Tabel 3.1 Keterangan Pada Tabel Flight Tabel 3.2 Keterangan Pada Tabel Information Tabel 4.1 Spesifikasi Quadcopter Robot Tabel 4.2 Hasil Pengukuran Jarak Komunikasi Tabel 4.3 Hasil Pengujian Kestabilan Quadcopter Tabel 4.4 Hasil Pengujian GPS Lock Position Tabel 4.5 Hasil Pengujian Sinyal Keluaran Reciever Remote Control Tabel 4.6 Nilai PWM Minimum Tabel 4.7 Nilai PWM Maksimum Tabel 4.8 Nilai PWM TitikTengah Tabel 4.9 Hasil Pengujian Database Autopilot Quadcopter Tabel 4.10 Data Hasil Kalibrasi di Lapangan bukit Jimbaran Tabel 4.11 Koordinat Penerbangan Quadcopter di Lapangan Bukit xv

18 DAFTAR SINGKATAN AC ADC AVR CCW CW DC DMP DOF EEPROM ESC FHSS GCS GPS GUI UAV IC I 2 C IDE IMU PCB PDA PID PWM SCL SDA SRAM TDM TTL UART USB VCC : Alternating Current : Analog to Digital Converter : Advanced Versatile RISC : Counter Clock Wise : Clock wise : Direct Current : Digital Motion Processor : Degree Of Freedom : Electrically Eresable Programable Read-Only Memory : Electronics Speed Controller : Frequency hopping spread spectrum : Ground Control System : Global Positioning System : Graphic User Interface : Unmanned Aerial Vehicle : Integreted Circuit : Inter Integrated Circuit : Integrated Development Environment : Inertia Moment Unit : Printed Circuit Board : Digital Personal Assistent : Propotional Integral Defrential : Pulse Width Modulation : Serial Clock : Serial Data : Serial Random Acces Memory : Time Division Multiplexing : Transistor Transistor Logic : Universal Asyncronous Receiver/Transmiter : Universal Serial Bus : Voltage Common Colector xvi