5 BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Pengertian Autonomous Surface Vehicle (ASV)
Autonomous Surface Vehicle (ASV) adalah kapal tanpa kendali manusia yang dapat melakukan tugas tertentu secara otomatis. Kapal ini biasanya dibangun untuk melakukan tugas rutin seperti pemantauan wilayah, mencari sumber radiasi laut, dan patroli perbatasan laut [4]. Pada pembangunan sistemnya Autonomous Surface Vehicle (ASV) dirancang supaya dapat berkomunikasi dengan pemantau dari jarak jauh.
Salah satu sistem komunikasi yang digunakan untuk mengontrol Autonomous Surface Vehicle (ASV) adalah navigasi Global Positioning System (GPS). Kemudian sistem komunikasi tersebut terhubung dengan internet untuk perekaman data. Pada Autonomous Surface Vehicle (ASV) yang lebih modern kapal tidak hanya dapat berjalan mengikuti navigasi berdasarkan Global Positioning System (GPS) tapi kapal dapat mendeteksi adanya objek serta mengikuti objek tersebut yang berada di sekitar kapal untuk meningkatkan keamanan wilayah.
Berikut contoh desain 3D Autonomous Surface Vehicle (ASV) milik tim UMM-IROS (University of Muhammadiyah Malang-Intelligent Robot on Ships) pada Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional tahun 2020 yang ditampilkan pada gambar 2.1.
Gambar 2.1 Desain 3D Autonomous Surface Vehicle (ASV) pada UMM-IROS KKCTBN 2020
6 2.1.1 Motor Servo
Motor servo adalah motor yang digunakan untuk mendorong atau memutar objek [5]. Motor servo memanfaatkan sistem closed loop feedback yaitu sistem untuk mengirimkan informasi posisi motor saat ini kepada rangkaian kontrol didalam motor servo. Motor servo bekerja dengan memanfaatkan gear box untuk meningkatkan torsi. Hal tersebut menyebabkan reduksi kecepatan motor menjadi lebih rendah.
Pada motor servo terdapat lengan servo yang berfungsi sebagai lengan beban. Lengan servo umumnya memiliki bahan yang terbuat dari plastik. Namun untuk jenis tertentu, lengan servo memiliki bahan logam untuk meningkatkan daya tahan motor servo. Hal tersebut membantu lengan servo sehingga tidak patah apabila digunakan untuk menahan beban yang berat.
2.1.2 Motor Brushless DC (BLDC)
Motor Brushless DC (BLDC) adalah jenis motor yang tidak memiliki sikat untuk dapat bekerja. Sikat tersebut dihilangkan supaya suara bising yang timbul akibat perputaran motor menjadi berkurang. Hal lain setelah motor DC dihilangkan sikatnya yaitu membantu motor DC meningkat efisiensi kerjanya, menyebabkan perawatan motor DC menjadi lebih murah, serta dapat mengurangi gesekan sikat yang menyebabkan kecepatan motor DC menjadi lebih tinggi [6].
Motor Brushless DC (BLDC) dapat dikendalikan kecepatannya melalui perubahan Pulse Width Modulation (PWM). Teknik ini memberikan nilai sinyal 1 (HIGH) pada motor selama selang waktu tertentu sampai kondisi sinyal 0 (LOW) pada satu periode gelombang kotak. Pengaruh waktu yang semakin lama diberikan pada Motor Brushless DC (BLDC) dalam kondisi 1 (HIGH) akan membuat motor berputar cepat. Sebaliknya, pengaruh waktu yang semakin lama pada kondisi sinyal 0 (LOW) akan membuat motor berputar lambat.
2.2 Colour Filtering
Colour Filtering adalah metode dalam pengolahan citra digital yang digunakan untuk menyaring objek berdasarkan warna tertentu [7]. Pada proses kerjanya, setiap pixel yang memiliki komponen warna tertentu dibandingkan
7
dengan warna lain dalam sebuah gambar. Apabila komponen warna tertentu didapat saat proses filter gambar maka warna tersebut akan dibiarkan ada. Namun, apabila warna lain yang didapat saat proses filter gambar maka warna tersebut akan dianggap sebagai warna latar belakang, biasanya warna latar belakang diubah menjadi warna hitam.
Ada berbagai macam ruang warna yang dapat digunakan dalam proses pengolahan citra menggunakan Colour Filtering. Diantara metode terkenal tersebut antara lain Colour Filtering RGB (Red, Green, Blue), Colour Filtering HSV (Hue, Saturation, Value), Colour Filtering HSL (Hue, Saturation, Light), dan Colour Filtering YCbCr (Luminance, Chrominance blue, Chrominance red).
2.2.1 Segmentasi Citra
Segmentasi citra adalah teknik pengolahan citra digital yang digunakan untuk membagi gambar menjadi beberapa bagian yang disebut segment[8]. Pada proses segmentasi citra gambar dipisahkan menjadi gambar objek deteksi dan gambar latar belakang.
Ada dua macam metode segmentasi citra yaitu metode full segmentation dan metode partial segmentation. Pada metode full segmentation pemisahan suatu citra dilakukan secara terpisah dari gambar latar belakang dan diberi ID (label) pada tiap segment citra. Namun pada metode partial segmentation pemisahan dilakukan hanya pada data yang dipisahkan saja.
2.2.2 Thresholding
Thresholding adalah teknik pengolahan citra digital untuk membuat sebuah gambar berwarna menjadi bentuk biner [9]. Bentuk biner adalah citra digital yang hanya memiliki dua kemungkinan warna yaitu hitam dan putih. Warna hitam mewakili biner 0 sedangkan warna putih mewakili biner 1.
Sebelum citra diproses dalam bentuk biner, dilakukan proses perubahan warna menjadi bentuk grayscale. Bentuk grayscale adalah proses perubahan pixel berwarna menjadi hitam putih. Warna hitam putih dalam citra grayscale direpresentasikan dalam rentang nilai 0-255. Nilai ini kemudian digunakan dalam teknik thresholding untuk menentukan posisi pixel dengan batasan warna yang
8
ditandai sebagai objek dan batasan warna yang tidak ditandai. Biasanya pixel yang ditandai sebagai objek diberikan warna putih sementara gambar latar diberikan warna hitam.
2.2.3 Erosi dan Dilasi
Erosi adalah proses pengolahan citra digital yang bertujuan untuk mengikis bagian tepi objek terdeteksi. Operasi erosi dapat membuat pixel bernilai 1 (Putih) menjadi bernilai 0 (Hitam) [10].
Gambar 2.2.3.1 Operasi Erosi sumber:
https://docs.opencv.org/3.4/db/df6/tutorial_erosion_dilatation.html
Persamaan untuk operasi erosi adalah: A Ө B = {z|(B)z A}. Berdasarkan persamaan tersebut, (B)z adalah translasi dari komponen A terhadap titik z. Pada umumnya erosi digunakan untuk mengikis komponen yang diinginkan dengan cara mengurangi seluruh tepinya dengan elemen penyusun B.
Dilasi adalah proses pengolahan citra digital yang bertujuan untuk memperbesar bagian tepi objek terdeteksi. Operasi dilasi dapat membuat pixel bernilai 0 (Hitam) menjadi bernilai 1 (Putih).
9
Gambar 2.2.3.1 Operasi Dilasi sumber:
https://docs.opencv.org/3.4/db/df6/tutorial_erosion_dilatation.html
Persamaan untuk operasi dilasi adalah: AB ={z | (B) A } z ).
Berdasarkan persamaan tersebut menunjukan bahwa (B) adalah refleksi A. Pada umumnya dilasi digunakan untuk memperbesar bagian tepi objek terdeksi dengan cara menambahkan seluruh tepi objek dengan elemen penyusun B.
2.2.4 Bounding Box
Bounding box adalah teknik penandaan yang digunakan untuk mendapatkan Region of Interest (ROI) sebuah citra digital [11]. Region of Interest (ROI) adalah cara yang digunakan untuk membatasi wilayah citra sebagai wilayah objek terdeteksi. Pada pemrosesannya, Region of Interest (ROI) membantu Bounding Box untuk mengoptimalisasi kinerja sistem penandaan. Alasannya adalah Region of Interest (ROI) bekerja dengan membatasi proses pada wilayah gambar terdeteksi.
Akibatnya wilayah tersebut membantu berbagai jenis proses seperti proses komputasi, proses penyimpanan, dan proses pengambilan keputusan secara cerdas.
Pembuatan Bounding Box didapat dari convex hull dengan cara mencari koordinat terdalam dan terluar dari polygon. Kemudian didalam convex hull system mencetak bangun dua dimensi. Terdapat berbagai macam bentuk Bounding Box seperti bentuk kotak dan bentuk lingkaran. Untuk pengaturan warna Bounding Box, memiliki aturan kombinasi warna secara berurutan yaitu aturan Blue, Green, Red (BGR) .
10 2.3 Proportional Integral Derrivative (PID)
Metode PID adalah metode yang dapat digunakan untuk memperbaiki tanggapan keluaran sistem [12]. Metode ini memiliki tiga komponen yaitu Proportional, Integral, dan Derrivatif. Pada penggunaannya metode ini dapat dipakai secara bersamaan maupun individu untuk sebuah sistem seperti PID tuning P, PID tuning PD, PID tuning PI, dan PID Tuning PID tergantung dari tanggapan keluaran sistem yang akan diperbaiki. Fungsi alih metode PID dapat dilihat pada persamaan sebagai berikut:
𝑢(𝑡) = 𝐾𝑃𝑒(𝑡) + 𝐾𝐼 ∫ 𝑒(𝑡)𝑑𝑡 + 𝐾𝐷 𝑑𝑒(𝑡) 𝑑𝑡 𝑡 0 (1) Dimana persamaan tersebut adalah:
𝑢(𝑡) : sinyal keluaran metode PID,
𝑒(𝑡) : selisih set-point dan umpan balik, sinyal kesalahan sistem 𝐾𝑃 : konstanta PID Proportional,
𝐾𝐼 : konstanta PID Integral, 𝐾𝐷 : konstanta PID Derivatif.
Untuk menggunakan metode PID dibutuhkan cara mencari nilai tuning parameter PID. Salah satu cara yang dapat digunakan adalah metode tuning Trial- Error. Metode tuning Trial-Error yaitu metode tuning yang kenaikan maupun penurunan nilai tuning PID didasarkan pada karakteristik sistem saat diuji di lapangan. Diantara cara untuk mengetahui apakah nilai Tuning PID memiliki nilai yang terlalu tinggi atau tidak adalah dengan mengetahui karakteristik setiap parameter tuning. Diantara karakteristik tuning untuk setiap kontrolernya adalah:
Tuning Proportional dapat mengurangi rise time sistem apabila nilai parameternya tepat, kemudian dapat meningkatkan nilai overshoot dan meningkatkan frekuensi osilasi sistem apabila nilainya terlalu tinggi, serta menambah waktu rise time apabila apabila nilainya terlalu rendah. Tuning Integral dapat menjaga nilai nol pada error steady state apabila parameternya tepat, kemudian dapat mempercepat hilangnya offset, meningkatkan nilai overshoot, meningkatkan respon transien, dan
11
meningkatkan frekuensi osilasi system apabila nilainya terlalu tinggi, serta dapat memperlambat respon sistem apabila nilai parameternya terlalu rendah. Pada tuning Derrivatif dapat mempercepat respon sistem menuju keadaan tunak, dan menjaga stabilitas sistem apabila nilai parameternya tepat, kemudian dapat membuat sistem tidak stabil apabila nilainya terlalu tinggi, serta memperlambat respon sistem menuju keadaan tunak apabila nilai parameternya terlalu rendah. Pengaruh metode PID terhadap waktu rise time, overshoot, settling time, dan error steady state dapat dilihat pada table 2.1.
Tabel 2.1 Pengaruh Kontrol PID terhadap rise time, overshoot, settling time dan steady state-error.
Tanggapan Loop Tertutup
Rise Time Overshoot Settling Time Steady State- Error
Proportional (Kp)
Menurun Meningkat Perubahan Kecil
Menurun
Integral (Ki) Menurun Meningkat Meningkat Hilang Derigvative
(Kd)
Perubahan Kecil
Menurun Menurun Perubahan Kecil
2.3.1 Kontroler P (Proportional)
Metode PID tuning P adalah parameter yang tugas utamanya adalah memperkuat sinyal tanpa adanya efek dinamik kinerja. Karakteristik Metode PID tuning P pada sistem loop tertutup adalah:
𝑃 = 𝐾𝑝𝑒(𝑡)
Adanya Metode PID Tuning P adalah untuk memperbaiki transien respons seperti rise time dan settling time. Karakteristik lain yang dimiliki oleh Metode PID tuning P adalah keluaran s inyalnya sebanding dengan besarnya sinyal kesalahan.
12 2.3.2 Kontroller PI (Proportional, Integral)
Fungsi alih oleh Metode PID Tuning PI adalah:
𝐺𝑐(𝑠) = 𝐾𝑝+𝐾𝑖 𝑠
Metode PID tuning PI adalah parameter yang memberikan pengaruh sistem terhadap berkurangnya waktu rise time, menambah waktu settling time dan meningkatkan overshoot. Selain itu metode PID tuning PID dapat membuat Error Steady State bernilai 0.
Untuk alasan matematis Metode PID Tuning PI adalah parameter yang terus menjumlah setiap adanya perubahan nilai masukan. Akhirnya apabila sinyal pada metode PID Tuning PI tidak menemukan adanya perubahan sinyal, maka keluaran sistem akan menganggap sistem telah berada pada kondisi ideal yang diinginkan peneliti. Kemudian nilai tersebut akan dijaga sistem supaya nilainya sama seperti nilai sinyal masukan. Adanya Metode PID Tuning PI adalah untuk menghasilkan error steady state bernilai 0.
2.3.3 Kontroller PD (Proportional, Derivative) Fungsi alih oleh Metode PID Tuning PD adalah:
𝐺𝑐(𝑠) = 𝐾𝑝 + 𝐾𝑑𝑠 = 𝐾𝑑(𝑠 +𝐾𝑝 𝐾𝑑)
Metode PID Tuning PD adalah parameter yang memberikan pengaruh sistem terhadap berkurangnya overshoot, dan mengurangi waktu settling time.
Akhirnya apabila sinyal masukan sistem dan sinyal keluaran sistem pada metode PID Tuning PD tidak mengalami perubahan, maka sinyal keluaran sistem tidak berubah. Selain itu Metode PID Tuning PD dapat digunakan untuk mempercepat respon sistem menuju error steady state bernilai 0.
2.3.4 Kontroller PID (Proportional, Integral, Derivative) Fungsi alih oleh Metode PID Tuning PID adalah:
𝐺𝑐(𝑠) = 𝐾𝑝(1 + 1
𝑇𝑖𝑠+ 𝑇𝑑𝑠)
13
Adanya Metode PID Tuning PID adalah untuk menghasilkan sinyal keluaran dengan rise time yang cepat, overshoot yang rendah, dan nilai error steady state yang kecil. Sistem ini dapat menggunakan parameter tuning yang merupakan gabungan nilai dari Metode PID Tuning P, Metode PID Tuning PI, maupun Metode PID Tuning PD.
