Henri Irawan1 , Yohanes Gunawan Yusuf2,Hendi Wicaksono3
Electrical Engineering Dept. Universitas Surabaya, Raya Kalirungkut Surabaya, 1
henri.irawan92@gmail.com, 2yohanesgunawan@staff.ubaya.ac.id, 3hendi@ubaya.ac.id
ABSTRAK
Pada beberapa tahun belakangan ini QuadCopter merupakan robot udara tanpa awak yang dapat dikontrol dari jarak jauh yang sangat banyak mendapatkan perhatian untuk dikembangkan.Salah satu kelebihan QuadCopter dibandingkan robot udara lainnya yaitu kemampuannya untuk melakukan penerbangan dan pendaratan secara tegak lurus/vertikal sehingga tidak membutuhkan ukuran landasan yang besar. Sesuai dengan namanya, QuadCopter merupakan robot udara yang dapat terbang dan bermanuver dengan kombinasi kecepatan dan arah putar keempat motor untuk menggerakkan baling- balingnya. Adapun manuver yang dapat dilakukan oleh QuadCopter adalah roll (pergerakan ke samping kanan-kiri), pitch (pergerakan maju-mundur), dan yaw (pergerakan rotasi).Untuk melakukan manuver tersebut, QuadCopter membutuhkan suatu kontroler yang mampu mengatur perilaku ke empat motor tersebut. Kontroler KK2.0, merupakan kontroler yang terkenal karena kemampuannya dalam mempermudah pengontrolan QuadCopter dengan harga yang relatif terjangkau. Kontroler ini juga dilengkapi dengan Attitude Lock, yaitu kemampuan QuadCopter untuk kembali ke posisi stabil setelah bermanuver.Namun kontroler ini masih belum dilengkapi kemampuan dalam mengunci ketinggian/Altitude Lock yaitu kemampuan QuadCopter untuk mempertahankan ketinggiannya.Dengan menambahkan board Yohe v1.2 yang berisikan pengunci ketinggian berbasis kontroler PID (Proportional-Integral-Derivative) pada kontroler KK2.0 maka QuadCopter mampu untuk mempertahankan ketinggiannya pada tinggi yang diinginkan.
Kata kunci: Pengunci Ketinggian, Kontroler PID, QuadCopter, Board YoHe v1.2. 1. Pendahuluan
Dalam dunia robotika, terutama untuk keperluan monitoring, penggunaan QuadCoptersangatlah umum dan secara masif digunakan.QuadCopter sendiri merupakan robot udara tanpa awak yang dapat dikendalikan dari jarak jauh.Robot ini memiliki empat baling-baling yang digerakkan oleh ke empat motornya. Kelebihan dari QuadCopter adalah dapat terbang dan mendarat secara tegak lurus/vertikal sehingga tidak memerlukan landasan yang besar (Bouabdallah, Murrieri, & Siegwart, 2004). QuadCopteratau Quadrotor dapat diklasifikasikanke dalam Unmanned Aerial Vehicle (UAV) karena tidak perlu membawa pengendara yang menerbangkannya (Salih & Moghavvemi, 2010). UAV ini mempunyai manuver berupa roll (kanan-kiri), pitch (maju- mundur), dan yaw (rotasi pada sumbu vertikal).Roll dapat dilakukan dengan cara mempercepat putaran kedua motor sebelah kanan untuk bergerak ke kiri, atau mempercepat putaran kedua motor sebelah kiri untuk bergerak ke kanan. Pitch dapat dilakukan dengan cara mempercepat putaran kedua motor sebelah belakang untuk bergerak maju, atau mempercepat putaran kedua motor sebelah depan untuk bergerak mundur. Yaw dapat dilakukan dengan cara mempercepat putaran motor sebelah kanan depan dan sebelah kiri belakang untuk berotasi ke kanan, atau mempercepat putaran motor sebelah kiri depan dan kanan belakang untuk berotasi ke kiri (Salih & Moghavvemi, 2010).
Kontroler KK2.0 merupakan kontroler terbang yang terkenal karena harga yang terjangkau namun kemampuannya cukup memuaskan. Kontroler ini memproses sinyal input aileron(roll/kanan-kiri), elevator(pitch/maju-mundur), rudder(yaw/rotasi), dan throttle(naik-turun) dari receiver untuk menggerakan ke empat motorQuadCopter. KK2.0 telah dilengkapi kemampuan Attitude Lock (mengembalikan QuadCopter ke posisi stabil
121
setelah bermanuver), namun masih belum dilengkapi kemampuan pengunci ketinggian/Altitude Lock(mempertahankan ketinggian QuadCopter pada tinggi tertentu) Paper ini akan menyajikan kemampuan mengunci ketinggian/Altitude Lock berbasiskan kontroler PID(Proportional-Integral-Detivative) menggunakan sensor ultrasonik SRF05 untuk mengukur ketinggiannya. Program pengunci ketinggian akan dimasukkan dalam board YoHe v1.2 yang berfungsi untuk mengendalikan sinyal throttle dari receiver sebelum diteruskan ke kontroler KK2.0. Adapun paper ini terdiri dari 4 bagian bahasan, antara lain struktur QuadCopter, desain kontroler PID, analisa performa kontroler PID, dan simpulan
3. Desain Kontroler PID
Desain kontroler PID akan diprogramkan ke dalam board YoHe v1.2 dimana memakai ATMega2560 yang dapat menyimpan program hingga 256 MB.
Program kontroler PID ini akan dibuat hingga dalam menentukan hasil kontrol throttle QuadCopter yang terbaik dalam mempertahankan ketinggian hanya perlu mengatur nilai dari KP(Konstanta Proportional), KI(Konstanta Integral), dan KD(Konstanta Derivative). Urutan jalannya sistem pengunci ketinggian/Altitude Lock adalah seperti berikut ini. (1) Ketika switch Gear pada transmitter dinyalakan, maka receiver akan menerima sinyal dari transmitter dan mengirimkan outputnya yang menjadi input bagi board YoHe v1.2, (2) Ketika board YoHe menerima input bahwa switch gear telah diaktifkan, sensor ultrasonik akan mengambil nilai ketinggian QuadCopter dan menyimpannya menjadi nilai set poin, (4) Setelah itu sensor ultrasonik akan mengambil kembali nilai ketinggian saat ini, nilai ketinggian set poin dikurangkan dengan nilai ketinggian saat ini untuk mendapatkan nilai error, (5) nilai dari error tersebut diproses secara PID untuk mendapatkan sinyal kontrol, (6) nilai sinyal kontrol ditambahkan pada nilai throttle terakhir sehingga didaptkan nilai throttle yang baru, (7) nilai throttle yang baru dikirimkan ke KK2.0 untuk mengendalikan kecepatan motor brushless.
Diagram blok kontroler PIDdapat dilihat pada Gambar 6.
Gambar 18.Diagram Blok Kontroler PID
Ketinggian awal QuadCopter yang telah didapat sensor ultrasonik dan disimpan menjadi set poin di board YoHe v1.2 dikurangkan dengan ketinggian saat ini yang didapat oleh sensor ultrasonik. Error yang diperoleh dari hasil pengurangan menjadi input bagi kontroler PID. Pertama, nilai error tersebut dikalikan dengan KP untuk mendapatkan output kontroler P(Proportional). Fungsi dari KP ini adalah sebagai gain/pengali agar nilai dari output (dalam hal ini adalah ketinggian QuadCopter saat ini) dengan cepat dapat mencapai nilai ketinggian set poin. Kekurangan kontroler ini adalah menyebabkan overshoot dan juga osilasi pada sistem apabila nilai KP terlalu besar, namun apabila nilai KP terlalu kecil maka respon dari sistem untuk mencapai set poin juga melambat. Kekurangan lainnya, kontroler ini dapat menyebabkan steady state error karena apabila error menjadi nol maka aksi kontrol ini juga menjadi nol/tidak ada input ke sistem.
122
P = KP X Kerr;Dimana, Kerr = Set poin– Poin saat ini
Untuk menghilangkan steady state error tersebut dibutuhkan komponen tambahan yaitu komponen I (Integral) yang merupakan total dari nilai error sebelumnya. Komponen ini dapat menghasilkan sinyal kontrol pada saat errorsama dengan nol. Nilai KI yang tinggi dapat mempercepat hilangnya steady state error dan mempercepat rise time, namun apabila terlalu tinggi dapat menyebabkan osilasi.
Kontroler I (Integral) dapat dirumuskan sebagai berikut :
I = KI X Ierr;
Dimana, Ierr = Ierr sebelumnya + Kerr
Untuk mengurangi osilasi yang ada pada sistem, dibutuhkan komponen berikutnya yaitu komponen D (Derivative). Komponen ini dapat menghasilkan efek pengereman saat nilai yang terukur akan mencapai set poin sehingga dapat mengurangi overshoot dan meningkatkan kecepatan respon. Komponen ini hanya berfungsi saat ada perubahan error, sehingga apabila error statis maka komponen D (Derivative) tidak beraksi, maka dari itu komponen ini tidak bisa digunakan sendiri.
Kontroler D (Derivative) dapat dirumuskan sebagai berikut:
D = KD X Derr;
Dimana, Derr = Kerr – Kerr sebelumnya
Adapun pengaturan nilai dari KP, KI, dan KD pada paper ini dilakukan bertahap dengan urutan kerja menggunakan kontroler P, PI, lalu PID seperti yang dapat dilihat pada Gambar 5. Hasil dari masing-masing kontroler akan disajikan dalam bentuk grafik proses perubahan ketinggian QuadCopter terhadap setpoin sehingga mudah untuk dibandingkan. Hal ini dilakukan karena respon dari QuadCopter sangat cepat, sehingga bisa jadi tidak perlu PID, P atau PI saja cukup untuk mengontrol throttle sehingga ketinggian QuadCopter dapat cepat mencapai range ketinggian set poin.
Gambar 5. Bagan Urutan Kerja Kontroler 4. Analisa Performa Kontroler PID
Untuk mendapatkan performa yang terbaik dari kontroler PID, pemilihan nilai KP, KI, dan KD harus tepat.Masalah utama apabila pemillihan nilai parameter tersebut tidak tepat adalah osilasi dan ketidakstabilan dari respon.
123
Penggunaan penguat KP pada QuadCopter memiliki perbedaan yang tidak didapati pada sistem otomasi pada umumnya dimana untuk QuadCopter dapat menaikkan ketinggiannya dibutuhkan nilai throttle yang besar karena melawan gaya gravitasi. Namun dalam menurunkan ketinggian QuadCopter, throttle hanya perlu dikurangi sedikit karena telah dibantu gaya gravitasi. Hal tersebut menyebabkan penguat KP yang digunakan ketika QuadCopter di atas set poin dan ketika di bawah set poin tidak bisa sama.
Di bawah ini merupakan hasil pengukuran menggunakan kontroler P
Gambar 6.Grafik Ketinggian Nilai KP naik 2, 2.5, dan 3 dengan KP turun 0
Dari Gambar 6 tersebut dapat dilihat bahwa pada KP naik = 2 dan KP turun = 0, respon naik QuadCopter untuk mencapai set poin masih kurang. Sedangkan dengan KP naik = 2.5 dan KP turun = 0, QuadCopter berhasil naik cepat mencapai set poin. Dengan KP naik = 3 dan KP turun = 0, ternyata respon naik QuadCoptertidak sebaik KP naik = 2.5 dan KP turun = 0, sehingga dengan demikian nilai KP naik yang digunakan adalah 2.5
124
Dengan menambahkan nilai KP turun maka masalah gravitasi dapat diatasi dan penurunan ketinggian QuadCopter menuju set poin tidak terlalu drastis sehingga KP naik dapat segera mengatasinya tanpa harus turun terlalu jauh dari set poin. Dari Gambar 7 diatas dapat dilihat bahwa nilai KP turun yang terbaik adalah 1.5 dimana osilasi yang dihasilkan ± 10 cm dari set poin.
5. Kesimpulan
Melalui pengaturan nilai KP naik dan KP turun pada kontroler PID di atas, maka sistem pengunci ketinggian / Altitude Lock pada QuadCopter memakai sensor ultrasonik melalui pengamatan secara visual dapat menjaga ketinggiannya disekitar nilai set poin ketinggian yang tersimpan ketika pengunci ketinggian / Altitude Lock dinyalakan.
Daftar Pustaka
1. Bouabdallah, S., Murrieri, P., & Siegwart, R. (2004). Design and control of an indoor micro quadrotor. IEEE International Conference on Robotics and Automation, 2004. Proceedings. ICRA ‟04. 2004, 4393–4398 Vol.5. doi:10.1109/ROBOT.2004.1302409 2. Dadone, P., Vanlandingham, H. F., Baumann, W. T., & Sarin, S. C. (2001). Design
Optimization of Fuzzy Logic Systems. Virginia Polytechnic Institute and State University.
3. Salih, A., & Moghavvemi, M. (2010). Flight PID controller design for a UAV quadrotor. … Research and Essays, 5(23), 3660–3667. Retrieved from http://www.researchgate.net/publication/230633819_Flight_PID_Controller_Design_f or_a_UAV_Quadrotor/file/d912f511361f422fdd.pdf