Abstrak—UAV (Unmanned Aerial Vehicle) merupakan sebuah kendaraan udara tanpa awak yang dikendalikan oleh atau tanpa seorang pilot (autopilot). Autopilot merupakan suatu sistem yang dapat memandu gerak terbang pesawat tanpa adanya campur tangan dari manusia. Sistem autopilot adalah suatu sistem kontrol gerakan pesawat terbang yang mengatur gerakan pesawat terbang agar tetap pada jalur yang sudah ditentukan sehingga pesawat dapat bergerak dari suatu tempat ke tempat lain dengan aman secara otomatis. Bentuk UAV yang sangat ringan dan kecil membuat UAV rentan terhadap gangguan angin yang menyebabkan terjadinya kecelakaan terutama pada saat melakukan pendaratan atau landing. Untuk mengatasi permasalahan tersebut, dibuatlah sistem kontrol pada proses landing untuk menjaga agar UAV tahan terhadap gangguan tersebut. Sistem kontrol yang dimaksud adalah dengan dirancangnya kontroler PID- Fuzzy. Penggunaan algoritma PID-Fuzzy dilakukan untuk mengatur sudut pitch pesawat selama proses
landing Dengan dirancangnya kontroler PID-Fuzzy, hasil simulasi rancangan gerak pesawat memberikan nilai output yang mendekati nilai setpoint yang diberikan dengan nilai error sebesar 5%.
Kata Kunci— UAV (Unmanned Aerial Vehicle), Kontroler PID-Fuzzy, Autolanding
I. PENDAHULUAN
enggunaan UAV (Unmanned Aerial Vehicle) dewasa ini sangat luas digunakan misalnya untuk pencarian korban bencana alam, penginderaan jauh, memonitoring kawasan perhutani dan daerah perbatasan, bahkan untuk daerah dengan permukaan yang tidak rata dan dengan kontur ketinggian yang berbeda-beda dapat dilakukan oleh UAV. UAV juga dapat dilakukan untuk misi kemiliteran yang berbahaya seperti untuk menyusup dan mengintai daerah musuh yang tidak bisa dijangkau sekalipun UAV juga digunakan dalam aplikasi sipil, seperti pemadam kebakaran atau pekerjaan keamanan nonmiliter, seperti pengawasan dari pipa.
Singkatan UAV telah diperluas dalam beberapa kasus untuk UAV (sistem kendaraan tak berawak). Federal Aviation Administration telah mengadopsi sistem kelas generik pesawat tak berawak- UAS (Unmanned Aircraft System) awalnya diperkenalkan oleh Angkatan Laut AS untuk mencerminkan
kenyataan bahwa ini bukan hanya pesawat, tetapi sistem, termasuk stasiun tanah dan elemen lainnya.
Bentuk UAV yang sangat kecil dan relatif murah biaya operasionalnya membuat banyak pertimbangan utama mengapa banyak pihak menggunakannya. Akan tetapi, dengan bentuk UAV yang demikian membuat UAV rentan terhadap gangguan angin terutama pada saat melakukan landing. Oleh karena itu, dibuatlah sistem kontrol autolanding pada UAV dengan memberikan kontroler PID Fuzzy agar kendaraan ini dapat melaksanakan tugasnya dengan baik. Kontroler PID Fuzzy sebenarnya merupakan kontroler PID yang setiap parameternya dituning dengan menggunakan logika fuzzy, dimana kontroler PID adalah gabungan dari kontroler Proporsional, Integral, dan Differensial dengan setiap kelebihan yang dimiliki oleh setiap kontroler. Pada kondisi operasi tertentu (seperti misalnya sering terjadi pada gangguan proses atau parameter proses yang berubah-ubah), parameter kontrol ini harus sering di-tuned agar kinerjanya tetap baik. Pada aplikasi ini, fuzzy berfungsi menghitung parameter kontrol PID berdasarkan kondisi sinyal error (sebagai input dari Fuzzy). Selain itu dengan adanya algoritma fuzzy ini bisa menutupi kekurangan dari aksi kontrol PID.
II. TINJAUANPUSTAKA A. UAV (Unmanned Aerial Vehicle) [1], [2]
UAV (Unmanned Aerial Vehicle) merupakan sebuah kendaraan udara tanpa awak yang dikendalikan atau tanpa seorang pilot (autopilot). Autopilot merupakan suatu sistem yang dapat memandu gerak terbang pesawat tanpa adanya campur tangan dari manusia. Dengan adanya sistem ini seorang pilot tidak harus mengontrol secara penuh gerakan pesawat tanpa harus berada di dalamnya. UAV pertama dikenalkan pada Perang Dunia ke 1 pada tahun 1917 yang dibawa oleh militer Amerika Serikat. UAV juga dikenal sebagai kendaraan jarak jauh yang dikemudikan atau RPV (Remotely Piloted Vehicle) dimana sebagian besar fungsinya yaitu pada misi kemiliteran. Untuk membedakan UAV dari rudal, sebuah UAV didefinisikan sebagai kendaraan, dapat digunakan kembali dan mampu dikendalikan, penerbangan berkelanjutan, bertingkat dan didukung oleh jet atau mesin yang saling berhubungan. Oleh karena itu, rudal jelajah tidak dianggap UAV, karena seperti banyak peluru kendali lain,
Autolanding Pada UAV (Unmanned Aerial Vehicle)
Menggunakan Kontroler PID-Fuzzy
Mulyani, Katjuk Astrowulan, Joko Susila.
Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS)
Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
E-mail:
[email protected]
[email protected]
kendaraan itu sendiri adalah senjata yang tidak digunakan kembali, meskipun juga tak berawak dan dalam beberapa kasus jarak jauh juga dipandu. penggunaan UAV dewasa ini sangat luas digunakan misalnya untuk pencarian korban bencana alam, penginderaan jauh, memonitoring kawasan perhutani dan daerah perbatasan, bahkan untuk daerah dengan permukaan yang tidak rata dan dengan kontur ketinggian yang berbeda-beda dapat dilakukan oleh UAV. UAV juga dapat dilakukan untuk misi kemiliteran yang berbahaya seperti untuk menyusup dan mengintai daerah musuh yang tidak bisa dijangkau sekalipun UAV juga digunakan dalam aplikasi sipil, seperti pemadam kebakaran atau pekerjaan keamanan nonmiliter, seperti pengawasan dari pipa.
B. Autolanding[3]
Autolanding yang dimaksud disini adalah gerakan landing secara autopilot. Autopilot merupakan suatu sistem yang dapat memandu gerak terbang pesawat tanpa adanya campur tangan dari manusia. Dengan adanya sistem ini seorang pilot tidak harus mengontrol secara penuh gerakan pesawat tanpa harus berada di dalamnya.
Sistem autopilot adalah suatu sistem kontrol gerakan pesawat terbang yang mengatur gerakan pesawat terbang agar tetap pada jalur yang sudah ditentukan sehingga pesawat dapat bergerak dari suatu tempat ke tempat lain dengan aman secara otomatis, Suatu sistem autopilot yang dirancang dengan baik dan terintegrasi dengan tepat dengan sistem kontrol yang tepat dapat menghasilkan respon yang baik. Dengan autopilot gerakan pesawat dapat dilakukan secara otomatis mulai dari take-off (autotak-eoff) sampai landing (autolanding) pada ketinggian tertentu. Akan tetapi autopilot tergantung dari jenis pesawat dan sistem pengaturannya.
Pada sistem autolanding merupakan sistem pengaturan yang kompleks. Oleh karenanya pada Tugas Akhir yang diatur adalah sistem pengaturan sudut pitch.
C. Gerak Dasar Pesawat [3]
Gerak dasar pesawat terbang dikendalikan oleh kontrol permukaan pesawat terbang. Kontrol permukaan pada pesawat terbang terdiri dari aileron, rudder, dan elevator. Aileron adalah kontrol permukaaan yang mengontrol gerak guling (rolling) pesawat. Aileron terletak pada sayap pesawat. Rudder adalah kontrol permukaan yang dapat membelokkan hidung pesawat ke kanan atau ke kiri. Rudder tersambung di bagian belakang dari vertical stabilizer. Selama penerbangan rudder digunakan untuk menggerakkan ujung depan pesawat pesawat ke kanan dan ke kiri. Rudder digunakan bersama dengan aileron untuk belok selama penerbangan Sedangkan elevator adalah kontrol permukaan yang mengatur gerak naik turun pesawat. Elevator terpasang di bagian belakang horizontal stabilizer yang digunakan untuk menggerakkan badan pesawat naik maupun turun selama pesawat berada di udara.
Gambar 1 Kontrol permukan pesawat[3] D. Landing Pesawat [4]
Proses pendaratan (landing) pada pesawat yaitu, alignment, glide-slope tracking, flare manoeuvre, touchdown, dan taxiing. Pada fase alignment, pesawat terbang bergerak lurus sejajar dengan perpanjangan garis landasan pada ketinggian konstan. Dan pada fase glide-slope tracking, pesawat terbang mengikuti lintasan garis lurus menurun dengan sudut konstan dengan tetap menjaga posisi pesawat tepat lurus di atas sumbu landasan. Ketika pesawat terbang telah mendekati landasan, sudut kemiringan di perkecil sampai 00(nol derajat) sehingga lintasan menurun bukan lagi berupa garis lurus, tapi berbentuk menyerupai kurva eksponensial turun, fase ini disebut dengan flare manoeuvre.
Gambar 2 Proses landing pesawat[5]
III. PERANCANGAN SISTEM A. Arsitektur Navigasi UAV
Sistem navigasi pada UAV dapat dilihat pada Gambar 3.9. Perancangan sistem kontrol UAV menggunakan kontrol Ardupilot Mission Planer, bertujuan untuk membentuk atau mengontrol gerak dari pesawat UAV. Program yang tertanam dalam mikrokontroler akan diaktifkan secara manual dari remote control dengan perintah mode autopilot sehingga program akan menjalankan algoritma kontrol yang tertanam dalam mikrokontroler Blok diagram untuk sistem autolanding dapat dilihat pada Gambar 3
Plant Sensor Mikrokontroler Rancangan Gerak Aktuator Receiver Remote Control
B. Identifikasi Sistem
Dalam Tugas Akhir ini kebutuhan sistemnya berupa sebuah pesawat yang berbahan dasar gabus beserta komponen yang ada didalam pesawat, GPS sebagai sensor yang digunakan untuk pembacaan data posisi lintang, bujur, sudut arah, sudut roll, pitch, dan yaw serta arduino mission planner. Pesawat yang digunakan adalah pesawat jenis fixed-wing tipe Hobby King EPP FPV. Selain itu terdapat GPS atau Global Positioning System yaitu sistem untuk menentukan letak di permukaan bumi dengan bantuan penyelarasan sinyal satelit. GPS memberikan nilai ketelitian posisi dalam spektrum yang cukup luas, mulai dari meter sampai dengan milimeter. Ketelitian posisi GPS metode absolut dengan data psedorange antara 3 - 6 meter.
Gambar 4 Model Pesawat
C. Ardupilot Mega, IMU, dan Arduino
Ardupilot mega merupakan perangkat mikrokontroler yang akan digunakan dalam sistem ini. Mikrokontroler ini dipilih karena sangat sesuai untuk diaplikasikan pada perancangan autopilot UAV serta dengan perangkat lunak yang open source dapat memudahkan dalam pengembangan program autopilot.
Gambar 5 Ardupilot Mega
IMU atau Inertial Measurement Unit merupakan perangkat yang dibutuhkan untuk membentuk suatu sistem autopilot disamping GPS dan Ardupilot mega sebagai mikrokontroler. Dengan adanya beberapa sensor yang telah terintegrasi dalam IMU, diharapkan akan meminimalisasi adanya noise dalam komunikasi data antara sensor menuju mikrokontroler Bentuk IMU dapat dilihat pada Gambar 6
Gambar 6 Rangkaian IMU
Arduino dipakai untuk mendowload program yang kita buat dari komputer ke dalam Mikrokontrol Ardupilot Mega. Software dari Arduino memiliki bahasa pemrograman sendiri. Arduino merupakan sistem mikrokontroler yang relatif mudah dan cepat dalam membuat aplikasi elektronika maupun robotika. Sedangkan untuk mengamati perubahan yang terjadi menggunakan APM (Ardupilot Planner Mega). Pada APM dapat mengubah parameter kontrol, mengambil data dan mengubah setingan mode sesuai yang kita inginkan
Gambar 7 Tampilan Arduino dan Ardu Planner Mega[7] D. Identifikasi Sistem
Identifikasi merupakan sebuah proses yang penting dalam siklus pengaturan. Identifikasi diperlukan untuk mengetahui karakteristik dari suatu sistem bedasarkan model matematis yang telah diperoleh. Pada Tugas Akhir ini identifikasi dilakukan dengan memberi sudut acak terhadap pesawat melalui defleksi elevator kemudian mengamati keluaran sudut pitch dari pesawat.
Hasil identifikasi plant memperoleh fungsi alih dapat dilihat pada Tabel 1 sebagai berikut:
Tabel 1 Fungsi Alih Plant
Kecepatan Propeller Fungsi alih plant
21% G(s) = 427 , 2 943 , 8 507 , 8 438 , 3 2 s s 48% G(s) = 044 , 4 09 , 5 956 , 4 26 , 11 2 s s 72% G(s) = 3 , 19 14 , 13 67 , 74 622 , 9 2 s s s E. Perancangan Kontroler
Pada penelitian ini kontroler PID-Fuzzy digunakan untuk menjaga kestabilan sudut pitch pesawat saat terbang mengikuti lintasan yang telah direncanakan Untuk mendapatkan besarnya sudut pitch, maka disetiap persamaan pitch rate harus dikalikan dengan integrator. Karena PID hanya bisa dihitung dengan pendekatan orde dua, sementara fungsi alih plant adalah orde tiga, maka diberilah kompensator yang berfungsi sebagai filter. G(s) = 044 , 4 09 , 5 956 , 4 26 , 11 2 s s x s 1 = ) 044 , 4 09 , 5 ( ) 1 ) 956 , 4 / 26 , 11 (( 956 , 4 2 s s s s
Untuk nilai kompensatornya adalah
1 ) 956 , 4 / 26 , 11 ( s s
Sehingga nilai fungsi alih yang baru G(s) = ) 044 , 4 09 , 5 ( 956 , 4 2 s s
Fungsi alih inilai yang dipakai untuk mencari nilai parameter dari kontroler PID dengan rumus :
jika fungsi alih plant adalah G(s) = 2 2
2 2 n n n s s K (3.1) maka nilai i= n 2 (3.2) d= n 2 1 (3.3)
Kp = K i * (3.4) Tabel 2 Nilai Perhitungan Parameter Kontroler PID
Kp i d G(s)= 427 . 2 943 . 8 507 . 8 438 . 3 2 s s 2.75 0.2 0.23 G(s)= 044 . 4 09 . 5 956 . 4 26 . 11 2 s s 4 0.35 0.3 G(s)= 3 . 19 14 . 13 67 . 74 622 . 9 2 s s s 0.3 1.47 0.08
Hasil dari error reference yang diinginkan menjadi inputan nilai fuzzy. Pada kontroler ini, digunakan tiga buah fungsi keanggotaan yang digunakan untuk mendefinisikan setiap masukan dan keluarannya. Untuk setiap nilai masukan, range nilai keanggotaan fuzzynya adalah [-0.3 0 0.1].
Aturan dasar dirancang berdasarkan nilai error dan perubahan nilai error reference pada kondisi perubahan kecepatan propeler.
Setelah itu dilakukan pengujian dengan cara memasukkan nilai x, kemudian dilihat apakah nilai outputnya sudah sesuai atau belum dengan nilai input yang diberikan.
IV. IMPLEMENTASIDANPENGUJIANSISTEM A. Hasil Simulasi
Setelah selesai mengintegrasikan komponen - komponen penyusun sistem kontrol proses yang dibangun, langkah selanjutnya adalah menjalankan dan melakukan pengujian terhadap sistem tersebut. Pengujian dilakukan dengan menggunakan simulasi rancangan gerak yang sudah diberi kontroler PID-Fuzzy. Hasil simulasi bisa dilihat pada Gambar 8 dan Gambar 9. Pada Gambar 8 adalah hasil simulasi dengan pemberian kontroler PID-Fuzzy. Sedangkan pada Gambar 9 adalah hasil simulasi sudut pitch dengan pemberian kontroler PID-Fuzzy. 0 20 40 60 80 100 120 140 0 2 4 6 8 10 Time (detik) K e ti n g g ia n ( m e te r) Rancangan Gerak Respon Dengan Kontroler
Gambar 8 Hasil Simulasi Autolanding
0 20 40 60 80 100 120 140 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0 Time (detik) S u d u t P it c h ( d e ra ja t)
Sudut Pitch Rancangan Gerak Sudut Pitch Dengan Kontroler
Gambar 9 Hasil Simulasi Sudut Pitch
Dari hasil simulasi dapat diambil kesimpulan bahwa kontroler dapat mengikuti rancangan gerak yang diberikan.
Sedangkan pada sudut pitchnya, kontroler mampu mengikuti sudut
pitch yang diinginkan.
B. Hasil Implementasi
Pengambilan data implementasi dilakukan dengan cara mengatur perintah pada Ardu Mega Planer dengan perintah NAV_LAND. Kemudian pada nilai parameternya dimasukkan nilai parameter kontroler yang sudah dilakukan pada hasil simulasi. Nilai parameternya meliputi nilai ketinggian, altitude dan longitudenya. Kemudian pada program di arduinonya dimasukkan parameter nilai kontroler. Untuk nilai parameter yang pertama pada Ardu Mega Planner diberikan nilai 10 yang berarti ketinggian yang diinginkan ketika pesawat mulai autolanding. Sedangkan untuk parameter kedua dan ketiga adalah nilai altitude dan longitudenya. Untuk nilai altitude dan longitudenya didapat dengan cara memplot daerah yang akan dijadikan titik awal dan titik akhir ketika pesawat melakukan autolanding. Setelah titik awal dan titik akhir sudah diplot, maka muncul nilai altitude dan longitudenya. Sedangkan untuk nilai parameter kontroler PID-Fuzzy, diprogram melalui Arduino dengan nilai sebesar Kp = 4, Ki = 0,39488, Kd = 0,92. Pada Gambar 10 adalah tampilan Ardu Mega Planner, sedangkan pada Gambar 11 adalah tampilan Google Earth yang menampilkan data hasil implementasi autolanding.
Gambar 10 Tampilan Ardu Mega Planner[7]
Gambar 11 Tampilan Google Earth
Hasil implementasi Autolanding (ditunjukkan pada Gambar 11 yang berwarna hijau) memberikan nilai yang berbeda dengan setpoint yang diberikan (ditunjukkan pada Gambar 11 yang berwarna hitam). Hal ini disebabkan karena akurasi sensor GPS yang kurang akurat sehingga mengakibatkan perbedaan nilai pembacaan respon hasil implementasi.
V. KESIMPULAN/RINGKASAN
Dari berapa percobaan dan pengujian yang dilakukan dalam penelitian Tugas Akhir ini, dapat diambil beberapa kesimpulan, yaitu:
1. Hasil simulasi sistem dengan kontroler PID-Fuzzy memberikan nilai keluaran yang mendekati nilai setpoint yang diberikan dengan nilai error sebesar 5% 2. Pada hasil Implementasi, nilai parameter kontroler
yang diberikan adalah sebesar Kp = 4, Ki = 0,39488, dan Kd = 0,92
3. Hasil implementasi autolanding memberikan nilai yang berbeda dengan setpoint yang diberikan. Hal ini disebabkan karena akurasi sensor GPS yang kurang akurat sehingga mengakibatkan perbedaan nilai pembacaan respon hasil implementasi
.
UCAPANTERIMAKASIH
Terima kasih penulis ucapkan kepada ibu tercinta atas segala dukungan moral, materi, semangat, dan doanya yang tak pernah berhenti mengalir; kepada Pak Katjuk, Pak Joko, Pak Rusdhianto selaku dosen pembimbing yang telah memberikan banyak arahan, dukungan dan motivasi dalam proses pengerjaan Tugas Akhir, dan kepada si Pilot Andre serta teman-teman UAV Hery dan Nurdin untuk kerjasamanya.
DAFTARPUSTAKA
[1] Mclean, D., “Automatic Flight Control Systems”, Prentice Hall, Hertfordshire, Ch. 2, 1990.
[2] Valavanis, P., Kimon, “Advances in Unmanned Aerial Vehicles”, State of the Art and the Road to Autonomy, Ch. 1, 2007
[3] Huda, T., “Perancangan dan Implementasi Kontroler Fuzzy Prediktif Untuk Tracking Ketinggian Aktual Pada UAV (Unmanned Aerial Vehicle)”, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2012
[4] Riseborough,P. “Automatic Take-Off and Landing Control for Small UAV’s”. BAE Systems Australia, Melbourne
[5] Upadana, P.M.A., ”Perancangan dan Implementasi Kontroler PID Prediktif Pada Proses Landing UAV (Unmanned Aerial Vehicle)”,
Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh
Nopember, Surabaya, 2012
[6] Membala, A., “Perancangan dan Implementasi Prediktif State Feedback Untuk Tracking Waypoint Berdasarkan Pada Gerakan Longitudinal UAV (Unmanned Aerial Vehicle)”, Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember, Surabaya, 2012. [7] _____, “DIY Drones”,
