Prosiding Seminar Nasional Teknologi Terapan SV UGM 2014 1
SISTEM FUZZY-PID CONTROLLER UNTUK MENJAGA
KETINGGIAN TERBANG QUADCOPTER
Leonardie Haryanto
1, Yohanes Gunawan Yusuf
2, Hendi Wicaksono
3 Electrical Engineering Dept. Universitas Surabaya, Raya Kalirungkut Surabaya,1leonardieharyanto@icloud.com, 2 yohanesgunawan@staff.ubaya.ac.id, 3 hendi@ubaya.ac.id
ABSTRAK— Quadcopter merupakan salah satu UAV (Unmanned Aerial Vehicle) yang saat ini sudah banyak berkembang di kehidupan sehari-hari. Quadcopter ini sendiri mempunyai kemampuan untuk melakukan Vertical Take Off and Landing. Quadcopter ini juga memiliki 3 kemampuan gerakan terbang untuk bermanuver, yaitu gerakan pitch (gerakan ke depan dan belakang), gerakan roll (gerakan ke samping), dan gerakan yaw (gerakan memutar) dan hal tersebut didukung dengan adanya 4 buah rotor dan 4 buah propeller sebagai penggeraknya. Quadcopter sendiri memerlukan sebuah kontroler yang mengatur kecepatan 4 buah rotor agar bergerak menjadi 3 gerakan tersebut. Kontroler terbang yang sering digunakan dan mempunyai harga yang bisa dijangkau yaitu board kontroler KK2.0. Namun pada kontroler KK2.0 ini sendiri mempunyai kekurangan, yaitu tidak adanya fitur Altitude lock. Untuk mengatasi ketidak adaanya fitur ini maka ditambahkan kontroler baru yaitu YoHe v2.0 yang nantinya diberikan fitur untuk Altitude lock. Fitur Altitude lock dalam paper ini didesain dan diprogram dengan menggunakan Fuzzy-PID Controller dan menggunakan sensor ultrasonik SRF05 sebagai acuan ketinggian. Nantinya diambil bacaan data sensor, nilai perubahan KP KI KD sehingga bisa diteliti lebih lanjut. Setelah dibuat kontroler baru tersebut, Quadcopter yang sekarang mempunyai kemampuan untuk Altitude Lock dengan kemampuan yang stabil sehingga kontroler YoHe v2.0 ini dapat menjaga ketinggian di tingkat osilasi ± 30cm dari ketinggian yang sudah ditentukan.
Kata kunci: Altitude Lock, Fuzzy-PID Controller, Quadcopter, Board YoHe v2.0.
I. PENDAHULUAN
Pada saat ini terdapat berbagai macam UAV (Unmanned Aerial Vehicle) sehingga tidak memerlukan pilot untuk menerbangkannya, salah satunya yang akan di pakai di paper ini adalah Quadcopter. Quadcopter sendiri adalah pesawat tanpa awak yang mempunyai 4 buah motor dan 4
buah baling-baling (propeller). Prinsip terbang Quadcopter mempunyai kemampuan untuk melakukan Vertical Take Off and Landing (Bouabdallah, Murrieri, & Siegwart, 2004) . Hal tersebut didukung dengan adanya 4 buah rotor dan 4 buah propeller sebagai penggeraknya. QuadCopter sendiri mempunyai 3 kemampuan gerakan terbang untuk bermanuver, yaitu gerakan pitch, gerakan roll, dan gerakan yaw (Salih & Moghavvemi, 2010). Akibat dari gerakan pitch, roll, dan yaw itu sendiri menyebabkan terbang Quadcopter cenderung turun kebawah sehingga dibutuhkan sebuah sistem kontrol yang dapat menjaga ketinggian Quadcopter.
Pada makalah (Paper) ini Quadcopter menggunakan sebuah kontroler yaitu KK2.0. Tetapi pada kontroler KK2.0 ini memiliki kekurangan yaitu tidak mempunyai kemampuan untuk altitude lock sehingga tidak bisa menjaga ketinggian di titik tertentu. Oleh karena itu diperlukanlah sebuah kontroler baru agar bisa digunakan untuk mengatur ketinggian agar stabil. Dari sebab itu dibuatlah board kontroler baru yaitu YoHe v2.0 yang kemudian dalam kontroler tersebut diimplementasikan system FUZZY-PID Controller dengan menggunakan sensor ultrasonik sebagai acuan ketinggian. Sehingga nantinya setelah diberikan board YoHE v2.0 nantinya quadcopter akan mempunyai kemampuan untuk altitude lock sehingga bisa menjaga ketinggian di titik tertentu dengan error ± 30 cm dari ketinggian yang sudah ditentukan. Penulisan makalah ini nantinya akan disusun dalam 4 sub pembahasan, yaitu struktur Quadcopter yang digunakan, desain sistem kontrol Fuzzy-PID, analisis performansi sistem kontrol Fuzzy-PID, dan simpulan.
Prosiding Seminar Nasional Teknologi Terapan SV UGM 2014 2
II. STRUKTUR QUADCOPTER
Pada makalah ini, Quadcopter yang digunakan membutuhkan beberapa bagian yang harus dirakit dan dipasang antara lain sebuah frame model x copter yang kemudian dipasang dengan 4 buah motor 3 fasa,4 buah Electronic Speed Controller (ESC) , propeller (baling-baling), flight controller, baterai dan remote control beserta modul TX-RX. Spesifikasi komponen Quadcopter dapat dilihat di Tabel 1.
Tabel 1. Spesifikasi Komponen Quadcopter
No Barang Jumlah Merk
1 Frame X-Copter 1 Whirlwind FY 450 2 Propeller 2 CW, 2CCW DJI 3 Motor Brushless 4 NTM Prop Drive 1000KV 4 ESC 4 ZTW Spider OPTO
30A 5 Flight Controller 1 KK2.0 6 Baterai Li-Po 3 cell 1 Turnigy 7 R/C 1 Orange RX DSM2 T-SIX, 2.4 GHZ
Setelah semua bagian Quadcopter pada terpasang, maka yang dilakukan selanjutnya adalah melakukan pengabelan yang bisa dilihat dari pada gambar 1. Dari channel 1 – 5 yaitu channel throttle, aileron, elevator, rudder, dan gear pada RX dihubungkan dengan board kontroler KK2.0 pada bagian input. Channel 5 atau gear ini berfungsi sebagai self leveling. Kemudian kontroler KK2.0 bagian output ini dihubungkan dengan ESC pada bagian input sinyal.Tetapi pada ESC tipe ZTW ini tidak mempunyai rangkaian BEC (Battery Eliminator Circuit) sehingga tidak mampu mensuplai suplai 5v sehingga dibutuhkan rangkaian BEC atau regulator yang nantinya akan diambil suplainya dari channel rx battery bind. Selanjutnya dari ESC dihubungkan dengan motor dan propeller. Sedangkan untuk pengabelan mode altitude lock perbedaanya adalah pada channel 1 yaitu sinyal throttle dari RX yang semula masuk ke KK2.0 diputus dan dihubungkan ke kontroler tambahan yang sudah dibuat sebelumnya yaitu board YoHe sebagai input dan kemudian output dari board YoHe dihubungkan ke KK2.0. Kemudian sisa channel dari RX yaitu dari cahnnel 6 – 8 juga dihubungkan ke board YoHe.
Channel 6 ini berfungsi sebagai penentu Quadcopter dikendalikan manual atau auto. Kemudian board YoHe ini juga menerima sinyal dari sensor ultrasonik SRF05 sebagai pengukur ketinggian yang bisa dilihat dari Gambar 2.
Gambar 1. Skema Pengabelan Quadcopter
Gambar 2. Skema Pengabelan Quadcopter dengan Sistem Auto Altitude Lock
III. DESAIN SISTEM KONTROL FUZZY-PID
Dalam makalah ini untuk mengendalikan altitude lock menggunakan sistem kontrol Fuzzy-PID yang diprogramkan ke board YoHe v2.0 yang menggunakan IC ATMega2560 sebagai IC mikrokontroler. ATMega2560 ini mempunyai kapasitas memori program sebesar 256 KB. Program berbasis system Fuzzy PID ini dibedakan menjadi 2 tahap yaitu proses fuzzy dan PID yang dimana nantinya omf dari fuzzy akan digunakan sebagai perubahan KP KI dan KD secara otomatis sehingga mudah dilakukan perubahan range tuningnya karena sudah dilakukan secara otomatis oleh proses fuzzy berbeda dengan proses PID biasa yang pengaturan nilai KP KI dan KD nya dilakukan secara manual dan memakan waktu yang lama. Sehingga jika dibandingkan dengan PID biasa,hasil dari FUZZY PID ini nantinya akan lebih mulus jalannya.
Sistem kontrol altitude lock yang dibuat mempunyai alur proses sebagai berikut. (1) Switch mode auto aktif dan dibaca board Yo-He, (2) pengambilan target ketinggian dari nilai bacaan sensor ultrasonik pertama kali ketika switch mode auto aktif sebagai setpoint. (3) pengambilan nilai throttle saat switch mode auto aktif menjadi nilai throttle awal, (4) error (E) didapatkan dari selisih nilai pembacaan sensor ultrasonik dengan nilai target ketinggian (setpoint), delta error (dE) didapatkan dari selisih error sekarang dan sebelumnya. Input sistem kontrol Fuzzy adalah nilai E dan dE (5) proses kalkulasi Fuzzy dijalankan (6) output proses kalkulasi yang berupa nilai KP, KI
Prosiding Seminar Nasional Teknologi Terapan SV UGM 2014 3 dan KD (7) kemudian diproses lagi dengan proses
kalkulasi PID yang sudah ditentukan dan hasilnya nanti ditambahkan dengan nilai throttle dan dikirimkan ke board KK2.0. Alur sistem kontrol Fuzzy PID terdapat pada Gambar 3.
Gambar 3. Alur Sistem Kontrol Fuzzy PID
Dalam mendesain Fuzzy ini terdapat 3 tahap yaitu Fuzzifier, Interference, Defuzzifier. Dalam proses Fuzzifier ini terdapat 2 inputan yaitu Error dan dError. Hasil Error ini didapatkan dari hasil selisih setpoint dengan hasil ultrasonik sekarang, dan dError (Delta Error) didapatkan dari hasil Error sekarang dikurangi Error sebelumnya. Pada desain ini nantinya akan ditentukan kombinasi inputnya dan yang terbaik yaitu menggunakan 3 input dari error yaitu NE (Negative Error), ZE (Zero Error), PE (Postive Error) dan 3 input dari dError yaitu ND (Negative dError), ZD (Zero dError), PD (Postive dError). Bentuk grafik membership function dari Fuzzy sets E dan Fuzzy sets dE dapat dilihat pada gambar 4.
Gambar 4. Kombinasi membership function Error dan dError
Setelah didapatkan hasil dari proses Fuzzifier, nantinya akan lanjut ke proses penentuan interference, dan akan didapat hasil dari rule basenya. Untuk Output membership fuction mempunyai bentuk membership function berupa fuzzy singleton dengan 5 linguistic labels yaitu VDown (VeryDown), Down, Stay, Up, VUp (VeryUP) yang nantinya label tersebut digunakan dalam penentuan rule. Grafik dari penentuan rule base nya dapat dilihat pada gambar 5.
Gambar 5. Rule Base dari Error dan dError Setelah itu di proses Defuzzifier nantinya akan didapatkan nilai linguistic value dari KP KI dan KD yang sudah optimal untuk menentukan nilai dari proses PID. Bentuk grafik untuk OMF bisa dilihat di gambar 6.
Gambar 6. OMF dari KP KI dan KD
Pada bagian defuzzifier ini juga terdapat proses
defuzzification yang mengubah Fuzzy sets
kembali menjadi nilai crisp output. Pada
makalah ini menggunakan metode Center Of
Area (COA) dengan persamaan berikut
Sebelum membuat sistem fuzzy untuk KP KI dan KD, dilakukan penelitian terhadap nilai KP KI dan KD yang optimal untuk quadcopter. Setelah didapatkan nilai KP KI dan KD nantinya akan disempurnakan dengan menggunakan peng-optimalisasi KP KI dan KD.
Proses pengerjaan pada paper ini dilakukan dengan melakukan percobaan dengan menggoptimalisasi nilai P saja, PI dan PD. Setelah didapatkan Nilai KP KI dan KD yang optimal maka ditambahkan dengan proses Fuzzy yang sebelumnya digunakan untuk mengatur perubahan nilai K KI dan KD. Maka setelah ditambahkan hasil dari Fuzzy maka akan diteliti lagi hasil dari masing masing respon kombinasi kontrolernya dan dibandingkan dengan
Prosiding Seminar Nasional Teknologi Terapan SV UGM 2014 4 nilai yang hanya menggunakan nilai PID saja
dengan dibandingkan kembali hasil proses perubahan ketinggian Quadcopter terhadap setpoin sekarang dan perubahan dari nilai KP KI dan KD itu sendiri.
IV. ANALISIS PERFORMANSI SISTEM KONTROL FUZZY-PID
Dari percobaan yang didapatkan dari kontroler PID, maka didapatkan pemilihan nilai KP, KI dan KD yang optimal dengan osilasi dan ketidak stabilan paling baik maka data yang didapatkan sebagai berikut :
Gambar 7. Grafik P, Osilasi 47cm, dengan maks 162cm dan min 115cm
Gambar 8. Grafik PI, Osilasi 27cm, dengan maks 162cm dan min 115cm
Setelah mendapatkan nilai kombinasi KP KI dan KD yang paling baik maka berkutnya adalah melakukan optimalisasi performansi dari parameter-parameter fuzzy yang sudah didapatkan dan banyak dilakukan seperti mengubah IMF error dan delta error baik dari dari nilai maupun jumlah keanggotaannya, mengubah nilai-nilai OMF dari KP, KI dan KD, dan mengubah rule base. Berikut kombinasi perubahan yang dilakukan dan didapatkan kombinasi terbaik dapat dilihat melalui gambar 9.
Gambar 9. Tabel kombinasi fuzzy
Setelah membuat proses Fuzzy maka di implementasikan ke PID yang menjadi Fuzzy-PID maka dari hasil tersebut didapatkan data sebagai berikut :
Gambar 4. Grafik Fuzzy P, Osilasi 24cm dengan maks 127cm, dan min 103cm
V. SIMPULAN
Dengan konfigurasi parameter-parameter sistem kontrol Fuzzy-PID di atas didapatkan desain altitude lock untuk Quadcopter menggunakan sensorsonar berhasil mempertahankan ketinggian terbang Quadcopter disekitar ketinggian awal saat altitude lock diaktifkan. Setelah optimalisasi maka didapatkan osilasi paling rendah ± 25cm di berbagai ketinggian tanpa adanya gangguan distrubance
VI. UCAPAN TERIMA KASIH
Publikasi ilmiah yang berjudul sistem Fuzzy-PID controller untuk menjaga ketinggian terbang quadcopter merupakan salah satu publikasi ilmiah yang dihasilkan dari Penelitian Hibah Bersaing Dirjen Pendidikan Tinggi (Dikti) Indonesia tahun pendanaan 2014-2015. Penelitian Hibah Bersaing Dikti 2014 ini diketuai Ir. Yohanes Gunawan Yusuf, M.M.T dengan anggota Hendi Wicaksono, S.T., M.T. dan dibantu oleh 5 orang mahasiswa yaitu Arbil Yodinata, Cornelius Kristanto, Henri Irawan, Leonardie Haryanto, dan Bagus Olifianto.
Prosiding Seminar Nasional Teknologi Terapan SV UGM 2014 5 REFERENSI
[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).
[4.] 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_for_a_UAV_Quadrot or/file/d912f511361f422fdd.pdf
