RANCANG BANGUN PROTOTIPE SISTEM HEADING
AUTOPILOT BERBASIS RA TE-GYROSCOPE DAN
MICROCONTROLLER
Wahyu WldadaPenellti Pusat Teknologl Wahana Dirgantara, LAPAN
ABSTRACT
This p a p e r d i s c u s s e s an experiment result of the prototype system feedback control for vehicle heading autopilot. The heading angle is m e a s u r e d with a rate-gyroscope a n d controlling with a control system based on a microcontroller and a stepper motor. This system is successfully realized within 0.5 degree of the error for heading angle. The accuracy of heading sensor is decrease d u e to vibration from stepper motor. To overcome s u c h problem we recommended to u s e an analog lowpass filter arid a mounting a n t i vibration.
ABSTRAK
Tulisan ini m e m b a h a s eksperimen prototip feedback control sistem s e d e r h a n a u n t u k heading autopilot p a d a w a h a n a bergerak. S u d u t heading dibaca dengan
rate-gyroscope d a n d i k e n d a l i k a n d e n g a n s e b u a h kontrol b e r b a s i s mikrokontroler dengan stepper motor. Sistem ini telah berhasil direalisasikan dengan s u d u t k e s a l a h a n tidak
lebih dari 0.5° dari s u d u t heading, sehingga c u k u p a k u r a t u n t u k w a h a n a terbang. Sistem sensor rotasi t e r p e n g a r u h oleh vibrasi motor, sehingga d i g u n a k a n analog
lowpass filter d a n mounting a n t i vibrasi u n t u k memperkecil efek t e r s e b u t .
Kala kunci: Heading autopilot. Rate-gyroscope, Stepper motor. Vehicle, AVR microcontroller 1 PENPAHULUAN
Autopilot m e r u p a k a n aplikasi
kontrol sistem p a d a w a h a n a bergerak seperti pesawat terbang, helikopter, a t a u kapal laut, yang berfungsi u n t u k m e m b u a t stabil arah gerak d a l a m w a k t u yang dikehendaki dan arah lintasan yang sudah terprogrflm. contohnya p a d a pesawat terbang a t a u kapal dalam perjalanan yang sangat j a u h . Perkembangan
Nano-technotogy d a n Micro-Electro Mechanical-System MEMS {sensor acceterometer dan gyroscope d a l a m b e n t u k IC) telah
ber-kembang p e s a t dalam dekade ini. Sehingga dengan teknologi tersebut dapat d i b u a t b e r m a c a m s e n s o r d a n kontroler b e r b e n t u k kecil d a n d a p a t diaplikasikan p a d a w a h a n a bergerak yang relatif kecil. Pengembangan prototip
autopilot d i g u n a k a n u n t u k pengujian
algoritma kontrol b a r u d a n k e h a n d a l a n
komponen elektronik lainnya seperti sensor d a n mikroprosesor.
Dalam bidang kendali roket sistem kontrol digunakan u n t u k m e m a n d u roket menuju a r a h y a n g diinginkan. Lintasan roket d a p a t dibaca dari sensor inersia m a u p u n t a m b a h a n dari d a t a GPS. P e r u b a h a n gerak lintasan roket dengan cara mengubah arah daya dorong motor roket, a t a u dengan memutar beberapa derajat kemiringan sirip roket dengan m e m a n f a a t k a n prinsip gaya aerodinamika. U n t u k mengembangkan sistem ini, p e n g g u n a a n rate-gyroscope s a m p a i p e r h i t u n g a n s u d u t s e r t a control
actuator y a n g stabil m e r u p a k a n bagian
sistem y a n g penting. Pengembangan
rate-gyroscope menjadi sistem sensor
rotasi telah dikembangkan dan ditulis dalam tulisan p a d a referensi dengan lebih detail. Sistem sensor tersebut telah
berhasil d i k e m b a n g k a n menjadi sistem yang stabil dalam selang w a k t u peng-u k peng-u r a n terbang roket. Sistem kontxol
actuator h a r u s stabil, h a l ini h a r u s
d i t a m b a h k a n gear-box agar lebih presisi. Tulisan ini m e m b a h a s prototip sistem kontrol s e d e r h a n a u n t u k heading
autopilot w a h a n a bergerak. Sebagai
sensor heading m e n g g u n a k a n s e b u a h
rate-gyroscope d a n stepper motor u n t u k actuator m e n g u b a h posisi a r a h . U n t u k
kestabilan stepper motor t e l a h digunakan
gear-box yang dapat m e n a m b a h a k u r a s i
d a n kestabilan respon gerak motor. Prototip sistem s e d e r h a n a ini d a p a t dikembangkan d a n diaplikasikan lebih lanjut u n t u k w a h a n a roket a t a u w a h a n a terbang lainnya. Sistem ini d a p a t dikom-binasikan dengan s e b u a h GPS sehingga perilaku d a n trayektori d a p a t dideteksi d a n d a p a t b e r k e m b a n g menjadi s e b u a h sistem autopilot y a n g lengkap. Algoritma pintar p a d a kontroler j u g a d a p a t dikem-bangkan lebih lanjut u n t u k mengkoreksi sensor u n i t p e n g u k u r a n inersia d a n sistem remote command dengan sistem telemetri.
2 BASIC TEORI KONTROL
Teori kontrol telah b e r k e m b a n g p e s a t dari yang s e d e r h a n a s a m p a i p a d a sistem yang sangat rumit. U n t u k mencoba s e b u a h algoritma kontrol b i a s a n y a m e n g g u n a k a n sistem y a n g disebut
hardware in the loop simulations. Agar
bisa cepat u n t u k m e m b u a t prototip d a n pengetesan algoritma b a r u tersebut. Gambar 2-1 adalah s e b u a h sistem kontrol sederhana (feedback control) u n t u k sistem
heading autopilot. P a d a g a m b a r tersebut,
i n p u t a r a h a k a n selalu d i p e r t a h a n k a n d e n g a n s e b u a h stepper motor. Apabila a d a p e r u b a h a n a r a h heading p a d a
rate-gyroscope, m a k a a k a n segera direspon
dengan stepper motor. P a d a s e bu a h roket balistik, p e r u b a h a n a r a h l i n t a s a n roket d i s e b a b k a n oleh faktor-faktor alami seperti angin d a n gaya aerodinamik roket t e r h a d a p atmosfer.
G a m b a r 2 - 1 : Blok diagram sistem
feed-back control (close-loop) heading autopilot u n t u k
w a h a n a b e r g e r a k
Salah s a t u c a r a u n t u k m e r u b a h a r a h a t a u m e m p e r t a h a n k a n n y a a d a l a h dengan m e r u b a h posisi sirip roket. Gambar 2-2 adalah sistem kontrol dengan simbol-simbol p a r a m e t e r n y a . G a m b a r 2-2: G a m b a r sistem kontrol d e n g a n simbol-simbol para-meter Simbol E a d a l a h p e rb e da an nilai i n p u t s u d u t 6o d e n g a n respon s u d u t diperoleh 6 y a n g d a p a t di tulis menjadi p e r s a m a a n
(2-1)
D a d a l a h g a n g g u a n l u a r yang b e r u p a
gaya seperti angin d a n parameter lainnya y a n g m e m p e n g a r u h i gerak roket.
G a d a l a h p e r s a m a a n respon actuator y a n g b e r h u b u n g a n d e n g a n k e l u a r a n
Dari p e r s a m a a n (2-3), sistem terlihat stabil baik p a d a parameter gangguan m a u p u n p a d a input s u d u t . Misalnya nilai G adalah 100, m a k a p a d a gangguan menjadiD/101 dan (100/101)00, dimana hasilnya m a s i h mendekati nilai
input awal. P e m ba c a a n sensor j u g a
mempunyai noise yang menyebabkan sistem k u r a n g stabil. Dalam sistem persamaan kali ini, k e s a l a h a n b a c a sensor s e m e n t a r a diabaikan, hal ini terlihat p a d a tulisan sebelumnya yang mendapat hasil k e s a l a h a n b a c a k u r a n g lebih h a n y a 0.1 derajat dalam waktu d u a menit lebih.
3 SET UP INSTRUMENT
Set up system autopilot seperti
pada Gambar 3-1. Rate-gyroscope diletak-kan p a d a piringan yang terbuat dari mika dengan sebuah stepper motor d a n
gear-box y a n g diletakkan di bawahnya.
G a m b a r set up i n s t r u m e n seperti p a d a G a m b a r 3-2.
G a m b a r 3-2: Set up instrumentasi heading
autopilot
3 . 1 Sensor Sudut Heading
P e r u b a h a n s u d u t heading dibaca dari integral data rate-gyroscope (TOKIN-CG16, Tokin Electronics) seperti p a d a Gambar 3-3. Kecepatan s u d u t maksimum adalah 90°/detik. Kecepatan ini u n t u k m e n g u k u r p e r u b a h a n heading seperti pesawat terbang, roket, d a n Iain-lain s u d a h c u k u p . Kecuali u n t u k rolling roket yang m e m e r i u k a n kecepatan s u d u t yang lebih besar. Sensor ini sangat r e n t a n t e r h a d a p vibrasi rotasi, sehingga memer-iukan filtering (LTC1062, Linear
Techno-logy) yang benar. Hal ini telah d i b a h a s
secara detail p a d a tulisan sebelumnya. Contoh gambar filter yang d i g u n a k a n seperti p a d a Gambar 3-4.
G a m b a r 3 - 1 : Bagan prototip sistem
heading autopilot
G a m b a r 3-3: Bagan sensor s u d u t heading dengan s e b u a h
G a m b a r 3-4: IC 5-order butterwort lowpass filter LTC1062 {cutoff fre-k u e n s i = 10 Hz)
3 . 2 Kontroler Stepper Motor
J e n i s actuator yang d i g u n a k a n adalah stepper motor (SHINANO KENSI Co.Ltd.) yang biasa digunakan pada floppy drive model k o m p u t e r lama, d i t a m b a h dengan sebuah gear-box. Kontroler stepper motor ini m e n g g u n a k a n s e b u a h
micro-controller yang j u g a digunakan u n t u k
pengontrol autopilot Maksimum kecepatan p u t a r adalah 5 p u t a r a n tiap detik (200 ms tiap p u t a r a n ) . Gear-box ini d a p a t menye-imbangkan kemampuan maksimal stepper motor d a n k e c e p a t a n s u d u t maksimal p a d a sensor rate-gyroscope. Sehingga sistem ini menjadi lebih optimal dan stabil.
Sistem koreksi s u d u t heading dalam prototip ini adalah m e m u t a r l a n g s u n g motor ke sensor rotasi. Sehingga transfer function prototip ini adalah mirip dengan transfer function u n t u k motor yang b e r u p a input voltase V d a n output b e r u p a s u d u t rotasi 9 yang dapat ditulis dengan p e r s a m a a n :
dengan
J (kgmV2) adalah momen inersia rotor.
b adalah damping ratio sistem mekanik
(Nms).
K adalah kostanta electromotive (Nm/Amp). R a d a l a h t a h a n a n listrik (ohm).
L adalah induksi listrik (H).
Sehingga apabila disimulasikan dengan a s u m s i parameter sebagai berikut.
J= 10E-5;b= 10E-5;if=0.01;i?=5;L = 3E-6;
Maka dengan b a n t u a n software MATLAB a k a n diperoleh step-respon terhadap sistem ini menjadi Gambar 3-5.
Waktu (detik)
Gambar 3-5: Step-respon t e r h a d a p sistem
transfer function motor
p a d a p e r s a m a a n (3-1)
Dari Gambar 3-2 dapat disimpul-k a n bahwa dengan memberi input 1 Volt t e r h a d a p motor m a k a a k a n diperoleh p e r u b a h a n s u d u t menjadi kira-kira 22 derajat. J i k a digunakan gear dengan rasio 30 m a k a a k a n diperoleh p e r u b a h a n s u d u t menjadi 2 2 / 3 0 = 0.7 derajat. Sistem ini m e n g g u n a k a n stepper motor, yang mempunyai akurasi tiap step kira-kira
1.8 derajat setelah diberi p u l s a voltase. Dari p e r s a m a a n (3-1) di a t a s apabila
stepper motor dikoneksikan misalnya
p a d a sirip roket a t a u sayap pesawat
modeling, m a k a transfer function tersebut
dapat dikombinasikan dengan transfer
function p a d a sirip tersebut. Terakhir
dengan memberikan input tegangan ke motor a k a n b e r u b a h menjadi output p e r u b a h a n dinamik w a h a n a terbang. Hal ini perlu dilakukan analisa simulasi dan p e m b u a t a n prototip aerodinamik yang dapat kita uji di fasilitas uji terowongan angin yang telah dimiliki LAPAN.
3.3 Algoritma dan S i s t e m Autopilot
Mikroprosesor
Prosesor y a n g digunakan p a d a
autopilot a d a l a h s e b u a h mikrokontroler
AVR dari ATMEL (ATmega 32 16PC) dengan frekuensi kristal 11.0592 MHz seperti G a m b a r 3-6. Prosesor ini c u k u p handal u n t u k mengolah d a t a analog kecepatan s u d u t menjadi p e r u b a h a n s u d u t d a n d a p a t j u g a sebagai controller
stepper motor u n t u k m e m p e r t a h a n k a n
s u d u t input dari gangguan luar yang menyebabkan s u d u t headingnya sedikit berubah. Seperti p a d a Gambar 3-7, secara u m u m apabila s u d u t masih dalam a r a h heading yang diinginkan,
stepper motor tidak merespon.
Gambar 3-6: Mikroprosesor u n t u k sistem
autopilot, stepper control
d a n sensor d a t a akusisi Kemudian apabila dalam looping dengan j e d a w a k t u 1 ms hasil pem-baca an s u d u t heading berubah, m a k a motor a k a n m e r e s p o n s a m p a i s u d u t tersebut kembali seperti semula. Gangguan luar ini dapat b e r u p a angin, perbedaan t e k a n a n dan titik berat yang berubah k a r e n a b a h a n b a k a r motor roket yang berkurang. Maksimum p a r a -meter akurasi ke sa la ha n E dapat dirubah sesuai aplikasi, d a n j u g a tergantung akurasi sensor d a n a k t u a t o r yang digunakan. U n t u k eksperimen prototip kali ini, p a r a m e t e r k e s a l a h a n s u d u t adalah setengah derajat.
Algoritma sistem ini masih seder-hana, p e n g e m b a n g a n menjadi sistem
yang lebih komplek perlu dilakukan seperti p e n g g u n a a n k a l m a n filter u n t u k koreksi trayektori serta p e n g g u n a a n t a m b a h a n sensor d a n pengontrolan
actuator lebih dari s a t u d a n sistem
tele-metri. Perhitungan p a r a m e t e r dinamik seperti kecepatan angular body roket, transformasi koordinat fixed body roket ke local level koordinat j u g a perlu di-l a k u k a n . Sehingga perdi-lu m e n g g u n a k a n mikroprosesor yang lebih baik perfor-m a n n y a .
Untuk monitoring perubahan s u d u t dari rate-gyroscope, dilakukan dengan komunikasi d a t a via RS232 ke k o m p u t e r dengan kecepatan transfer 115.2 kbps. Untuk mudahnya, perubahan s u d u t ter-sebut dapat diamati dengan menggunakan
software hyperterminal yang biasa a d a
p a d a setiap PC.
Gambar 3-7: Algoritma kontrol feedback u n t u k heading autopilot. Parameter E adalah maksi-m u maksi-m faktor k e s a l a h a n 4 PENGUJIAN SISTEM
Pada eksperimen pengujian pro-totip kali ini dilakukan dengan d u a m a c a m percobaan, p e r t a m a pengujian kestabilan sistem t a n p a a d a gangguan. Kemudian pengujian dengan d i t a m b a h
gangguan agar s u d u t heading sedikit a d a p e r u b a h a n b a i k s e a r a h j a r u m j a m d a n sebaliknya.
4.1 Kestabilan S i s t e m
Seperti pada Gambar 4 - 1 , sistem diaktifkan t a n p a a d a n y a gangguan. Proses ini s a m a d e n g a n pengujian kesta-bilan p e m b a c a a n s u d u t p a d a sensor itu sendiri. Seperti telah ditulis p a d a paper yang lalu, sensor dari rate-gyroscope ini c u k u p teruji s a m p a i lebih dari d u a menit d e n g a n tingkat k e s a l a h a n s u d u t y a n g relatif kecil. Pada pengujian terlihat stabil p a d a a r a h s u d u t nol derajat, dengan hasil k u r a n g dari 0.5 derajat dalam b e b e r a p a menit. Hasil ini a k a n berbeda jika a d a g a n g u a n luar m a u p u n dari
sistem itu sendiri seperti dari vibrasi motor. Pengaruh tersebut a k a n meng-ganggu kondisi stabil signal gyro s a a t diam, sehingga p a d a proses integral a k a n m u n c u l k e s a l a h a n yang tidak dikehendaki.
Arah heading
Gambar 4 - 1 : Arah s u d u t heading dan k e s a l a h a n s u d u t k a r e n a gangguan dari luar
4 . 2 Pengujian Dengan Gangguan Luar Dengan sedikit gangguan d e n g a n m e m u t a r s u d u t k e s e l u r u h a n pro to tip, m a k a sensor rotasi a k a n b e r u b a h . Peru-b a h a n segera direspon oleh stepper motor u n t u k memperbaiki k e s a l a h a n s u d u t . Proses looping ini berjalan kira-kira total 5 msec t e r m a s u k proses gerak p u t a r motor, sehingga c u k u p cepat. Set up maksimum kesalahan adalah 0.5 derajat, sehingga jika p e m b a c a a n s u d u t lebih dari ± 0 . 5 ° m a k a actuator a k a n merespon. Akan tetapi sensor rotasi menjadi tidak a k u r a t pada saat stepper motor bergerak. Sehingga m e n y e b a b k a n proses m e n u j u stabil menjadi b e r t a m b a h lama. Hal ini d i s e b a b k a n a d a n y a angular vibrasi y a n g terjadi p a d a motor. Secara teori, stepper motor a k a n menuju s u d u t tujuan b e r d a s a r k a n p u l s a yang diterima, a d a sedikit vibrasi d i k a r e n a k a n p u t a r a n melebihi t u j u a n d a n kembali b e r k u r a n g d a n s e t e r u s n y a s a m p a i p a d a tujuan yang stabil (Gambar 4-2). P a d a sis tern elektronik sensor telah d i g u n a k a n filter. S e m e n t a r a cut off frekuensi low pass
filter p a d a sensor t e r s e b u t adalah 10Hz,
sehingga angular vibrasi dengan amplitude kira-kira 2.5° masih terdeteksi. Agar lebih stabil, m a k a cut off low pass filter diperkecil menjadi sekitar 4 . 5 Hz y a n g d i h i t u n g d e n g a n r u m u s /c = 9 0 / 4 / d e g ,
agar amplitudo vibrasi dibawah 5° dapat dihilangkan.
Gambar 4-2: Ilustrasi rotor saat menerima p u l s a u n t u k menuju target s u d u t . Akan terjadi vibrasi jika belum s a m p a i p a d a
target s u d u t . Hal ini ber-ulang-ulang p a d a setiap p u t a r a n p u l s a
Untuk mengantisipasi vibrasi ini perlu d i b u a t s t r u k t u r y a n g lebih presisi dan stabil. Misalnya dengan mengguna-kan DC motor d a n s t r u k t u r dari alumunium y a n g kokoh. Selain tersebut, penggunaan b a h a n anti-vibrasi (contoh: karet) u n t u k mounting s e n s o r rotasi j u g a perlu digunakan u n t u k mereduksi pengaruh vibrasi.
5 KESIHPULAN DAN SARAN
Telah dikembangkan sebuah sistem
heading autopilot s e d e r h a n a berbasis rate-gyroscope d a n microcontroller.
Kestabilan sistem ini s a n g a t bergantung pada sensor rate-gyroscope. Sensor rotasi terganggu dengan vibrasi y a n g ditimbul-kan oleh stepper motor, sehingga peng-gunaan s t r u k t u r y a n g stabil, pengguna-an DC motor y a n g lebih h a l u s , serta penggunaan b a h a n anti-vibrasi s a n g a t direkomendasikan. Sistem ini c u k u p stabil dengan gangguan dari luar, hal ini disebabkan oleh gear-box c u k u p k u a t u n t u k m e n a h a n p e r u b a h a n s u d u t dari pengaruh faktor luar. Akan d i l a k u k a n pengujian lebih lanjut d e n g a n kombinasi sistem telemetri dan remote-command.
Kombinasi dengan GPS dapat digunakan u n t u k mengkoreksi posisi s u d u t p a d a gyroscope u n t u k sistem w a h a n a yang j a r a k t e m p u h j a u h . Sistem
ini c u k u p cocok u n t u k w a h a n a dengan jarak t e m p u h p e n d e k d a n dalam waktu yang relatif singkat. Pengujian prototip
ini masih dalam pengujian sistem di laboratorium yang bersifat pengembangan algoritma kontrol sehingga m a s i h perlu dilakukan p e n g e m b a n g a n s t r u k t u r dan pengujian aplikasi p a d a w a h a n a ber-gerak.
DAFTAR RUJUKAN
Data Sheet: 1-Axial Ceramic Gyroscope TOK1N, www.tokin.cojp.
D a t a Sheet: AVR ATmega32
micro-controller, www.atmel.com
J o h n H.B., 1965. Automatic Control of
Aircraft and Missiles" J o h n Wiley &
Sons, Inc.
K.J.Astrom, 2 0 0 4 . Feedback Systems: An
Introduction for Scientists and Engineers, California Institute of
Technology.
W. Widada, 2 0 0 3 . Prediksi Trayektori
Waktu-Nyata Roket Balistik Dengan Menggunakan GPS, J u r n a l
TeKno-logi Dirgantara Vol. 1 No. 1, p. 33-37. Wahyu Widada, 2 0 0 3 . Metoda
Peng-koreksian Data Realtime GPS Peta Jalan Untuk Sistem Nauigasi Kendaraan, Proceeding Seminar
Nasional Iptek Dirgantara.
Wahyu Widada, 2 0 0 4 . Rancang Bangun
Sistem Flight-recorder Sederhana untuk Peluncuran Roket, J u r n a l
Teknologi Dirgantara.
Wahyu W., 2 0 0 5 . Pengujian 3-Axis
Acce-lerometer Sebagai Tilt-Sensing Dengan Visualisasi Grafik OpenGL,
JANAS.
Wahyu W., 2 0 0 5 . Rancang Bangun Sistem
Kalibrasi Rotasi Rate-Gyroscope untuk Sistem Pengukuran Inersia Payload Roket, submitted JANAS
Wahyu Widada, 2 0 0 5 . Rancang Bangun
Sistem Sensor Rotasi 3-Axis Berb<isis Rate-Gyroscope dan Mikroprosesor.
JANAS.
Wahyu Widada, 2005.Kalibrasi
Accelero-meter Untuk Sistem Pengukuran Vibrasi Roket, JANAS.
