PROPOSAL PENELITIAN UNGGULAN DANA LOKAL ITS TAHUN 2020

1 PROPOSAL

PENELITIAN UNGGULAN DANA LOKAL ITS TAHUN 2020

RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL QUADCOPTER SEBAGAI SARANA PERTANIAN (SPRAY INSEKTISIDA & PEMUPUKAN) BERBASIS ALGORITMA

ADAPTIVE NEURAL NETWORK SIDING MODE CONTROL

Tim Peneliti :

Dr. Ir. Purwadi Agus Darwito., M.Sc. / 1988201711056 /Departemen Teknik Fisika/FTIRS 1. Gunawan Nugroho, S.T, M.T., Ph.D /1988201711055/ Departemen Teknik Fisika/FTIRS 2. Detak Yan Pratama., S.T., M.Sc. / 1983201711054 / Departemen Teknik Fisika/FTIRS 3. Murry Raditya., S.T., M.T. / 1988201711055 / Departemen Teknik Instrumentasi/FV

DIREKTORAT RISET DAN PENGABDIAN KEPADA MASYARAKAT INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA 2020

2 Daftar Isi

BAB I (Ringkasan) ... 3

BAB II (Latar Belakang) ... 4

BAB III (Tinjauan Pustaka) ... 9

BAB IV (Metode) ... 11

BAB V (Jadwal Dan Rancangan Anggaran Biaya) ... 19

BAB VI (Daftar Pustaka) ... 22 BAB VII (Lampiran) ...

3 BAB I RINGKASAN

Pertanian merupakan salah satu sektor yang mempunyai peran strategis dan penting di Indonesia. Quadcopter bisa menjadi teknologi yang tepat pada sektor pertanian karena dapat menjadi solusi dalam melakukan kegiatan pertanian seperti pemumpukan dan penyemprotan hama secara otomatis. Untuk menjadi teknologi pertanian yang cepat, efisien dan akurat maka diperlukan kontrol ketinggian, pemetaan/mapping dan kontrol jarak rintangan segala arah untuk menghindari terjadinya tumbukan dengan benda disekitar. Untuk mendapatkan kekokohan (robust) dalam menjaga kestabilan quadcopter maka pada penelitian ini, digunakan pengendali non linier yaitu SMC (Sliding Mode Control) yang sudah dimodifikasi dengan menggunakan Adaptive Neural Network. Penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan keandalan pengendali ketinggian dan jarak terhadap rintangan quadcopter dengan melakukan memodifikasi pengendali SMC konvensional. Metodologi penelitian yang dilakukan untuk mendapatkan hasil perancangan sistem kendali SMC termodifikasi yaitu yang pertama dibutuhkan model matematis quadcopter yang dapat direpresentasikan dalam persamaan state space, dan kedua mendesain sistem kendali ANN-SMC. Setelah diperoleh pengendali SMC termodifikasi, dilakukan pengimplementasian sistem kendali SMC pada quadcopter untuk mengetahui respons gerakan roll, pitch, dan yaw terhadap set point ketinggian maupun jarak untuk menghindari rintangan disekitarnya. Untuk mengetahui robust atau tidaknya sistem kendali, maka dilakukan pemberian external distrubance dengan memberikan variasi kecepatan angin yang berbeda.

Kata kunci : ANN-SMC, Pertanian, Quadcopter

4 BAB II PENDAHULUAN

2.1 Latar Belakang

Pertanian merupakan salah satu sektor yang mempunyai peran strategis dan penting di Indonesia. Mengingat sektor pertanian sebagai sumber pendapatan utama, maka upaya pengembangan inovasi teknologi yang mampu meningkatkan produktivitas dan efisiensi biaya produksi yang akan meningkatkan kesejahteraan petani menjadi sangat penting. Selama ini petani menghabiskan sumber daya seperti pupuk untuk ke semua tanaman tanpa porsi yang dibutuhkan, pemakaian tenaga kerja yang relatif besar untuk proses penyemprotan hama area yang luas. Penyemprotan manual pump juga berpotensi merusak tanaman karena dalam proses penyemprotan banyak tanaman yang terinjak. Sehingga harus diupayakan rekayasa yang mampu melakukan kegiatan pemupukan dan penyemprotan hama secara cepat, efisien dan akurat.

Quadcopter adalah satu dari beberapa teknologi Unmanned Aerial Vehicle (UAV) yang paling populer yang dapat dioperasikan dengan menggunakan remote control maupun secara autonomous. Dalam merancang Quadcopter, hal utama yang menentukan keberhasilan dalam perancangannya yaitu memiliki keseimbangan yang baik saat terbang, terutama pada gerak rotasi dan translasi yang sangat mempengaruhi terbang Quadcopter. Quadcopter merupakan jenis helikopter dengan empat buah motor yang digunakan untuk memutar propeler secara bersamaan agar dapat terbang di udara dan dipasang simetris pada ujung-ujung kerangka utama. Motor depan dan belakang bekerja dengan arah putarannya searah jarum jam (clockwise), sedangkan motor kanan dan motor kiri bekerja dengan arah putarannya berlawanan arah jarum jam (counter clockwise)[1]. Seiring dengan perkembangannya, pada saat ini sudah banyak dilakukan riset mengenai konfigurasi Quadcopter dengan berbagai macam frame pendukungnya. Pada setiap penggunaannya, Quadcopter dengan jenis frame yang digunakan pasti memiliki sistem kendali dan tingkat maneuverability yang berbeda-beda.

Sitem pengendali penerbangan berfungsi untuk mengendalikan quadcopter dengan cara memberikan sinyal Pulse Width Modulation (PWM) ke ESC, selanjutnya ESC akan mengatur kecepatan keempat motor. Quadcopter dapat terbang ke arah sumbu x, y, dan z dengan pergerakan putaran ke arah sumbu x dipengaruhi oleh torsi roll, pergerakan putaran ke arah sumbu y dipengaruhi oleh torsi pitch, pergerakan secara vertikal dipengaruhi oleh gaya thrust, dan pergerakan putaran terhadap sumbu z yang dipengaruhi oleh torsi yaw[2]. Quadcopter

5

dapat terbang dengan stabil apabila pengendali yang digunakan memiliki unjuk kerja yang baik.

Quadcopter bisa menjadi teknologi yang tepat pada sektor pertanian karena dapat menjadi solusi dalam melakukan kegiatan pertanian seperti pemumpukan dan penyemprotan hama. Untuk menjadi teknologi pertanian yang cepat, efisien dan akurat maka diperlukan kontrol ketinggian, pemetaan/mapping dan kontrol jarak rintangan segala arah untuk menghindari terjadinya tumbukan dengan benda disekitar. Ketinggian quadcopter disesuaikan dengan luas area yang dijangkau oleh nozzle agar keseluruhan hasil penyemprotan dapat sesuai dengan tanamannya. Selain itu, diperlukan pemetaan/mapping luasan lahan yang terkoneksi langsung dengan satelit dengan menggunakan titik koordinat yang disesuai dengan lokasi yang diinginkan, sehingga proses pemetaan akan bekerja dengan tepat dan cepat. Sedangkan, kontrol jarak dibutuhkan sebagai langkah awal menghindari terjadinya benturan seperti tiang atau gardu PLN yang berada di lahan pertanian sehingga proses pemetaan dapat bekerja dengan baik. Selain pada pada sektor pertanian, quadcopter yang terkendali juga dapat diaplikasikan pada sektor yang lain seperti penanganan kebakaran pada hutan atau lahan gambut.

Beberapa peneliti terkait kontrol ketinggian yang sebelumnya sudah dilakukan telah menerapkan beberapa pengendali seperti PID [3], fuzzy logic [4], dan LQR [5]. Penelitian dengan judul “Attitude Control of a Quadrotor with Optimized PID Controller” diambil dari jurnal Intelligent Control and Automation yang dilakukan oleh Hossein Bolandi pada tahun 2013 dari Iran. Penelitian dengan PID menggunakan modifikasi persamaan integral untuk menanggulangi gangguan (disturbance) pada quadcopter[3]. Pada penelitian tersebut, terdapat kelemahan yakni tuning parameter masih dilakukan secara manual, sehingga pengendali menjadi tidak stabil apabila besaran external disturbance pada quadcopter berubah-ubah.

Permasalahan riil agar quadcopter dapat terbang stabil adalah ketidakpastian (uncertainty) dan gangguan seperti angin kencang dan adanya beban yang diberikan ke quadcopter. Angin kencang dapat membuat quadcopter tidak stabil dan akibat yang paling fatal, quadcopter dapat terjatuh. Sehingga quadcopter yang akan dirancang sangat sesuai diaplikasi pada sistem penyemprotan dengan menggunakan air sebagai beban untuk menguji kestabilan dan keandalan sistem kendali.

Penelitian dengan judul “Waypoint Navigation of AR.Drone Quadrotor Using Fuzzy Logic Controller” diambil dari jurnal TELKOMNIKA yang disusun oleh Veronika Indr pada tahun 2015. Pada penelitian ini fuzzy logic control diterapkan pada setiap skema penerbangan yaitu sisi pitch (x), roll (y) dan yaw (z) untuk navigasi waypoint. Hasil pengujian ini menunjukkan bahwa skema penerbangan langsung menuju titik arah dengan FLC yang bekerja

6

secara bersamaan (pitch,roll dan yaw) menghasilkan hasil yang baik dibandingkan dengan dua skema penerbangan lainnya (pitch dan roll). Hal tersebut diakibatkan karena perhitungan posisi (x dan y) masih rentan terhadap noise.

Penelitian dengan judul “Model of Linear Quadratic Regulator (LQR) Control Method in Hovering State of Quadrotor” diambil dari Journal of Telecommunication, Electronic and Computer Engineering yang disusun oleh Kardono pada tahun 2017. Pada penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan kestabilan hover agar quadcopter dapat bekerja secara maksimal. Metode yang digunakan dalam sistem kontrol ini adalah menggunakan kontrol jenis LQR, berdasarkan hasil pengujian menunjukkan, sudut dapat dipertahankan dalam kisaran sudut 0 derajat hingga 2 derajat. akan tetapi kelemahan dalam penelitian ini adalah apabila diberi noise maka sudut meningkat derastis. Pada penelitian pengendali quadcopter menggunakan fuzzy logic [4] dan LQR [5] faktor gangguan dari luar tidak dipertimbangkan sehingga pengendali tersebut tidak terlalu robust jika sistem quadcopter diberi external disturbance.

Penelitian terkait sistem deteksi dan kendali jarak untuk menghindari rintangan pada quadcopter masih belum ada akan tetapi sistem ini telah dimiliki oleh salah satu jenis drone.

Produk quadcopter yang sudah terjual dipasaran dan dilengkapi dengan sensor jarak rintangan yaitu drone DJI Phantom 4 Pro/Pro +. Phantom 4 Pro /Pro+ adalah pesawat tanpa awak pintar dengan lima arah sensor rintangan yang dilengkapi dengan sistem pengindraan dan sensor inframerah, hal ini membuat drone ini bisa terbang dengan pintar untuk menghindari rintangan dan menjadi drone tercanggih dalam penggunaan teknologi sensor. Dalam sistem kerjanya, drone akan mengurangi kecepatan ketika rintangan terdeteksi pada jarak 15 meter di depannya. Drone akan berhenti dan melayang lalu naik secara vertikal untuk menghindari rintangan. Pada akhirnya, drone akan berhenti naik apabila berada pada jarak 5 meter di atas rintangan. Dengan didukung oleh pendeteksi rintangan, drone akan sangat mungkin untuk mengerem dengan sendirinya ketika mendeteksi adanya rintangan disekitarnya. Pengereman bisa berfungsi ketika pencahayaan memadai dan rintangan mudah dideteksi dengan baik serta kecepatan terbang tidak lebih dari 50 km/jam. Drone hanya dapat mengindra dan tidak dapat menghindari rintangan yang ada diatas samping atau belakangnya.

Dari uraian diatas, maka pada penelitian ini sistem dirancang dengan menggunakan metode Sliding Mode Control (SMC) yang digunakan sebagai sistem kendali quadcopter.

Metode SMC merupakan pengendali nonlinear sehingga sangat tepat diaplikasikan sebagai sistem kendali pada plant yang nonlinear seperti quadcopter [6]. Dalam perkembangannya, Pengendali SMC telah berhasil mengendalikan pesawat terbang otomatis, motor listrik, proses

7

pabrik kimia, robot, dan helikopter [7]. Pengendali linear seperti PID dan LQR lebih sesuai dan akan memberikan performansi yang baik jika diimplementasikan pada sistem yang linear.

Apabila diaplikasikan pada sistem yang nonlinear, maka dibutuhkan linearisasi sistem terlebih dahulu. Selain itu, pengendali fuzzy membutuhkan komputasi perhitungan yang lebih lama, terutama pada perhitungan defuzzification dengan metode center of gravity. Metode SMC memiliki keunggulan yakni robust terhadap external distrubance dan dapat menjaga kestabilan serta performansi yang baik walaupun model dinamika yang dirancang kurang presisi [6]. Akan tetapi Pengendali switching akan menghasilkan lintasan diskontinu pada permukaan sliding dan menghasilkan osilasi yang dikenal dengan fenomena chattering. Fenomena chattering yang tinggi memilliki dampak negatif, yakni membuat sistem menjadi tidak stabil. Agar sistem kendali stabil, fenomena chattering dapat diperkecil dengan mendesain boundary layer di sekitar permukan sliding. Oleh karena itu pada penelitian ini, digunakan pengendali SMC yang sudah dimodifikasi dengan menggunakan Adaptive Neural Network. Pengendali konvensional terdiri atas kendali ekuivalen dan kendali switching, sedangkan pada pengendali SMC yang dimodifikasi menggunakan Adaptive Neural Network terdapat kendali ekuivalen dan kendali switching yang ditambahkan formula untuk menghitung error yang dapat dikalikan dengan gain pada kendali switching. Semakin besar error, maka frekuensi switching akan meningkat, dan jika frekuensi switching meningkat, maka robustness akan meningkat. Namun, harus diperhatikan jika akan diimplementasikan pada plant yang sesungguhnya, kemampuan driver harus dipertimbangkan untuk menghasilkan frekuensi switching yang tinggi.

2.2 Rumusan Masalah

Adapun rumusan masalah yang digunakan dalam merancang penelitian ini adalah sebagai berikut :

1. Bagaimana merancang sistem kontrol ketinggian dan jarak rintangan dengan pemberian external distrubance dengan variasi beban dan kecepatan angin yang diterapkan pada quadcopter ?

2. Bagaimana mengimplementasikan quadcopter pada sistem pertanian (spray insektisida dan pemupukan hama) sebagai upaya untuk meningkatkan produktivitas dan biaya produksi ?

2.3 Tujuan Penelitian

Adapun tujuan dari penelitian ini adalah sebagai berikut :

8

1. Merancang sistem kontrol ketinggian dan jarak rintangan dengan pemberian external distrubance dengan variasi beban dan kecepatan angin yang diterapkan pada quadcopter.

2. mengimplementasikan quadcopter pada sistem pertanian (spray insektisida dan pemupukan hama) sebagai upaya untuk meningkatkan produktivitas dan biaya produksi.

2.4 Target Luaran

Adapun luaran yang dihasilkan dalam penelitian ini yaitu dilakukan publikasi ilmiah berupa jurnal internasional maupun conference international yang bereputasi dan terindeks scopus serta penelitian ini juga memiliki potensi untuk pengajuan paten HKI (Hak atas Kekayaan Intelektual).

9 BAB III

TINJAUAN PUSTAKA 3.1 Quadcopter

Quadcopter adalah jenis Unmanned Aerial Vehicle (UAV) yang termasuk kategori UAV mikro dan banyak digunakan oleh industri, instansi pendidikan, maupun masyarakat umum. Robot Quadcopter ini memiliki ciri yang unique yang mudah untuk dikenali yaitu sesuai namanya memiliki empat buah baling-baling motor pada keempat sisinya yang digunakan sebagai penggeraknya.

Gambar.1 jenis gerakan pada quadcopter

Gerakan pada quadrotor dibagi menjadi 4 gerakan dasar [1]. Gerakan pertama adalah gerakan vertikal, merupakan gerakan bergerak naik dan turun. Gerakan ini terjadi karena perbedaan kecepatan tiap-tiap motor dengan kecepatan nominal. Apabila kecepatan motor 1-4 melebih kecepatan nomimal maka quadrotor akan bergerak naik dan sebaliknya apabila kecepatan motor 1-4 dibawah kecepatan nominal maka quadrotor akan bergerak turun.

Gerakan yang kedua adalah gerakan roll, yaitu perubahan sudut yang bernilai positif maupun negatif terhadap sumbu X. Gerakan ini dihasilkan dari perbedaan kecepatan antara motor 2 dan 4. Apabila kecepatan motor 2 melebihi kecepatan motor 4 maka yang terjadi adalah

10

roll kiri dan begitupula sebaliknya apabila kecepatan motor 2 lebih rendah daripada kecepatan motor 4 maka yang terjadi adalah roll kanan.

Gerakan ketiga yang ada pada quadrotor adalah gerakan pitch. Gerakan ini sama pada gerakan roll namun perubahan sudutnya terhadap sumbu Y. Motor yang berpengaruh untuk menghasilkan gerakan ini adalah motor 1 dan motor 3. Apabila kecepatan motor 1 lebih cepat dibandingkan motor 3 maka gerakan yang terjadi adalah pitch mundur. Namun apabila kecepatan motor 3 lebih cepat dibandingkan kecepatan motor 1 maka yang terjadi adalah pitch maju.

Gerakan yang terakhir adalah gerakan yaw. Gerakan ini dihasilkan karena perbedaan putaran pasangan motor 1 & 3 serta motor 2 & 4. Ketika motor 1 & 3 putarannya lebih cepat dibandingkan dengan motor 2 &4 maka yang terjadi adalah yaw kiri begitu pula sebaliknua ketika motor 2 & 4 lebih cepat putarannya dibandingkan putaran motor 1 & 3 maka yang terjadi adalah yaw kanan.

11 BAB IV

METODOLOGI PENELITIAN

Adapun metodologi penelitian yang akan dirancang pada penelitian ini sebagai berikut:

Mulai

Identifikasi Masalah:

kegiatan pertanian (Spray Insektisida dan pemupukan) pada saat ini masih

kurang efektif

Studi Literatur :

kontrol ketinggian quadcopter, jarak quadcopter dan pemetaan/mapping

Model Matematis Quadcopter : Persamaan Plant, gerakan roll, pitch

dan yaw pada quadcopter

Perancangan Kontrol:

Desain dan Diagram Blok kontrol Adaptive Neural Network Siding Mode Control

(ANN-SMC)

Apakah respon kontrol berjalan dengan baik ?

Ya

Tidak

Analisa Hasil:

Kalibrasi sensor, Respon kontrol ketinggian dan jarak dengan variasi

beban dan kecepatan angin

Kesimpuan

Selesai

Eksperimen dan Pengambilan data:

uji sensor, kontrol ketinggian dan kontrol jarak rintangan dengan variasi

beban dan kecepatan angin

Gambar 1. Flow chart metodologi penelitian

12 4.1 Identifikasi Masalah

Identifikasi masalah difokuskan pada sektor pertanian dan didapatkan permasalahan terkait penggunaan pupuk maupun obat insektisida yang masih kurang efektif. Selama ini petani menghabiskan sumber daya seperti pupuk untuk ke semua tanaman tanpa porsi yang dibutuhkan, pemakaian tenaga kerja yang relatif besar untuk proses penyemprotan hama area yang luas. Sehingga quadcopter bisa menjadi teknologi yang tepat pada sektor pertanian karena dapat menjadi solusi dalam melakukan kegiatan pertanian seperti pemumpukan dan penyemprotan hama dengan pemetaan yang didesain secara otomatis.

4.2 Studi Literatur

Dalam merancang quadcopter sebagai teknologi pertanian yang seefektif mungkin, maka quadcopter harus didesain dengan diengkapi beberapa sistem kontrol seperti kontrol ketinggian, kontrol jarak rintangan, dan mapping. Dijurnal rujukan membahas tentang kontrol ketinggian quadcopter, dimana metode kontrol yang digunakan pada saat ini yaitu menggunakan kontrol linier seperti PID, Fuzzy Logic Control, LQR dan LQG. Dari hasil tersebut didapatkan bahwa apabila diberi external distrubanced maka pengendali tersebut tidak terlalu robust sehingga quadcopter menjadi tidak stabil. Sedangkan penelitian lain menggunakan kontrol linier seperti SMC (Sliding Mode Control). Metode SMC memiliki keunggulan yakni robust terhadap external distrubance dan dapat menjaga kestabilan serta performansi yang baik walaupun model dinamika yang dirancang kurang presisi. Akan tetapi Pengendali switching akan menghasilkan lintasan diskontinu pada permukaan sliding dan menghasilkan osilasi yang dikenal dengan fenomena chattering. Fenomena chattering dapat memberikan dampak negatif pada quadcopter yaitu dapat menurunkan kestabilan.

4.3 Perancangan Model Matematis Quadcopter

Untuk mempermudah dalam merancang model matematis quadcopter maka persamaan direpresentasikan dalam mode state space yang terdiri dari sudut roll (𝜙), sudut pitch (𝜃), sudut yaw (𝜓), kecepatan anguler roll (ϕ̇), kecepatan anguler pitch (θ̇), kecepatan anguler yaw (ψ̇), posisi quadcopter (𝑥, 𝑦, 𝑧) dan kecepatan quadcopter (𝑥̇, 𝑦̇, 𝑧̇). Adapun model quadcopter dapat dilihat pada gambar dibawah ini :

13

Gambar 4. Model quadcopter

Salah satu cara untuk memperoleh model matematis quadcopter yaitu dengan menggunakan persamaan Newton-Euler [8]. Gerak translasi quadcopter didapatkan berdasarkan persamaan hukum Newton II, didapatkan persamaan sebagai berikut :

𝐹_𝑔− 𝐹_{𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡}+ 𝑑_𝐹 = 𝑚𝑣̇ + 𝜔 𝑥 𝑚𝑣 (1)

dengan

𝐹_𝑔 = gaya gravitasi

𝐹_{𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡} = matriks rotasi dari 𝑣𝑒𝑟𝑡𝑖𝑐𝑎𝑙 𝑡ℎ𝑟𝑢𝑠𝑡 [0 0 𝑢1]^𝑇 𝑑𝐹 = 𝐸𝑥𝑡𝑒𝑟𝑛𝑎𝑙 𝑑𝑖𝑠𝑡𝑟𝑢𝑏𝑎𝑛𝑐𝑒 [𝑑_𝑥 𝑑_𝑥 𝑑_𝑥]^𝑇

𝑣̇ = Percepatan 𝑞𝑢𝑎𝑑𝑐𝑜𝑝𝑡𝑒𝑟 [𝑥̇ 𝑦̇ 𝑧̇]^𝑇 𝜔 = kecepatan 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑒𝑟 [ϕ̇ ψ̇ θ̇]^𝑇 𝑣 = kecepatan linier [𝑥 𝑦 𝑧]^𝑇

Sehingga didapatkan persamaan state space gerak translasi sebagai berikut :

[ 0 0 𝑚𝑔

] − (𝑅_𝑧(ψ) ∙ 𝑅_𝑦(𝜃) ∙ 𝑅_𝑦(ϕ)) [ 0 0 𝑢1

] + [ 𝑑_𝑥 𝑑_𝑦 𝑑_𝑧

] = 𝑚 [[

𝑥̈

𝑦̈

𝑧̈

] + [ ϕ̇

𝜃̇

ψ̇

] 𝑥 [ ẋ

𝑦̇

ż

]] (2)

Sedangkan gerak rotasi dapat diperoleh dari persamaan sudut euler sistem III yang dapat dituis sebagai berikut :

14 𝑅_𝑧(ψ) ∙ 𝑅_𝑦(𝜃) ∙ 𝑅_𝑦(ϕ) = [

𝑐_𝜃𝑐_𝜓 𝑐_𝜃𝑐_𝜓

−𝑠_𝜃

𝑠_𝜙𝑠_𝜃𝑐_𝜓− 𝑐_𝜙𝑠_𝜓 𝑠_𝜙𝑠_𝜃𝑐_𝜓+ 𝑐_𝜙𝑐_𝜓

𝑠_𝜙𝑠_𝜃

𝑠_𝜙𝑠_𝜓+ 𝑐_𝜙𝑠_𝜃𝑐_𝜓

−𝑠_𝜙𝑐_𝜓+ 𝑐_𝜙𝑠_𝜃𝑐_𝜓 𝑐_𝜙𝑠_𝜃

] (3)

Dengan s adalah sin dan c adalah cos. Sehingga didapatkan persamaan baru hasil substitusi persamaan sebagai berikut :

[ 0 0 𝑚𝑔

] − [ 𝑐_𝜃𝑐_𝜓 𝑐_𝜃𝑐_𝜓

−𝑠_𝜃

𝑠_𝜙𝑠_𝜃𝑐_𝜓− 𝑐_𝜙𝑠_𝜓 𝑠_𝜙𝑠_𝜃𝑐_𝜓+ 𝑐_𝜙𝑐_𝜓

𝑠_𝜙𝑠_𝜃

𝑠_𝜙𝑠_𝜓+ 𝑐_𝜙𝑠_𝜃𝑐_𝜓

−𝑠_𝜙𝑐_𝜓+ 𝑐_𝜙𝑠_𝜃𝑐_𝜓 𝑐_𝜙𝑠_𝜃

] [ 0 0 𝑢1

] + [ 𝑑_𝑥 𝑑_𝑦 𝑑_𝑧

] = 𝑚 [[

𝑥̈

𝑦̈

𝑧̈

] + [ ϕ̇

𝜃̇

ψ̇

] 𝑥 [ ẋ

𝑦̇

ż

]] (4)

Jika diasumsikan 𝑣 dan 𝜔 sama dengan 0, sehingga diperoleh 𝑣̇ yaitu : 𝑥̈ = − ¹

𝑚(𝑠_𝜙𝑠_𝜓+ 𝑐_𝜙𝑠_𝜃𝑐_𝜓)𝑈₁+ ¹

𝑚𝑑_𝑥 (5)

𝑦̈ = − ¹

𝑚(−𝑠_𝜙𝑐_𝜓+ 𝑐_𝜙𝑠_𝜃𝑐_𝜓)𝑈₁+ ¹

𝑚𝑑_𝑦 (6)

𝑦̈ = − ¹

𝑚(𝑐_𝜙𝑠_𝜃)𝑈₁+ ¹

𝑚𝑑_𝑧 (7)

Rotasi Persamaan Euler dapat ditulis sebagai berikut :

𝑀_𝑏 = 𝜔 𝑥 (Ι ∙ 𝜔) + Ι ∙ 𝜔̇ (8)

dengan simbol 𝐼 adalah matriks inersia dan [𝑈₂ 𝑈₃ 𝑈₄]^𝑇 adalah torsi dari roll, pitch, dan yaw.

[ 𝑈₂ 𝑈₃ 𝑈₄

] = [ ϕ̇

𝜃̇

ψ̇

] 𝑥 [ 𝐼_𝑥𝑥ϕ̇

𝐼_𝑦𝑦𝜃̇

𝐼_𝑧𝑧ψ̇

] + [ 𝐼_𝑥𝑥ϕ̈

𝐼_𝑦𝑦𝜃̈

𝐼_𝑧𝑧ψ̈

] (9)

Selanjutnya, turunan dari kecepatan angular dapat dituis sebagai berikut : ϕ̈ =^{𝑈2+(𝐼𝑦𝑦−𝐼𝑧𝑧)𝜃̇ψ̇}

𝐼𝑥𝑥 (10)

ϕ̈ =^{𝑈3+(𝐼𝑧𝑧−𝐼𝑥𝑥)ϕ̇ψ̇}

𝐼𝑦𝑦 (11)

ψ̈ =^{𝑈4+(𝐼𝑥𝑥−𝐼𝑦𝑦)ϕ̇𝜃̇}

𝐼𝑧𝑧 (12)

Persamaan quadcopter didapatkan sebagai berikut :

𝑋 = [𝑥1 𝑥₂ 𝑥₃ 𝑥₄ 𝑥₅ 𝑥₆ 𝑥₇ 𝑥₈ 𝑥₉ 𝑥₁₀ 𝑥₁₁ 𝑥₁₂]^𝑇 (13)

15

𝑋 = [𝑥 𝑦 𝑧 𝑥̇ 𝑦̇ 𝑧̇ ϕ 𝜃 ψ ϕ̇ 𝜃̇ ψ̇]^𝑇 (14)

Persamaan quadcopter memiliki dua belas state, yakni tiga state posisi [𝑥 𝑦 𝑧]^𝑇 yang terdapat pada state [𝑥1 𝑥₂ 𝑥₃]^𝑇, tiga state kecepatan [𝑥̇ 𝑦̇ 𝑧̇]^𝑇 yang terdapat pada state [𝑥4 𝑥₅ 𝑥₆]^𝑇, tiga state roll, pitch, dan yaw [ϕ 𝜃 ψ]^𝑇 yang terdapat pada state [𝑥7 𝑥₈ 𝑥₉]^𝑇, dan tiga state kecepatan Angular [ϕ̇ ψ̇ θ̇]^𝑇yang terdapat pada state [𝑥10 𝑥₁₁ 𝑥₁₂]^𝑇.

4.4 Perancangan kendali Adaptive Neural Network-Sliding Mode Control

Metode SMC merupakan bagian dari variable structure control yang ditemukan oleh Barbashin dan Emel’yanov pada tahun 1960 [9]. Prinsip dasar metode SMC adalah proses transformasi persamaan fungsi alih ke kawasan sliding (luncur). Pada pengendali akan berusaha dicapai kondisi sliding (𝑠̇ = 0). Kondisi sliding menunjukkan tanggapan sesuai dengan keinginan, yakni stabilitas dan unjuk kerja tercapai. Pada metode SMC terdapat pengendali ekuivalen (𝑢_𝑒𝑞) dan pengendali switching (𝑢𝑠). Pengendali ekuivalen (𝑢eq) merupakan sebuah nilai masukan pengendalian yang diperoleh dengan menyelesaikan persamaan sliding berdasarkan sistem yang dianggap ekuivalen terhadap sistem yang sebenarnya. Pengendali ekuivalen tidak dapat mencapai kondisi sliding secara eksak 𝑠̇ = 0 atau selalu berada di permukaan sliding. Agar lintasan sistem dapat selalu dekat dengan permukaan sliding, dibutuhkan kendali switching (𝑢𝑠). Persaman kendali SMC (𝑢) ditunjukkan pada (17) [9].

𝑢 = 𝑢_𝑒𝑞+ 𝑢_𝑠 (15)

𝑢 = −𝑘 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑠) (16)

𝑢 = 𝑢_𝑒𝑞− 𝑘 𝑠𝑖𝑔𝑛(𝑠) + 𝑢_𝑠 (17)

dengan simbol 𝑘 adalah gain. Berdasarkan (17), ketika 𝑠 < 0, pengendali switching bernilai negatif dan menambah nilai 𝑢𝑒q, sehingga memaksa lintasan sistem untuk naik mendekati permukaan sliding. Sebaliknya, ketika 𝑠 > 0, pengendali switching bernilai positif dan mengurangi nilai 𝑢𝑒q, sehingga memaksa sistem untuk turun mendekati permukaan sliding.

Pengendali switching akan menghasilkan lintasan diskontinu pada permukaan sliding dan menghasilkan osilasi yang dikenal dengan fenomena chattering. Fenomena chattering yang tinggi memilliki dampak negatif, yakni membuat sistem menjadi tidak stabil. Agar sistem

16

kendali stabil, fenomena chattering dapat diperkecil dengan mendesain boundary layer di sekitar permukan sliding, sehingga dapat ditoleransi dengan Adaptive Neural Network.

Adaptive neural network merupakan artificial neural network yang sangat sederhana yang hanya terdapat satu neuron dengan input yang sedikit dan unit signal tambahan. Jika terdapat beberapa struktur adeline maka disebut madaline (multi adeline). Sesuai faktanya adeline hanya dapat menyelesaikan persoalan yang linier, namun terlihat dari secara praktis dapat memperkirakan fungsi nonlinier dengan akurasi yang cukup baik dengan menambahkan jumlah neuron. Karenanya keuntungan utama adeline yaitu memiliki kemampuan learning yang sangat cepat.

simple LMS (Least Mean Square) algorithm [10], biasanya disebut windrow-hoff delta rule, yang di terapkan pada penelitian ini. metode ini meminimasi MSE (Mean Square Error).

Gambar 2. Mode adaptive neural network

𝑤(𝑘 + 1) = 𝑤(𝑘) + 𝜂𝑒′_𝑘𝑋_𝑘^𝑇 (18)

𝑏(𝑘 + 1) = 𝑏(𝑘) + 𝜂𝑒′_𝑘 (19)

Dimana  , merupakan penguat dan X_k^Tmerupakan vector jaringan input .dimana W(k) merupakan matriks bobot sebelumnya, b(k) vektor bias sebelumnya. Untuk adaptive neural network menggunakan persamaan berikut:

𝑤(𝐾 + 1) = 𝑤(𝐾) + 𝜂𝑢_𝑠𝑚𝑐2 (20)

Maka input kontrol untuk plant quadcopter adalah

𝑢_{𝑛𝑛𝑠𝑚𝑐} = (𝑢_𝑠𝑚𝑐 − 𝑘_𝑖𝐼_𝑎)𝑓[∑ 𝑤(𝑘) + 𝜂𝑢_𝑠𝑚𝑐^2 ] (21)

17

Setiap kontroler menjadi input dari kontroler yang lainnya, dan meningkatkan kinerja kontroler secara keseluruhan yang akan di terapkan pada sistem posisi pada quadcopter.

adapun diagram block sistem dapat diihat pada gambar dibawah ini :

Gambar 3. Diagram blok kontrol ANN-SMC

4.5 Eksperimen dan Pengambilan data

Untuk mencapai tujuan dalam penelitian ini maka diperlukan beberapa uji/eksperimen serta pengambilan data. Adapun uji yang peru dilakukan sebagai berikut :

a. Uji Pembacaan Sensor

Uji pembacaan sensor diperlukan untuk mengetahui seberapa akurat dan presisi pembacaan yang dihasilkan. Hal ini dilakukan karena sensor berperan penting dalam sistem kontrol yang diterapkan sehingga dapat meminimalisir kesalahan yang terjadi. Adapun beberapa sensor yang ujikan yaitu sensor IMU (Inertial Measurement Unit) yang terdiri dari sensor accelerometer dan gyroscope untuk mengetahui posisi serta lintasan yang dilalui quadcopter serta sensor utrasonic yang digunakan mengkur ketinggian dan jarak terhadap rintangan. Uji sensor dilakukan dengan cara mengkalibrasi dengan alat ukur yang standar.

b. Kontrol Ketinggian dengan variasi beban dan kecepatan angin

Uji kontrol merupakan uji terpenting dalam penelitian ini salah satu terpenting yaitu uji kontrol ketinggian quadcopter. Untuk menguji kekokohan (robust) dari quadcopter maka kontrol ketinggian pada quadcopter dapat diuji dengan menggunakan pemberian external distrubance berupa beban dan kecepatan angin.

Uji tersebut disesuaikan dengan aplikasi dari quadcopter sebagai alat spray insektisida dan pemupukan dalam pertanian. Uji beban digunakan untuk mengetahui seberapa berat beban yang mampu diterima oleh quadcopter dengan

18

ketinggian yang sudah ditentukan yaitu 1 meter diatas permukaan tanaman.

Sedangkan, uji terhadap kecepatan angin digunakan untuk mengetahui kecepatan maksimum yang mampu diterima oleh quadcopter¸uji ini sangat penting karena kecepatan angin pada lahan pertanian cukup besar. Hasil uji akan menghasilkan karakteristik respon seperti setling time, maximum overshoot, rise time dan error steady state.

c. Kontrol Jarak rintangan dengan variasi beban dan kecepatan angin

Sama seperti halnya dengan pengujian kontrol ketinggian, untuk menguji kestabian sistem pada kontrol jarak rintangan juga diperukan uji dengan variasi beban dan kecepatan angin. Kedua uji digunakan untuk mengetahui seberapa besar kekokohan sistem kontrol quadcopter dalam menjaga kestabilan. Hasil uji akan menghasilkan karakteristik respon seperti settling time, maximum overshoot, rise time dan error steady state.

4.6 Analisa Hasil

Analisa data dilakukan untuk mengetahui hasil uji yang telah dilakukan. Adapun beberapa analisa yang digunakan adalah sebagai berikut :

a. Kalibrasi sensor

Untuk mengetahui seberapa akurat dan presisi hasil uji yang didapatkan, maka dapat dilakukan kalibrasi dengan alat ukur yang standar. Hasil kalibrasi nantinya akan menghasilkan kepresisian dan keakuratan sensor dengan tingkat kesalahan maksimum 5%.

b. Respon kontrol ketinggian dan jarak dengan variasi beban dan kecepatan

Salah satu cara yang dapat digunakan untuk mengetahui seberapa baik sistem kontrol yang dirancang. Dari hasil pengujian dapat diketahui karakteristik respon kontrol seperti settling time, maximum overshoot, rise time dan error steady state.

respon akan dikatakan baik apabila ess tidak lebih dari 5% dengan overshoot seminimal mungkin.

19 BAB V

ORGANISASI TIM, JADWAL, DAN ANGGARAN BIAYA

5.1 Organisasi Tim Peneliti

Organisasi Tim Invensi terdiri dari dosen dan mahasiswa. Dosen sebagai ahli yang kompeten dalam bidang keilmuannya, sedang mahasiswa membantu melaksanakan eksperimen baik di laboratorium maupun di lokasi sebenarnya. Tim dosen adalah sebagai berikut :

Tabel 5.1 : Susunan organisasi peneliti

No Nama / NIDN Jabatan Kompetensi Tanggung

Jawab 1 Dr.Ir. Purwadi A.D.,

M.Sc Ketua Rekayasa

Instrumentasi

Merencanakan, mengkoordinasi, pelaksanaan penelitian 2 Gunawan Nugroho.,

S.T., M.T., Ph.D Anggota-1 Rekayasa Energi

Membantu tugas ketua dalam pelaksanaan penelitian sesuai dengan

kompetensinya 3 Detak Yan Pratama.,

ST., M.Sc

Anggota-2 Rekayasa Instrumentasi

Membantu tugas ketua dalam pelaksanaan penelitian sesuai dengan

kompetensinya 4 Murry Raditya, S.T .,

M.T.

1988201711055

Anggota-3 Rekayasa Instrumentasi

Membantu tugas ketua dalam pelaksanaan penelitian sesuai dengan

kompetensinya Mahasiswa yang terlibat dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :

Tabel 5.2 : Mahasiswa dan tugasnya dalam penelitian

No. Nama/NRP Tugas dan Tanggung Jawab

1. Eka Wahyu

Prasojo/02311950010009

Membantu pelaksanaan eksperimen di laboratorium (simulasi dan perancangan) dan pelaksanaan eksperimen di luar laboratorium 2. Aditya Wimansyah Membantu pelaksanaan eksperimen di

laboratorium (simulasi dan perancangan) dan pelaksanaan eksperimen di luar laboratorium

20 3. Halen Dinata Atmaja /

10511910000003

Membantu pelaksanaan eksperimen di laboratorium (simulasi dan perancangan) dan pelaksanaan eksperimen di luar laboratorium 4. Andreas Pratama /

10511910000033

Membantu pelaksanaan eksperimen di laboratorium (simulasi dan perancangan) dan pelaksanaan eksperimen di luar laboratorium 5. M Taufiqurrouf/

10511910000039

Membantu pelaksanaan eksperimen di laboratorium (simulasi dan perancangan) dan pelaksanaan eksperimen di luar laboratorium 6. Zakiah Nurul Fahmi /

10511710000058

Membantu pelaksanaan eksperimen di laboratorium (simulasi dan perancangan) dan pelaksanaan eksperimen di luar laboratorium 5.2 Jadwal Kegiatan

Tabel 5.3 : Jadwal Kegiatan

No Kegiatan

Minggu ke

1 Studi Literatur 2 Perancangan Sistem kontrol dengan

quadcopter yang sudah ada

3 Uji coba dan analisa hasil 4 Perancangan quadcopter pertanian 5 Implementasi Rancang kontrol

quadcopter

6 Kalibrasi sistem terintegrasi 7 Uji coba dan analisa sistem dengan

beban

8 Pembuatan makalah seminar dan

jurnal nasional/internasional

9 Pembuatan packaging 10 Pembuatan laporan akhir

21 5.3 Anggaran Biaya

Material

Justifikasi

Pembelian Kuantitas Harga Satuan (Rp.)

Harga (Rp.) Motor

Brushless

Sebagai penggerak

quadcopter 8 2.000,000 16.000.000,00

Propeller

sebagai daya angkat drone agar dapat

terbang

8 500.000,00 4.000.000,00

ESC Driver motor 10 1.000.000,00 10.000.000,00

Batteray 2,2A

Sumber tegangan

DC 12 750.000,00 9.000.000,00

Turnigy 9X Remote control 2 2.500.000,00 5.000.000,00

frame Body quadcopter 2 2.500.000,00 5.000.000,00

IMU LSM9DS0

Sensor accelerometer dan

gyroscope

3 1.900.000,00 5.700.000,00

Sensor laser Untuk mengukur

jarak dan ketinggian 12 900.000,00 10.800.000,00

Packaging 2 1.500.000,00 3.000.000,00

Publikasi Jurnal Internasional 1 20.000.000,00 20.000.000,00 Seminar Internasional 1 7.500.000,00 7.500.000,00

Paten 1 10.000.000,00 14.000.000,00

Subtotal (Rp.) 106.000.000,00

22 BAB V1

DAFTAR PUSTAKA

[1] Bresciani, Tommaso. “Modelling, Identification and Control of a Quadrotor Helicopter.”

Master Thesis, Lund Universisty, Oct. 2008.

[2] Kardono," Perancangan dan Implementasi Sistem Pengaturan Optimal LQR Untuk Menjaga Kestabilan Hover Pada Quadcopter", Tugas Akhir, Jurusan Teknik Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember Surabaya, Juli 2012.

[3] H. Bolandi, M. Rezaei, R. Mohsebipour, H. Nemati, dan S.M. Smailzadeh, “Attitude Control of a Quadcopter with Optimized PID Controller,” Intelligent Control and Automation, Vol. 4, No. 3, hal 335-342, 2013.

[4] V. Indrawati, A. Prayitno, dan T.A. Kusuma, “Waypoint Navigation of AR. Drone Quadcopter using Fuzzy Logic Controller,” TELKOMNIKA, Vol. 13, No. 3, hal. 930-939, 2015.

[5] D.C. Tosun dan H. Korul, “LQR Control of a Quadrotor Helicopter,” New Developments in Pure and Applied Mathematics, hal. 247-252, 2015.

[6] J. Liu dan X. Wang, Advanced Sliding Mode Control for Mechanical Systems, Beijing, China: Tsinghua University Press, 2012.

[7] C. Edwards dan S.K. Spurgeon, Sliding Mode Control: Theory and Applications, Padstow, UK: T.J. International Ltd., 1998.

[8] K.S. Fu, R.C. Gonzalez, dan C.S.G. Lee, Robotics: Control, Sensing, Vision, and Intelligence,” New York, USA: McGraw-Hill, 1987.

[9] C. Edwards dan S.K. Spurgeon, Sliding Mode Control: Theory and Applications, Padstow, UK: T.J. International Ltd., 1998.

[10] N Cibiraj, M Varatharajan, Chattering reduction in siding mode control of quadcopter using neura networks, Madurai, India. VIT University, 2017.

DATA USULAN DAN PENGESAHAN PROPOSAL DANA LOKAL ITS 2020

1. Judul Penelitian

RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL QUADCOPTER SEBAGAI SARANA PERTANIAN (SPRAY INSEKTISIDA DAN PEMUPUKAN) BERBASIS

ALGORITMA ADAPTIVE NEURAL NETWORK SLIDING MODE CONTROL (ANN-SMC)

Skema : PENELITIAN UNGGULAN ITS (TERAPAN MULTIDISIPLIN) Bidang Penelitian : Mekatronika dan Otomasi Industri

Topik Penelitian : Robofarming 2. Identitas Pengusul

Ketua Tim

Nama : Dr.Ir. Purwadi Agus Darwito M.Sc.

NIP : 196208221988031001 No Telp/HP : -

Laboratorium : Laboratorium Rekayasa Instrumentasi Departemen/Unit : Departemen Teknik Instrumentasi Fakultas : Fakultas Vokasi

Anggota Tim No Nama

Lengkap Asal Laboratorium Departemen/Unit Perguruan Tinggi/Instansi

1

Detak Yan Pratama S.T.,

M.Sc.

Laboratorium Rekayasa Fotonika

Departemen Teknik

Fisika ITS

2

Gunawan Nugroho ST,

MT., Ph.D

Laboratorium Rekayasa Energi dan Pengkondisian

Lingkungan

Departemen Teknik

Fisika ITS

3

Dr.Ir. Purwadi Agus Darwito

M.Sc.

Laboratorium Rekayasa Instrumentasi

Departemen Teknik

Instrumentasi ITS

4 Murry Raditya S.T., M.T.

Laboratorium Instrumentasi Industri

Departemen Teknik

Instrumentasi ITS

3. Jumlah Mahasiswa terlibat : 4 4. Sumber dan jumlah dana penelitian yang diusulkan

a. Dana Lokal ITS 2020 : 110.000.000,-

b. Sumber Lain : 0,-

Jumlah : 110.000.000,-

Tanggal Persetujuan

Nama Pimpinan

Pemberi Persetujuan

Jabatan Pemberi Persetujuan

Nama Unit Pemberi Persetujuan

QR-Code

09 Maret 2020

Hendro Nurhadi Dipl., Ing.,

Ph.D.

Kepala Pusat

Penelitian/Kajian/Unggulan Iptek

Mekatronika dan Otomasi

Industri

09 Maret 2020

Agus Muhamad Hatta , ST, MSi,

Ph.D

Direktur

Direktorat Riset dan Pengabdian

Kepada Masyarakat