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 10
atau azimut-elevasi dimana alat ini hanya memanfaatkan penggerak motor dari sistem pan-tilt atau azimut-elevasi itu sendiri untuk menstabilkan gangguan
sudut pengarahan
disebabkan
oleh adanya
gangguan pada landasan sistem. 15
Latar Belakang Invensi Alat dan/atau sistem stabilisasi pada sistem pan-tilt atau azimut-elevasi
20
yang
terdiri
dari
2
damper
atau
pegas
sudah
macam
ada
yaitu,
saat
yang
dan/atau
ini
secara
pertama
berupa
garis
berupa
pendulum
besar
seperangkat
pemberat
yang
dipasang sedemikian rupa pada bagian bawah landasan sistem pantilt 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 25
yang
dipasang
sedemikian
rupa
pada
bagian
bawah
landasan untuk menstabilkan landasan dengan cara menyeimbangkan level landasan terhadap permukaan bumi dengan menggunakan sensor giroskop sebagai pendeteksinya. Invensi yang
30
ada
yang
pada
akan
cara
dikemukakan
yang
kedua
ini
dimana
memperbaiki pada
sistem
kelemahan ini
masih
menggunakan mekanisme penggerak yang dipasang pada bagian bawah landasan untuk menstabilkan gangguan landasan. Secara spesifik dari sistem stabilisasi cara yang kedua, ada
dalam
invensi 35
paten
“Triaxis
Amerika
Serikat
Stabilized
No.
Platform”
4.828.376 dimana
dengan
telah
judul
diajukan
metode stabilisasi landasan dengan menggunakan tiga buah motor servo yang terdiri dari motor roll, motor pitch dan motor yaw Inventor: M. Imam Afandi
2 dan
dibuat
landasan
mekanisme
dari
sedemikian
masing-masing
rupa
gangguan
untuk
menyeimbangkan
landasan
roll-pitch-yaw
yang dideteksi oleh gimbal giroskop. Kemudian juga ada dalam paten Amerika Serikat No. 5.124.938 5
dengan
judul
Techniques”
invensi
dimana
“Gyroless
maksud
roll-pitch-yaw
gangguan melainkan
menggunakan
Platform
gyroless tanpa
sensor
disini
Stabilization
adalah
mendeteksi
menggunakan
sensor
giroskop
akselerometer
linier
dan/atau
akselerometer angular. Gangguan roll-pitch-yaw ini masing-masing 10
distabilkan
menggunakan
motor
roll-pitch-yaw
dan
hasil
umpan
balik resolver diubah menjadi sinyal digital ke posisi sudut dan kecepatan sudut masing-masing motor roll-pitch-yaw. Demikian 15
juga
dengan
judul
dimana
telah
dalam
invensi
paten
Amerika
“Actively
diajukan
metode
Serikat
Stabilized
No.
5.922.039
Platform
stabilisasi
System”
landasan
dengan
menggunakan dua buah motor yaitu motor roll dan motor pitch yang dipasang
dengan
landasan
untuk
mekanisme mengatasi
sedemikian gangguan
rupa
pada
pada
bagian
landasan.
bawah
Sistem
ini
tidak menggunakan gimbal giroskop, tetapi menggunakan tiga buah 20
inklinometer dua poros untuk menggantikan sensor gimbal giroskop 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,
25
Self
Correcting
Stabilized
Platform”
dimana
telah
diajukan
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 30
tiga
yang
salah
satu
tumpuan
bersifat
statis
untuk
menyeimbangkan level landasan atau dalam bentuk dua poros motor 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 35
landasan. Inventor: M. Imam Afandi
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 5
yang
relatif
mahal,
sistem
menjadi
relatif
berat,
relatif
memakan ruang sistem, dan relatif membutuhkan konsumsi daya yang besar. Untuk mengatasi kelemahan tersebut, maka pada invensi ini digunakan 10
teknik
memanfaatkan
stabilisasi
gangguan
pan-tilt
penggerak
landasan
atau
dengan
hanya
azimut-elevasi
untuk
mengkompensasi kesalahan pengarahan yang disebabkan oleh adanya gangguan
15
landasan.
Teknik
seperangkat
elektronik
mikrokontroler
dimana
stabilisasi berbasis
hanya
menggunakan
mikroprosesor
roll-pitch-yaw
gangguan
yang
atau
dideteksi
menggunakan sensor gerak seperti sensor kecepatan gerak, sensor giroskop, giroskop serat optik, angular
dan
landasan
sensor
yang
dibandingkan dinyatakan
yang
kemudian
persamaan kompensasi 20
ini
dengan
cukup
akselerometer
lainnya
untuk
paten
praktis
mendeteksi
ditransformasikan
sudut pan-tilt
ke
gerakan
dalam
bentuk
atau azimut-elevasi. Jika
sebelumnya, karena
linier dan/atau
maka
tanpa
pada
invensi
menggunakan
ini
mekanisme
mekanik dan penggerak tambahan sehingga relatif murah, relatif ringan, bentuk relatif kecil, daya yang relatif kecil, relatif responsif, 25
relatif
stabil,
dan
bisa
langsung
dipasang
pada
sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi yang sudah ada dengan kemudahan integrasi dan penggunaannya. Ringkasan Invensi Tujuan
30
dari
invensi
ini
adalah
untuk
mengkompensasi
kesalahan dan menstabilkan pengarahan pada sistem pan-tilt atau 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 35
pengarahan
pada
kamera
sistem
pengarahan
kamera
digital,
sistem
video,
sistem
pengarahan
antena,
sistem
pengarahan bidikan senjata berat, sistem pengarahan sinar laser, Inventor: M. Imam Afandi
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 5
meliputi sensor roll, sensor pitch dan sensor yaw yang berupa 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
10
atau mikrokontroler, catudaya, komunikasi serial dan LCD peraga. 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
15
bentuk persamaan sudut pan-tilt atau azimut-elevasi dan dapat melakukan perhitungan kontroler pergerakan PID tracking masingmasing 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
20
pan-tilt
seperti
resolver,
encoder,
potensiometer,
dsb.
dan
dapat mengeluarkan sinyal dalam bentuk sinyal kontrol PWM serta sinyal kontrol analog. Uraian Singkat Gambar 25
Tujuan-tujuan
dan
ciri
ciri
lain
dari
invensi
ini
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. 30
Gambar 2 adalah suatu bagan aparatus stabilisasi pengarahan 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 35
sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi yang sesuai dengan invensi ini. Inventor: M. Imam Afandi
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 azimutelevasi sebagai 10
stabilisatornya, secara singkat dan sederhana
dapat dijelaskan dengan mengacu pada gambar 1 dimana invensi yang
berupa
digunakan
aparatus
untuk
dan
metode
menstabilkan
atau sistem azimut-elevasi
stabilisasi
pengarahan
pada
pengarahan sistem
(2). Metode stabilisasi
(1)
pan-tilt
pengarahan
yang sesuai dengan invensi ini membutuhkan informasi sudut roll 15
(3), sudut pitch (4) dan sudut yaw (5) dari sistem pan-tilt atau 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
20
terhadap
gangguan
elevasi
absolut
roll-pitch-yaw yang
dituju
kompensasi
referensi
referensi
tilt/elevasi
kompensasi
referensi
dan (6)
pan/azimut (9),
pan-tilt
untuk
(10)
atau
referensi
azimut-
mendapatkan
dan
dimana
digunakan sebagai sinyal referensi 25
sudut
sudut
sudut
kompensasi
masing-masing
azimut-elevasi pengontrol
sudut
ini
akan
pan/azimut (12)
dan sinyal referensi pengontrol tilt/elevasi pada suatu sistem 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
30
sistem
azimut-elevasi
yang
selanjutnya
pergerakan
sistem
dideteksi oleh sensor pan/azimut (16) dan sensor tilt/elevasi (15)
untuk
dijadikan
sebagai
sinyal
umpan
balik
dalam
suatu
sistem kontrol kalang tertutup. Perwujudan 35
mandiri
pada
aparatus
sistem
dan
pan-tilt
metode atau
stabilisasi
sistem
pengarahan
azimut-elevasi
yang
sesuai dengan invensi ini meliputi perangkat keras dan perangkat Inventor: M. Imam Afandi
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 5
dan
sensor
yang
lainnya
untuk
mendeteksi
gerakan
landasan.
Selanjutnya ketiga sensor ini sinyalnya akan dihubungkan secara elektrik
ke
rangkaian
tapis
lolos
(20)
rendah
yang
kemudian
dihubungkan secara elektrik dan dikonversi menggunakan pengubah sinyal analog ke digital (A/D) (21) yang akhirnya dihubungkan 10
secara elektrik ke mikroprosesor (22). Mikroprosesor (22) ini 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 15
balik
dari
penggerak
pan-tilt
sistem
yang
juga
dikendalikan oleh mikroprosesor (22) menggunakan pengubah sinyal 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)
20
yang
digunakan
untuk
melakukan
pengaturan
pemilihan
perintah
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 25
serial
dan
komunikasi
mengendalikan serial
serta
penggerak
mengirimkan
sistem hasil
pan-tilt
proses
data
dalam dalam
komunikasi serial. Selanjutnya
mengacu
pada
gambar
3,
menjelaskan
mengenai
diagram alir perangkat lunak dari aparatus dimana awal program 30
mulai
(35)
didahului
dengan
penekanan
tombol
daya.
Kemudian
melakukan proses pada blok (36) yaitu membaca pengaturan dan parameter Pengaturan
yang
sudah
yang
disimpan
dibaca
antara
di
memori
lain
mikroprosesor
pengaturan
sinyal
(22). yang
diterima sensor roll, pitch, yaw yang digunakan apakah sensor 35
kecepatan
sudut,
sensor
giroskop,
giroskop
serat
optik,
akselerometer linier dan/atau angular, giroskop elektrik mikro Inventor: M. Imam Afandi
7 dan
sensor
menggunakan dikirim
yang
lainnya
analog
melalui
untuk
sensor
mendeteksi
atau
komunikasi
digital
serial,
gerakan
sensor
pengaturan
landasan
yang
datanya
jenis
sensor
posisi yang digunakan apakah menggunakan resolver atau encoder 5
atau
potensiometer,
pengaturan
keluaran
sinyal
kendali
motor
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 10
selalu disesuaikan saat aparatus dihidupkan atau selalu tetap 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. 15
Setelah itu dilanjutkan dengan pengambilan keputusan apakah sudut referensi pan-tilt absolut sudah ditentukan? (37), jika ya langsung menuju ke blok (40), jika tidak maka harus dilakukan proses
membaca
sensor
kemudian melakukan 20
absolut
dari
hasil
roll,
pitch,
yaw,
proses menghitung perkalian
matrik
pan,
tilt
sudut pan-tilt transformasi
(38)
dan
referensi
sudut
roll,
pitch, yaw, pan, tilt (39). Perhitungan matrik transformasi ini dapat dijelaskan sebagai berikut. Dengan mengacu pada gambar 4 yang
merupakan
elevasi 25
berupa
gambaran
mengalami roll
(50),
sistem
gangguan pitch
pan-tilt
roll,
(49)
dimana
dan
yaw
atau
sistem
gangguan (48)
azimut-
rotasi
yang
direpresentasikan
dalam koordinat kartesian x, y dan z. Koordinat kartesian ini merupakan kondisi
kondisi
absolut.
normal
tanpa
Selanjutnya
gangguan
dapat
atau
dapat
didefinisikan
dinamakan
untuk
sudut
perputaran roll terhadap sumbu x adalah sudut , sudut perputaran 30
pitch terhadap sumbu y adalah sudut dan sudut perputaran yaw terhadap
sumbu
z
adalah
sudut
,
sehingga
dapat
dihitung
perputaran total gangguan rotasi terhadap kondisi normal tanpa gangguan (absolut) dengan matrik transformasi sebagai berikut : 35 Inventor: M. Imam Afandi
8
RPY ( , , ) Rot ( z , ).Rot ( y, ).Rot ( z , ) c R s 0
s c 0
c .c R c .s s
0 c 0 0 1 s
0 s 1 0 1 0 0 c 0 c 0 s
c .s s .s .c
0 s c
s .s s .c .c s .c s .c .s ..…...............… (1) c .c
c .c s .s .s c .s
Matrik pada persamaan (1) merupakan matrik perputaran total 5
gangguan roll, pitch dan yaw terhadap kondisi normal (absolut) dimana hasil pergerakan landasan dinamis (52) akan mengakibatkan perubahan pengarahan pada sistem pan-tilt atau sistem azimutelevasi. Misalkan sistem pan-tilt ini mempunyai motor pan (55) yang mempunyai panjang lengan pan (55) dan motor tilt (54) yang
10
mempunyai
panjang
tilt
lengan
(51),
maka
selanjutnya
dapat
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: cos sin A10 0 0
20
0
sin
0 cos 1 0
0 0
0 cos 0 , 1 sin A2 0 LP 1 0
sin cos 0 0
0 LT cos 0 LT sin 1 0 0 1
Sehingga dengan memudahkan penulisan c=cos dan s=sin maka didapatkan
hasil
perkalian
matrik
transformasi
kinematika
homogeneous untuk sistem pan-tilt sebagai berikut:
TPT
c .c s .c 0 1 A1 . A2 s 0
c .s
s
s .s
c
c
0
0
0
LT .c .c LT .s .c ……….............….. (2) L P LT .s 1
Inventor: M. Imam Afandi
9 Kemudian jika sistem pan-tilt mengalami gangguan roll, pitch, yaw maka transformasi kinematika homogeneous untuk sistem pantilt, sebelumnya harus dikalikan dengan matrik rotasi gangguan roll, pitch, yaw yang diberikan sebagai berikut : 5
R 0 .TPT T 0 1
c .c s .c s 0
s .c c .s .c
s .c c .s .c
c .c s .s .c
c .s s .s .c
c .s 0
c .c 0
nx n T y n z 0
sx sy
ax ay
sz
az
0
0
0 c .c 0 s .c 0 s 1 0
dx dy dz 1
c .s
s
s .s
c
c 0
0 0
LT .c .c LT .s .c LP LT .s 1
………………………….…….. (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 10
15
n z (-s .c + c .s .s ).c + c .c .s 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 a z -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 matrik
hasil
perkalian
gangguan
pergerakan
roll,
matrik
pitch
keseluruhan
sistem
dan
sistem
yang
yaw
pan
and
akan
tilt
didapatkan
disebabkan
oleh
dengan hasil
gangguan
landasan. 25
Kembali lagi ke gambar 3, proses pada blok (39) dilanjutkan dengan
proses
merupakan
awal
perubahan
sensor
tertentu. 30
membaca dari
proses
roll,
Kemudian
sensor
roll,
pitch,
perulangan
pitch,
yaw
dilanjutkan
untuk
dalam dengan
menghitung transformasi sudut pan-tilt
yaw
(40)
membaca
setiap
waktu
melakukan
yang setiap cuplik proses
relatif terhadap sudut
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 Inventor: M. Imam Afandi
10 roll, pitch dan yaw tersebut dengan hanya menggunakan sistem pan-tilt
saja, maka
pengarah
(director
dapat
dilihat pada gambar 3
pointing)
(51)
pada
bagian
bahwa tilt
ujung
kondisi
normalnya berada sejajar pada sumbu x, sehingga dalam hal ini 5
ujung pengarah pada sistem pan-tilt diwakili oleh kolom 1 yang merupakan representasi orientasi ujung pengarah terhadap sumbu x, sehingga dapat didefinisikan sebagai berikut: - Sistem pengarahan tanpa gangguan roll, pitch dan yaw
Tx ( absolut )
c .c s .c s
………………………………….. (4)
- Sistem pengarahan dengan gangguan roll, pitch dan yaw
10
n x c .c .c .c + (-s .c + c .s .s ).s .c + (s .s + c .s .c ).s Tx n y s .c .c .c + (c .c + s .s .s ).s .c + (-c .s + s .s .c ).s … (5) n (-s .c + c .s .s ).c + c .c .s z
Secara
logika
ilmiah,
untuk
mengkompensasi
sistem
pengarahan pan-tilt maka matrik ujung pengarah dengan gangguan harus sama dengan matrik ujung pengarah tanpa gangguan karena 15
sistem pengarahan tanpa gangguan merupakan referensi sudut yang 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
roll-pitch-yaw
atau
disebabkan oleh gangguan roll-pitch-yaw. 20
Jika
sudut
pan-tilt
tanpa
gangguan
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, 25
dapat dihitung menggunakan persamaan sebagai berikut:
absolut arctan n z , n x2 n 2y
absolut arctan n y , nx ……………..……………………… (6) Kemudian untuk gangguan
mendapatkan sudut
roll-pitch-yaw
terhadap
sudut
pan-tilt yang pan-tilt
mengalami
absolut
atau
Inventor: M. Imam Afandi
11 sudut
azimut-elevasi
absolut,
maka
dapat
diselesaikan
dengan
melihat persamaan (2) dan persamaan (3) sebagai berikut: s absolut a x s absolut c .c .s - (-s .c + c .s .s ).c c .s
5
selanjutnya
s absolut (-s .c + c .s .s ).c s absolut ( tan .c s .s ).c ......(7) c c
persamaan
(7)
disubstitusikan
dengan
persamaan
sebagai berikut: c absolut a y c absolut s .c .s - (c .c + s .s .s ).c s c absolut s . absolut ( tan .c s .s ).c (c .c + s .s .s ).c c tan .s absolut c absolut (s . tan .c s .s .s c .c + s .s .s ).c tan .s absolut c absolut (s . tan .c c .c ).c sehingga atau 10
didapatkan
sudut
persamaan
referensi
azimut
kompensasi terhadap
sudut
gangguan
referensi
pan
roll-pitch-yaw
sebagai berikut: tan . sin absolut cos absolut ……………….…………… (8) cos 1 sin . tan .cos cos .cos jika sudut referensi pan atau sudut referensi azimut terhadap gangguan roll-pitch-yaw sudah didapatkan melalui persamaan (8), maka
15
kompensasi
sudut
referensi
tilt
atau
sudut
referensi
elevasi terhadap gangguan roll-pitch-yaw juga didapatkan sebagai berikut: s absolut (-s .c + c .s .s ).c + c .c .s -s .c + c .s .s
kemudian hasil
s absolut c .c .s c
persamaan (9) disubstitusikan
……………………….. (9) dengan
persamaan
berikut ini, c absolut (s .c - c .s .s ).s + c .c .c s absolut c .c .s ).s + c .c .c c s absolut . tan c .c .s . tan c .c .c
c absolut (
20
c absolut
c .c .(s . tan c ) s absolut . tan c absolut s . tan c
s absolut . tan c absolut c .c c .c
Inventor: M. Imam Afandi
12 sehingga didapatkan
persamaan kompensasi
atau sudut referensi
elevasi terhadap
sudut
referensi tilt
gangguan
roll-pitch-yaw
sebagai berikut: sin absolut cos absolut sin 1 atau cos 1 ……………….. (10) cos .cos cos .cos 5
Selanjutnya kembali lagi melihat gambar 3, dengan meneruskan 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. 10
Setelah
itu
melakukan
proses
menghitung
sinyal
kontrol
PID
tracking untuk masing-masing motor pan-tilt (43), dimana dari
15
referensi
posisi
yang
sudah
diberikan
pergerakan
motor
yang
secepat
dilakukan
dengan
menggunakan
harus
mungkin. kontroler
Hal
dicapai ini
dengan
hanya
tracking
dapat
model
yang
diinginkan. Dalam aparatus stabilisasi pengarahan mandiri pada 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
20
pada gambar 5. Dengan menganggap gangguan eksternal (Fd) sudah termasuk dalam identifikasi sistem, maka dapat dijabarkan : Y Gc G p 1 Y (s) R Gc R( s ) 1 Gc G p Gp 1 Y R ( s ) dengan
Gc (s )
(57)
laplace dan G p (s ) 25
laplace,
maka
merupakan
persamaan
……………………… (11)
kontroler
dalam
bentuk
(58) merupakan persamaan sistem dalam bentuk
dengan
memisalkan
fungsi
alih
model
yang
kita
inginkan, dinyatakan dalam Gm(s) (59) maka didapatkan persamaan kontrolernya sebagai berikut:
Y 1 R mod el Gc G p 1 Y R mod el
1 Gm G p 1 Gm ( s ) ( s )
…………………… (12)
Inventor: M. Imam Afandi
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 No.
G p (s )
Gm (s )
Parameter Penalaan P I D
1
kp
1 ms 1
-
k p . m
-
1 ms 1
1 k p . m
-
-
1 ms 1
p k p . m
1 k p . m
-
1 ms 1
1 k p . m
-
p k p . m
1 ms 1
p k p ( m )
1 k p ( m )
p . 2.k p ( m )
1 ms 1
1 2 k p . m
1 k p . m
1 . 2 k p . m
1 ms 1
2 p k p m
1 k p . m
2 k p m
1 ms 1
2 p
2. . p . 1
p k p m
1 k p . m
1 ms 1
1 k p . m
1 k p . m
1 k p . m
kp
2
s kp
3
ps 1 kp s ( p s 1)
4
k p .e s
5
ps 1 kp
6
( 1 s 1)( 2 s 1) kp 1 2 2. s s 1 p p2
7
k p .e s 1 2 2. s s 1 p p2
8
kp
9
a n s a n 1 s n
n 1
... a 0
2 p
p2 k p m
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 10
alih model yang diinginkan pada tabel 2 dapat juga dilihat lebih 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.
Inventor: M. Imam Afandi
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 5
proses
pengambilan
keputusan
apakah
tombol
daya
ditekan
lama
(46), jika ya maka menuju proses matikan alat namun jika tidak maka kembali melakukan perulangan ke proses sebelumnya pada blok (40).
Inventor: M. Imam Afandi
15 Klaim 1.
Suatu
aparatus
terdapat 5
stabilisasi
metode
untuk
pengarahan
yang
mengkompensasi
didalamnya
kesalahan
dan
menstabilkan pengarahan pada sistem pan-tilt atau azimutelevasi 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:
10
sensor roll (17), sensor pitch (18), sensor yaw (19) 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
15
mendeteksi
elektrik
ke
gerakan
landasan
masing-masing
tapis
dihubungkan
lolos
rendah
secara
(20)
yang
kemudian dihubungkan secara elektrik ke pengubah A/D (21); mikroprosesor digunakan untuk
(22)
didalamnya
menyimpan
terdapat
algoritma
memori
yang
lunak
yang
perangkat
dapat melakukan perhitungan kompensasi gangguan roll-pitch20
yaw
yang
kemudian
ditransformasikan
ke
dalam
bentuk
persamaan sudut pan-tilt atau azimut-elevasi dan juga dapat melakukan
perhitungan
kontroler
pergerakan
PID
tracking
masing-masing motor pan-tilt atau azimut-elevasi; 25
pengubah
A/D
(21)
juga
potensiometer
pan
(23)
dan
dapat
menerima
potensiometer
masukan
tilt
(34)
dari yang
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 30
sinyal PWM juga dihasilkan oleh mikroprosesor (22); pengubah D/A pan (28) dan pengubah D/A tilt (29) yang juga
digunakan
sinyal
analog
untuk juga
sinyal
kendali
dihubungkan
motor
secara
dalam
bentuk
elektrik
ke
mikroprosesor (22); 35
resolver pan atau encoder pan (24) dan resolver tilt atau encoder tilt (32) yang digunakan untuk menerima sinyal Inventor: M. Imam Afandi
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 5
mikroprosesor (22); 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 10
sinyal serial ke kemudi motor pan dan motor tilt dan/atau menerima data serial dari sensor roll (17), sensor pitch (18) dan sensor yaw (19) juga dihubungkan secara elektrik ke mikroprosesor (22); peraga
15
pilihan
dan
yang
(33) hasil
digunakan
proses
data
untuk juga
menampilkan
dihubungkan
menu secara
elektrik ke mikroprosesor (22). 2.
Aparatus
stabilisasi
pengarahan
pada
klaim
1,
perangkat
lunak dalam mikroprosesor (22) dicirikan mempunyai kemampuan sebagai berikut: 20
membaca
data
sensor
roll
(17),
sensor
pitch
(18),
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 25
(27) dan sinyal pengubah D/A tilt (29) atau PWM tilt (30); melakukan perhitungan kompensasi gangguan roll-pitchyaw
30
yang
kemudian
persamaan
sudut
melakukan
perhitungan
ditransformasikan
pan-tilt
atau
kontroler
ke
dalam
azimut-elevasi pergerakan
PID
bentuk
dan
dapat
tracking
masing-masing motor pan-tilt atau azimut-elevasi. 3.
Aparatus
stabilisasi
pengarahan
pada
klaim
1,
algoritma
perangkat lunak dalam mikroprosesor (22) tersebut meliputi perhitungan sebagai berikut: 35 Inventor: M. Imam Afandi
17 a) sistem pengarahan tanpa gangguan roll, pitch dan yaw (absolut) adalah
Tx ( absolut )
c .c s .c s
b) sistem pengarahan dengan gangguan roll, pitch dan yaw 5
adalah c .c .c .c + (-s .c + c .s .s ).s .c + (s .s + c .s .c ).s Tx s .c .c .c + (c .c + s .s .s ).s .c + (-c .s + s .s .c ).s (-s .c + c .s .s ).c + c .c .s
dengan s adalah sinus, c adalah cosinus, adalah sudut pitch, adalah sudut roll, adalah sudut yaw, adalah sudut pan, dan adalah sudut tilt; 10
secara logika ilmiah, untuk mengkompensasi sistem pantilt maka matrik ujung pengarah dengan gangguan harus sama dengan matrik ujung pengarah tanpa gangguan karena sistem pengarahan harus
15
tanpa
dituju
gangguan
dalam
merupakan
kondisi
normal
referensi
sudut
(absolut),
yang
sehingga
didapatkan hubungan, tan . sin absolut cos absolut cos 1 sin . tan .cos cos .cos sin absolut cos absolut sin 1 atau cos 1 . cos .cos cos .cos 4.
Aparatus
stabilisasi
mengendalikan dua 20
pengarahan
derajad
pada
kebebasan
klaim
1,
pan-tilt
sistem
hanya atau
azimut elevasi untuk menstabilkan gangguan pengarahan yang disebabkan
oleh tiga
derajad kebebasan
gangguan
landasan
roll-pitch-yaw. 5.
Aparatus perangkat
25
stabilisasi lunak
pengarahan
dalam
pada
mikroprosesor
klaim (22)
1,
algoritma
tersebut
dapat
melakukan perhitungan kontroler ke masing-masing penggerak sistem
pan-tilt
model
respon
atau yang
sistem azimut-elevasi diinginkan
untuk
sesuai dengan
menuju
referensi
Inventor: M. Imam Afandi
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
5
landasan
pan-tilt
sistem
atau
azimut-elevasi
atau
sejajar dengan penggerak pan atau azimut pada sistem pantilt atau sistem azimut elevasi. 7.
Aparatus
stabilisasi
pengarahan
pada
klaim
1,
dapat
mengendalikan penggerak sistem pan-tilt atau sistem azimutelevasi berupa motor dc, motor servo, motor stepper. 10
8.
Aparatus stabilisasi pengarahan pada klaim 1, dapat menerima 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 15
kamera
digital,
sistem
pengarahan
video
kamera,
sistem
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
25
Inventor: M. Imam Afandi
19 Abstrak APARATUS DAN METODE STABILISASI PENGARAHAN MANDIRI PADA SISTEM PAN-TILT ATAU SISTEM AZIMUT-ELEVASI 5
Suatu aparatus/alat dan metode stabilisasi pengarahan pada sistem pan-tilt atau sistem azimut-elevasi dengan memanfaatkan penggerak sendiri
motor untuk
disebabkan 10
pan-tilt
dari
sistem
pan-tilt
menstabilkan
gangguan
oleh
atau
adanya
sistem
gangguan
pada
azimut-elevasi
atau
azimut-elevasi
sudut
pengarahan
landasan ini
sistem.
banyak
itu yang
Sistem
dipakai
pada
sistem pengarahan kamera, antena, senjata berat, sinar laser, peluncuran
roket,
dan
lain
sebagainya.
Alat
stabilisasi
pengarahan mandiri ini pada sistem pan-tilt atau sistem azimutelevasi dilengkapi dengan sensor roll, sensor pitch dan sensor 15
yaw 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
20
mendeteksi
gerakan
antarmuka
sinyal
landasan analog,
serta
antarmuka
mikroprosesor,
sinyal
catudaya
digital, tegangan
searah, komunikasi serial dan LCD peraga. Agar dapat beroperasi, alat ini juga dilengkapi dengan perangkat lunak yang disimpan di dalam
mikroprosesor
melakukan
perhitungan
yang
didalamnya
kompensasi
mempunyai
gangguan
kemampuan
roll-pitch-yaw
yang
kemudian ditransformasikan ke dalam bentuk persamaan kompensasi 25
sudut
pan-tilt
perhitungan
atau
kontroler
motor
pan-tilt
dalam
waktu
atau
secepat
azimut-elevasi PID
tracking
azimut-elevasi mungkin
sesuai
dan
juga
dapat
pergerakan untuk dengan
masing-masing
mencapai model
melakukan referensi
respon
yang
diinginkan.
Inventor: M. Imam Afandi
1 /3 1
2 7 sudut referensi absolut tilt/elevasi 6
3 4
15
sudut roll sudut pitch sudut yaw 5
Perhitungan total kinematika sudut pan-tilt terhadap gangguan roll-pitch-yaw dan sudut referensi azimut-elevasi absolut yang dituju 8
11
9
10
sensor tilt/ elevasi
13
_ +
kontroler tilt/elevasi
penggerak tilt/elevasi
+__
kontroler pan/azimut
penggerak pan/azimut
12
14 sensor pan/ azimut 16
25
26
sudut referensi absolut pan/azimut
Gambar 1
24
23 Potensiometer Pan
17 Sensor Roll
18 Sensor Pitch
19 Sensor Yaw
20 Tapis lolos rendah
20
21
Tapis lolos rendah
Resolver Pan atau Encoder Pan
Tombol Daya
Tombol Pilihan
27 PWM Pan
22 Pengubah A/D
Mikro prosesor
Pengubah D/A Pan Pengubah D/A Tilt
20 PWM Tilt
Tapis lolos rendah
Potensiometer Tilt
34
LCD Peraga
Resolver Tilt atau Encoder Tilt
32
33
28
29
30 Komunikasi Serial
31
Gambar 2
Inventor: M. Imam Afandi
2 /3 35
Mulai
36
Baca setting dan parameter dari memori mikroprosesor Y
37
Sudut pan-tilt referensi absolut sudah ditentukan ? T
38
Baca sensor roll, pitch, yaw, pan, tilt
39
Hitung sudut referensi absolut pan-tilt yang dituju dari hasil perkalian matrik transformasi sudut roll, pitch, yaw,
40
Baca sensor roll, pitch, yaw
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
41
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
42
43
44
Keluarkan sinyal kontrol PID tracking dalam bentuk sinyal PWM atau sinyal analog atau komunikasi serial 45
Tampilkan data ke LCD peraga
T
46
Tombol daya ditekan lama ? Y Matikan alat
47
Gambar 3 Inventor: M. Imam Afandi
3 /3
Z z
48
56
y2
51 z2 54 x2
55
z1
53 x1
52
x
y1 Y
y
49 50
X Gambar 4
R(s)
E(s) +_
57 Gc(s)
Fd
58 Gp(s)
_ +
59 Y(s)
R(s)
Gm(s)
Y(s)
Gambar 5
Inventor: M. Imam Afandi
