BAB II LANDASAN TEORI

BAB II LANDASAN TEORI

2.1. Mikrokontroler Mikrokontroler adalah sistem mikroprosesor lengkap yang terkandung di dalam sebuah chip. Mikrokontroler berbeda dari mikroprosesor serba guna yang digunakan dalam sebuah PC, karena di dalam sebuah mikrokontroler umumnya juga telah berisi komponen pendukung sistem minimal mikroprosesor, yakni prosesor, memori dan antarmuka I/O, sedangkan di dalam mikroprosesor umumnya hanya berisi CPU saja. Berbeda dengan CPU serba-guna, mikrokontroler

tidak

selalu

memerlukan

memori

eksternal,

sehingga

mikrokontroler dapat dibuat lebih murah dalam kemasan yang lebih kecil dengan jumlah pin yang lebih sedikit. Sebagai contoh ATMEGA2560. Mikrokontroler adalah suatu chip berupa IC (Integrated Circuit) yang dapat menerima sinyal input, mengolahnya dan memberikan sinyal output sesuai dengan program yang diisikan ke dalamnya. Sinyal input mikrokontroler berasal dari sensor yang berupa informasi sedangkan sinyal output ditujukan kepada aktuator yang dapat memberikan efek pergerakkan. Jadi secara sederhana mikrokontroler dapat diibaratkan sebagai otak dari suatu perangkat yang mampu berinteraksi

6 http://digilib.mercubuana.ac.id/

7 dengan lingkungan sekitarnya. Mikrokontroler pada dasarnya adalah komputer dalam satu chip, yang di dalamnya terdapat mikroprosesor, memori, antarmuka Input/Output (I/O) dan perangkat pelengkap lainnya. Kecepatan pengolahan data pada mikrokontroler lebih rendah jika dibandingkan dengan PC. Pada PC kecepatan mikroprosesor yang digunakan saat ini telah mencapai orde GHz, sedangkan kecepatan operasi mikrokontroler pada umumnya berkisar antara 1 – 16 MHz. Begitu juga kapasitas RAM dan ROM pada PC yang bisa mencapai orde Gbyte, dibandingkan dengan mikrokontroler yang hanya berkisar pada orde byte/Kbyte. Mikrokontroler terdiri dari beberapa bagian seperti yang terlihat pada gambar di bawah ini :

Gambar 2.1. Blok Diagram Mikrokontroler

Pada Gambar 2.1. di atas tampak suatu mikrokontroler standar yang tersusun atas komponen-komponen sebagai berikut : 1. CPU CPU (Central Processing Unit) merupakan bagian utama dalam suatu mikrokontroler. CPU pada mikrokontroler ada yang berukuran 8 bit ada pula yang berukuran 16 bit. CPU ini akan membaca program yang tersimpan di dalam ROM dan melaksanakannya.

http://digilib.mercubuana.ac.id/

8 2. ROM ROM (Read Only Memory) merupakan suatu memori yang sifatnya hanya dibaca saja. Dengan demikian ROM tidak dapat ditulisi. Dalam dunia mikrokontroler ROM digunakan untuk menyimpan program bagi mikrokontroler tersebut. Program tersimpan dalm format biner (‘0’ atau ‘1’). Susunan bilangan biner tersebut bila telah terbaca oleh mikrokontroler akan memiliki arti tersendiri. 3. RAM Berbeda dengan ROM, RAM (Random Access Memory) adalah jenis memori selain dapat dibaca juga dapat ditulis berulang kali. Tentunya dalam pemakaian mikrokontroler ada semacam data yang bisa berubah pada saat mikrokontroler tersebut bekerja. Perubahan data tersebut tentunya juga akan tersimpan ke dalam memori. Isi pada RAM akan hilang jika catu daya listrik hilang. 4. I/O Untuk berkomunikasi dengan dunia luar, maka mikrokontroler menggunakan terminal I/O (Input/Output), yang digunakan untuk masukan atau keluaran. 5. Komunikasi Serial Komunikasi serial adalah salah satu metode komunikasi data di mana hanya satu bit data yang dikirimkan melalui seuntai kabel pada suatu waktu tertentu. Pada dasarnya komunikasi serial adalah kasus khusus komunikasi paralel dengan nilai n = 1, atau dengan kata lain adalah suatu bentuk komunikasi paralel dengan jumlah kabel hanya satu dan hanya mengirimkan satu bit data secara simultan.


9 2.2. Arduino Proyek Arduino dimulai pertama kali di Ovre, Italy pada tahun 2005. Tujuan proyek ini awalnya untuk membuat peralatan control interaktif dan modul pembelajaran bagi siswa yang lebih murah dibandingkan dengan prototype yang lain. Pada tahun 2010 telah terjual dari 120 unit Arduino. Arduino yang berbasis open source melibatkan tim pengembang. Pendiri arduino itu Massimo Banzi dan David Cuartielles, awalnya mereka memberi nama proyek itu dengan sebutan arduino dari ivrea tetapi seiring perkembangan zaman nama proyek itu diubah menjadi Arduino. Arduino dikembangkan dari thesis Hernando Barragan di desain interaksi institute Ivrea. Arduino dapat menerima masukan dari berbagai macam sensor dan juga dapat mengontrol lampu, motor dan aktuator lainnya. Mikrokontroler pada modul arduino di program dengan menggunkan bahasa pemrograman arduino dan IDE arduino. Proyek arduino dapat berjalan sendiri atau juga bisa berkomunikasi dengan software yang berjalan pada komputer.

2.3 Hardware Arduino Hardware Arduino merupakan modul mikrokontroler yang berukuran kecil atau dapat diartikan juga dengan suatu rangkaian berukuran kecil yang didalamnya terdapat komputer berbentuk suatu chip yang kecil. Pada Gambar 2.2. dapat dilihat sebuah modul Arduino dengan beberapa bagian komponen didalamnya.


10

Gambar 2.2. Modul Arduino

Pada modul arduino terdiri dari 20 pin yang meliputi: - 14 pin IO Digital (pin 0–13) Sejumlah pin digital dengan nomor 0–13 yang dapat dijadikan input atau output yang diatur dengan cara membuat program IDE. - 6 pin Input Analog (pin 0–5) Sejumlah pin analog bernomor 0–5 yang dapat digunakan untuk membaca nilai input yang memiliki nilai analog dan mengubahnya ke dalam angka antara 0 dan 1023. - 6 pin Output Analog (pin 3, 5, 6, 9, 10 dan 11) Sejumlah pin yang sebenarnya merupakan pin digital tetapi sejumlah pin tersebut dapat diprogram kembali menjadi pin output analog dengan cara membuat programnya pada IDE.

Modul Arduino dapat mengambil daya dari USB port pada komputer dengan menggunakan USB charger atau dapat pula mengambil daya dengan


11 menggunakan suatu AC adapter dengan tegangan 9 volt. Jika tidak terdapat power supply yang melalui AC adapter, maka modul Arduino akan mengambil daya dari USB port. Tetapi apabila diberikan daya melalui AC adapter secara bersamaan dengan USB port maka modul Arduino akan mengambil daya melalui AC adapter secara otomatis.

2.4. Software Arduino Software arduino yang digunakan adalah driver dan IDE, walaupun masih ada beberapa software lain yang sangat berguna selama pengembangan arduino. IDE atau Integrated Development Environment merupakan suatu program khusus untuk suatu komputer agar dapat membuat suatu rancangan atau sketsa program untuk modul Arduino.

Gambar 2.3 Software Arduino IDE Versi 1.0.6


12 IDE arduino merupakan software yang ditulis dengan menggunakan java. IDE arduino terdiri dari: - Editor Program Sebuah window yang memungkinkan pengguna menulis dan mengedit program dalam bahasa processing - Compiler Sebuah modul yang mengubah kode program menjadi kode biner bagaimanapun sebuah mikrokontroler tidak akan bisa memahami bahasa processing. - Uploader Sebuah modul yang memuat kode biner dari komputer ke dalam memory didalam modul arduino. Dalam bahasa pemrograman arduino ada tiga bagian utama yaitu struktur, variabel dan fungsi: 1. Struktur Program Arduino a. Kerangka Program Kerangka program arduino sangat sederhana, yaitu terdiri atas dua blok. Blok pertama adalah void setup() dan blok kedua adalah void loop(). -

Blok Void setup ()

Berisi kode program yang hanya dijalankan sekali sesaat setelah arduino dihidupkan atau di-reset. Merupakan bagian persiapan atau instalasi program. -

Blok Void loop()


13 Berisi kode program yang akan dijalankan terus menerus. Merupakan tempat untuk program utama. b. Sintaks Program Baik blok void setup loop () maupun blok function harus diberi tanda kurung kurawal buka “{“ sebagai tanda awal program di blok itu dan kurung kurawal tutup “}” sebagai tanda akhir program. 2. Variabel Sebuah program secara garis besar dapat didefinisikan sebagai instruksi untuk memindahkan angka dengan cara yang cerdas dengan menggunakan sebuah varibel. 3. Fungsi Pada bagian ini meliputi fungsi input output digital, input output analog, advanced I/O, fungsi waktu, fungsi matematika serta fungsi komunikasi. Pada proses Uploader dimana pada proses ini mengubah bahasa pemrograman yang nantinya dicompile oleh avr-gcc (avr-gcc compiler) yang hasilnya akan disimpan kedalam modul arduino. Avr-gcc compiler merupakan suatu bagian penting untuk software bersifat open source. Dengan adanya avr-gcc compiler, maka akan membuat bahasa pemrogaman dapat dimengerti oleh mikrokontroler. Proses terakhir ini sangat penting, karena dengan adanya proses ini maka akan membuat proses pemrogaman mikrokontroler menjadi sangat mudah. Berikut ini merupakan gambaran siklus yang terjadi dalam melakukan pemrogaman Arduino: 1. Koneksikan modul Arduino dengan komputer melalui port USB.


14 2. Tuliskan sketsa rancangan suatu program yang akan dimasukkan ke dalam modul Arduino. 3. Upload sketsa program ke dalam papan Arduino melalui kabel USB dan kemudian tunggu beberapa saat untuk melakukan restart pada modul Arduino. 4. Modul Arduino akan mengeksekusi rancangan sketsa program yang telah dibuat dan di-upload ke modul Arduino.

2.5. Modul APM Modul APM (Ardu Pilot Mega) adalah modul open source untuk sistem autopilot yang mendukung drone dengan jenis multicopter, helikopter tradisional, pesawat dengan sayap dan kendaraan rover. Ardu pada nama Ardupilot berasal dari kata Arduino. Modul ardupilot APM yang original didasarkan pada pengembangan Arduino. Modul ardupilot APM merupakan papan berbasis AVR yang menggunakan software Arduino versi 1.0.3 yang merupakan versi modifikasi dari software Arduino IDE.

Gambar 2.4 Modul Ardu Pilot Mega Versi 2.5


15 2.6. Modul Arduflyer Saat ini terdapat dua jenis modul APM, yang masing-masing dibuat oleh vendor 3DR dan vendor RCTimer. Pada tugas akhir ini penulis memakai modul APM buatan vendor RCTimer yaitu modul Arduflyer versi 2.5. Modul Arduflyer versi 2.5 merupakan versi cloning dari modul APM versi 2.5. Spesifikasi modul Arduflyer V2.5 adalah sebagai berikut: - Kompatibel dengan arduino - Sensor 3-axis

giro, accelerometer,

magnetometer dan barometer

terintegrasi. - Dataflash chip terintegrasi - Sensor digital kompas buatan Honeywell dengan tipe HMC5883L-TR. - Sensor 6 DoF accelerometer/Gyro buatan Invensense dengan tipe MPU6000. - Sensor barometer buatan Measurement Specialist dengan tipe MS561101BA03. - Menggunakan processor buatan Atmel dengan tipe ATMEGA2560. - Menggunakan chip USB buatan Atmel dengan tipe ATMEGA32U-2. - Kompatibel dengan modul tambahan GPS uBlox LEA-6H.


16

Gambar 2.5 Modul Arduflyer Versi 2.5

Modul Arduflyer seperti ditunjukkan pada gambar 2.5, berikut ini adalah keterangan untuk modul Arduflyer. - Port telemetry untuk pemakaian modul wireless telemetry - Port analog yang terdiri dari A0-A10 - Chip prosesor ATMEGA2560 - Sensor gyro dan accelerometer - Sensor barometric - Port micro USB untuk koneksi dengan komputer - Port input yang terdiri dari IN1-IN8 - Port GPS untuk menghubungkan modul GPS eksternal - Chip dataflash untuk keperluan data logging - Sensor magnetometer atau kompas digital - Tombol reset untuk me-reset modul APM - Port I2C (Inter Integrated Circuit) untuk komunikasi serial


17 - Port PM untuk menghubungkan modul power - Port output yang terdiri dari OP1-OP8 Modul Arduflyer diprogram dengan menggunakan software Arduino versi 1.0.3 yang merupakan versi modifikasi dari software Arduino IDE.

Gambar 2.6 Software Arduino IDE Versi 1.0.3

2.7. Sensor Accelerometer Sensor accelerometer merupakan perangkat yang mengukur percepatan, yang merupakan laju perubahan kecepatan sebuah benda. Sensor accelerometer mengukur dalam satuan meter per detik kuadrat (m/s2) atau G-force (g). Besarnya G-force di planet bumi setara dengan 9,8 m/s2. Sensor accelerometer juga berguna untuk mendeteksi getaran.


18

Gambar 2.7. Sensor Accelerometer 3 Axis Sensor accelerometer adalah perangkat elektromekanis yang dapat merasakan besarnya gaya percepatan statis ataupun dinamis. Gaya statis contohnya gravitasi, sementara gaya dinamis mencakup getaran dan gerakan. Sensor accelerometer dapat mengukur akselerasi pada satu, dua, atau tiga axis. Umumnya, sensor accelerometer berisi piring kapasitif internal. Beberapa di antaranya adalah tetap, sementara yang lain melekat pada per kecil yang bergerak secara internal sebagai gaya percepatan bertindak atas sensor. Pada saat piring kapasitif ini bergerak antara satu sama lain, kapasitansi antara piring kapasitif berubah. Dari perubahan-perubahan dalam kapasitansi, percepatan dapat ditentukan. Sensor accelerometer lainnya memakai bahan piezoelektrik. Struktur kristal kecilnya dapat mengeluarkan muatan listrik ketika ditempatkan di bawah tekanan mekanik (misalnya percepatan).


19

Gambar 2.8. Sensor Accelerometer Berbahan Piezoelektrik Pada modul APM sudah terdapat sensor accelerometer internal, seperti ditunjukkan pada gambar 2.9.

Gambar 2.9. Letak Sensor Accelerometer Pada Modul APM

2.8. Sensor Giroskop Sensor giroskop atau gyros, adalah perangkat yang mengukur atau mempertahankan gerak rotasi. Gyros

jenis MEMS (microelectromechanical

sistem) berbentuk kecil dan murah yang dapat mengukur kecepatan sudut. Satuan kecepatan sudut diukur dalam derajat per detik (°/s) atau putaran per detik (RPS). Kecepatan sudut merupakan hasil pengukuran kecepatan rotasi.


20 Gyros dapat digunakan untuk menentukan orientasi atau arah dan banyak dipakai pada sistem navigasi otomatis. Sebagai contoh, jika kita ingin menyeimbangkan robot, giroskop dapat digunakan untuk mengukur rotasi dari posisi yang diseimbangkan dan mengirim koreksi untuk motor.

Gambar 2.10. Kecepatan Sudut Pada Roda Yang berputar Ketika sebuah roda berputar di sekitar sumbu maka roda tersebut memiliki apa yang disebut kecepatan sudut. Sebuah roda berputar dapat diukur dalam revolusi per detik (RPS) atau derajat per detik (°/s).

Gambar 2.11. Sensor Gyros Jika sensor gyro pada gambar 2.11 dipasangkan pada roda yang ditunjukkan pada gambar 2.10, maka kita dapat mengukur kecepatan sudut dari sumbu z dari gyro. Dua sumbu lainnya tidak akan mengukur rotasi apapun. Apabila roda berputar sekali per detik. Sensor akan memiliki kecepatan sudut 360 derajat per detik. Arah berputar roda juga penting, apakah searah jarum jam di sekitar sumbu,


21 ataukah berlawanan arah jarum jam. Gyros jenis MEMS tiga-axis mirip dengan yang digambarkan di atas, dapat mengukur rotasi sekitar tiga sumbu: x, y, dan z. Gyros sering digunakan pada objek yang tidak berputar dengan sangat cepat. Sebagai contoh pesawat, pesawat tidak berputar akan tetapi pesawat hanya memutar beberapa derajat pada setiap sumbu. Dengan mendeteksi perubahan kecil pada sudut tersebut gyros membantu menstabilkan penerbangan pesawat. Percepatan atau kecepatan linear pesawat tidak mempengaruhi pengukuran gyro. Gyros hanya mengukur kecepatan sudut.

Gambar 2.12. Sensor Gyro Jenis MEMS Sensor giroskop MEMS sangat kecil (antara 1 sampai 100 mikrometer, seukuran rambut manusia). Ketika gyro diputar, massa beresonansi kecil digeser sebagai perubahan kecepatan sudut. Gerakan ini diubah menjadi sinyal-sinyal listrik yang sangat rendah yang dapat diperkuat dan dibaca oleh mikrokontroler. Pada modul APM sudah terdapat sensor gyros internal, seperti ditunjukkan pada gambar 2.13.


22

Gambar 2.13. Letak Sensor Accelerometer Pada Modul APM 2.9. Sensor GPS Alat penerima GPS bukanlah hal yang baru, banyak orang telah merasakan manfaatnya. Sensor penerima GPS dapat ditemukan di sebagian besar smartphone dan mobil. Perangkat kecil ini dengan seketika dapat memberikan posisi dan waktu yang tepat, hampir di mana saja di planet ini secara gratis. Yang dibutuhkan adalah penerima GPS dan penerima GPS semakin lebih murah dan lebih kecil setiap harinya. Ada puluhan satelit GPS yang memberikan posisi yang akurat kapan saja, di mana saja. Semua mengandung jam atom yang sangat akurat yang telah diluncurkan sejak tahun 70-an, dan peluncuran satelit terus berlanjut hingga hari ini. Satelit terus mengirim data ke bumi melalui frekuensi RF khusus. Modul penerima GPS berukuran kecil serta memiliki prosesor dan antena yang secara langsung menerima data yang dikirim oleh satelit dan menghitung posisi dan waktu dengan cepat. Modul penerima GPS menggunakan konstelasi satelit dan stasiun bumi untuk menghitung posisi dan waktu hampir di mana saja di bumi.


23

Gambar 2.14. Orbit Satelit Mengelilingi Bumi Pada setiap waktu, setidaknya ada 24 satelit aktif mengorbit lebih dari 12.000 mil di atas bumi. Posisi satelit diatur sedemikian rupa agar langit di atas lokasi kita akan selalu berisi paling tidak 12 satelit. Tujuan utama dari 12 satelit adalah untuk mengirimkan informasi kembali ke bumi melalui frekuensi radio (mulai 1,1 - 1,5 GHz). Dengan informasi ini modul penerima GPS dapat menghitung posisi dan waktu. Data yang dikirim ke bumi dari setiap satelit berisi potongan informasi yang berbeda yang memungkinkan penerima GPS untuk menghitung secara akurat posisi dan waktu. Bagian penting dari peralatan pada setiap satelit GPS adalah jam atom yang sangat akurat. Waktu pada jam atom dikirim ke bumi bersama dengan posisi orbit satelit dan waktu kedatangan satelit di berbagai titik di angkasa. Dengan kata lain, modul GPS menerima catatan waktu dari masing-masing satelit yang terlihat, bersama dengan data di mana masing-masing satelit berada (di antara potongan-potongan data lainnya). Dari informasi ini, modul penerima GPS sekarang tahu jarak ke setiap satelit yang terlihat. Jika antena penerima GPS dapat melihat setidaknya 4 satelit, modul GPS dengan secara akurat dapat menghitung posisi dan waktu. Hal tersebut juga disebut Lock atau Fix.


24 Ada bagian lain dari global positioning system yang belum dibahas. Selain satelit dan modul penerima GPS, ada stasiun bumi (ground based station) yang dapat berkomunikasi dengan jaringan satelit dan beberapa penerima GPS. Sistem ini secara resmi disebut segmen kontrol dan meningkatkan akurasi penerima GPS. Sistem umum yang menggunakan segmen kontrol untuk meningkatkan akurasi yaitu WAAS (Wide Area Augmentation System) dan DGPS (Differential GPS). WAAS umumnya dipakai pada kebanyakan penerima GPS dan mampu meningkatkan akurasi sampai sekitar 5 meter. Sedangkan DGPS membutuhkan jenis penerima GPS tertentu dan mampu mendapatkan akurasi sentimeter. Unit DGPS juga mahal dan cenderung lebih besar karena

membutuhkan antena

tambahan. Akurasi GPS tergantung pada sejumlah variabel, terutama sinyal untuk rasio kebisingan sinyal, posisi satelit, cuaca dan penghalang seperti gedung dan pegunungan. Faktor-faktor ini dapat membuat kesalahan dalam penunjukkan lokasi yang didapatkan. Noise pada sinyal biasanya menciptakan kesalahan dari sekitar satu sampai sepuluh meter. Pegunungan, bangunan dan hal-hal lain yang mungkin menghalangi jalan antara penerima dan satelit dapat menyebabkan tiga kali lebih banyak kesalahan daripada noise pada sinyal. Sebuah penerima GPS harus bisa dapat mengunci pada 4 satelit untuk dapat memperoleh posisi. Meskipun dimungkinkan untuk mendapatkan posisi pada kurang dari 4 satelit, error dari posisi yang didapat bisa menjadi agak besar. Pembacaan paling akurat bisa didapat ketika langit cerah, jauh dari penghalang dan mengunci pada lebih dari 4 satelit. Untuk menanggulangi masalah ini, beberapa asisten yang berbeda telah diciptakan.


25 Salah satunya adalah Assisted GPS atau AGPS. Metode ini menggunakan jaringan nirkabel untuk membantu estafet antara satelit dan penerima GPS ketika sinyal GPS lemah. Ada dua cara AGPS dapat membantu. Yang pertama adalah dengan memberikan data almanak yang tepat dan waktu yang tepat kepada receiver. Kedua memanfaatkan kekuatan komputasi yang lebih tinggi dan sinyal satelit yang baik untuk menafsirkan informasi yang rusak atau terfragmentasi yang diterima receiver untuk memberikan pembacaan posisi yang lebih akurat kepada receiver. AGPS sebagian besar dilakukan oleh penerima GPS yang dipasang pada menara seluler. Ketika berkomunikasi dengan receiver ini, penerima GPS dapat memperoleh kunci pada satelit lebih cepat serta menerima informasi yang lebih akurat. Metode ini adalah apa yang digunakan untuk GPS di ponsel dan mengapa mereka kadangkadang lebih akurat dibandingkan dengan penerima GPS itu sendiri. AGPS juga tersedia pada perangkat selain ponsel yaitu seperti kamera dan kendaraan. AGPS sangat menguntungkan di kota-kota besar di mana sinyal GPS sulit untuk menembus padatnya bangunan.

Gambar 2.15. Differential GPS Metode lainnya adalah Differential GPS atau DGPS. DGPS juga menggunakan stasiun GPS yang tetap (ground station) untuk menentukan lokasi,


26 akan tetapi berbeda dalam cara menemukan perbedaan antara pembacaan satelit dan pembacaan lokasi. Lokasi ground stasiun memungkinkan sampai 200 mil laut dari penerima GPS dan lebih dari itu akurasi akan memburuk. DGPS didapat oleh ground station dengan memancarkan sinyal yang menentukan kesalahan antara pseudorange aktual dan pseudorange terukur. Nilai ini dihitung dengan mengalikan kecepatan cahaya dengan waktu yang dibutuhkan oleh sinyal untuk melakukan perjalanan dari satelit ke penerima GPS. Sebagai contoh, salah satu bentuk DGPS adalah Wide Area Augmentation System atau WAAS. Awalnya WAAS dikembangkan oleh FAA untuk membantu GPS pada pesawat, WAAS menggunakan sistem ground station khusus. WAAS memiliki standar akurasi spesifik yang dibutuhkan untuk pengukuran oleh ground station. Secara lateral dan vertikal, WAAS harus akurat dalam kisaran 7,6 meter selama 95% dari waktu. Ground station tersebut mengirim hasil pengukurannya ke master station yang kemudian mengirim koreksi ke satelit WAAS setiap 5 detik atau lebih cepat. Dari aatelit tersebut, sinyal dipancarkan kembali ke penerima GPS di bumi di mana koreksi digunakan untuk meningkatkan akurasi GPS. Di beberapa lokasi, WAAS mampu memberikan akurasi 1 meter secara lateral dan 1,5 meter secara vertikal. Sementara WAAS hanya hadir di Amerika Utara, sementara itu sistem yang sama dipakai di banyak tempat di belahan dunia lainnya. Data GPS ditampilkan dalam format pesan yang berbeda melalui interface serial. Ada format pesan standar dan non-standar. Hampir semua penerima GPS menghasilkan data NMEA. Standar NMEA merupakan format data dalam baris yang disebut sentences. Setiap sentences berisi berbagai bit data dalam format comma delimited (yaitu data yang dipisahkan oleh koma). Berikut contoh


27 sentences NMEA dari penerima GPS dengan kunci satelit (lebih dari 4 satelit, posisi akurat): $GPRMC,235316.000,A,4003.9040,N,10512.5792,W,0.09,144.75,141112,,* 19 $GPGGA,235317.000,4003.9039,N,10512.5793,W,1,08,1.6,1577.9,M,20.7,M,,0000*5F $GPGSA,A,3,22,18,21,06,03,09,24,15,,,,,2.5,1.6,1.9*3E

Kalimat GPGGA diatas mengandung arti sebagai berikut: • Waktu: 235317.000 adalah 23:53 dan 17.000 detik di GMT • Longitude (Bujur): 4003.9040, N adalah lintang di derajat.desimal menit, utara • Latitude (Lintang): 10512.5792, W adalah bujur di derajat.desimal menit, barat • Jumlah satelit terlihat: 08 • Ketinggian: 1577 meter Data dipisahkan dengan koma tujuannya untuk membuatnya lebih mudah untuk dibaca dan diuraikan oleh komputer dan mikrokontroler. Data ini dikirim melalui port serial pada interval yang disebut update rate. Sebagian besar penerima memperbarui informasi ini sekali per detik (1Hz), akan tetapi penerima yang lebih modern mampu melakukan beberapa kali pembaruan per detik (5 sampai 20Hz). Kebanyakan modul GPS memiliki port serial, yang membuatnya cocok untuk terhubung ke mikrokontroler atau komputer.

Gambar 2.16. Modul GPS NEO-6M


28 Setelah modul GPS diaktifkan, data dengan format NMEA (atau format lain) dikirim keluar dari pin serial transmit (TX) dengan baud rate dan update rate tertentu, bahkan ketika tidak ada lock. Agar mikrokontroler dapat membaca data NMEA dari modul GPS, dilakukan dengan cara menghubungkan pin TX (pengirim) pada GPS ke pin RX (penerima) pin pada mikrokontroler. Untuk mengkonfigurasi modul GPS, dilakukan dengan cara menghubungkan pin RX pada GPS ke pin TX pada mikrokontroler. Pada mikrokontroler data NMEA dari modul GPS diuraikan dengan cara menghapus potongan data dari sentence NMEA, sehingga mikrokontroler dapat melakukan sesuatu yang berguna dengan data tersebut. Sebagai contoh, mikrokontroler mungkin hanya perlu membaca ketinggian GPS saja. $ GPGGA, 235317.000,4003.9039, N, 10512,5793, W, 1,08,1.6,1577.9, M, -20,7, M,, 0000 * 5F

Mikrokontroler dapat mengurai kalimat GPGGA dan berakhir dengan hanya ketinggian (dalam meter). 1577

Setelah mikrokontroler berhasil menerima data yang diperlukan, informasi dapat dimanipulasi untuk menciptakan interaksi lainnya pada mikrokontroler. Pada software Arduino data NMEA dapat diuraikan dengan mudah dengan bantuan library Tiny GPS. 2.10. Sensor Kompas Sensor kompas dirancang untuk penginderaan medan magnet tingkat rendah dengan antarmuka digital, untuk memberikan informasi arah untuk modul mikrokontroler.


29 Sensor kompas atau magnetometer yang digunakan pada tugas ini adalah HMC5883L yang sudah terintegrasi pada modul GPS seperti pada gambar 2.17. Pada dasarnya, medan magnet berinteraksi dengan jalur arus yang mengalir melalui bahan ferro/besi, bayangkan seolah-olah bar dari bahan ferro/besi memanjang, maka tahanannya akan meningkat. Dengan mengukur perubahan pada nilai tahanan kita dapat memperkirakan medan magnet. Persamaan yang mengatur fenomena ini pada gambar di bawah. Dalam kompas, medan magnet yang diukur adalah medan magnet bumi yang mengalir dari utara ke selatan. Sensor HMC5883L memiliki tiga sumbu yang berbeda untuk menghitung arah karena faktor kemiringan tidak diperhitungkan maka digunakan hanya sumbu X dan Y saja.

2.11. Modul ESC

Gambar 2.17. Modul ESC ESC (Kontrol kecepatan elektronik) adalah sirkuit elektronik yang berfungsi untuk mengatur kecepatan dan arah putaran motor brushless. ESC banyak digunakan pada perangkat yang dikendalikan oleh remote kontrol dan paling sering digunakan untuk mengontrol motor brushless yang pada dasarnya berfungsi


30 untuk menghasilkan tegangan rendah tiga phasa dengan frekuensi tinggi untuk memutar motor. ESC dapat dipakai menjadi unit yang berdiri sendiri yang dihubungkan secara langsung ke saluran kontrol throttle pada remote kontrol penerima atau dimasukkan ke dalam remote kontrol penerima itu sendiri, seperti yang terdapat pada sebagian besar mainan kendaraan remote kontrol. Kebanyakan ESC menggabungkan sirkuit eliminator baterai (BEC) untuk mengatur tegangan untuk remote kontrol penerima, hal tersebut mengatasi kebutuhan akan baterai terpisah untuk remote kontrol penerima. Modul ESC merupakan pengendali PWM untuk motor listrik. ESC umumnya menerima sinyal input PWM servo 50 Hz yang lebar pulsanya bervariasi mulai dari 1 ms sampai 2 ms. Ketika diberikan sinyal input dengan lebar pulsa 1 ms pada 50 Hz, ESC merespon dengan mematikan motor DC yang terpasang pada outputnya. Sinyal input dengan lebar pulsa 1,5 ms mengontrol motor dengan kecepatan sekitar setengah dari kecepatan maksimum. Ketika diberikan sinyal input dengan lebar pulsa 2 ms, motor akan berputar dengan kecepatan maksimum. ESC jenis brushless pada dasarnya mengontrol motor brushless tiga fasa dengan cara mengirimkan urutan sinyal untuk rotasi. Motor brushless sangat populer dikalangan penggemar pesawat remote kontrol karena efisien, umur panjang dan lebih ringan dibandingkan dengan motor brushed. ESC biasanya dinilai sesuai dengan arus maksimum, misalnya, 25 ampere atau 25 A. Umumnya semakin tinggi rating, ukuran ESC cenderung lebih besar dan lebih berat, yang merupakan faktor ketika menghitung massa dan keseimbangan dalam pesawat terbang.


31 Modul ESC merupakan komponen penting pada quadcopter yang meghasilkan tegangan AC tiga phasa dengan daya tinggi, frekuensi tinggi dan resolusi tinggi untuk motor dengan bentuk yang kecil dan kompak. Quadcopter sepenuhnya tergantung pada kecepatan dari motor penggerak baling-baling. Kontrol RPM yang baik pada kecepatan motor atau baling-baling memberikan kebutuhan yang diperlukan quadcopter untuk terbang. Ketinggian terbang ditentukan oleh jumlah daya untuk semua motor. Gerakan maju dicapai dengan membuat putaran baling-baling bagian belakang lebih cepat dari bagian depan. Gerakan kesamping dicapai dengan membuat putaran balingbaling sebelah kiri atau kanan lebih cepat. Gerakan rudder atau yaw (berputar ke kiri atau kanan) dicapai dengan memperlambat atau mempercepat 2 motor yang arah putarannya sama.

2.12. Motor Brushless Outrunner

Gambar 2.18. Motor Brushless Outrunner Motor brushless telah hampir sepenuhnya menggantikan motor brushed. Keunggulan pada daya dan efisiensi membuatnya menjadi pilihan yang tepat untuk digunakan pada peralatan remote kontrol.


32 Jenis motor brushless terbagi menjadi dua jenis yaitu outrunner dan inrunner. Motor brushless outrunner banyak dipakai pada aplikasi pesawat remote kontrol yang menggunakan baling-baling. Sebagaimana pada tugas akhir ini juga menggunakan motor brushless jenis outrunner. Pada motor jenis outrunner, motor memutar bagian terluar dari motor memutari kumparan. Sama halnya seperti motor yang banyak ditemukan pada pemutar CD-ROM. Faktanya banyak yang menggunakan motor bekas pemutar CD-ROM untuk digunakan pada pesawat remote kontrol. Motor jenis outrunner berputar lebih pelan jika dibandingkan dengan motor jenis inrunner, akan tetapi motor jenis outrunner menghasilkan torsi yang lebih besar. Hal ini yang membuat motor outrunner menjadi pilihan yang tepat untuk dipakai sebagai pemutar baling-baling secara langsung pada pesawat dikarenakan tidak memerlukan gearbox, dimana beratnya gearbox dapat membebani pesawat. Kelebihan motor brushless dibandingkan dengan motor brushed adalah sebagai berikut: -

Lebih Efisien - Motor brushless jauh lebih efisien daripada motor brushed konvensional. Hasil pengukuran menunjukkan motor brushless memiliki efisiensi antara 85% sampai 95% lebih baik daripada motor brushed.

-

Lebih sedikit energi listrik yang terbuang sebagai panas, dan lebih banyak energi listrik dimanfaatkan.

-

Tingkat kebisingan rendah – Motor brushless memiliki bagian mekanikal yang lebih sedikit dibandingkan dengan motor brushed, sehingga menghasilkan kebisingan yang lebih rendah.


33 -

Lifetime lebih lama – Hanya sedikit bagian yang bergerak yang mengalami kontak mekanis daripada di motor brushed, hal ini mengurangi faktor keausan.

-

Interferensi EM berkurang - Motor brushless memancarkan energi lebih sedikit sebagai gelombang elektromagnetik (EM) daripada motor brushed. Hal ini memberikan kontribusi untuk efisiensi dan membantu mengurangi gangguan.

- Torsi, Tegangan, dan RPM saling terkait - Ini berarti bahwa jumlah torsi atau RPM yang dihasilkan oleh motor dibagi dengan tegangan adalah konstan, sehingga mudah untuk memprediksi berapa banyak kekuatan yang akan didapatkan. Pada dasarnya, fungsi motor listrik adalah untuk mengubah energi listrik (misalnya dari baterai) menjadi energi mekanik, seperti putaran baling-baling. Ada dua fakta dasar yang memungkinkan motor listrik bekerja: -

Listrik dan Magnetic Fields yang terkait - Artinya, setiap pergerakan menghasilkan medan magnet, dan medan magnet dapat menghasilkan muatan listrik.

-

Magnet Berinteraksi - Magnet akan menyelaraskan ketika ditempatkan dekat satu sama lain. Semua motor listrik pada dasarnya terdiri dari dua magnet. Salah satunya adalah permanen, yang lain adalah kumparan kawat itu yang ketika diberikan arus listrik akan menjadi magnet.

Motor ini dirancang sedemikian rupa sehingga medan magnet yang dihasilkan oleh masing-masing magnet selalu keluar dari keselarasan (alignment), menyebabkan motor untuk berputar. Ini mirip dengan apa yang terjadi ketika kita


34 mendekatkan magnet permanen pada kompas – posisi jarum kompas mengayun sehingga lurus dengan medan magnet. Pada desain motor brushed, medan magnet terus keluar dari keselarasan dengan menyalakan kumparan yang berbeda yang mengelilingi poros motor. Karbon brush melakukan kontak mekanik dengan poros yang berputar dan kontak dengan masing-masing kumparan. Pada saat poros berputar, karbon brush terhubung dengan kumparan yang berbeda-beda. Hasilnya adalah arus mengalir melalui kumparan yang berbeda pada waktu yang berbeda, secara konstan terus merubah medan magnet dan memutar poros motor. Di sini kita melihat bahwa masalah utama dengan desain motor brushed yaitu: kontak antara kumparan motor dan karbon brush menyebabkan gesekan, yang meningkat seiring dengan kecepatan. Kumparan logam aus dari waktu ke waktu, dan cenderung menimbulkan percikan. Mereka juga dapat mengionisasi udara sekitarnya dan menciptakan ozon. Jadi bagaimana untuk mengatasi masalah ini? Jawabannya terletak pada desain motor brushless. Pada motor brushless tidak menggunakan brush mekanik untuk menyalakan beberapa kumparan, sebagai gantinya motor brushless menggunakan ESC (pengendali kecepatan elektronik) untuk menyalakan dan mematikan kumparan motor dengan cepat dan disinkronkan dengan posisi poros motor. Selalu gunakan modul ESC dengan kapasitas (ampere) lebih besar dari motor. Ada sejumlah istilah khusus terkait dengan motor brushless. Berikut adalah penjelasan untuk beberapa yang paling umum: -

RPM - RPM adalah ukuran kecepatan sudut, atau seberapa cepat sesuatu berputar. RPM motor berarti seberapa cepat motor itu bisa berputar.


35 -

KV rating - Hubungan antara tegangan, torsi, dan RPM adalah linear untuk motor brushless. Jumlah RPM yang disediakan oleh masing-masing volt adalah sama, disebut nomor KV. Nomor KV ini berguna karena kita menjadi tahu berapa banyak volt yang kita perlukan untuk mencapai RPM tertentu, atau sebaliknya. Sebagai contoh, motor 980 KV didukung oleh baterai 11,1 volt akan berputar di 980 x 11,1 = 10.878 RPM tanpa beban. Rating KV selalu mengasumsikan tidak ada beban pada motor, sehingga RPM aktual yang dicapai akan kurang dari yang kita hitung.

- Continuous / Burst Current – Continuous current adalah berapa banyak arus yang dapat motor tangani secara terus menerus, untuk jangka waktu tertentu. Sedangkan burst current adalah berapa banyak arus motor dapat tangani dalam waktu singkat, atau sekitar beberapa detik. - Current rating - adalah arus maksimum yang dapat motor tangani, diukur dalam ampere. - Inrunner / Outrunner - Merupakan desain motor brushless. Motor brushless inrunner memiliki kumparan stasioner, dan magnet permanen yang berputar dalam kumparan pada poros motor. Motor brushless outrunner adalah sebaliknya, ia memiliki magnet permanen yang berputar, ditempatkan di luar kumparan stasioner pada poros motor. Motor outrunner memiliki tingkat KV yang rendah, sehingga berputar pada kecepatan rendah dengan torsi lebih. Sehingga motor outrunner dapat secara langsung memutar propeler besar tanpa gearbox. Mobil RC dan kapal RC cenderung memakai motor jenis inrunner.


36 -

Torsi - Torsi adalah ukuran kekuatan sudut, atau berapa besar gaya dorong yang dimiliki oleh putaran poros motor. Tabel 2.1 Spesifikasi Motor Brushless Model HP2212

Tabel 2.2 Spesifikasi Motor Brushless Model HP2212

2.13. Propeler Pada masing-masing motor brushless dipasang propeler (baling-baling). Pada gambar 2.19, terlihat 2 jenis baling-baling yang biasa dipakai untuk quadcopter.

Gambar 2.19. Baling-baling dan Adapter


37

Pada quadcopter 2 motor berputar dalam arah yang berlawanan dengan 2 motor lainnya agar badan quadcopter tidak ikut berputar. Dengan membuat pasangan baling-baling berputar di arah yang berlawanan dan juga memiliki arah kemiringan berlawanan, semua baling-baling akan menghasilkan dorongan mengangkat keatas tanpa menyebabkan badan quadcopter berputar ke arah yang sama dengan arah putaran baling-baling. Hal ini juga memungkinkan quadcopter untuk menstabilkan rotasi pada saat gerakan yaw, yaitu gerakan rotasi di tempat. Baling-baling terbagi menjadi beberapa ukuran diameter dan pitch. Pemilihan baling-baling mengacu pada ukuran rangka quadcopter, berikutnya pemilihan motor mengacu pada ukuran baling-baling. Beberapa ukuran baling-baling standar sebagai berikut: -

EPP1045, 10” (diameter) dan 4.5” pitch. Jenis ukuran ini yang paling populer, untuk quadcopter ukuran sedang.

-

EPP0845 8” (diameter) dan 4.5” pitch, untuk quadcopter ukuran kecil.

-

EPP1245 12” (diameter) dan 4.5” pitch, untuk quadcopter ukuran besar yang membutuhkan daya angkat yang besar.

-

EPP0938 9” (diameter) dan 3.8” pitch, untuk quadcopter ukuran paling kecil.

Semakin besar diameter dan pitch maka semakin besar daya dorong balingbaling yang dihasilkan. Hal tersebut juga membutuhkan daya yang lebih besar untuk memutarnya, akan tetapi kemampuan mengangkat bebannya lebih besar. Ketika menggunakan motor dengan RPM tinggi (revolution per menit) kita harus menggunakan baling-baling yang lebih kecil atau menengah. Dan ketika


38 menggunakan motor dengan RPM rendah kita harus menggunakan baling-baling yang lebih besar karena kita akan mendapat masalah jika menggunakan yang kecil yaitu tidak mampu mengangkat quadcopter pada kecepatan rendah.

2.14. Batere Lipo Adapun sumber daya untuk quadcopter, disarankan untuk menggunakan batere Lipo karena ringan dan rate arusnya sesuai dengan yang dibutuhkan. Batere jenis NiMH juga memungkinkan. Harganya lebih murah, akan tetapi juga jauh lebih berat daripada batere Lipo.

Gambar 2.20. Baterai Lipo

Batere Lipo tersedia dalam paket 1 sel (3.7V) sampai 10 sel lebih yang dihubungkan secara seri (37V). Jenis yang paling banyak dipakai quadcopter adalah batere 3SP1 yang berarti tiga sel dihubungkan secara seri, yang menghasilkan tegangan 11.1V. Adapun untuk kapasitas batere, perlu dilakukan beberapa perhitungan berdasarkan pada: - Berapa besar daya yang dibutuhkan motor. - Tentukan berapa lama waktu penerbangan yang diinginkan.


39 - Seberapa besar pengaruh berat batere terhadap berat total. Konfigurasi quadcopter dengan empat baling-baling EPP1045 dan empat motor dengan Kv = 1000 akan mendapatkan jumlah menit penerbangan dengan throttle penuh sebagai jumlah yang sama dengan jumlah mAh dalam kapasitas batere. Ini berarti bahwa jika kita memiliki batere 4000mAh, kita akan mendapatkan sekitar 4 menit waktu penerbangan dengan throttle penuh dan 16 menit terbang hover, dengan berat total 1Kg. Faktor lain yang penting adalah tingkat discharge yang ditentukan oleh nilai C. Nilai C bersama dengan kapasitas batere menunjukkan berapa banyak arus yang dapat ditarik dari batere. Maksimum arus saat ini yang dapat ditarik dapat dihitung sebagai: MaxCurrent = DischargeRate x Capacity

Misalnya jika batere memiliki tingkat discharge rate 30C dan kapasitas 2000 mAh. Dengan batere ini kita akan mendapatkan arus maksimal 30Cx2000mAh = 60A. Jadi dalam hal ini kita harus memastikan bahwa jumlah total arus yang ditarik oleh motor tidak boleh melebihi 60A.

2.15. Charger Batere Lipo

Gambar 2.21. Charger Batere Lipo


40 Lipo batere 3,7 volt dikatakan terisi penuh 100% ketika tegangannya mencapai 4,2 volt. Pengisian melewati batas tersebut akan mempersingkat hidup batere. Bahkan, industri ponsel melakukan riset untuk melihat efek dari pengisian tegangan pada batere lipo secara penuh dalam kaitannya dengan siklus hidup batere. Tes ini dilakukan pada kondisi laboratorium yang ideal dan dengan mengikuti aturan pemakaian batere sampai 80%. Berikut adalah hasilnya: Pengisian sampai 4.1V, didapat lebih dari 2000 siklus. Pengisian sampai 4.2V, didapat sekitar 500 siklus. Pengisian sampai 4.3V, didapat 100 siklus. Pengisian sampai 4.4V, didapat kurang dari 5 siklus. Tes diatas dilakukan dengan menggunakan charger khusus untuk batere lipo yang dapat diprogram. Sedangkan pada tugas akhir ini menggunakan charger dengan type B3 AC merk hobby king. Charger tersebut bisa digunakan untuk tegangan input 220VAC. Pada bagian output terdapat dua port pengisian yang salah satunya untuk pengisian batere lipo jenis 2S (2sel) dan port yang lainnya untuk pengisian batere lipo jenis 3S (3sel). Proses pengisian baterai dilakukam sampai tegangan konstan 4,2 volt per sel didapatkan, yaitu dengan melihat lampu indikator pada charger.

2.16. Modul Power Modul power berfungsi untuk menyediakan daya yang dibutuhkan modul APM dari baterai lipo dan juga melakukan pengukuran untuk pemakaian arus dan tegangan baterai lipo. Power modul mengeluarkan tegangan 5.3VDC dan maksimal arus 3A dari baterai lipo.


41

Gambar 2.22. Modul Power Modul power ini hanya dirancang untuk mensuplai daya untul modul APM, modul remote kontrol penerima modul GPS dan modul telemetri. Modul ini tidak dirancang untuk mensuplai daya untuk motor servo. Daya untuk motor servo dapat menggunakan modul ESC dan modul BEC.

2.17. Modul Telemetri

Gambar 2.23. Modul Telemetri Modul telemetri kompatibel dengan modul APM. Modul ini dirancang sebagai open source dan memiliki jangkauan sekitar satu mil (atau sekitar 1.6 km). Modul telemetri yang dipakai pada tugas ini beroperasi pada frekuensi 915MHz. Sistem telemetri yang digunakan terdiri dari modul telemetri untuk drone dan 1 buah modul telemetri USB untuk ground station (laptop, smartphone dll). Modul ini menggunakan antarmuka melalui FTDI USB serial.


42 Modul telemetri yang dipakai pada tugas akhir ini terdiri dari satu pasang, satu buah untuk drone memiliki dimensi 17mm x 35mm dengan berat keseluruhan (termasuk kabel dan antena) 16.8 gram dan satu buah yang berfungsi sebagai ground station (laptop, smartphone dll) memiliki dimensi 17mm x 59mm dengan berat keseluruhan (termasuk antena) 17 gram.

2.18. Modul Remote Kontrol Berikut ini adalah diagram dari remote kontrol lengkap dengan kontrol apa saja yang dipakai untuk mengontrol quadcopter.

Gambar 2.24. Modul Remote Kontrol Pengirim

Terdapat dua stik utama untuk mengontrol throttle dan arah, serta beberapa switch, yang dapat digunakan untuk merubah modus terbang. Throttle - membuat quadcopter naik atau turun. Yaw/Rudder – memutar quadcopter searah atau berlawanan arah jarum jam.


43 Roll/Aileron - memiringkan quadcopter ke kiri atau kanan. Pitch/Elevator - memiringkan quadcopter ke depan atau belakang. Modul remote kontrol terdiri dari satu pasang, yaitu satu buah untuk dipasang pada drone sebagai penerima dan satu buah untuk kontrol didarat. Modul ini beroperasi pada frekuensi 2.4GHz.

Gambar 2.25 Remote Kontrol Penerima


BAB II LANDASAN TEORI

Recommend Documents