Konsep Otomatisasi Traktor Pertanian
Kontrol otomatis pada traktor pertanian telah dipelajari sejak beberapa dekade yang lalu. Manfaat dari traktor pertanian otomatis meliputi peningkatan produktivitas, peningkatan ketelitian aplikasi, dan peningkatan keselamatan operasi (Reid et al. 2000). Kontrol kemudi merupakan kombinasi hidrolik dan atau komponen elektronik yang menyebabkan roda kemudi berputar sesuai keinginan. Berbagai teknologi pengendalian yang mencakup kontrol mekanik, kontrol arah-mesin, navigasi radio, dan kontrol ultrasonik juga telah diteliti oleh (Reid et al. 2000; Guo et al. 2003). Kebanyakan pekerjaan dinamika traktor hanya mempertimbangkan faktor traktor tanpa menentukan karakteristik pengendaraannya.
Sistem kontrol kendaraan pertanian mendapat perhatian kalangan peneliti lebih dari lima puluh tahun. Kebutuhan agar operator tidak harus selalu memutar roda kemudi ketika menggunakan perlengkapan tambahan merupakan alasan yang sering disebutkan bagi digunakannya sistim pengendalian (Wilson 2000). Para peneliti di Universitas Illinois telah sukses mengembangkan dan mendemonstrasikan suatu prototip traktor otomatik yang dapat melakukan penanaman otomatis dan pemupukan lahan (Zhang 1999).
Pada sistim pengendalian otomatis, operator menyetir kendaraannya (traktornya) kurang lebih pada sebelah kanan ujung lahan, kemudian sistim otomatis ini mengambil alih penyetiran traktor pada garis lurus. Operator hanya memutar balik traktor di ujung lahan (Keicher and Seufert 2000). Walaupun sistim pengendalian otomatis tidak menggantikan operator, hampir semua waktu operator dapat digunakan untuk konsentrasi pada peralatan tambahan (implement) traktor atau rileks tanpa harus melakukan mengemudi traktor. Sistim pengendalian otomatis biasanya terdiri dari sensor-sensor posisi traktor, kontroler lintasan dan aktuator untuk mengendalikan traktor tersebut (Reid et al. 2000). Teknologi yang sama dapat diterapkan untuk kendaraan pertanian otomatis penuh (full otomatic). Karena itu selama bertahun tahun berbagai usaha dilakukan untuk
mengembangkan sistim pengendalian otonomos atau dapat berjalan sendiri (Torii 2000).
Kontrol Gerak Non-holonomik
Saat derajat kebebasan sistem robot tidak independen seperti mobil yang tidak dapat berputar disekitar porosnya tanpa merubah posisinya, maka keadaan tersebut dapat dikatakan melakukan kontrol gerak non holonomic. Kondisi tersebut menunjukkan setiap jalur dalam konfigurasi ruang bebas belum tentu sesuai dengan yang semestinya. Kontrol gerak robot seperti mobil akan membutuhkan komputasi yang sangat ekstensif karena kendala nonholonomic. Kendala nonholonomic merupakan pembatasan kecepatan sebuah objek yang diijinkan. Robot tersebut dapat bergerak dibeberapa arah (maju dan mundur), tetapi tidak kearah yang lain (sisi ke sisi). Contoh hal tersebut mudah dilihat pada robot beroda. Gambar 2 menunjukkan gerakan robot beroda sedangkan Gambar 3 menunjukkan model kendaraan kendali diferensial.
Gambar 2. Konsep steering diferensial pada robot beroda (Ahmed 2006)
Gambar 4 menunjukan suatu contoh model kinematik yang dapat dilakukan oleh suatu kendaraan automasi, dimana xr, yr merupakan suatu
koordinat sumbu kartesius pada titik tengah dari roda belakang suatu kendaraan automasi, θ merupakan sudut orientasi, α adalah sudut kemudi dan l adalah jarak antara bagian depan dan belakang kendaraaan.
Gambar 4. Suatu model kinematik dari mobil seperti robot (Ahmed 2006)
Kendaraan automasi melakukan dua macam gerak nonholonomic yang membatasi, yaitu mengikuti fungsi;
sin cos 0………[1]
sin 0………[2]
dimana αfr dan θfr merupakan koordinat dari bagian roda depan kendaraan
automasi.
Perencanaan gerakan sistim non holomik adalah terkait dengan penentuan rencana pergerakan loop terbuka yang menyetir sistim non holomonik dari konfigurasi awal ke akhir pada interval waktu tertentu. Perencanaan gerakan non holomik merupakan tugas yang rumit, maka perencanaan gerakan non holmonik perlu dibandingkan dengan perencanaan gerakan holmonik. Pada perencanaan gerak holmonik dimungkinkan terjadinya gerakan yang berubah-ubah pada ruang. Sebagai contoh suatu piringan yang menggulung dengan terjadi slip dapat melakukan gerakan berubah ubah dengan berganti dari gerakan tanpa slip ke gerakan dengan slip. Keadaan akan sebaliknya dimana piringan tersebut dibatasi
-
hanya menggulung tanpa slip maka gerakan berubah ubah tidak akan terjadi. Kesulitan perencanaan gerakan non holmonik bermula dari sini.
Kontrol Dengan Umpan Balik
Sistem kontrol (control system) adalah suatu alat (kumpulan alat) untuk mengendalikan, memerintah, dan mengatur keadaan dari suatu sistem. Contoh sederhana istilah sistem kendali ini dapat dipraktekkan untuk mengendalikan stir traktor pada saat kita mengendarai/menyetir traktor kita. Banyak contoh lain dalam bidang industri atau instrumentasi dan dalam kehidupan kita sehari-hari di mana sistem ini dipakai. Alat pendingin (AC) merupakan contoh yang banyak kita jumpai yang menggunakan prinsip sistem kendali, karena suhu ruangan dapat dikendalikan sehingga ruangan berada pada suhu yang kita inginkan.(Wikipedia)
Secara umum sistim kontrol terbagi atas:
1. Sistem kontrol lup terbuka adalah sistem kontrol yang keluarannya tidak berpengaruh pada aksi pengontrolan, jadi keluarannya tidak diukur atau diumpan balikan untuk dibandingkan dengan masukan.
Gambar 5 Sinyal lup terbuka
2. Sedangkan sistim kontrol lup tertutup merupakan sistem kontrol yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan. Sistem kontrol lup tertutup adalah system kontrol berumpan balik, sehingga sinyal kesalahan penggerak merupakan selisih antara sinyal masukan dan sinyal umpan-balik Kontroler Proses Masukan Keluaran Kontroler Proses Masukan Keluaran ∑ Umpan Balik
Gambar 6 Sinyal lup tertutup umpan balik negatif
Pada otomasi sistim kemudi traktor dimana umpan balik dipergunakan sebagai parameter kondisi traktor, maka digunakan sistim kontrol sinyal tertutup.
Gambar 7 Dasar dari arah pembacaan untuk suatu robot otomatis beroda (a) titik ke titik pergerakan, (b) jalur garis yang dilalui, (c) alur lintasan kerja. (Junyusen 2005)
Gambar 7 mengasumsikan tugas bekerja dalam lingkungan bebas. Secara umum (De Luca et al. 1998) membagi tugas dasar gerak robot adalah:
• Gerak robot dari titik ke titik (point-to-point): robot harus mencapai tujuan dari titik awal ke titik tujuan
• Robot mengikuti jalur tertentu (path following): robot harus mencapai tujuan akhir yang diinginkan yang dimulai dari konfigurasi awal sementara pada saat yang bersamaan, robot harus mengikuti lintasan pada sumbu Cartesian.
• Mengikuti lintasan (trajectory following): robot harus mencapai posisi akhir lintasan pada sumbu geometri Cartesian.
Tugas dapat diperoleh dengan menggunakan lup terbuka, kontrol umpan balik (loop tertutup) atau kombinasi antar keduanya. Karena sistem umpan balik kontrol baik dapat mengantisipasi gangguan, maka akan dipilih untuk digunakan.
Pengaruh Slip Pada Kontrol Steering
Secara umum pengujian di lahan karena reaksi dengan tanah; mobilisasi traktor merupakan fungsi dari kondisi tanah, traktor, dan iklim setempat. Sehingga pengujian di lahah bergantung pada:
1. Gaya reaksi tanah, yaitu gaya reaksi dari tanah yang arahnya tegak lurus terhadap permukaan roda dan melewati sumbu roda. Gaya reaksi tanah menentukan kekuatan tanah saat dilintasi traktor. Hal ini berkaitan dengan kompleksitas, ketidakseragaman dan keragaman sifat-sifat tanah. Pada kondisi tanah dengan kekerasan tidak seragam dan atau bongkahan besar dapat terjadi benturan pada roda. Sebaliknya pada kondisi tanah dengan kadar air sangat tinggi akan membuat traktor slip.
2. Tahanan gelinding (rolling resistence), yaitu tahanan pada roda kendaraan di atas permukaan tanah. Besarnya tahanan ini tergantung pada permukaan tanah tempat bekerja traktor (Filiyanti 2009). Tahanan tersebut terjadi akibat adanya kompaksi pada tanah. Besarnya tahanan gelinding adalah besarnya energi yang dilakukan untuk mengubah bentuk tanah (Roh 2009)
3. Traksi pada roda, yaitu gaya yang diberikan oleh mesin penggerak pada roda supaya traktor bergerak. Besar gaya traksi bergantung pada :1) besarnya beban yang di tumpu oleh ban: semakin besar beban maka semakin besar gaya traksinya, 2) koefisien gesek antara ban dengan landasan (semakin besar koefisien gesek maka semakin besar gaya traksinya). Sehingga traksi memberi batasan besar torsi yang mampu diterima oleh traktor agar tetap
dapat berjalan dengan baik di landasan (Roh 2009). Gaya traksi horisontal yang disalurkan (diteruskan) antara mesin dan tanah tergantung oleh kekuatan tanah dan parameter desain mesin. Dalam hal ini, besar gaya traksi maksimum adalah sama dengan jumlah kuat geser tanah di atas luasan kontak (ground contact) total semua roda penggerak mesin (traktor) (McKyes 1985). Dengan ketiga kendala di atas maka kendali traktor tidak dapat hanya bergantung pada sistem kemudi saja (http://id.wikipedia.org/wiki/Traktor). Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan beberapa cara, yaitu:
1. Gunakan pengereman roda kiri atau kanan untuk belok kekiri atau kanan 2. Gunakan kunci diferensial (differential lock) untuk mempertahankan kondisi
pada saat traktor berjalan lurus.
Sensor Untuk Pengindera
Para peneliti menekankan pemilihan sensor untuk kendali yang tepat dari kendaraan pertanian. Salah satu sensor kendali adalah kontribusi sistem kendali kendaraan pertanian yang menggunakan GPS, perhitungan titik henti (dead reckoning) dan sensor inersia, visi mesin, laser triangulasi, dan multi sensor. Sebuah gambaran singkat perpaduan dari sensor navigasi, model gerak kendaraan, rencana navigasi, dan kontrol kemudi diilustrasikan pada Gambar 8.
Gambar 8 Elemen dasar suatu sistem kendaraan automasi pertanian (Reid et al. 2000)
Beberapa sensor yang biasa digunakan pada system otomasi di lintasan adalah:
1. Sensor Proximity (sensor jarak), di mana sensor ini dapat mendeteksi benda tanpa menyentuh benda tersebut. Sensor ini bekerja dengan memancarkan medan elektromagnetik atau radiasi elektromagnetik (inframerah misalnya). Objek yang menjadi target sering disebut dengan target sensor. Jarak maksimum sensor ini bervariasi, bebrapa sensor memilik kisaran jarak yang dapat di sesuaikan (wikipedia). Rata-rata jarak diteksi untuk warna putih sejauh 5-25 cm. Sensor ini memiliki keandalan yang tinggi dan umur fungsional yang panjang karena tidak memiliki bagian mekanis dan kurangya kontak fisik antar sensor dan objek.
2. Sesor infra merah, sistem yang pada dasarnya menggunakan inframerah sebagai media komunikasi data antara receiver dan transmitter. Sistem akan bekerja jika sinar infra merah yang dipancarkan terhalang oleh suatu benda yang mengakibatkan sinar infra merah tersebut tidak dapat terdeteksi oleh penerima. Keuntungan atau manfaat dari sistem ini dalam penerapannya antara lain sebagai pengendali jarak jauh, alarm keamanan, otomatisasi pada sistem.Pemancar pada sistem ini tediri atas sebuah LED infra merah yang dilengkapi dengan rangkaian yang mampu membangkitkan data untuk dikirimkan melalui sinar infra merah, sedangkan pada bagian penerima biasanya terdapat foto transistor, fotodioda, atau modul inframerah yang berfungsi untuk menerima sinar inframerah yang dikirimkan oleh pemancar. (Anto Susilo 2009)
3. Sensor ultrasonik, yang bekerja dengan prinsip serupa dengan radar. Cara mengenali target melalui pantulan dari gelombang yang dihasilkannya. Gelombang yang dihasilkan berfrekuensi tinggi (di atas 1800 hertz) dan diterima oleh sensor. Untuk menentukan jarak obyek, sensor menghitung selisih interval waktu antara pengrirman dan penerimaan sinyal. Teknologi ini dapat digunakan untuk mengukur kecepatan dan arah angin. Berbagai aplikasi yang telah digunakan seperti pada pengukuran kelembababan, USG medis, pengujian tak merusak (non-destructive test) (Wikipedia).
4. Sensor GPS, yaitu sistem radio navigasi dan penentuan posisi menggunakan satelit. Sistem ini dapat digunakan oleh banyak orang dan dalam segala
macam cuaca, serta didesain untuk memberikan informasi mengenai posisi dan waktu secara kontinyu di seluruh dunia (Muh. Altin Massinai 2005). GPS secara luas digunakan untuk lokalisasi robot dan objek bergerak, dan pelacakan manusia. Posisi absolut dari penerima GPS ditentukan menggunakan teknik triangulasi sederhana berdasarkan waktu tempuh sinyal radio yang secara unik dikodekan dari satelit. Masalah utama dari sistem GPS meliputi: i) waktu sinkronisasi antara satelit dan penerima, ii) lokasi real time satelit yang tepat, iii) tingkat kesulitan untuk mengukur waktu propagasi sinyal iv) noise elektromagnetik dan pengaruh lain seperti penyumbatan sinyal periodik oleh pohon-pohon dan bangunan saat platform pengujian bergerak di bawah atau didekat pohon-pohon atau bangunan. Kekurangan utama yang lain dari GPS adalah degradasi sinyal terjadi ketika penerimaan dari satelit tujuan asal menunjukkan sinyal kurang dari empat satelit atau ketika interferensi. Hal tersebut terjadi terhadap jarak yang pendek dalam suatu lintasan perjalanan kendaraan automasi.