Navigation and Control System of Quadrotor
Helicopter
Didik Setyo Purnomo, ST, M.Eng#1, Anggota IEEE, Nu Rhahida Arini, ST, M.T#2, Bachtiar Septiawan#3 Nu Rhahida Arini is with the Department of Mechatronics Engineering, Electronics Engineering Polytechnic
Institute of Surabaya (EEPIS), EEPIS Campus Sukolilo, Surabaya 60111, Indonesia. Email: arini@eepis-its.edu).
Didik Setyo Purnomo is with the Department of Mechatronics Engineering, Electronics Engineering Polytechnic Institute of Surabaya (EEPIS), EEPIS Campus Sukolilo, Surabaya 60111, Indonesia.
(Email: didiksp@eepis-its.edu).
Bachtiar Septiawan is with the Department of Mechatronics Engineering, Electronics Engineering Polytechnic Institute of Surabaya (EEPIS), Indonesia.
(Email: septiawanbachtiar@yahoo.com).
Abstrak - Quadrotor merupakan proyek yang cukup populer di masa depan. Quadrotor sesuai dengan namanya memiliki 4 (quad) buah rotor yang dikendalikan secara terpisah satu sama lainnya. Quadrotor dapat berfungsi sebagai alat bantu fotografi, bahkan dapat pula digunakan sebagai alat bantu pengintaian. Pengendalian quadrotor memerlukan kontrol yang cukup rumit agar dapat terbang secara maksimal. Pada quadrotor ini menggunakan kompas digital untuk menentukan arah terbangnya, serta menggunakan gyro dalam menyetabilkan keseimbangannya.
Kata kunci - Quadrotor, kompas digital, gyro.
I . PENDAHULUAN
Quadrotor Helicopter, juga disebut Helikopter, adalah sebuah pesawat yang diangkat dan didorong oleh 4 rotor. Quadrotor diklasifikasikan sebagai helikopter, sebagai lawan jenis dari pesawat bersayap tetap, karena diangkat oleh 4 rotor. Quadrotor juga dapat diklasifikasikan sebagai salah satu heikopter, walaupun tidak seperti helikopter pada umumnya, quadrotor dapat menggunakan fixed-pitch blades, yang angle of attack tidak bervariasi sebagai putaran baling-baling. Terdapat dua generasi desain quadrotor. Generasi pertama dirancang untuk membawa satu penumpang atau lebih. Kendaraain ini merupakan yang pertama mengalami kesuseksan berat dibandingkan kendaraan udara vertical take off and landing (VTOL). Generasi yang lebih baru dari quadrtor umumnya dirancang untuk menjadi kendaraan udara tak berawak (UAV).
II. TEORI PENUNJANG
Quadrotor memiliki 4 buah motor yang masing-masing dapat bergerak bersamaan ataupun tidak. Jika menginginkan suatu perpindahan dalam satu titik ke titik lain (satu tempat ke tempat lain) dibutuhkan diferensial kecepatan pada motor quadrotor. Karena prinsip kerja dari pergerakan quadrotor bertitik pada kecepatan motor masing-masing sisi
2.1a.
2.1b.
Gambar 2.1 - Quadrotor helicopter dikontrol dengan memvariasikan . (a) Pitch dan torsi roll dihasilkan secara independen dengan mengontrol kecepatan relatif dari rotor pada sisi berlawanan helikopter. (b torsi yaw dihasilkan dengan mengendalikan kecepatan relatif motor, yang berputar terbalik untuk menghasilkan reaksi torsi total yang berbeda-beda pada shaft motor. Percepatan vertikal dikendalikan oleh kecepatan total dari semua rotor, dan percepatan lateral dikendalikan melalui lapangan dan roll pesawat. “Quadrotor Helicopter Trajectory Tracking Control.” Hoffman, G.M and Waslander, S.L. (2008).
Gaya Angkat Helikopter
Jika ditemukan data awal yaitu besar tegangan dan arus masksimal maka persamaan yang digunakan yaitu :
= . ...(2.1) = . ...(2.2) Jika kedua persamaan diatas dimasukkan kedalam persamaan 2.3 maka dapat ditemukan bahwa.
. = . ...(2.3) Berikut persamaan dalam mencari gaya angkat pada quadrotor helikopter.
= .
= . ...(2.4) Jika Ʃ F dapat ditemukan maka ketinggian yang dapat ditempuh oleh quadrotor dapat dimasukkan dalam persamaan 4.3.
=
.. ...(2.5)
Inertia Meassrement Unit
Inertia Meassurement Unit (IMU) merupakan suatu alat ukur bantu dalam menstabilkan quadrotor helikopter. Pada umumnya IMU terdiri 3 jenis sensor yaitu, gyro, accelerometer, dan magnetometer. Demi mencapai hasil yang maksimal diperlukan ketiga jenis sensor tersebut. Dalam pembuatan quadrotor pada projek ini hanya digunakan 2 buah gyro untuk menstabilkan 2 axis (pitch dan roll). Gyro memiliki 2 prinsip kerja atau bisa disebut mode (Heading lock mode / Normal mode). Mode tersebut dapat diubah sesuai dengan kebutuhan kita dengan merubah besar gain pada kabel input berwarna kuning atau dapat disebut gyro sensitivity input connector. Perbedaan antara normal mode atau heading lock dilihat dari bagaimana gyro itu bekerja jika dikoneksikan dengan servo motor.
Gambar 2.3 – Gyro Configuration Digital Kompas
Kompas adalah alat yang berfungsi untuk menunjukkan arah hadap suatu objek. Kompas merupakan substansi penting dari sistem navigasi muatan roket dan juga sebagai sensor yang digunakan untuk mengetahui arah hadap muatan roket. Sensor kompas merupakan sebuah modul yang didalamnya berisi CPU-based dan 2 magnet yang masing kutub-kutubnya dihadapkan ke mata angin yang berbeda-beda
Gambar 2.4 – Digital Compass Brushless DC Motor
Motor ini memiliki efisiensi tinggi, usia kerja yang panjang (panjang umur), memiliki suara kecil dan konsumsi daya lebih kecil. Secara elektronik, motor dc brushless dioperasikan sama dengan motor dc konvensional.
Gambar 2.5 - Bushless DC Motor Pengerucutan yang Disebabkan oleh Gaya Sentrifugal
Agar sebuah helikopter dapat menghasilkan gaya angkat, baling-baling rotor harus berputar. Hal ini akan menciptakan angin yang relative berlawanan dengan arah rotasi sistem rotor. Rotasi sistem rotor menciptakan gaya sentrifugal (inersia), yang cenderung menarik pisau lurus keluar dari rotor utama. Semakin cepat putaran rotor semakin besar gaya sentrifugal. Gaya ini memberikan baling-baling kekakuan dan, pada kenyataannya, kekuatan untuk membantu mengangkat helikopter. Gaya sentrifugal yang dihasilkan menentukan operasi rpm maksimum rotor karena keterbatasan struktural pada sistem rotor utama.
Gambar 2.4 – Pisau rotor mengerucut terjadi pada saat pisau rotor mulai mengangkat beban daro helikopter.
III. DESAIN DAN PEMBUATAN SISTEM Pada perancangan dan pembuatan sistem untuk implementasi Navigation and Control System of Quadrotor Helicopter pada Proyek Akhir ini secara umum yaitu : Perencanaan dan pembuatan perangkat keras yang meliputi dan mekanik helikopter , pembuatan minimum sistem mikrokontroller, dan perangkat wireless komunikasi .
Blok Diagram Sistem
Berikut merupakan blok diagram keseluruhan yang ada dalam sistem dapat dilihat pada gambar 3.1:
Gambar 3.1- Blok Diagram Sistem Perancangan dan Pembuatan Perangkat Keras
1. Perancangan dan Pembuatan Mekanik
Dimensi standar bagian terluar mekanik
quadrotor helicopter dapat dilihat pada
gambar 3.2:
a. Diameter : ± 1000 mm b. Tinggi : ± 250 mm
Gambar 3.2 – Dimensi quadrotor helicopter. Implementasi dari perancangan mekanika yang dibuat dapat dilihat pada gambar 3.3.
Gambar 3.3 – Implementasi perancangan mekanika
2. Perancangan dan Pembuatan Perangkat
Elektronika
a. Slave Controller
Gambar 3.4 – Slave Controller b. Master Controller
Gambar 3.5 – Master Controller c. Remote Controller
Gambar 3.6 – Remote Controller
Dari gambar 3.4 sampai 3.6 dapat dilihat rancangan perangkat elektronika yang dibuat.
IV. PENGUJIAN DAN ANALISA Uji Keseimbangan Motor
Pada pengujian keseimbangan motor yang diuji yaitu terdapat perbedaan kecepatan dikarenakan karakteristik speed control yang berbeda. Pengujian dilakukan menggunakan receiver dari remote control yang disambungkan langsung pada chanel thortle. Data perubahan dan perbedaan RPMq` motor 1, motor 2, motor 3, dan motor 4 dapat dilihat pada tabel 4.1dibawah ini.
Tabel 4.1 – Tabel RPM motor
PWM
(ms)
RPM
Motor1 Motor2 Motor3 Motor4
1,20 5220 4756 5638 5644 1,23 6689 6414 7142 7591 1,25 8123 8006 8853 9050 1,27 9444 9262 9977 10111 1,30 10202 10071 10841 10981 1,32 11027 10864 11512 11596 1,34 11517 11347 12305 12094 1,37 11762 11718 12146 12295 1,39 12133 12049 12480 12650 1,41 12469 12340 12764 12924 1,44 12734 12626 13010 13190 1,46 12995 12842 13203 13152 1,48 13330 13180 13560 13512 1,50 13450 13238 13569 13678
Dari keempat data diatas dapat setelah dimasukkan kedalam grafik maka akan membentuk data yang hampir mendekati linier. Data tersebut dapat dilihat pada grafik 4.1.
Gambar 4.1 – Grafik RPM motor
Uji Sensor Gyro
Sensor gyro bekerja pada PWM 1ms-2ms (±30o). Jika gyro diputar searah jarum jam sebanyak 30o maka data PWM yang terlihat adalah 2ms. Jika gyro diputar berlawanan arah jarum jam sdebanyak 30o maka data PWM yang terlihat adalah 1ms. Namun data tersebut tidak sepenuhnya akurat dengan data yang
diperoleh hanya antara 1,2ms-1,8ms. Data Gyro 1 dan 2 dapat dilihat pada tabel 4.2 dan tabel 4.3.
Tabel 4.3 –Gyro e-sky Tabel 4.4 – Gyro HK
Sudut Ton(ms) Sudut Ton (ms)
60 1,8 60 1,6 55 1,8 55 1,6 50 1,8 50 1,6 45 1,8 45 1,6 40 1,8 40 1,6 35 1,8 35 1,6 30 1,8 30 1,6 25 1,8 25 1,6 20 1,6 20 1,6 15 1,6 15 1,6 10 1,6 10 1,5 5 1,6 5 1,4 0 1,6 0 1,4 -5 1,6 -5 1,39 -10 1,6 -10 1,39 -15 1,4 -15 1,39 -20 1,4 -20 1,39 -25 1,4 -25 1,39 -30 1,4 -30 1,39 -35 1,4 -35 1,39 -40 1,4 -40 1,2 -45 1,2 -45 1,2 -50 1,2 -50 1,2 -55 1,2 -55 1,2 -60 1,2 -60 1,2 0 5000 10000 15000 1,2 1,25 1,3 1,34 1,39 1,44 1,48 RPM Ton (ms) motor1 motor2 motor3 motor4
Gambar 4.2 – Grafik perubahan sudut gyro terhadap PWM
.
Pengujian baud rate komunikasi
Pada pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kemampuan pengiriman data oleh modul
Wireless RF pada beberapa range baud rate. Pada
datasheet yang disertakan, modul wireless RF secara fabrikasi menyediakan kemampuan range baud rate
1200 bps, 2400 bps, 4800 bps, 9600 bps, 19200 bps, 38400 bps, 57600 bps dan 115200 bps.
Tabel 4.5. Hasil Pengujian Pengiriman Data dengan Xbee Pro
Jarak
Data yang Dapat Diterima ( Bit )
120 0 240 0 480 0 960 0 1920 0 3840 0 5760 0 11520 0 2 100 0 100 0 100 0 998 1000 1000 1000 1000 4 100 0 999 100 0 100 0 1000 1000 1000 1000 6 998 999 999 999 1000 1000 1000 1000 8 998 999 999 999 998 1000 1000 1000 10 100 0 999 996 996 997 1000 1000 1000 12 999 998 998 998 998 1000 1000 1000 14 999 999 999 997 997 999 1000 1000 16 996 998 996 996 996 1000 1000 1000 18 997 997 997 996 996 997 998 1000 20 997 998 996 997 997 998 999 1000
Gambar 4.3.Karakteristik pengujian X-Bee Pro
Pengujian Sistem Helikopter
Pada pengujian sistem terbang dari quadrotor
helicopter ini dimulai dengan pengiriman data melalui
XBee-Pro menuju master controller kemudian data
tersebut di feedback melalui YS1020UB. Dari data yang telah direkam maka dapat dilihat data flight dari
quadrotor helicopter pada tabel 4.6 dibawah ini.
Tabel 4.6 – Data Flight quadrotor helicopter.
S1 S2 S3 S4 A1 A2 A3 A4 C GY GX 50 52 50 50 30 30 30 30 67 68 64 50 50 51 51 30 30 30 30 67 67 67 50 50 51 52 30 30 30 30 67 67 68 50 50 51 52 30 30 30 30 67 67 68 50 50 51 50 30 30 30 30 67 67 66 50 50 51 50 30 30 30 30 67 67 66 50 51 51 50 30 30 30 30 67 67 65 50 50 52 52 30 30 30 30 67 67 67 54 53 54 55 30 30 30 30 67 68 67 55 55 55 55 30 30 30 30 67 68 66 55 56 57 56 30 30 30 30 67 67 66 55 56 57 56 30 30 30 30 67 67 66 58 58 58 58 30 30 30 30 67 68 66 57 57 59 59 30 30 30 30 67 67 67 58 59 60 59 30 30 30 30 68 67 66 58 58 60 60 30 30 30 30 67 67 67 60 60 62 62 30 30 30 30 67 67 67 60 61 62 61 30 30 30 30 67 67 66 62 63 64 63 30 30 30 30 68 67 66 62 62 64 64 30 30 30 30 68 67 67 63 64 65 64 30 30 30 30 68 67 66 64 64 66 66 30 30 30 30 68 67 67 66 65 66 67 30 30 30 30 68 68 67 65 65 67 67 30 30 30 30 68 67 67 66 66 68 68 30 30 30 30 68 67 67 67 67 69 69 30 30 30 30 68 67 67 68 69 70 69 30 30 30 30 68 67 66 68 68 70 70 30 30 30 30 68 67 67 68 68 70 70 30 30 30 30 68 67 67 68 69 70 69 30 30 30 30 67 67 66 68 67 70 71 30 30 30 30 67 67 68 68 68 70 70 30 30 30 30 67 67 67 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 1,4 1,6 1,8 2 60 50 40 30 20 10 0 -10 -20 -30 -40 -50 -60 E-Sky HK 980 982 984 986 988 990 992 994 996 998 1000 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 Dat a yang Dit erima ( B it ) Jarak ( m )
Pengiriman Data Xbee Pro
1200 2400 4800 9600 Sudut Ton (ms)
68 68 70 70 30 30 30 30 68 67 67 68 69 70 69 30 30 30 30 68 67 66 68 70 70 68 30 30 30 30 68 67 65 68 70 70 68 30 30 30 30 68 67 65 68 70 70 68 30 30 30 30 68 67 65 Keterangan:
S1 = Speed1 A1 = Adjuster 1 C = Compass S2 = Speed2 A2 = Adjuster 1 GY = Gyro sumbu Y S3 = Speed3 A3 = Adjuster 1 GX = Gyro Sumbu X S4 = Speed4 A4 = Adjuster 1
Gambar 4.4 – Grafik perubahan PWM motor V. PENUTUP
KESIMPULAN
Dari hasil uji coba pergerakan quadrotor
didapatkan beberapa kesimpulan dibawah ini:
• Pengaruh berat terhadap keseimbangan sangat mempengaruhi pergerakan dari
quadrotor helicopter.
• Dengan metode yang digunakan masih belum dapat mengontrol quadrotor agar menjadi stabiln dengan sempurna.
• Data gyro tidak sepenuhnya dapat mengatur kesetimbangan yang diperlukan dikarenakan jika data lebih dari 30o maka gyro akan mengalami autoreset. Dengan kata lain gyro tidak mengingat kembali posisi awal setelah dinyalakan.
SARAN
• Pergunakan sensor gyro yang ketelitiannya lebih tinggi, sehingga menghindari data hilang.
• Untuk pengembangan selanjutnya diharapkan agar dapat menggunakan GPS sehingga dapat diterbangkan dengan jarak yang cukup jauh.
DAFTAR PUSTAKA
Burger, C. and Hartfield, R. (2007). Design, Testing and Optimization of a Constant Torque Propeller. 25th AIAA Applied Aerodynamics Conference. June 25-28, Miami, FL: AIAA-2007-3927.
Talay, T.A. (1975). Introduction to the Aerodynamics of Flight. Scientific and Technical Information Office. NASA, Washington, D.C.
Hoffman, G.M. and Waslander, S.L. (2008). Quadrotor Helicopter Trajectory Tracking Control. AIAA Guidance, Navigation and Control Conference and Exhibit. 18-21 2008 Augustus. Honolulu. Hawaii. AIAA 2008-7410.
Benallegue, A. Mokhtari, A. and Fridman, L. (2007). High-order sliding-mode observer for a quadrotor UAV. International Journal of Robust and Nonlinear Control.
Tretyakov, V. and Surmann, H. Hardware architecture of a four-rotor UAV for USAR/WSAR scenarios. Workshop Proceeding of the 2008 SIMPAR. November 3-4. Venice. Italy. ISBN 978-88-95872-01-8.
Moschetta, J-M. and Bataille, B. (2007). Aerodynamic Design of VTOL Micro Air Vehicles. 3rd US-European Comt\petition and Workshop on Micro Air Vehicle System (MAV07) & European Micro Air Vehicle Conference and Flight Competition (EMAV2007), 17-21 September 2007, Toulouse, France. 0 10 20 30 40 50 60 70 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 PWM m ot or (ms)
Perubahan data PWM motor
Speed1 Speed2 Speed3 Speed42
