1 Deskripsi APARATUS DAN METODE STABILISASI PENGARAHAN MANDIRI PADA SISTEM PAN-TILT ATAU SISTEM AZIMUT-ELEVASI

(1)

Deskripsi

APARATUS DAN METODE STABILISASI PENGARAHAN MANDIRI PADA SISTEM PAN-TILT ATAU SISTEM AZIMUT-ELEVASI 5

Bidang Teknik Invensi

Invensi ini berkaitan dengan suatu aparatus dan metode stabilisasi pengarahan, lebih khususnya berkaitan dengan suatu aparatus dan metode stabilisasi pengarahan pada sistem pan-tilt atau azimut-elevasi dimana alat ini hanya memanfaatkan penggerak 10

motor dari sistem pan-tilt atau azimut-elevasi itu sendiri untuk menstabilkan gangguan sudut pengarahan disebabkan oleh adanya gangguan pada landasan sistem.

Latar Belakang Invensi 15

Alat dan/atau sistem stabilisasi pada sistem pan-tilt atau azimut-elevasi yang sudah ada saat ini secara garis besar terdiri dari 2 macam yaitu, yang pertama berupa seperangkat

damper atau pegas dan/atau berupa pendulum pemberat yang

dipasang sedemikian rupa pada bagian bawah landasan sistem pan-20

tilt untuk meredam goncangan atau mengembalikan posisi landasan ke posisi sebelumnya dan yang kedua berupa seperangkat tuas penggerak dengan menggunakan penggerak motor atau hidrolik atau pneumatik yang dipasang sedemikian rupa pada bagian bawah landasan untuk menstabilkan landasan dengan cara menyeimbangkan 25

level landasan terhadap permukaan bumi dengan menggunakan sensor giroskop sebagai pendeteksinya.

Invensi yang akan dikemukakan ini memperbaiki kelemahan yang ada pada cara yang kedua dimana pada sistem ini masih menggunakan mekanisme penggerak yang dipasang pada bagian bawah 30

landasan untuk menstabilkan gangguan landasan.

Secara spesifik dari sistem stabilisasi cara yang kedua, ada dalam paten Amerika Serikat No. 4.828.376 dengan judul invensi “Triaxis Stabilized Platform” dimana telah diajukan metode stabilisasi landasan dengan menggunakan tiga buah motor 35

(2)

dan dibuat mekanisme sedemikian rupa untuk menyeimbangkan landasan dari masing-masing gangguan landasan roll-pitch-yaw yang dideteksi oleh gimbal giroskop.

Kemudian juga ada dalam paten Amerika Serikat No. 5.124.938 dengan judul invensi “Gyroless Platform Stabilization 5

Techniques” dimana maksud gyroless disini adalah mendeteksi

gangguan roll-pitch-yaw tanpa menggunakan sensor giroskop melainkan menggunakan sensor akselerometer linier dan/atau akselerometer angular. Gangguan roll-pitch-yaw ini masing-masing distabilkan menggunakan motor roll-pitch-yaw dan hasil umpan 10

balik resolver diubah menjadi sinyal digital ke posisi sudut dan kecepatan sudut masing-masing motor roll-pitch-yaw.

Demikian juga dalam paten Amerika Serikat No. 5.922.039 dengan judul invensi “Actively Stabilized Platform System” dimana telah diajukan metode stabilisasi landasan dengan 15

menggunakan dua buah motor yaitu motor roll dan motor pitch yang dipasang dengan mekanisme sedemikian rupa pada bagian bawah landasan untuk mengatasi gangguan pada landasan. Sistem ini tidak menggunakan gimbal giroskop, tetapi menggunakan tiga buah inklinometer dua poros untuk menggantikan sensor gimbal giroskop 20

dan sistem ini tidak menggunakan motor yaw untuk stabilisasi landasan.

Selanjutnya juga dapat ditemui dalam paten Amerika Serikat No. 6.611.622 dengan judul invensi “Autonomous, Self Leveling,

Self Correcting Stabilized Platform” dimana telah diajukan

25

metode stabilisasi landasan dengan menggunakan dua buah motor servo yang dibuat sedemikian rupa yang masing-masing motor ditempatkan pada masing-masing tumpuan tuas dalam sistem tumpuan kaki tiga yang salah satu tumpuan bersifat statis untuk menyeimbangkan level landasan atau dalam bentuk dua poros motor 30

yang disusun secara ortogonal sehingga memberikan stabilisasi landasan dalam dua dimensi. Sistem ini juga menggunakan sensor gerak seperti sensor kecepatan gerak, sensor giroskop, giroskop serat optik, dan sensor yang lainnya untuk mendeteksi gerakan landasan.

(3)

Kelemahan dari keempat paten Amerika Serikat yang telah disebutkan sebelumnya diatas masih membutuhkan banyak mekanisme mekanik, penggerak, dan alat elektronik yang harus dipasang pada bagian bawah landasan sehingga memakan waktu pengerjaan, biaya yang relatif mahal, sistem menjadi relatif berat, relatif 5

memakan ruang sistem, dan relatif membutuhkan konsumsi daya yang besar.

Untuk mengatasi kelemahan tersebut, maka pada invensi ini digunakan teknik stabilisasi gangguan landasan dengan hanya memanfaatkan penggerak pan-tilt atau azimut-elevasi untuk 10

mengkompensasi kesalahan pengarahan yang disebabkan oleh adanya gangguan landasan. Teknik stabilisasi ini hanya menggunakan seperangkat elektronik berbasis mikroprosesor atau mikrokontroler dimana gangguan roll-pitch-yaw yang dideteksi menggunakan sensor gerak seperti sensor kecepatan gerak, sensor 15

giroskop, giroskop serat optik, akselerometer linier dan/atau angular dan sensor yang lainnya untuk mendeteksi gerakan landasan yang kemudian ditransformasikan ke dalam bentuk persamaan kompensasi sudut pan-tilt atau azimut-elevasi. Jika dibandingkan dengan paten sebelumnya, maka pada invensi ini 20

dinyatakan cukup praktis karena tanpa menggunakan mekanisme mekanik dan penggerak tambahan sehingga relatif murah, relatif ringan, bentuk relatif kecil, daya yang relatif kecil, relatif responsif, relatif stabil, dan bisa langsung dipasang pada sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi yang sudah ada dengan 25

kemudahan integrasi dan penggunaannya.

Ringkasan Invensi

Tujuan dari invensi ini adalah untuk mengkompensasi kesalahan dan menstabilkan pengarahan pada sistem pan-tilt atau 30

azimut-elevasi yang disebabkan oleh adanya gangguan landasan dengan hanya memanfaatkan penggerak pan-tilt atau azimut-elevasi sebagai stabilisatornya. Alat stabilisasi pengarahan ini dapat diaplikasikan pada sistem pengarahan kamera digital, sistem pengarahan kamera video, sistem pengarahan antena, sistem 35

(4)

sistem peluncuran roket, dan lain sebagainya yang mempunyai mekanisme sistem pan-tilt atau azimut-elevasi.

Invensi ini diwujudkan dalam bentuk seperangkat aparatus stabilisasi elektronik yang terdiri dari perangkat keras yang meliputi sensor roll, sensor pitch dan sensor yaw yang berupa 5

sensor kecepatan sudut, sensor giroskop, giroskop serat optik, akselerometer linier dan/atau angular, giroskop elektrik mikro dan sensor yang lainnya untuk mendeteksi gerakan landasan serta antarmuka sinyal digital, antarmuka sinyal analog, mikroprosesor atau mikrokontroler, catudaya, komunikasi serial dan LCD peraga. 10

Agar dapat beroperasi, aparatus ini juga dilengkapi dengan perangkat lunak yang disimpan di dalam memori mikroprosesor yang didalamnya mempunyai kemampuan melakukan perhitungan kompensasi gangguan roll-pitch-yaw yang kemudian ditransformasikan ke dalam bentuk persamaan sudut pan-tilt atau azimut-elevasi dan dapat 15

melakukan perhitungan kontroler pergerakan PID tracking masing-masing motor pan-tilt atau azimut-elevasi. Selain itu perangkat lunak yang disimpan di dalam mikroprosesor atau mikrokontroler juga dilengkapi dengan kemampuan membaca sensor-sensor penggerak

pan-tilt seperti resolver, encoder, potensiometer, dsb. dan

20

dapat mengeluarkan sinyal dalam bentuk sinyal kontrol PWM serta sinyal kontrol analog.

Uraian Singkat Gambar

Tujuan-tujuan dan ciri ciri lain dari invensi ini 25

dijelaskan dengan gambar-gambar berikut:

Gambar 1 adalah suatu bagan metode stabilisasi pengarahan mandiri pada sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi yang sesuai dengan invensi ini.

Gambar 2 adalah suatu bagan aparatus stabilisasi pengarahan 30

mandiri pada sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi yang sesuai dengan invensi ini.

Gambar 3 adalah suatu pandangan diagram alir perangkat lunak operasi dari aparatus stabilisasi pengarahan mandiri pada sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi yang sesuai dengan 35

(5)

Gambar 4 adalah suatu gambaran sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi saat mengalami gangguan roll.

Gambar 5 adalah suatu penyederhanaan diagram kontrol kalang tertutup dari sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi.

5

Uraian Lengkap Invensi

Aparatus dan metode stabilisasi pengarahan mandiri yang hanya menggunakan penggerak dari sistem pan-tilt atau azimut-elevasi sebagai stabilisatornya, secara singkat dan sederhana dapat dijelaskan dengan mengacu pada gambar 1 dimana invensi 10

yang berupa aparatus dan metode stabilisasi pengarahan (1) digunakan untuk menstabilkan pengarahan pada sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi (2). Metode stabilisasi pengarahan yang sesuai dengan invensi ini membutuhkan informasi sudut roll (3), sudut pitch (4) dan sudut yaw (5) dari sistem pan-tilt atau 15

sistem azimut-elevasi dan juga informasi sudut referensi absolut pan/azimut (8) dan sudut referensi absolut tilt/elevasi (7) yang kemudian dilakukan perhitungan total kinematika sudut pan-tilt terhadap gangguan roll-pitch-yaw dan sudut referensi azimut-elevasi absolut yang dituju (6) untuk mendapatkan sudut 20

kompensasi referensi pan/azimut (10) dan sudut kompensasi referensi tilt/elevasi (9), dimana masing-masing sudut kompensasi referensi pan-tilt atau azimut-elevasi ini akan digunakan sebagai sinyal referensi pengontrol pan/azimut (12) dan sinyal referensi pengontrol tilt/elevasi pada suatu sistem 25

kontrol kalang tertutup. Kemudian sinyal kontrol pan/azimut dan sinyal kontrol tilt/elevasi yang dikeluarkan dari aparatus (1) akan digunakan sebagai sinyal kontrol penggerak pan/azimut (14) dan penggerak tilt/elevasi (13) dalam suatu sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi yang selanjutnya pergerakan sistem 30

dideteksi oleh sensor pan/azimut (16) dan sensor tilt/elevasi (15) untuk dijadikan sebagai sinyal umpan balik dalam suatu sistem kontrol kalang tertutup.

Perwujudan aparatus dan metode stabilisasi pengarahan mandiri pada sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi yang 35

(6)

lunak. Mengacu pada gambar 2, perangkat keras tersebut meliputi sensor roll (17), sensor pitch (18) dan sensor yaw (19) dimana ketiga sensor tersebut dapat berupa sensor kecepatan angular, sensor giroskop, giroskop serat optik, giroskop elektrik mikro dan sensor yang lainnya untuk mendeteksi gerakan landasan. 5

Selanjutnya ketiga sensor ini sinyalnya akan dihubungkan secara elektrik ke rangkaian tapis lolos rendah (20) yang kemudian dihubungkan secara elektrik dan dikonversi menggunakan pengubah sinyal analog ke digital (A/D) (21) yang akhirnya dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (22). Mikroprosesor (22) ini 10

juga menerima masukan data dari resolver pan atau sensor encoder pan (24) atau potensiometer pan (23) dan resolver tilt atau encoder tilt (32) atau potensiometer tilt (34) sebagai sensor umpan balik dari penggerak sistem pan-tilt yang juga dikendalikan oleh mikroprosesor (22) menggunakan pengubah sinyal 15

digital ke analog (D/A) pan (28) atau sinyal PWM pan (27) dan pengubah sinyal digital ke analog (D/A) tilt (29) atau sinyal PWM tilt (30). Disediakan juga tombol daya (25) yang digunakan untuk menghidupkan atau mematikan alat dan tombol pilihan (26) yang digunakan untuk melakukan pengaturan pemilihan perintah 20

yang akan dikerjakan oleh aparatus dimana informasi dan hasil proses datanya ditampilkan melalui LCD Peraga (33). Selain itu, aparatus ini juga dilengkapi dengan komunikasi serial (31) yang digunakan untuk membaca sensor roll-pitch-yaw dalam komunikasi serial dan mengendalikan penggerak sistem pan-tilt dalam 25

komunikasi serial serta mengirimkan hasil proses data dalam komunikasi serial.

Selanjutnya mengacu pada gambar 3, menjelaskan mengenai diagram alir perangkat lunak dari aparatus dimana awal program mulai (35) didahului dengan penekanan tombol daya. Kemudian 30

melakukan proses pada blok (36) yaitu membaca pengaturan dan parameter yang sudah disimpan di memori mikroprosesor (22). Pengaturan yang dibaca antara lain pengaturan sinyal yang diterima sensor roll, pitch, yaw yang digunakan apakah sensor kecepatan sudut, sensor giroskop, giroskop serat optik, 35

(7)

dan sensor yang lainnya untuk mendeteksi gerakan landasan menggunakan analog sensor atau digital sensor yang datanya dikirim melalui komunikasi serial, pengaturan jenis sensor posisi yang digunakan apakah menggunakan resolver atau encoder atau potensiometer, pengaturan keluaran sinyal kendali motor 5

apakah berupa sinyal PWM atau sinyal analog dan berapa minimum dan maksimum keluaran tegangan sinyalnya atau apakah dikeluarkan juga menggunakan komunikasi serial dengan protokol komunikasi tertentu, pengaturan sudut pan-tilt referensi absolut nilainya selalu disesuaikan saat aparatus dihidupkan atau selalu tetap 10

sesuai dengan yang telah disimpan sebelumnya. Parameter yang dibaca antara lain parameter sudut pan-tilt referensi absolut, parameter pengontrol PID tracking untuk masing-masing penggerak pan-tilt.

Setelah itu dilanjutkan dengan pengambilan keputusan apakah 15

sudut referensi pan-tilt absolut sudah ditentukan? (37), jika ya langsung menuju ke blok (40), jika tidak maka harus dilakukan proses membaca sensor roll, pitch, yaw, pan, tilt (38) dan kemudian melakukan proses menghitung sudut pan-tilt referensi absolut dari hasil perkalian matrik transformasi sudut roll, 20

pitch, yaw, pan, tilt (39). Perhitungan matrik transformasi ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Dengan mengacu pada gambar 4 yang merupakan gambaran sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi mengalami gangguan roll, dimana gangguan rotasi yang berupa roll (50), pitch (49) dan yaw (48) direpresentasikan 25

dalam koordinat kartesian x, y dan z. Koordinat kartesian ini merupakan kondisi normal tanpa gangguan atau dapat dinamakan kondisi absolut. Selanjutnya dapat didefinisikan untuk sudut perputaran roll terhadap sumbu x adalah sudut , sudut perputaran pitch terhadap sumbu y adalah sudut  dan sudut perputaran yaw 30

terhadap sumbu z adalah sudut , sehingga dapat dihitung perputaran total gangguan rotasi terhadap kondisi normal tanpa gangguan (absolut) dengan matrik transformasi sebagai berikut :

(8)

)

,

(

).

,

(

).

,

(

)

,

(







Rot

z



Rot

y



Rot

z



RPY



                                              c s s c c s s c c s s c R 0 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 0

















































































c

s

c

s

c

s

c

s

c

s

c

s

c

s

c

R

.

..…...… (1)

Matrik pada persamaan (1) merupakan matrik perputaran total gangguan roll, pitch dan yaw terhadap kondisi normal (absolut) 5

dimana hasil pergerakan landasan dinamis (52) akan mengakibatkan perubahan pengarahan pada sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi. Misalkan sistem pan-tilt ini mempunyai motor pan (55) yang mempunyai panjang lengan pan (55) dan motor tilt (54) yang mempunyai panjang lengan tilt (51), maka selanjutnya dapat 10

dihitung persamaan sistem pan-tilt pengarahan dengan menerapkan metode konvensi Denavit-Hartenberg pada tabel 1 sebagai berikut:

Tabel 1. Parameter Denavit-Hartenberg Pada Sistem Pan-Tilt

i Sendi ai αi di θi

1 Pan 0 900 LP 

2 Tilt LT 0 0 

15

Selanjutnya data Tabel 1. tersebut dimasukkan ke dalam persamaan matrik transformasi homogeneous Denavit-Hartenberg dan mendapatkan hasil sebagai berikut:

              1 0 0 0 0 1 0 0 cos 0 sin 0 sin 0 cos 0 1 P L A     ,               1 0 0 0 0 1 0 0 sin 0 cos sin cos 0 sin cos 1 2       T T L L A

Sehingga dengan memudahkan penulisan c=cos dan s=sin maka 20

didapatkan hasil perkalian matrik transformasi kinematika homogeneous untuk sistem pan-tilt sebagai berikut:

                  1 0 0 0 . 0 . . . . . . . . . 1 2 0 1 _ _ _               s L L c s c s L c s s c s c c L s s c c c A A T T P T T PT ………...….. (2)

(9)

Kemudian jika sistem pan-tilt mengalami gangguan roll, pitch, yaw maka transformasi kinematika homogeneous untuk sistem pan-tilt, sebelumnya harus dikalikan dengan matrik rotasi gangguan roll, pitch, yaw yang diberikan sebagai berikut :

                                           1 0 0 0 . 0 . . . . . . . . 1 0 0 0 0 . . 0 . . . . . . . 0 . . . . . . . . 1 0 0                                               s L L c s c s L c s s c s c c L s s c c c c c s c s c s s s c c s s c c c s c s c c s c s c c s c c T R T T P T T PT 5              1 0 0 0 z z z z y y y y x x x x d a s n d a s n d a s n T ……….…….. (3) dengan, n_x c.c.c.c +(-s.c+c.s.s).s.c +(s.s+c.s.c).s n_y s.c.c.c +(c.c+s.s.s).s.c+(-c.s+s.s.c).s n_z (-s.c +c.s.s).c +c.c.s 10 s_x -c.c.c.s -(-s.c +c.s.s).s.s +(s.s+c.s.c).c s_y -s.c.c.s -(c.c+s.s.s).s.s +(-c.s+s.s.c).c s_z (s.c -c.s.s).s+c.c.c a_x c.c.s-(-s.c+c.s.s).c a_y s.c.s -(c.c+s.s.s).c 15 az -s.s -c.s.c d_x c.c.c.L_T.c +(-s.c+c.s.s).s.L_T.c +(s.s+c.s.c).(L_T.s L_P) d_y s.c.c.L_T.c +(c.c+s.s.s).s.L_T.c +(-c.s +s.s.c).(L_T.s L_P) d_z (-s.c +c.s.s).L_T.c +c.c.(L_T.s +L_P) 20

Dari hasil perkalian matrik sistem pan and tilt dengan matrik gangguan roll, pitch dan yaw akan didapatkan hasil pergerakan keseluruhan sistem yang disebabkan oleh gangguan landasan.

Kembali lagi ke gambar 3, proses pada blok (39) dilanjutkan 25

dengan proses membaca sensor roll, pitch, yaw (40) yang merupakan awal dari proses perulangan untuk membaca setiap perubahan sensor roll, pitch, yaw dalam setiap waktu cuplik tertentu. Kemudian dilanjutkan dengan melakukan proses menghitung transformasi sudut pan-tilt relatif terhadap sudut 30

roll, pitch, yaw (41) yang menghasilkan sudut pan-tilt absolut, dimana proses ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Mengacu pada persamaan (2) dan persamaan (3), Untuk mengkompensasi gangguan

(10)

roll, pitch dan yaw tersebut dengan hanya menggunakan sistem pan-tilt saja, maka dapat dilihat pada gambar 3 bahwa ujung pengarah (director pointing) (51) pada bagian tilt kondisi normalnya berada sejajar pada sumbu x, sehingga dalam hal ini ujung pengarah pada sistem pan-tilt diwakili oleh kolom 1 yang 5

merupakan representasi orientasi ujung pengarah terhadap sumbu x, sehingga dapat didefinisikan sebagai berikut:

- Sistem pengarahan tanpa gangguan roll, pitch dan yaw

                s c s c c T_x_absolut . . ) ( ……….. (4)

- Sistem pengarahan dengan gangguan roll, pitch dan yaw 10                                                                  .s .c c + .c ) .s .s c + .c (-s ).s .c .s s + .s (-c + c . ).s .s .s s + .c (c + c . .c .c s ).s .c .s c + .s (s + c . ).s .s .s c + .c (-s + c . .c .c c z y x x n n n T … (5)

Secara logika ilmiah, untuk mengkompensasi sistem pengarahan pan-tilt maka matrik ujung pengarah dengan gangguan harus sama dengan matrik ujung pengarah tanpa gangguan karena sistem pengarahan tanpa gangguan merupakan referensi sudut yang 15

harus dituju dalam kondisi absolut. Jadi Tx(absolut) merupakan

matrik referensi pengarahan sudut pan-tilt dalam kondisi absolut dan Tx merupakan hasil matrik pengarahan sudut pan-tilt yang

disebabkan oleh gangguan roll-pitch-yaw.

Jika sudut pan-tilt tanpa gangguan roll-pitch-yaw atau 20

dapat disebut sudut pan-tilt absolut, maka variabel  dan  pada persamaan (2) harus dibedakan dan diubah menjadi variabel absolut dan absolut, sehingga untuk mengetahui sudut pan-tilt absolut terhadap sistem pan-tilt yang mengalami gangguan roll-pitch-yaw, dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:

25



_, 2 2



arctan _z _x _y absolut  n n n 



y x



absolut arctan n ,n  ………..……… (6)

Kemudian untuk mendapatkan sudut pan-tilt yang mengalami gangguan roll-pitch-yaw terhadap sudut pan-tilt absolut atau

(11)

sudut azimut-elevasi absolut, maka dapat diselesaikan dengan melihat persamaan (2) dan persamaan (3) sebagai berikut:

           ).c .s .s c + .c (-s -.s .c c   absolut x absolut s a s                  ( tan .c s .s ).c c c ).c .s .s c + .c (-s .s c        s absolut s absolut _...(7)

selanjutnya persamaan (7) disubstitusikan dengan persamaan 5 sebagai berikut:                                                   c ). .c c c . tan . s ( . tan c ). .s .s s + .c c .s s . s c . tan . s ( . tan ).c .s .s s + .c (c ).c .s s c . tan ( c . s ).c .s .s s + .c (c -.s .c s                        absolut absolut absolut absolut absolut absolut absolut y absolut c s c s s c c a c

sehingga didapatkan persamaan kompensasi sudut referensi pan atau sudut referensi azimut terhadap gangguan roll-pitch-yaw sebagai berikut: 10                    .cos cos cos . tan . sin cos sin . tan

cos 1 absolut absolut _{……….……… (8)}

jika sudut referensi pan atau sudut referensi azimut terhadap gangguan roll-pitch-yaw sudah didapatkan melalui persamaan (8), maka kompensasi sudut referensi tilt atau sudut referensi elevasi terhadap gangguan roll-pitch-yaw juga didapatkan sebagai 15 berikut:                     c .s .c c .s .s c + .c -s .s .c c + ).c .s .s c + .c -s (     absolut absolut s s ……….. (9)

kemudian hasil persamaan (9) disubstitusikan dengan persamaan berikut ini,                                                 .c c .c c tan . c tan . s tan . ) c tan . .(s .c c .c .c c tan . .s .c c tan . .c .c c + ).s c .s .c c ( .c .c c + ).s .s .s c -.c s ( absolut absolut absolut absolut absolut absolut absolut absolut absolut c s c s s c s c c                 20

(12)

sehingga didapatkan persamaan kompensasi sudut referensi tilt atau sudut referensi elevasi terhadap gangguan roll-pitch-yaw sebagai berikut:             .cos cos sin

sin 1 absolut _atau

            .cos cos cos cos 1 absolut _{……….. (10)}

Selanjutnya kembali lagi melihat gambar 3, dengan meneruskan 5

ke proses mengubah sudut pan-tilt relatif menjadi referensi posisi untuk masing-masing motor pan-tilt (42) yang merupakan konversi dari sudut pan-tilt dalam bentuk radian menjadi satuan yang sama dengan umpan balik dari sensor posisi yang digunakan. Setelah itu melakukan proses menghitung sinyal kontrol PID 10

tracking untuk masing-masing motor pan-tilt (43), dimana dari

referensi posisi yang sudah diberikan harus dicapai dengan pergerakan motor yang secepat mungkin. Hal ini hanya dapat dilakukan dengan menggunakan kontroler tracking model yang diinginkan. Dalam aparatus stabilisasi pengarahan mandiri pada 15

sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi sesuai dengan invensi ini menggunakan kontroler PID tracking dengan algoritma penalaan PID tracking untuk menentukan parameter P, I, D dari persamaan PID. Model diagram blok kontrol sistem dapat diberikan seperti pada gambar 5. Dengan menganggap gangguan eksternal (Fd) sudah 20

termasuk dalam identifikasi sistem, maka dapat dijabarkan :

( ) ( ) 1 ( ) 1 1 c p c c p p s Y G G Y s _R G Y R s G G G R           _  _ ……… (11) dengan Gc(s) (57) merupakan persamaan kontroler dalam bentuk laplace dan Gp(s) (58) merupakan persamaan sistem dalam bentuk

laplace, maka dengan memisalkan fungsi alih model yang kita

25

inginkan, dinyatakan dalam Gm(s) (59) maka didapatkan persamaan

kontrolernya sebagai berikut:

 

mod mm ( ) mod ( ) 1 1 1 1 el c p p s el s Y G R G Y G G G R   _ _    _ _  _ _   _ _   ……… (12)

(13)

Dari persamaan (12), dengan menjaga persamaan pengontrol dalam bentuk PID maka didapatkan tabel penalaan PID tracking seperti yang diberikan pada Tabel 2 sebagai berikut:

Tabel 2. Parameter Penalaan Pengontrol PID tracking Parameter Penalaan No. G_p(s) G_m(s) P I D 1 kp ₁ 1  s m  - kp.m -2 s k_p 1 1  s m  k_p._m 1 - -3 1  s k p p  1 1  s m  _p _m p k   . kp.m 1 -4 ) 1 ( s s k p p  1 1  s m  kp.m 1 -m p p k   . 5 1 .   s e k p s p   1 1  s m  ( )   m p p k ( ) 1  _m  p k 2. ( ) .      m p p k 6 ) 1 )( 1 ( ₁s ₂s k_p   1 1  s m  k_p_m   . 2 1 m p k . 1 m p k    . . ₂ 1 7 1 2 2. ₁ 2 s  s k p p p    1 1  s m  pkpm  2 m p k . 1 m p pk    2 2 8 1 2. ₁ . 2 2    s s e k p p s p     1 1  s m  _p _p _m p k       2 m p k . 1 m p p p k      2 1 . . . 2  9 0 1 1s ... a a s a k n n n n p      1 1  s m  kp.m 1 m p k . 1 m p k . 1 5

Pada tabel 2 di atas dapat dilihat bahwa semua sistem plant dari orde 0 sampai orde tinggi dapat dihasilkan parameter Kp, ti, td yang diselesaikan dengan persamaan penalaan PID tracking sesuai dengan fungsi alih model yang diinginkan Gm(s). Fungsi alih model yang diinginkan pada tabel 2 dapat juga dilihat lebih 10

banyak menggunakan model orde 1. Hal ini karena diharapkan sistem yang akan dicapai tidak mempunyai banyak overshoot dengan mempunyai time konstan yang mendekati 0 sehingga mempunyai tujuan untuk mendekati sinyal ideal.

(14)

Kembali mengacu pada gambar 3, dengan meneruskan ke proses mengeluarkan sinyal kontrol PID tracking dalam bentuk sinyal PWM atau sinyal analog atau komunikasi serial (44) yang selanjutnya data dapat ditampilkan ke LCD peraga (45). Kemudian menuju ke proses pengambilan keputusan apakah tombol daya ditekan lama 5

(46), jika ya maka menuju proses matikan alat namun jika tidak maka kembali melakukan perulangan ke proses sebelumnya pada blok (40).

(15)

Klaim

1. Suatu aparatus stabilisasi pengarahan yang didalamnya terdapat metode untuk mengkompensasi kesalahan dan menstabilkan pengarahan pada sistem pan-tilt atau azimut-5

elevasi yang disebabkan oleh adanya gangguan landasan berupa gangguan roll-pitch-yaw dengan hanya memanfaatkan penggerak

pan atau azimut dan penggerak tilt atau elevasi sebagai

stabilisatornya, yang terdiri dari:

sensor roll (17), sensor pitch (18), sensor yaw (19) 10

yang berupa sensor gerak seperti sensor kecepatan gerak, sensor giroskop, giroskop serat optik, akselerometer linier dan/atau angular, MEMS giroskop, dan sensor yang lainnya untuk mendeteksi gerakan landasan dihubungkan secara elektrik ke masing-masing tapis lolos rendah (20) yang 15

kemudian dihubungkan secara elektrik ke pengubah A/D (21); mikroprosesor (22) didalamnya terdapat memori yang digunakan untuk menyimpan algoritma perangkat lunak yang dapat melakukan perhitungan kompensasi gangguan roll-pitch-yaw yang kemudian ditransformasikan ke dalam bentuk 20

persamaan sudut pan-tilt atau azimut-elevasi dan juga dapat melakukan perhitungan kontroler pergerakan PID tracking masing-masing motor pan-tilt atau azimut-elevasi;

pengubah A/D (21) juga dapat menerima masukan dari potensiometer pan (23) dan potensiometer tilt (34) yang 25

digunakan untuk membaca sinyal balikan dari sensor motor pan dan motor tilt;

sinyal PWM pan (27) dan PWM tilt (30) yang digunakan untuk sinyal kendali motor pan dan motor tilt dalam bentuk sinyal PWM juga dihasilkan oleh mikroprosesor (22);

30

pengubah D/A pan (28) dan pengubah D/A tilt (29) yang juga digunakan untuk sinyal kendali motor dalam bentuk sinyal analog juga dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (22);

resolver pan atau encoder pan (24) dan resolver tilt 35

(16)

balikan dari sistem pan-tilt juga dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (22);

tombol daya (25) yang digunakan sebagai penghubung dan pemutus daya listrik juga dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (22);

5

tombol pilihan (26) yang digunakan untuk pemilihan mode pengaturan dan pengoperasian aparatus juga dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (22);

komunikasi serial (31) yang digunakan untuk mengirim sinyal serial ke kemudi motor pan dan motor tilt dan/atau 10

menerima data serial dari sensor roll (17), sensor pitch (18) dan sensor yaw (19) juga dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (22);

peraga (33) yang digunakan untuk menampilkan menu pilihan dan hasil proses data juga dihubungkan secara 15

elektrik ke mikroprosesor (22).

2. Aparatus stabilisasi pengarahan pada klaim 1, perangkat lunak dalam mikroprosesor (22) dicirikan mempunyai kemampuan sebagai berikut:

membaca data sensor roll (17), sensor pitch (18), 20

sensor yaw (19), potensiometer pan (23) atau resolver pan atau encoder pan (24), potensiometer tilt (34) atau resolver tilt atau encoder tilt (32);

mengeluarkan sinyal pengubah D/A pan (28) atau PWM pan (27) dan sinyal pengubah D/A tilt (29) atau PWM tilt (30); 25

melakukan perhitungan kompensasi gangguan roll-pitch-yaw yang kemudian ditransformasikan ke dalam bentuk persamaan sudut pan-tilt atau azimut-elevasi dan dapat melakukan perhitungan kontroler pergerakan PID tracking masing-masing motor pan-tilt atau azimut-elevasi.

30

3. Aparatus stabilisasi pengarahan pada klaim 1, algoritma perangkat lunak dalam mikroprosesor (22) tersebut meliputi perhitungan sebagai berikut:

(17)

a) sistem pengarahan tanpa gangguan roll, pitch dan yaw (absolut) adalah                 s c s c c T_x_absolut . . ) (

b) sistem pengarahan dengan gangguan roll, pitch dan yaw adalah 5                                                       .s .c c + .c ) .s .s c + .c (-s ).s .c .s s + .s (-c + c . ).s .s .s s + .c (c + c . .c .c s ).s .c .s c + .s (s + c . ).s .s .s c + .c (-s + c . .c .c c x T

dengan s adalah sinus, c adalah cosinus,  adalah sudut pitch, adalah sudut roll, adalah sudut yaw,  adalah sudut pan, dan  adalah sudut tilt;

secara logika ilmiah, untuk mengkompensasi sistem pan-10

tilt maka matrik ujung pengarah dengan gangguan harus sama dengan matrik ujung pengarah tanpa gangguan karena sistem pengarahan tanpa gangguan merupakan referensi sudut yang harus dituju dalam kondisi normal (absolut), sehingga didapatkan hubungan, 15                    .cos cos cos . tan . sin cos sin . tan

cos 1 absolut absolut

            .cos cos sin

sin 1 absolut _atau

            .cos cos cos cos 1 absolut _.

4. Aparatus stabilisasi pengarahan pada klaim 1, hanya mengendalikan dua derajad kebebasan sistem pan-tilt atau azimut elevasi untuk menstabilkan gangguan pengarahan yang 20

disebabkan oleh tiga derajad kebebasan gangguan landasan roll-pitch-yaw.

5. Aparatus stabilisasi pengarahan pada klaim 1, algoritma perangkat lunak dalam mikroprosesor (22) tersebut dapat melakukan perhitungan kontroler ke masing-masing penggerak 25

sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi sesuai dengan model respon yang diinginkan untuk menuju referensi

(18)

pengarahan yang dituju secepat mungkin dengan syarat tidak boleh kurang dari 10 kali waktu cuplik kontroler.

6. Aparatus stabilisasi pengarahan pada klaim 1, ditempatkan pada landasan sistem pan-tilt atau azimut-elevasi atau sejajar dengan penggerak pan atau azimut pada sistem pan-5

tilt atau sistem azimut elevasi.

7. Aparatus stabilisasi pengarahan pada klaim 1, dapat mengendalikan penggerak sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi berupa motor dc, motor servo, motor stepper.

8. Aparatus stabilisasi pengarahan pada klaim 1, dapat menerima 10

sensor penggerak sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi berupa resolver, encoder, potensiometer.

9. Aparatus stabilisasi pengarahan pada klaim 1, dapat digunakan sebagai alat stabilisasi pada sistem pengarahan kamera digital, sistem pengarahan video kamera, sistem 15

pengarahan antena, sistem pengarahan bidikan senjata berat, sistem pengarahan sinar laser, sistem peluncuran roket, dan lain sebagainya yang mempunyai mekanisme sistem pan-tilt atau azimut-elevasi.

20

(19)

Abstrak

APARATUS DAN METODE STABILISASI PENGARAHAN MANDIRI PADA SISTEM PAN-TILT ATAU SISTEM AZIMUT-ELEVASI

Suatu aparatus/alat dan metode stabilisasi pengarahan pada 5

sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi dengan memanfaatkan penggerak motor dari sistem pan-tilt atau azimut-elevasi itu sendiri untuk menstabilkan gangguan sudut pengarahan yang disebabkan oleh adanya gangguan pada landasan sistem. Sistem

pan-tilt atau sistem azimut-elevasi ini banyak dipakai pada

10

sistem pengarahan kamera, antena, senjata berat, sinar laser, peluncuran roket, dan lain sebagainya. Alat stabilisasi pengarahan mandiri ini pada sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi dilengkapi dengan sensor roll, sensor pitch dan sensor yaw yang berupa sensor gerak seperti sensor kecepatan gerak, 15

sensor giroskop, giroskop serat optik, akselerometer linier dan/atau angular, MEMS giroskop, dan sensor yang lainnya untuk mendeteksi gerakan landasan serta antarmuka sinyal digital, antarmuka sinyal analog, mikroprosesor, catudaya tegangan searah, komunikasi serial dan LCD peraga. Agar dapat beroperasi, 20

alat ini juga dilengkapi dengan perangkat lunak yang disimpan di dalam mikroprosesor yang didalamnya mempunyai kemampuan melakukan perhitungan kompensasi gangguan roll-pitch-yaw yang kemudian ditransformasikan ke dalam bentuk persamaan kompensasi sudut pan-tilt atau azimut-elevasi dan juga dapat melakukan 25

perhitungan kontroler PID tracking pergerakan masing-masing motor pan-tilt atau azimut-elevasi untuk mencapai referensi dalam waktu secepat mungkin sesuai dengan model respon yang diinginkan.

(20)

1 Gambar 1 Gambar 2 Mikro prosesor Sensor Roll Sensor Pitch Sensor Yaw Tapis lolos rendah Tapis lolos rendah Pengubah A/D Resolver Pan atau Encoder Pan Potensiometer Pan

Pengubah D/A Pan

Resolver Tilt

atau

Encoder Tilt Potensiometer Tilt

Pengubah D/A Tilt PWM Pan PWM Tilt Tombol Daya Komunikasi Serial LCD Peraga 18 19 20 21 ₂₂ 23 24 20 20 25 27 28 30 29 31 32 33 34 Tombol Pilihan 26 Tapis lolos rendah

Perhitungan total kinematika sudut pan-tilt terhadap gangguan

roll-pitch-yaw dan sudut referensi azimut-elevasi absolut yang dituju sudutroll

sudutpitch

sudut yaw

sudut referensi absolut

pan/azimut sudut referensi absolut

tilt/elevasi kontroler tilt/elevasi kontroler pan/azimut penggerak tilt/elevasi penggerak pan/azimut sensor tilt/ elevasi sensor pan/ azimut _ + +_ 1 2 6 3 5 4 7 8 9 10 12 11 13 14 15 16 17 _

(21)

2

Gambar 3 Mulai

Baca setting dan parameter dari memori mikroprosesor

Baca sensor

roll, pitch, yaw

Hitung sudut referensi absolutpan-tiltyang dituju dari hasil perkalian matrik transformasi sudut roll, pitch, yaw,

Baca sensor roll, pitch, yaw, pan, tilt

Hitung transformasi sudut pan-tilt relatif terhadap sudut

roll, pitch, yaw yang menghasilkan sudut pan-tilt absolut yang sama dengan sudut pan-tilt referensi absolut

Ubah sudut pan-tilt relatif menjadi setpoint

posisi untuk masing-masing motor pan-tilt Hitung sinyal kontrol PID tracking

untuk masing-masing motor pan-tilt

Tombol daya ditekan lama ?

Keluarkan sinyal kontrol PID tracking dalam bentuk

sinyal PWM atau sinyal analog atau komunikasi serial

T

Y Matikan alat

Tampilkan data ke LCD peraga

36 35 37 38 40 41 42 43 44 45 46 47 Sudut pan-tilt referensi

absolut sudah ditentukan ? Y

T

(22)

3 Gambar 4 Gambar 5 Y X Z z y x   55 56 x1 y1 z1 x2 y2 z2 Gc(s) Gp(s) R(s) E(s) Fd +_ Y(s) +_ 57 58 Gm(s) R(s) Y(s) 59 48 49 50 51 53 52 54