BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang

Transkripsi

1 BAB I PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang Indonesia merupakan negara kepulauan dengan luas wilayah daratan Indonesia lebih dari km 2 dan luas perairannya lebih dari km 2 yang menjadikan Indonesia sebagai negara kepulauan terbesar di dunia [1]. Oleh karena itu, pengawasan batas negara, baik itu batas daratan maupun lautan harus rutin dilakukan untuk menjaga kedaulatan negara. Dengan luas perairan Republik Indonesia yang mencapai 5,8 juta km 2, saat ini pengawasan batas wilayah negara hanya menggunakan prajurit/tentara yang menggunakan boat/kapal. Hal ini tentu akan menghabiskan dana yang besar untuk operasional kapal itu sendiri dan juga biaya perawatannya. Sistem pengawasan menggunakan robot perlu dikembangkan untuk meminimalisir biaya yang dikeluarkan apabila menggunakan prajurit/tentara. Autonomous Unmanned Surface Vehicle (USV) merupakan suatu pengembangan dari bidang robotika yang memungkinkan suatu robot berjalan sesuai dengan titik koordinat yang diinginkan [2]. USV biasanya dipakai sebagai alat monitoring keadaan di suatu area perairan. USV menggabungkan beberapa sensor untuk dapat melakukan navigasi secara otomatis. Sensor tersebut diantaranya : Global Positioning System (GPS), Compass dan Inertial Measurement Unit (IMU) [3]. Ketiga sensor tersebut memerlukan metode yang baik sehingga data yang dihasilkan dari sensor tersebut dapat akurat. Hal ini sangat penting karena data yang akurat akan membantu USV dalam mencapai target/posisi yang diinginkan. Pengembangan pada sensor IMU sangat banyak dilakukan oleh para peneliti [4] [7], dikarenakan pada umumnya IMU terdiri atas sensor Accelerometer, Gyroscope dan Magnetometer [8]. Penggabungan data IMU yang sering dijumpai adalah menggunakan metode Euler angle (derajad Euler) [9][10][11]. Metode Euler banyak digunakan karena proses perhitungannya yang cepat sehingga banyak digunakan untuk prototype awal. Metode Euler memiliki kelemahan yaitu adanya singularity [12][13]. Singularity adalah adanya kesamaan sudut yang terbentuk dari perhitungan Euler saat diputar 90 o dengan sequence [14], [13]. Pengembangan USV pada saat ini masih banyak yang dilakukan dalam skala simulasi [2], [3], [15] yang membahas mengenai perhitungan yang digunakan dalam 1

2 sistem USV. USV memerlukan sistem kontrol yang baik sehingga tanggapan actuator dari USV dapat bekerja secara optimal. Sistem kontrol pada Autonomous USV akan mempengaruhi tanggapan dari robot tersebut terhadap jalur yang sudah ditentukan terlebih dahulu. Apabila sistem kontrol tidak bagus, USV akan cenderung sering keluar dari radius posisi yang diinginkan. Beberapa faktor yang perlu dipertimbangkan dalam perancangan sistem kontrol yaitu uncertainly disturbance baik dari gelombang air maupun dari angin yang berhembus pada body USV. USV merupakan tipe robot dengan pergerakan di atas permukaan air. Gangguan yang mungkin ditimbulkan adalah apabila terdapat arus air yang besar sehingga memungkinkan kapal dapat terbalik. Pada umumnya, hull/badan kapal USV dirancang untuk keadaan arus air yang normal [16] [18]. Rancang bangun USV pada keadaan air yang bergelombang, atau memungkinkan kapal terbalik perlu mendapat perhatian khusus. Hal ini dikarenakan komponen elektronika yang merupakan penyusun utama sebuah USV, dapat mengalami kerusakan apabila terjatuh kedalam air. Apabila USV sampai terbalik/jatuh, maka akan gagal mencapai target posisi yang sudah ditentukan. Penyesuaian antara sistem kontrol terhadap robot dan juga perancangan mekanik dari USV itu sendiri perlu mendapat perhatian sehingga keadaan perairan yang extreme tidak akan mengganggu task robot untuk mencapai posisi target yang diinginkan. Selain mengatasi terbaliknya kapal, salah satu yang penting dari USV adalah algoritme yang digunakan saat perpotongan dua garis target yang menghasilkan sudut rotasi < 90 o. Pada umumnya algoritme yang digunakan yaitu dengan memperbesar titik toleransi waypoint sehingga kapal dapat melakukan gerakan turning sebelum mencapai titik yang diinginkan [19]. Hal ini cukup berhasil dalam beberapa kondisi, tetapi masalah yang dihadapi adalah USV akan tetap terjadi osilasi yang besar sehingga membutuhkan waktu yang cukup lama untuk mencapai titik yang diinginkan. Selain itu, akibat turning akan menghasilkan offset yang besar terhadap titik yang diinginkan. Pengembangan terkini adalah adanya metode cornering yang diterapkan pada mesin CNC. Mesin CNC adalah mesin yang bergerak berdasarkan koordinat sehingga sistem ini mendekati pergerakan dengan sebuah autonomous vehicle. Quintic-spline, adalah metode yang biasa digunakan untuk membentuk jalur yang halus serta continuos pada perpotongan jalur yang dilalui [20], [21]. Selain metode tersebut, terdapat metode B- Spline atau biasa disebut Bezier Curve [22],[23] Permasalahan yang timbul ketika 2

3 menggunakan quintic-spline adalah bahwa autonomous vehicle tidak bisa bergerak translasi terhadap sumbu y seperti layaknya pada mesin CNC. Selain itu, apabila metode Bezier Curve dilakukan generate terhadap semua waypoint yang digunakan, maka akan terjadi kurva yang terlalu banyak sehingga hasil yang diperoleh justru tidak baik dikarenakan garis hasil perhitungan tidak masuk dalam garis waypoint yang diinginkan [23]. Dibutuhkan suatu metode yang dapat menentukan batas penggunaan sistem cornering sehingga hasil yang dihasilkan lebih optimal. Batas yang dimaksud adalah penentuan jarak antar line untuk melakukan sistem cornering dan juga sudut maksimum yang paling baik untuk diterapkan sistem cornering. 1.2 Perumusan Masalah Dari permasalahan yang sudah disebutkan dari latar belakang diatas, rumusan masalah pada penelitian ini dapat diuraikan sebagai berikut : 1. USV merupakan sebuah robot yang beroperasi dipermukaan air. Hal yang dapat mengganggu kinerja robot yaitu ketika robot terbalik dikarenakan faktor eksternal diantaranya arus air maupun gaya yang berlebih saat melakukan maneuver. Diperlukan sebuah metode baik secara mekanik maupun algoritmik sehingga hal tersebut dapat diatasi. 2. Sudut pertemuan yang sempit yaitu <90 o akan mempengaruhi offset yang besar pada USV ketika melakukan target operasi. Hal tersebut akan mempengaruhi waktu dalam mencapai target yang diinginkan. Waktu akan menjadi lebih lama karena pada umumnya USV akan memilih jalur memutar keluar jalur sehingga terjadi osilasi dan mengakibatkan jalur menjadi lebih jauh. 3. Metode Bezier Spline memerlukan perlakuan khusus supaya dapat berjalan secara baik pada sistem kontrol yang digunakan. Algoritme yang digunakan harus dapat berkoordinasi dengan sistem kontrol baik dari kontrol masukan maupun keluaran yang akan masuk kedalam actuator. 3

4 1.3 Keaslian Penelitian Unmanned Surface Vehicle (USV) dikembangkan dengan menggabungkan beberapa komponen elektronika agar dapat berjalan otomatis menuju suatu titik yang kita inginkan. Beberapa komponen tersebut yaitu GPS, IMU dan compass. GPS akan memberikan data posisi dalam latitude dan juga longitude. Dua data inilah yang akan memberikan informasi jarak dan heading posisi terkini terhadap posisi titik yang diinginkan. Data yang diperoleh dari informasi GPS akan dibandingkan dengan data pengolahan dari sensor IMU dan juga compass untuk kemudian menjadi nilai keluaran yang akan diolah oleh controller untuk menjalankan actuator/motor penggerak dari USV [24]. Setiap sensor yang akan digunakan pada sebuah mobile robot tidak semuanya menghasilkan data yang baik untuk dapat digunakan sebagai feedback controller. Oleh karena itu dikembangkan tapis untuk mengatasi noise yang terjadi pada sensor terutama sensor IMU sebagai referensi sudut orientasi. Terdapat beberapa alternatif yaitu complementary filter [25] dan juga dapat digunakan metode Kalman Filter [7]. Setelah mendapatkan data sensor yang akurat, maka pengembangan USV selanjutnya adalah pemilihan metode kontrol yang sesuai. Kontrol pada USV pada umumnya menggabungkan masukan referensi dari IMU dan juga GPS. Fuzzy-PID merupakan salah satu kontrol yang sesuai apabila digunakan pada system yang dinamis. Logika fuzzy berfungsi melakukan gain-schedulling parameter PID sehingga respons system dapat menyesuaikan dengan perubahan yang ada, seperti keadaan ombak, dan yang lainnya [26]. Selain kontrol, yang menjadi bagian terpenting dari sebuah autonomous robot adalah fungsinya sebagai monitoring sehingga diperlukan suatu metode untuk menjaga keadaan tetap stabil [27]. Pada umumnya USV akan mengalami kegagalan target apabila keadaan air yang extreme sehingga memungkinkan USV dapat terbalik. Oleh karena itu diperlukan suatu metode baik secara mekanis maupun sistem algoritmik yang mampu mengatasi masalah tersebut. Penambahan mekanis rotating diperlukan supaya USV dapat kembali kedalam keadaan semula. Selain secara mekanis, penambahan sistem kontrol tersendiri untuk rotating juga sangat diperlukan. Permasalahan yang muncul setelah USV mencapai keadaan stabil adalah saat melakukan task waypoint yang apabila terdapat perpotongan dua line waypoint yang 4

5 menghasilkan sudut sempit (<90 o ) maka akan terjadi osilasi yang berlebih terhadap jalur waypoint. Hal ini akan mempengaruhi kinerja USV terhadap line yang diinginkan dan juga akan menambah waktu dalam mencapai posisi yang diinginkan. Penambahan metode Bezier Curvature-continous diperlukan untuk mengatasi keadaan tersebut. Bezier Curvature akan melakukan kalkulasi sehingga jalur yang sempit akan membentuk kurva linear sehingga pergerakan dapat lebih halus dan USV tetap berada pada jalur yang diinginkan dan offset terhadap jalur waypoint dapat dikurangi. Berikut beberapa penelitian sebelumnya dengan ringkasan hasil pada penelitian tersebut terdapat pada tabel 1.1 : Tabel 1.1 Ringkasan pengembangan USV No Judul penelitian Penjelasan Hasil 1 Design and Implementation Fuzzy sebagai tune deviasi Error pada orientasi for USV Based on Fuzzy angular dan derajad heading > 20 o Control [28] orientasi rudder Menggunakan hull dengan tipe katamaran 2 Automatic Ship Handling of the Maritime Search Mission using a Self-Tuning Fuzzy Gain Scheduling PD Controller[29] 3 Stabilization System For Camera Control On An Unmanned Surface Vehicle [27] 4 Smooth Trajectory Planning Along Bezier Curve for Mobile Robots with Velocity Constraints [30] Fuzzy sebagai tune Error pada parameter PID orientasi heading Menggunakan algorithma backpropagation < 35 o Menggunakan Euler angle Error kemiringan Tidak mempertimbangkan sistem yang berubahubah karena gangguan roll >20 o Menerapkan Bezier Curve Error terjadi pada path planning karena sampling Menyesuaikan vehicle time tidak sesuai pada kurva Bezier dengan Belum dapat batas Velocity diterapkan pada real time operasi 5

6 1.4 Tujuan Penelitian Tujuan penelitian ini adalah mengembangkan suatu sistem hardware Autonomous Surface Vehicle yang dapat digunakan dalam permukaan air dan dapat bergerak secara otomatis mengikuti jalur yang sudah ditentukan serta tidak terpengaruh apabila USV terbalik di tengah perjalanan dalam mencapai target karena beberapa gangguan. Selain itu, USV juga dapat mengatasi offset yang berlebih terhadap jalur waypoint menggunakan metode Bezier Curvature. Metode yang digunakan juga dapat mengurangi durasi USV dalam mencapai tujuan yang ditentukan. 1.5 Manfaat Penelitian Manfaat penelitian yang dilakukan adalah sebagai berikut : 1. Diperoleh suatu alat yang dapat digunakan sebagai alat monitoring suatu wilayah di permukaan air yang dapat menghemat biaya operasi apabila dibandingkan dengan menggunakan kapal dengan penumpang. 2. Diperoleh suatu metode suatu kapal akan dapat melajutkan target operasi (waypoint) meskipun sempat terbalik di tengah jalan. 3. Diperoleh suatu metode yang dapat meminimalisir waktu mencapai target pada perpotongan jalur sempit sehingga USV tidak perlu memutar atau melakukan kurva keluar jalur (osilasi) yang besar terhadap jalur waypoint sehingga waktu untuk mencapai tujuan juga dapat dipercepat serta dapat meminimalisir offset yang terjadi akibat pembentukan sudut sempit tersebut. 1.6 Sistematika Penulisan Untuk memberikan Gambaran yang jelas mengenai penelitian yang dilakukan, penulisan tesis ini dibagi ke dalam beberapa bagian sebagai berikut: 1) BAB I : Pendahuluan Bab ini menjelaskan latar belakang penelitian yang dilakukan, perumusan masalah, keaslian penelitian, tujuan, dan manfaat penelitian. Keaslian penelitian berisi beberapa metode sebelumnya yang kemudian dikembangkan. 2) BAB II : Tinjauan Pustaka dan Landasan Teori 6

7 Tinjauan pustaka menceritakan berbagai penelitian mengenai baterai yang sudah dilakukan. Dari penelitian tentang kinematika USV, metode filter pada sensor yang digunakan, anti rolling pada USV dan juga metode Bezier Curvature yang mendasari penelitian yang dilakukan oleh penulis. 3) BAB III : Metodologi Disini dituliskan mengenai alur penelitian, perancangan sistem, pengujian pada USV. Kemudian dijelaskan langkah-langkah teknik analisis yang dilakukan. 4) BAB IV : Hasil dan Pembahasan Bab IV merangkum semua hasil yang telah diperoleh dari penelitian yang dijalankan. Hasil pengujian pada masing-masing sensor, pengujian sistem kontrol, pengujian dengan gangguan USV terbalik dan juga pengujian dengan menggunakan metode Bezier Curvature continous. 5) BABV : Kesimpulan dan Saran Kesimpulan yang didapat dari penelitian disampaikan dalam bab ini. Untuk keperluan penelitian selanjutnya disampaikan saran yang sekiranya diperlukan. Hal tersebut untuk membuat penelitian mengenai USV menjadi lebih baik. 7