RANCANG BANGUN SISTEM KEMUDI OTOMATIS TRAKTOR PERTANIAN BERBASIS NAVIGASI GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM)
CECEP SAEPUL RAHMAN
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
PERNYATAAN MENGENAI TESIS DAN SUMBER INFORMASI
Dengan ini saya menyatakan bahwa tesis Rancang Bangun Sistem Kemudi Otomatis Traktor Pertanian Berbasis Navigasi GPS (Global Positioning System) adalah karya saya dengan arahan dari komisi pembimbing dan belum diajukan dalam bentuk apapun kepada perguruan tinggi manapun. Sumber informasi yang berasal atau dikutip dari karya yang diterbitkan maupun tidak diterbitkan dari penulis lain telah disebutkan dalam teks dan dicantumkan dalam Daftar Pustaka di bagian akhir tesis ini.
Bogor, Januari 2013
Cecep Saepul Rahman NIM F151100041
ABSTRACT CECEP SAEPUL RAHMAN. Development of Automatic Guidance for Agricultural Tractor Based on GPS navigation. Supervised by DESRIAL and I DEWA MADE SUBRATA.
Research about the application of automatic navigation system on agricultural tractors has become one of the important research topics in the last two decades especially in the developed countries where the issue of ‘Precision Farming’ application is considered. GPS has been commonly used as the navigation system of vehicles including tractors. The objective of the research was to develop smart tractor that would work automatically based on GPS navigation for cultivation activity in precision farming. Mechatronic navigation control system for agricultural riding tractor including tractor steering, accelerator, clutch, brake system, and hydraulic control had been successfully developed using microcontrollers. GPS interfacing and data processing were also developed using Visual Basic 6.0 and functioned as the main control system. Field test was done on 40 x 20 m area with tractor velocity 0.6 m/s. The average error of control system was 17.9 cm. Keyword : GPS, smart tractor, automatic guidance.
RINGKASAN CECEP SAEPUL RAHMAN. Rancang Bangun Sistem Kemudi Otomatis Traktor Pertanian Berbasis Navigasi GPS (Global Positioning System). Dibimbing oleh DESRIAL dan I DEWA MADE SUBRATA.
Penelitian tentang aplikasi sistem navigasi otomatis pada traktor pertanian menjadi salah satu topik penelitian yang penting pada dua decade terakhir, khususnya pada negara-negara maju dimana issue tentang aplikasi “Precision Farming” (PF) sudah menjadi hal yang harus dipertimbangkan. Sebagai negara berkembang yang berbasis pada sektor pertanian dan sebagai langkah antisipasi pada kemungkinan perubahan iklim dimasa mendatang, maka sudah saatnya di Indonesia dilakukan penelitian yang berkaitan dengan precision farming dimana otomasi penggunaan traktor serta alat dan mesin pertanian sangat diperlukan. Sistem navigasi manual traktor berbasis operator sangat bergantung pada kondisi operator, sehingga ketelitian serta efektifitas hasil pekerjaan bergantung pada hal itu. Kelelahan serta kekurang terampilan operator sering kali menurunkan kinerja pengoperasian traktor, sehingga diperlukan adanya pengembangan sistem navigasi yang ada untuk mengatasi hal itu, diantaranya dengan menggunakan sistem navigasi otomatis. Tujuan dari penelitian ini adalah pengembangan cikal bakal traktor pintar (smart tractor) yang dapat bekerja secara otomatis dalam mendukung kegiatan budidaya pertanian presisi (precision farming) meliputi: pengembangan sistem mekatronika stir, kopling, akselerator, rem dan implement serta pengaplikasian perangkat RTK-DGPS pada sistem navigasi traktor. Prosedur penelitian meliputi : 1) Identifikasi masalah, 2) Pengukuran gaya awal, 3) Perancangan sistem kemudi otomatis traktor, 4) Pembuatan sistem kemudi otomatis traktor, 5) Uji fungsional, 6) Uji kinerja dan 7) Evaluasi hasil. Sistem kontrol stir dibuat menggunakan motor DC 12 volt dengan sistem transmisi puli sabuk. Absolute encoder digunakan untuk mengetahui sudut yang dibentuk oleh roda depan dan menjadi feedback ke sistem. Sistem kontrol akselerator dibuat menggunakan motor DC 12 volt, potensiometer digunakan sebagai sensor
pengukur posisi pedal akselerator. Tuas implemen digerakkan menggunakan motor DC 12 volt dengan sistem transmisi sproket rantai. Tinggi lower link implemen diukur berdasarkan posisi tuas yang diukur menggunakan potensiometer dan menjadi feedback ke sistem. Pedal kopling digerakkan menggunakan motor DC 24 volt, sedangkan pedal rem digerakkan menggunakan motor DC 12 volt. Uji kalibrasi serta validasi dilakukan pada mekanisme kontrol stir, akselerator serta implemen. Pada mekanisme kontrol stir, hasil uji validasi menunjukkan error ratarata sebesar 0.6440. Error rata-rata pada mekanisme kontrol akselerator sebesar 2.71%, sedangkan pada mekanisme kontrol tuas implemen sebesar 0.56 cm. Uji kinerja dilakukan pada 3 jenis lintasan, yaitu: lintasan garis lurus, lintasan kotak serta pengolahan tanah menggunakan rotary harrower. Hasil pengujian menunjukkan error rata-rata pada lintasan lurus sebesar 12 cm, pada lintasan kotak sebesar 11.6 cm dan pada pengolahan tanah sebesar 17.9 cm. Secara umum sistem kemudi otomatis hasil rancangan telah mampu mengarahkan traktor mengikuti lintasan yang diinginkan.
Kata kunci : traktor otomatis, GPS, sistem navigasi traktor
©Hak Cipta milik IPB, tahun 2013 Hak Cipta dilindungi Undang-Undang Dilarang mengutip sebagian atau seluruh karya tulis ini tanpa mencantumkan atau menyebutkan sumbernya. Pengutipan hanya untuk kepentingan pendidikan, penelitian, penulisan karya ilmiah, penyusunan laporan, penulisan kritik, atau tinjauan suatu masalah; dan pengutipan tersebut tidak merugikan kepentingan yang wajar IPB Dilarang mengumumkan dan memperbanyak sebagian atau seluruh Karya tulis dalam bentuk apapun tanpa izin IPB
RANCANG BANGUN SISTEM KEMUDI OTOMATIS TRAKTOR PERTANIAN BERBASIS NAVIGASI GPS (GLOBAL POSITIONING SYSTEM)
CECEP SAEPUL RAHMAN
Tesis Sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Magister Sains pada Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
SEKOLAH PASCASARJANA INSTITUT PERTANIAN BOGOR BOGOR 2013
Penguji Luar Komisi pada Ujian Tesis: Prof. Dr. Ir. Tineke Mandang, M.S
Judul Tesis
: Rancang Bangun Sistem Kemudi Otomatis Traktor Pertanian Berbasis Navigasi GPS (Global Positioning System)
Nama
: Cecep Saepul Rahman
NRP
: F151100041
Program Studi : Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
Disetujui: Komisi Pembimbing
Dr. Ir. Desrial, M.Eng
Dr. Ir. I Dewa Made Subrata M.Agr
Ketua
Anggota
Diketahui:
Ketua Program Studi
Dekan Sekolah Pascasarjana
Teknik Mesin Pertanian dan Pangan
Dr. Ir. Setyo Pertiwi, M. Agr
Tanggal Ujian : 17 Januari 2013
Dr. Ir. Dahrul Syah, M.Sc.Agr
Tanggal Lulus :
PRAKATA Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas segala karunia-Nya sehingga karya ilmiah dengan judul Rancang Bangun Sistem Kemudi Otomatis Traktor Pertanian Berbasis Navigasi GPS (Global Positioning System). Penelitian dilaksanakan mulai bulan Januari sampai dengan November 2012 di Laboratorium Lapang Siswadi Soepardjo, Departemen Teknik Mesin dan Biosistem IPB, Bogor. Penelitian ini dibiayai sepenuhnya oleh Program Hibah Kompetisi IMHERE B2c IPB tahun 2010 hingga 2012. Pada kesempatan ini penulis mengucapkan terima kasih kepada: 1. Dr. Ir. Desrial, M.Eng selaku ketua komisi pembimbing atas segala bimbingan, arahan dan masukannya selama proses penelitian berlangsung hingga penulisan tesis ini selesai dan juga selaku ketua peneliti atas kesempatan dan kepercayaan yang diberikan kepada penulis menjadi bagian dalam penelitian. 2. Dr. Ir. I Dewa Made Subrata, M.Agr selaku pembimbing kedua atas segala koreksi, bimbingan dan arahannya dalam menyusun tesis ini 3. Prof. Dr. Ir. Tineke Mandang, MS selaku dosen penguji luar komisi. 4. Dr. Ir. Setyo Pertiwi, M.Agr selaku ketua Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan. 5. Staf, laboran dan teknisi laboratorium lapangan Siswadi Supardjo, Teknik Mesin Biosistem, Fateta IPB atas bantuannya selama proses penelitian. 6. Teman-teman TMP 2010, Nisa, Angga, Eno, Galih dan Trisnawahyudi atas bantuannya selama proses pembuatan dan pengujian. 7. Program I-MHERE B2.c IPB atas beasiswa yang diberikan kepada penulis selama masa studi (2010-2012) dan biaya penelitian yang telah diberikan. 8. Kedua orang tua Bapak Djuen Ruhiat dan Amay Rumayah, atas segala pengorbanan dan dukungan yang tak ternilai yang diberikan kepada penulis. Semoga karya ilmiah ini dapat dimanfaatkan sebaik-baiknya untuk kemajuan ilmu dan pengetahuan bangsa Indonesia. Bogor, Januari 2013
Cecep Saepul Rahman
RIWAYAT HIDUP Penulis dilahirkan pada tanggal 9 November 1987 di Tamansari, Tasikmalaya, Jawa Barat. Penulis merupakan anak ketujuh dari Sembilan bersaudara, dari pasangan Djuen Ruhiat dan Amay Rumayah. Penulis lulus dari MA Husnul Khotimah dan melanjutkan pendidikan S1 di Jurusan Teknik Pertanian Fakultas Teknologi Pertanian Institut Pertanian Bogor pada tahun 2005 melalui jalur USMI. Selama mengikuti perkuliahan penulis aktif menjadi asisten mata kuliah dan praktikum, diantaranya: Statika dan Dinamika serta Gambar Teknik. Penulis menyelesaikan studi S1 pada tahun 2010. Penulis melanjutkan studi S2 di Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor pada tahun 2010 dengan bantuan beasiswa I-MHERE B2c.
DAFTAR ISI
DAFTAR TABEL.................................................................................................................... iii DAFTAR GAMBAR ................................................................................................................ v DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................................................ ix I
PENDAHULUAN ............................................................................................................. 1 Latar Belakang .................................................................................................................. 1 Rumusan Masalah ............................................................................................................. 1 Tujuan ............................................................................................................................... 2
II
TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................................... 3 Pertanian Presisi ................................................................................................................ 3 Traktor Pintar .................................................................................................................... 4 Global Positioning System ................................................................................................. 9 Mikrokontroler ................................................................................................................ 12 Sistem Kontrol Pergerakan Traktor .................................................................................. 14 Tenaga Penggerak ........................................................................................................... 16
III TINJAUAN PUSTAKA .................................................................................................. 18 Waktu dan Tempat Penelitian .......................................................................................... 18 Alat dan Bahan ................................................................................................................ 18 Tahapan Penelitian .......................................................................................................... 19 Prosedur Pengujian .......................................................................................................... 22 IV PENDEKATAN RANCANGAN ..................................................................................... 27 Kriteria Perancangan ....................................................................................................... 27 Rancangan Fungsional ..................................................................................................... 27 Analisis Teknik ............................................................................................................... 28 Rancangan Struktural ...................................................................................................... 36 Rancangan Sistem ........................................................................................................... 41
i
V
HASIL DAN PEMBAHASAN ........................................................................................ 54 Identifikasi Masalah ........................................................................................................ 54 Pengukuran Gaya Awal ................................................................................................... 55 Perancangan Sistem Kemudi Otomatis Traktor ................................................................ 56 Pembuatan Sistem Kemudi Otomatis Traktor ................................................................... 60 Pengujian Fungsional ...................................................................................................... 66 Pengujian Kinerja ............................................................................................................ 72
VI KESIMPULAN DAN SARAN ........................................................................................ 81 Kesimpulan ..................................................................................................................... 81 Saran ............................................................................................................................... 81 DAFTAR PUSTAKA ............................................................................................................. 83
LAMPIRAN ............................................................................................................... 85
ii
DAFTAR TABEL
1
Kebutuhan tingkat akurasi data untuk pekerjaan traktor pintar pada lahan pertanian............................................................................................................ 6
2
Perangkat keras yang digunakan ...................................................................... 18
3 Penentuan sudut roda depan traktor ................................................................. 53 4
Kalibrasi antara jarak real dengan hasil pengolahan GPS. ................................ 71
5
Hasil pengujian sistem navigasi lintasan garis lurus ......................................... 73
6
Hasil pengujian sistem navigasi lintasan kotak................................................. 75
7
Hasil pengujian sistem pada pengolahan tanah................................................. 76
iii
iv
DAFTAR GAMBAR
1 Prototipe traktor pintar yang menerapkan sistem pengendalian terpadu (Scarlett 2001). .................................................................................................. 5 2
Pengembangan traktor cerdas dan hasil pengujian yang dilakukan (Ahamed 2006).................................................................................................. 7
3
Pengembangan traktor cerdas; (a) metode fuzzy yang digunakan, (b) traktor yang dikembangkan dan (c) hasil pengujian (Perez et al 2008).......... 8
4
Pengembangan traktor cerdas; (a) traktor yang dikembangkan, (b) Hasil pengujian tanpa implemen dan (c) menggunakan implemen (Annas 2012) ........ 9
5
Ilustrasi penggunaan real time DGPS (El-Rabbany 2002) ................................ 10
6
Konfigurasi pin ATmega 8535 (Atmel 2010) ................................................... 13
7
Sinyal lup terbuka (Annas 2012)...................................................................... 14
8 Sinyal lup tertutup (Annas 2012) ..................................................................... 14 9 Tipe pergerakan robot beroda; (a) pergerakan titik ke titik, (b) mengikuti jalur dan (c) mengikuti lintasan (De Luca et al 1998) ...................................... 15 10 Motor listrik; (a) DC dan (b) AC .................................................................... 16 11 Aktuator hidrolik ; (a) silinder hidrolik dan (b) motor hidrolik ......................... 17 12 Bagan alir proses penelitian ............................................................................. 20 13 Layout alat....................................................................................................... 21 14 layout set-up pengujian .................................................................................... 24 15 Layout jalur pengujian sistem navigasi traktor (a) petakan dan (b) pengolahan tanah. ................................................................................ 26 16 Diagram benda bebas mekanisme pengontrol stir ............................................ 29 17 Diagram benda bebas unit pengontrol kopling ................................................. 30 18 Diagram benda bebas unit pengontrol akselerator ............................................ 32 19 Diagram benda bebas unit pengontrol pedal rem .............................................. 34 20 Diagram benda bebas unit pengontrol tuas implemen ...................................... 35 21 Grafik pemilihan ukuran rantai (Srivastava et al, 2006) ................................... 36 22 Mekanisme unit pengontrol stir kemudi ........................................................... 37 23 Mekanisme unit pengontrol pedal kopling ....................................................... 38 24 Mekanisme unit pengontrol pedal akselerator .................................................. 38
v
25 Mekanisme unit pengontrol pedal rem ............................................................. 39 26 Mekanisme unit pengontrol tuas implemen ...................................................... 40 27 Diagram sistem kontrol traktor ........................................................................ 41 28 Algoritma sistem kontrol stir ........................................................................... 42 29 Algoritma sistem kontrol akselerator ............................................................... 43 30 Algoritma sistem kontrol tuas implemen .......................................................... 44 31 Algoritma sistem kontrol pedal kopling ........................................................... 45 32 Algoritma sistem kontrol pedal rem ................................................................. 46 33 Algoritma penentuan parameter lintasan olah .................................................. 48 34 Sketsa penentuan lintasan olah ........................................................................ 49 35 Sketsa penentuan titik belok dan area belok pada setiap lintasan ...................... 49 36 Algoritma pengolahan data GPS ...................................................................... 50 37 Ilustrasi sudut orientasi terhadap simpangan yang terjadi ................................. 52 38 Contoh pengukuran gaya untuk memutar stir kemudi ...................................... 55 39 Pemrograman sistem mikrokontroler menggunakan Code Vision AVR ............. 60 40 Rangkaian elektronik yang digunakan dalam sistem kontrol ............................ 61 41 Sistem kontrol stir ; (a) mekanisme dan (b) sistem pembacaan sudut putar roda depan ....................................................................................................... 62 42 Mekanisme kontrol pedal kopling .................................................................... 62 43 Mekanisme kontrol pedal rem.......................................................................... 63 44 Mekanisme kontrol pedal akselerator............................................................... 63 45 Mekanisme kontrol tuas implemen .................................................................. 64 46 Tampilan sistem navigasi traktor berdasarkan posisi GPS ................................ 65 47 Unit penerima dan pengolah data GPS ............................................................. 65 48 Traktor yang telah dilengkapi mekanisme kontrol............................................ 66 49 Uji fungsional unit pengontrol traktor ; (a) Kalibrasi dan (b) validasi ............... 67 50 Grafik respon stir terhadap waktu .................................................................... 68 51 Uji fungsional unit kontrol pedal akselerator; (a) kalibrasi dan (b) validasi ...... 69 52 Grafik kalibrasi tinggi lower link implemen ..................................................... 70 53 Grafik validasi sistem kontrol tinggi lower link implemen ............................... 71 54 Set-up pengujian di lahan................................................................................. 72
vi
55 Pegujian sistem navigasi lintasan lurus ; (a) tanpa simpangan dan (b) penggunaan simpangan awal ............................................................... 74 56 Pegujian sistem navigasi traktor lintasan kotak ................................................ 75 57 Pegujian sistem navigasi traktor pada pengolahan tanah menggunakan rotary harrower ............................................................................................... 76 58 Pesan GPS yang diterima; (a) pesan terpotong dan (b) pesan sempurna ........... 77 59 Kondisi tanah pengujian; (a) sebelum pengolahan dan (b) setelah pengolahan ...................................................................................................... 78 60 Hubungan besar simpangan dan waktu yang dibutuhkan untuk kembali ke lintasan set-point ............................................................................................. 78 61 Hubungan besar simpangan dan panjang lintasan yang dibutuhkan untuk kembali ke jalur set-point ................................................................................ 79 62 Contoh penentuan simpangan terbesar dan panjang lintasan perbaikan ............ 79
vii
viii
DAFTAR LAMPIRAN
1
Deskripsi pesan GPS tipe “GPGGA” ............................................................... 86
2
Contoh Pengolahan Data GPS ......................................................................... 87
3 Outback® S3 GPS Guidance and Mapping System .......................................... 90 4 DT-AVR Low Cost Micro System................................................................... 92 5
EMS 30A H-Bridge ......................................................................................... 94
6
EP50S8-360-2R-P-24 Autonics Absolute Encoder........................................... 95
7 Skema Rangkaian Kontrol ............................................................................... 96 8
Gambar Teknik Sistem Kemudi Traktor Otomatis ........................................... 97
9 Gambar Teknik Unit Pengontrol Stir ............................................................... 98 10 Gambar Teknik Unit Pengontrol Pedal Kopling ............................................... 99 11 Gambar Teknik Unit Pengontrol Pedal Akselerator ....................................... 100 12 Gambar Teknik Unit Pengontrol Pedal Rem .................................................. 101 13 Gambar Teknik Unit Pengontrol Tuas Implemen ........................................... 102
ix
I
PENDAHULUAN
Latar Belakang Penelitian tentang aplikasi sistem navigasi otomatis pada traktor pertanian menjadi salah satu topik penelitian yang penting pada dua dekade terakhir, khususnya pada negara-negara maju dimana isu tentang aplikasi precision farming sudah menjadi hal yang harus dipertimbangkan. Sebagai negara berkembang yang berbasis pada sektor pertanian dan sebagai langkah antisipasi pada kemungkinan perubahan iklim di masa mendatang, maka sudah saatnya di Indonesia dilakukan penelitian yang berkaitan dengan precision farming dimana otomasi penggunaan traktor serta alat dan mesin pertanian sangat diperlukan. Sistem navigasi manual traktor berbasis operator sangat bergantung pada kondisi operator, sehingga ketelitian serta efektifitas hasil pekerjaan bergantung pada hal itu. Kelelahan serta kekurangterampilan operator sering kali menurunkan kinerja pengoperasian traktor, sehingga diperlukan adanya pengembangan sistem navigasi yang ada untuk mengatasi hal itu, di antaranya dengan menggunakan sistem navigasi otomatis. Beberapa penelitian sebelummya telah dilakukan untuk mengembangkan sistem navigasi, seperti pada penelitian Bell et al. (2000) yang menunjukkan aplikasi traktor pintar menggunakan Carrier-Phase Differential GPS menunjukkan tingkat akurasi yang tinggi pada skenario lintasan busur lingkaran, spiral dan kurva untuk traktor pertanian. Sedangkan Easterly et al. (2010), memadukan penggunaan Global Navigation Satellite System (GNSS) dan sensor penginderaan vision sensing system dengan tingkat ketelitian mencapai 2 in (51 mm) pada kecepatan maju traktor antara 2-5 m/s. Pada penelitian ini digunakan perangkat RTK-DGPS yang cocok untuk mengetahui posisi objek yang sedang bergerak. Penelitian ini bertujuan sebagai langkah awal untuk pengembangan traktor pintar (smart tractor) di Indonesia yang dilengkapi dengan sistem kemudi otomatis. Rumusan Masalah Aplikasi pertanian presisi (precision farming) sudah menjadi hal yang harus dipertimbangkan untuk memaksimumkan keuntungan. Salah satu faktor pendukung
1
aplikasi pertanian presisi adalah otomasi mesin-mesin pertanian di antaranya traktor pertanian. Sistem kemudi otomatis berbasis RTK-DGPS pada traktor diharapkan mampu meningkatkan ketelitian dan produktifitas traktor dalam proses budidaya pertanian. Tujuan Secara umum tujuan dari penelitian ini adalah pengembangan cikal bakal traktor pintar (smart tractor) yang dapat bekerja secara otomatis dalam mendukung kegiatan budidaya pertanian presisi (precision farming). Adapun tujuan khusus dari penelitian ini adalah : 1. Mengembangkan sistem kontrol dan mekatronika stir, kopling, akselerator, rem dan implemen pada traktor pertanian. 2. Aplikasi perangkat RTK-DGPS pada sistem kemudi otomatis traktor pertanian.
2
II
TINJAUAN PUSTAKA
Pertanian Presisi Pertanian presisi merupakan sebuah konsep manajemen yang mengumpulkan data dari berbagai sumber untuk menghasilkan sebuah keputusan yang berkenaan dengan produksi pertanian (Shields, 1998). Menurut Brase (2005), pertanian presisi (precision agriculture) juga disebut sebagai pertanian spesifik lokasi yang bertujuan mengumpulkan data untuk pengambilan keputusan mengenai produksi pertanian yang sesuai dengan lokasi tertentu. Secara umum, pertanian presisi didefinisikan sebagai sistem menejemen produksi pertanian yang berbasis teknologi informasi untuk mengidentifikasi,
menganalisis,
dan
mengelola
faktor-faktor
produksi
untuk
mengoptimumkan keuntungan, daya tahan, dan perlindungan sumber daya lahan (Singh, 2007). Ada lima komponen teknologi yang digunakan dalam pertanian presisi, yaitu Geographical Information System (GIS), Global Positioning System (GPS), sensors, variable rate technology, dan, yield monitoring (Rains dan Thomas 2009). 1.
GIS merupakan suatu sistem yang terdiri dari komponen perangkat keras, perangkat lunak, data geografis, dan sumber daya manusia yang bekerja bersama secara efektif untuk memasukkan, menyimpan, memperbaiki, memperbaharui, mengelola, memanipulasi, mengintegrasikan, menganalisa, dan menampilkan data dalam suatu informasi berbasis geografis (Tim Teknis Nasional 2007).
2.
GPS adalah jantung dari pertanian presisi (Searcy 1997). Sistem ini bertanggung jawab dalam merekam lokasi mesin ketika bergerak di lahan, posisi dan hasil pengukuran direkam secara simultan yang dapat menghasilkan gambar berupa peta. Informasi posisi yang diberikan dapat ditingkatkan akurasinya dengan koreksi sinyal Differential GPS (DGPS), Kecepatan maju alat juga dapat diukur menggunakan penerima DGPS, dimana akurasi pengukuran ditentukan oleh kualitas penerima yang digunakan dan juga kecepatan alat. Pengukuran tidak akan akurat untuk kecepatan mesin yang lambat (<1.5 mph).
3.
Sensor yang dipasang pada kendaraan aplikator dapat memberikan data yang dapat digunakan untuk menilai kondisi lapangan dan untuk menentukan (secara keseluruhan atau sebagian) tingkat aplikasi yang diinginkan. Beberapa contoh
3
sensor yang umum digunakan antara laian : sensor Doppler seperti radar untuk menentukan kecepatan kendaraan aplikator (Sudduth 1999), kamera CCD untuk aplikasi deteksi rintangan (Ahmad et al 2011 ; Apostolopoulos et al 1999), sensor ultrasonik untuk aplikasi deteksi rintangan (Borenstein dan Koren 1988). 4.
VRT mencakup kontrol komputer dan perangkat keras yang terkait untuk mengatur jumlah keluaran dari pupuk, kapur, dan pestisida. Kontrol ini dibuat oleh beberapa perusahaan dan secara umum menggunakan peta aplikasi yang ada pada GPS untuk menentukan lokasi lahan dan mengendalikan perangkat keras yang mengatur tingkat aplikasi (Rains dan Thomas 2009). Secara agronomi, sistem variable rate memberikan pengertian bahwa target pemupukan didasarkan atas hasil pengujian tanah dan berhubungan dengan sistem informasi kandungan hara tanah. Secara ekonomi, sistem variable rate berhubungan dengan biaya yang harus dikeluarkan untuk pemupukan pada suatu areal pertanian. Pendekatan lingkungan, sistem variable rate membantu untuk mencegah pemupukan yang berlebihan yang dapat menyebabkan terjadinya masalah lingkungan (Setiawan 2001).
5.
Yield monitoring merupakan metode langsung untuk mengetahui hasil produksi dari lahan dan bagaimana mengaturnya agar lebih baik. (Rains dan Thomas 2009). Penelitian yang dilakukan oleh Arnholt (2001) menunjukkan bahwa kombinasi antara yield monitoring dan GPS dapat meningkatkan keuntungan bersih, hal ini berarti bahwa yield monitoring hanya akan menunjukkan nilai yang signifikan ketika analisis spasial dihasilkan dan hal ini membutuhkan teknologi GPS.
Traktor Pintar Mayoritas operasi lahan pertanian dilakukan oleh traktor dengan kombinasi implemen atau aplikator yang sesuai dengan kebutuhan. Kualitas kerja dan output dari kombinasi traktor tersebut bergantung pada keterampilan dan konsentrasi kerja operator. Saat ini sistem elektronik untuk membantu meringankan kerja operator dan meningkatkan respon pada traktor telah banyak dikembangkan seperti misalnya perangkat elektronik pada mesin, transmisi, hidrolik dan pengendalian traksi pada traktor (Holtmann 1999). Namun, untuk mengoptimalkan kinerja serta efisiensi traktor diperlukan sebuah mekanisme untuk mengkoordinasikan semua kerja dari sistem kontrol secara presisi.
4
Konsep traktor pintar dirancang untuk menerapkan semua kontrol secara terintegrasi dengan seluruh sistem serta mengotomatisasi koordinasi antara traktor dan jenis pekerjaan untuk mencapai efisiensi operasi baik secara kinerja maupun nilai ekonomi serta mengurangi beban kerja dan kelelahan. Pada Gambar 1 ditunjukkan prototipe traktor pintar yang menerapkan sistem pengendalian terpadu menurut Scarlett (2001) adalah sebagai berikut : 1. Traktor dilengkapi dengan kontrol berbasis mikroprosesor yang bertanggung jawab untuk setiap sub sistem seperti
mesin, powershift, transmisi, elektro-
hidrolik, traksi driveline dan lain sebagainnya. 2. Kontrol berbasis mikroprosesor sub-sistem terpasang pada masing-masing implemen. 3. Pusat unit kontrol dan antarmuka operator terletak di kabin kendaraan/traktor. 4. Antar-komunikasi/kontrol jaringan menghubungkan masing-masing sub-sistem ke unit kontrol pusat dan antarmuka operator.
Gambar 1 Prototipe traktor pintar yang menerapkan sistem pengendalian terpadu (Scarlett 2001). Auernhammer (2000) menyatakan bahwa kebutuhan tingkat akurasi data dari traktor pintar berbeda tergantung kebutuhan operasi yang dilakukan. Hal ini dapat dilihat pada Tabel 1.
5
Tabel 1 Kebutuhan tingkat akurasi data untuk pekerjaan traktor pintar pada lahan pertanian. Tingkat Akurasi Data
Kebutuhan Operasi
Contoh Pekerjaan
± 10 m
Sistem navigasi
Pembuatan peta lahan, pengelompokan lahan
±1m
Informasi untuk
Kontrol penggunaan
pengambilan keputusan
kebutuhan pestisida, perlindungan tanaman, monitoring lahan
± 10 cm
Pemandu
Pengolahan tanah dengan
kendaraan/peralatan
traktor, pemanenan hasil pertanian
± 1 cm
Aplikasi
Peralatan pemupukan,
Implemen/Peralatan
aplikasi pengendalian hama
Penelitian mengenai pengembangan traktor cerdas telah dilakukan di berbagai negara.
Ahamed (2006) menggunakan berbagai sensor sebagai pemandu sistem
pergerakan traktor. Penggunaan berbagai macam sensor tersebut dimaksudkan untuk menghindari bermasalahnya sistem akibat kesalahan sensor yang terbaca, sehingga kegagalan pembacaan pada satu sensor, mampu ditanggulangi oleh penggunaan sensor lainnya. Sensor penentuan posisi yang utama adalah GPS, sedangkan sensor Laser Range Finder (LRF) digunakan untuk memetakan wilayah kerja traktor secara lokal. Hal ini berguna ketika sistem GPS mengalami kesalahan pembacaan ataupun adanya halangan (obstacle) di wilayah kerja traktor, traktor tetap mampu bergerak sesuai dengan jalur yang diharapkan. Perangkat kontrol yang digunakan adalah programmable logic control (PLC) yang dikomunikasikan dengan komputer. Aktuator stir dikontrol menggunakan motor hidrolik dengan sistem kontrol loop tertutup (closed loop) dan encoder linier digunakan sebagai sensor untuk pengukur sudut stir kemudi. Salah satu tujuan dari penelitian yang dilakukan adalah membuat sistem yang mampu menggerakkan traktor menuju satu posisi tertentu seperti letak implemen serta tempat parkir. Hasil pengujian menunjukkan
6
bahwa sistem yang dibangun mampu menggerakkan traktor menuju posisi target dengan simpangan posisi 2 cm dan sudut 10 menggunakan sensor LRF dan 15 cm dengan menggunakan metode dead reckoning. Traktor yang digunakan pada penelitian serta contoh hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 2.
Gambar 2 Pengembangan traktor cerdas dan hasil pengujian yang dilakukan (Ahamed 2006) Perez et al (2008) melakukan penelitian mengenai otomasi traktor pada traktor pertanian konvensional. Sistem sensor yang digunakan adalah DGPS, kompas digital serta sistem dead reckoning (DR). DGPS digunakan sebagai penentu posisi secara umum, dikarenakan bersifat absolute di semua tempat. Kekurangan dari GPS adalah sangat tergantung pada satelit, sehingga ketika traktor berada dekat bangunan atau pohon, akurasi DGPS dapat menurun. Cuaca juga sangat mempengaruhi tingkat akurasi. Metode dead reckoning digunakan untuk mengatasi masalah ketika akurasi DGPS terganggu. Sistem ini memanfaatkan posisi terakhir traktor serta pembacaan odometer, sehingga dapat diduga posisi traktor selanjutnya. Perangkat kontrol yang digunakan berupa sebuah mikroprosesor yang dikomunikasikan dengan komputer melalui perangkat wifi. Aktuator yang dikontrol adalah perangkat stir kemudi, pedal rem dan kopling. Aktuator tersebut digerakkan menggunakan motor hidrolik. Kontrol aktuator stir kemudi dilakukan menggunakan metode logika fuzzy berdasarkan error sudut yang dibentuk dan menghasilkan output berupa kecepatan putar motor hidrolik. Salah satu pengujian yang dilakukan berupa navigasi traktor dari satu baris menuju baris lintasan selanjutnya berjarak 10 m dengan membentuk u-turn. Hasil pengujian menunjukkan bahwa simpangan maksimum antara posisi real traktor dengan lintasan adalah sebesar 3 m.
7
(a)
(b)
(c)
Gambar 3 Pengembangan traktor cerdas; (a) metode fuzzy yang digunakan, (b) traktor yang dikembangkan dan (c) hasil pengujian (Perez et al 2008) Annas (2012) menggunakan RTK-DGPS sebagai sensor penentu posisi dalam kontrol kemudi traktor roda 4. Sistem koreksi pada RTK-DGPS yang digunakan adalah sistem koreksi NTRIP (Networked Transport of RTCM via Internet Protocol). Sistem ini memanfaatkan aplikasi internet untuk koreksi posisi yang terbaca oleh GPS. Traktor dikendalikan oleh komputer pengendali melalui perangkat Ni-DAQ. Perangkat yang di kontrol pada penelitian ini adalah stir kemudi dan sensor yang digunakan berupa potensiometer linier. Sudut yang dibentuk dihitung berdasarkan simpangan yang terjadi terhadap lintasan set-point. Pengujian dilakukan pada lintasan garis lurus sepanjang 40 m dengan menggunakan implemen bajak serta tanpa implemen. Hasil pengujian menunjukkan simpangan maksimum yang dibentuk adalah sebesar 415 cm pada 8
pengujian tanpa bajak dan 123 cm pada lintasan dengan menggunakan implemen bajak singkal. Hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 4.
(a)
(b)
(c)
Gambar 4 Pengembangan traktor cerdas; (a) traktor yang dikembangkan, (b) Hasil pengujian tanpa implemen dan (c) menggunakan implemen (Annas 2012) Global Positioning System Global Positioning System (GPS) adalah salah satu teknologi kunci yang memungkinkan terwujudnya pertanian presisi. GPS terdiri atas konstelasi 24 satelit pada ketinggian orbit di atas bumi yang menempati 6 orbit yang mengelilingi bumi. Satelit ini secara terus menerus mentransmisikan sinyal radio yang diambil dan diuraikan dengan penerima khusus (Rains dan Thomas 2009).
Posisi yang
diinformasikan oleh GPS adalah posisi tiga dimensi (3D) dinyatakan dalam lintang (latitude), bujur (longitude) dan tinggi (altitude), akan tetapi biasanya pernyataan posisi hanya dalam dua dimensi (2D) yaitu lintang dan bujur saja. Sistem penentuan posisi global GPS terdiri dari tiga segmen utama yaitu segmen angkasa (space segment) yang terdiri atas satelit-satelit GPS yang selesai terpasang di awal tahun 1990 yang awalnya terdiri dari konstelasi 18 satelit operasi ditambah 3 dalam orbit dan saat ini bertambah menjadi 24 satelit, segmen yang lain yaitu segmen sistem control (control system segment) terdiri atas stasiun-stasiun pemonitor dan pengontrol satelit yang pusatnya terdapat di Colorado Springs (USA), dan segmen pemakai (user segment) termasuk alatalat penerima dan pengolah sinyal data GPS.
9
Akurasi GPS dalam menentukan posisi dipengaruhi oleh cuaca dan aktivitas penerima, menurut Ehsani (2003) akurasi GPS biasa yang bekerja pada aktivitas dinamis akan menurun dibandingkan jika dioperasikan pada aktivitas statis. Untuk meningkatkan akurasi penentuan lokasi, maka digunakan metode Real Time Kinematic (RTK) dimana pada metode tersebut dua receiver GPS melakukan tracking pada satelit yang sama sehingga akurasi pengukuran dapat meningkat hingga 2-5 cm (El-Rabbany 2002). Untuk merealisasikan tuntutan real time tersebut, stasiun referensi harus mengirimkan error pseudorange-nya ke pengguna secara real-time menggunakan format Radio Technical Commission for Maritime Service (RTCM). Stasiun referensi dan pengguna harus dilengkapi dengan perangkat pemancar dan penerima data.
Gambar 5 Ilustrasi penggunaan real time DGPS (El-Rabbany 2002) Stephen dan Rasmusen (2010) menyatakan bahwa akurasi sistem RTK sangat dipengaruhi oleh jarak yang terbentuk antara stasiun referensi (base station) dan rover, semakin jauh jarak yang terbentuk, akurasi yang didapatkan semakin menurun. Umumnya base station berada pada radius 6 – 10 mil dari rover GPS. Pesan GPS dibaca oleh penerima GPS dalam bentuk pesan yang mengikuti protocol NMEA 0183. Ada beberapa jenis tipe pesan yang biasa digunakan dalam GPS, salah satunya “GPGGA”. Format data GPS dengan tipe “GPGGA” berisikan data waktu dan posisi yang fix. Deskripsi pesan GPS dengan tipe “GPGGA” dapat dilihat pada Lampiran 1. Pembacaan data GPS memberikan informasi posisi dalam bentuk derajat bujur (longitude) dan lintang (latitude). Pada penggunaanya di lapangan, koordinat tersebut harus ditransformasikan menjadi koordinat kartesian x dan y. UTM (Universal 10
Transverse Mercator) merupakan sebuah sistem yang menggunakan koordinat kartesian dua dimensi untuk memetakan posisi di permukaan bumi. UTM membagi wilayah berdasarkan garis bujur menjadi 60 zona, dengan lebar zona 6 0. Datum yang digunakan mengacu pada world geodetic system (WGS) 84 yang disepakati pada tahun 1984. Datum adalah parameter acuan yang digunakan untuk mendefinisikan geometri ellipsoid bumi. Snyder (1987) menyatakan bahwa nilai koordinat x dan y dapat dihitung menggunakan persamaan: ................... (1) y = k0N {M - M0 + N tan Ø [ ]} .................................................... (2) Dimana k0 adalah faktor skala = 0.9996 N = a/(1 – e2)1/2 ................................................................................................... (3) λ – λ0) ........................................................................................................... (4) T = tan2 Ø ............................................................................................................. (5) ’2 cos2 Ø ........................................................................................................ (6) e'2 = e2/(1 – e2) .................................................................................................... (7) ......................................................................................................... (8) M = a[(1 – e2/4 – 3e4/64 – 5e6/256 – … Ø – (3e2/8 + 3e4/32 + 45e2/
… sin 2Ø + (15e4/256 + 45e6/
- (35e6/
… sin Ø
… sin Ø
… ] .................................................................... (9)
Dimana : a = jari-jari equator bumi = 6378135 m b = jari-jari polar bumi= 6.356.750 m Ø = derajat lintang (latitude) dalam radian λ = derajat bujur (longitude) dalam radian λ0 = derajat meridian tengah (central meridian) dalam radian N = radius kelengkungan (m) M = jarak sebenarnya dari garis equator ke derajat lintang sepanjang garis meridian tengah. A = delta derajat bujur.
11
Koordinat x dan y yang dihasilkan pada persamaan merupakan jarak dari garis equator dan garis meridian. Jarak antara dua titik dengan koordinat GPS dapat dipermudah dengan menggunakan persamaan yang dinyatakan oleh Srivastava et al. (2006). Persamaan tersebut adalah : ........................................................................ (10) ........................................................................ (11) Dimana : ∆x = delta posisi dalam bidang x (m) ∆y = delta posisi dalam bidang y (m) Kx = perubahan jarak pada tiap radian bujur (m/rad) Ky = perubahan jarak pada tiap radian lintang (m/rad) Mikrokontroler Mikrokontroler merupakan komputer mikro yang dibuat dalam bentuk chip semikonduktor. Mikrokontroller telah banyak digunakan di berbagai peralatan elektronik, dari peralatan rumah tangga, perangkat audio-video, pengendali mesinmesin industri sampai pesawat ruang angkasa. Sebuah komputer mikro memiliki tiga komponen utama, unit pengolah pusat, memori, dan sistem input/output untuk dihubungkan dengan perangkat luar (Usman, 2008). Mikrokontroler yang ada saat ini salah satunya adalah mikrokontroler jenis AVR (Advanced Virtual RISC ) yang pertama kali dikembangkan pada tahun 1996 oleh dua orang mahasiswa Norwegian Institute of Technology yaitu Alf-Egil Bogen dan Vegard Wollan. Mikrokontroler AVR kemudian dikembangkan lebih lanjut oleh Atmel. Saat ini mikrokontroller AVR memiliki banyak seri, setiap seri memiliki perbedaan kemampuan, feature-feature, ukuran chip dan harga, dimana beberapa seri mikrokontroller ini telah memiliki ADC dan PWM. Mikrokontroler AVR menggunakan teknologi RISC (Reduced Instruction Set Computer), yang memberikan kemampuan untuk melaksanakan instruksi dengan cepat karena mengurangi jumlah instruksi level mesin. Pengurangan jumlah instruksi ini berpengaruh pada kecepatan yang disebabkan karena dengan jumlah instruksi mesin yang terbatas, kebanyakan dapat berjalan dalam satu putaran dari clock prosessor. Dipandang dari segi MIPS (million of instructions per
12
second),
AVR yang menggunakan clock 8 MHz dapat mengeksekusi 8 juta instruksi
perdetik atau 8 MIPS (Barnet et al. 2006).
Gambar 6 Konfigurasi pin ATmega 8535 (Atmel 2010) ATmega 8535 merupakan salah satu mikrokontroler dari keluarga AVR, dengan kapasitas memori yang besar dan kelebihan fitur AVR lainnya seperti PWM, dan ADC dengan total 32 pin. Selengkapanya fitur ATmega 8535 : a. High performance, Mikrokontroler AVR berdaya rendah. b. Memori Flash 8 Kbytes, EEPROM 512 bytes, SRAM 512 Kbytes c. 2 buah 8-bit timer/counters, 1 buah 16-bit timer/counters, 2 kanal 8-bit PWM, 2 kanal 16-bit PWM. d. 8 kanal 10-bit ADC, 1 USART, watchdog timer, dan analog comparator. e. 32 jalur Input/Output. f. Antar muka SPI untuk In-System Programming. g. Dapat mencapai 16 MIPS (Millions of instruction per second) pada 16 MHz. h. Enam mode sleep : idle, ADC Noise, Power-save, Power-down, Standby dan extended standby. i.
Nilai kecepatan 0-16 MHz. (Atmel 2010).
13
Sistem Kontrol Pergerakan Traktor Sistem kontrol adalah suatu alat (kumpulan alat) yang digunakan untuk mengendalikan, memerintah, dan mengatur keadaan dari seluruh sistem. Berdasarkan umpan balik sinyal keluaran, secara umum sistem kontrol dibagi dua (Annas 2012): 1. Sistem lup terbuka adalah sistem kontrol yang keluarannya tidak berpengaruh pada aksi pengontrolan, sehingga keluarannya tidak diukur atau diumpanbalikkan untuk dibandingkan dengan masukan Masukan
Kontroler
Proses
Keluaran
Gambar 7 Sinyal lup terbuka (Annas 2012) 2. Sistem kontrol lup tertutup merupakan sistem kontrol yang sinyal keluarannya mempunyai pengaruh langsung pada aksi pengontrolan. Sistem kontrol lup tertutup adalah sinyal sistem kontrol berumpan balik, sehingga sinyal kesalahan penggerak merupakan selisih antar sinyal masukan dan sinyal umpan-balik. Masukan
∑
Kontroler
Proses
Keluaran
Umpan Balik Gambar 8 Sinyal lup tertutup (Annas 2012) Pada otomasi sistem kemudi traktor dimana umpan balik dipergunakan sebagai parameter kondisi traktor, maka sistem kontrol yang umum digunakan adalah sistem kontrol sinyal tertutup. De Luca et al. (1998) mengklasifikasikan pergerakan robot beroda dalam lingkungan bebas tanpa ada rintangan (obstacle) menjadi tiga jenis, yaitu : 1. Pergerakan titik ke titik (point – to – point motion), dimana robot harus bergerak dari satu titik awal ke titik tujuan, tanpa perlu mengikuti lintasan yang jelas. 2. Pergerakan mengikuti jalur tertentu (path following), dimana robot harus bergerak ke posisi tujuan akhir yang diinginkan yang dimulai dari konfigurasi awal sementara pada saat yang bersamaan robot harus mengikuti jalur pada sumbu kartesian.
14
3. Pergerakan mengikuti lintasan tertentu (trajectory following). Pergerakan ini menyerupai path following, akan tetapi ada variable waktu, sehingga robot pergerak mengikuti lintasan yang telah ditentukan pada waktu yang tepat. Tipe ini biasanya digunakan apabila satu robot beroda harus mengikuti pergerakan robot lainnya secara beriringan.
(a)
(b)
(c)
Gambar 9 Tipe pergerakan robot beroda; (a) pergerakan titik ke titik, (b) mengikuti jalur dan (c) mengikuti lintasan (De Luca et al 1998) Junyusen (2005) menyatakan bahwa tipe pergerakan titik ke titik adalah tipe yang paling sulit dikontrol dikarenakan kontrol berbasis input – state sehingga sistem harus mampu menciptakan jalur yang terbaik agar mampu menggerakkan traktor secara tepat ke titik tujuan. Junyusen (2005) dan Ahamed (2006) mengembangkan traktor cerdas dengan tipe pergerakan titik ke titik, dimana traktor diatur agar mampu bergerak menuju
15
titik tertentu dari posisi awal traktor, sedangkan traktor cerdas yang dikembangkan oleh Annas (2012) menggunakan tipe pergerakan path following. Tenaga Penggerak Tenaga penggerak merupakan tenaga yang diperlukan untuk menggerakkan lengan maupun komponen penggerak sehingga dapat melakukan fungsi sesuai tujuan perancangannya. Ada beberapa jenis tenaga penggerak yang umum dikenal yaitu: motor listrik dan motor hidrolik. 1. Tenaga penggerak listrik Motor listrik merupakan tenaga penggerak yang memanfaatkan catu daya listrik untuk menghasilkan gerakan. Berdasarkan catu dayanya, motor listrik dibagi menjadi 2 jenis, yaitu : motor listrik DC dan motor listrik AC. Motor DC adalah motor yang digerakkan menggunakan arus listrik DC. Kecepatan putar motor DC dipengaruhi oleh nilai tegangan yang diberikan. Makin rendah tegangan yang diberikan, maka kecepatan putarnya akan semakin rendah. Demikian juga torsi yang dihasilkan akan semakin rendah. Polaritas catu daya akan menetukan arah putaran motor. Motor AC adalah motor yang digerakkan menggunakan tegangan/ arus listrik bolak-balik (AC).
(a)
(b)
Gambar 10 Motor listrik; (a) DC dan (b) AC
16
2. Tenaga penggerak hidrolik Tenaga penggerak hidrolik adalah sistem penggerak yang bekerja berdasarkan minyak hidrolik bertekanan tinggi. Menurut Srivastava et al. (2006), sistem tenaga hidrolik terdiri dari : reservoir minyak, pompa hidrolik, katup kendali, actuator dan filter yang berfungsi untuk membersihkan minyak dari kontaminan. Ada tiga kenis katup kendali, yaitu : katup pengendali tekanan, katup pengendali laju aliran minyak dan katup pengendali arah aliran. Adapun aktuator terdiri dari dua jenis aktuator, yaitu silinder hidrolik dan motor hidrolik. Silinder hidrolik merupakan aktuator yang digunakan agar gerakan yang dihasilkan berupa gerakan translasi. Motor hidrolik merupakan aktuator yang digunakan untuk menggerakan secara rotasi. Silinder hidrolik serta motor hidrolik dapat dilihat pada Gambar 11.
(a)
(b)
Gambar 11 Aktuator hidrolik ; (a) silinder hidrolik dan (b) motor hidrolik Penggunaan motor hidrolik sebagai penggerak aktuator pada pengembangan traktor cerdas telah dilakukan oleh Junyusen (2005), Ahamed (2006) dan Perez (2008), sedangkan pada penelitian Annas (2012), sumber tenaga penggerak aktuator yang digunakan adalah motor listrik DC.
17
III
TINJAUAN PUSTAKA
Waktu dan Tempat Penelitian Penelitian dilaksanakan pada bulan Januari 2012 – November 2012 di laboratorium lapangan Siswadi Supardjo, Program Studi Teknik Mesin Pertanian dan Pangan, Fakultas Teknologi Pertanian, Institut Pertanian Bogor. Alat dan Bahan Alat-alat yang digunakan dalam penelitian ini meliputi: 1.
Perangkat keras. Perangkat keras (hardware) yang digunakan beserta gambar perangkat tersebut dapat dilihat pada Tabel 2. Tabel 2 Perangkat keras yang digunakan Nama Alat / Fungsi
Gambar
Laptop / Komputer pengendali
Mikrokontroller DT-AVR Low Cost Micro System / Pengendali unit aktuator
RTK-DGPS Outback® S3 GPS Guidance and Mapping System / Penentu posisi traktor
5 Motor DC / Penggerak unit aktuator
18
Tabel 2 Perangkat keras yang digunakan (lanjutan) Nama Alat
Gambar
5 EMS 30A H-Bridge / Pengatur arah putaran motor
2 Potensiometer Linier / Pengukur sudut putaran
1 Absolute Encoder / Pengukur sudut putaran
Traktor Yanmar EF 453T / Traktor yang dikendalikan
10 Limit Switch / Saklar pengaman aktuator
2.
Software -
Microsoft Visual Basic 6.0
-
Code Vision AVR
Tahapan Penelitian Secara umum, tahapan penelitian mengikuti kaidah umum rancang bangun. Tahapan penelitian dapat dilihat pada Gambar 12.
19
Mulai Identifikasi masalah Pengukuran gaya awal Perancangan sistem kemudi otomatis traktor Pembuatan sistem kemudi otomatis traktor Tidak
Uji fungsional Ya
Uji kinerja Evaluasi
Tidak
Ya
Selesai Gambar 12 Bagan alir proses penelitian Berdasarkan Gambar 12 di atas, tahapan-tahapan penelitian yang dilakukan terdiri atas : 1. Identifikasi masalah. Pada tahap ini diidentifikasi masalah-masalah serta kebutuhan yang diperlukan supaya sistem kemudi otomatis berbasis GPS dapat dilakukan. Permasalahan tersebut meliputi: komponen-komponen traktor utama seperti stir, kopling, rem, akselerator dan implemen harus mampu bergerak secara otomatis serta diperlukan adanya panduan yang dapat memandu traktor agar dapat bergerak secara otomatis. Berdasarkan permasalahan tersebut, maka dirumuskan beberapa alternatif solusi yang mungkin. 2. Pada tahap pengukuran gaya awal, diukur masing-masing kebutuhan gaya yang diperlukan untuk menggerakkan masing-masing mekanisme. Gaya yang dibutuhkan untuk menggerakkan stir sebesar 14.7 N pada landasan beton, sedangkan untuk menggerakkan akselerator dibutuhkan gaya sebesar 58.86 N. Gaya yang diperlukan untuk menggerakkan tuas implemen sebesar 78.48 N, dan gaya yang dibutuhkan untuk menggerakkan rem sebesar 78.48 N sedangkan gaya yang dibutuhkan untuk menggerakkan pedal kopling adalah sebesar 127.4 N N.
20
3. Pada tahap perancangan sistem kemudi otomatis traktor, dirancang beberapa sistem maupun mekanisme untuk mengatasi masalah yang telah diidentifikasi. Rancangan fungsional serta struktural dapat dilihat pada Bab Pendekatan Rancangan. 4. Pembuatan sistem kemudi otomatis traktor meliputi mekatronika sistem kontrol stir, akselerator, impelemen, rem dan kopling. Tahapan ini meliputi pembuatan sistem mekanik serta pemrograman system pada mikrokontroller. Pemrograman dilakukan dengan menggunakan bahasa pemrograman C. Pemilihan bahasa C didasarkan oleh beberapa keunggulan yang dimiliki antara lain: bahasa C merupakan bahasa pemrograman tingkat tinggi, yang memudahkan desainer dan merupakan bahasa yang powerfull, fleksibel, dan portable sehingga dapat dijalankan pada beberapa sistem operasi yang berbeda (Joni & Raharjo 2006). Program yang ditulis dengan menggunakan aplikasi Code Vision AVR, yang kemudian dicompile menjadi file yang dapat diunduh kedalam chip mikrokontroler. Mekanisme yang telah dibangun kemudian dipasangkan pada traktor yang digunakan. Adapun gambar lay out keseluruhan alat dapat dilihat pada Gambar 13.
Keterangan : 1. Antena radio GPS dengan Baseline 2. Modul kontrol, mekanisme pengendalian tuas implemen 3. Mekanisme pengendalian kopling, rem dan akselerator 4. Mekanisme pengendalian stir 5. GPS receiver Gambar 13 Layout alat
21
5. Pengujian fungsional dilakukan untuk mengetahui kinerja mekanisme yang dibangun berdasarkan fungsi yang diharapkan. Tahapan uji fungsional meliputi uji kalibrasi serta validasi. Hasil uji fungsional akan menentukan layak-tidaknya sistem mekatronika yang dibangun untuk diuji kinerjanya. Jika hasil uji fungsional menunjukkan bahwa sistem mekatronika belum siap, maka penelitian akan kembali pada tahap perancangan fungsional. 6. Pada tahap uji kinerja, sistem mekatronika yang dibangun akan diuji secara lengkap. Traktor akan digerakkan berdasarkan lintasan yang diinginkan. 7.
Pengolahan data hasil pengujian dilakukan pada tahap evaluasi untuk mengetahui kinerja sistem kontrol yang telah dibuat, meliputi ketepatan pembacaan serta gerakan traktor terhadap jalur yang diinginkan. Parameter yang digunakan adalah simpangan maksimum serta simpangan rata-rata.
Prosedur Pengujian 1. Uji kalibrasi sistem kontrol mekatronika yang telah dibuat Uji kalibrasi dilakukan untuk mengetahui nilai yang terbaca oleh sensor terhadap kondisi perubahan sudut, baik sudut putar roda depan, maupun akselerator. Uji kalibrasi dilakukan pada sistem kontrol mekatronika akselerator, stir dan implemen. Pada sistem kontrol stir, kalibrasi dilakukan dengan membandingkan nilai yang terbaca oleh absolute encoder dengan sudut yang dibentuk oleh roda depan. Berdasarkan data-data tersebut, dibangun sebuah persamaan yang menyatakan nilai pembacaan absolute encoder terhadap sudut putaran roda depan. Uji kalibrasi pada sistem kontrol tuas akselerator dilakukan dengan membandingkan nilai hasil pembacaan ADC dari sensor potensiometer terhadap kecepatan putaran (RPM)
mesin. Berdasarkan nilai-nilai tersebut, dibangun persamaan yang
menunjukkan nilai ADC terhadap RPM mesin Pada sistem kontrol tuas implemen, uji kalibrasi dilakukan dengan membandingkan nilai hasil pembacaan ADC terhadap tinggi lower link implemen. Nilai-nilai tersebut kemudian dijadikan patokan untuk menentukan nilai ADC yang tepat pada setiap posisi tuas hidrolik.
22
2. Uji validasi sistem kontrol mekatronika yang telah dibuat Uji validasi dilakukan untuk mengetahui nilai error yang dihasilkan dari sistem mekatronika yang telah dibuat. Pada sistem kontrol stir, sistem diset pada sudut putar roda depan tertentu, kemudian diukur sudut putar roda depan yang terjadi dan dihitung error yang dihasilkan. Pada sistem kontrol akselerator, sistem diperintahkan untuk berada pada persentase akselerasi tertentu kemudian diukur persentase akselerasi yang terjadi dan dihitung error yang dihasilkan. Pada sistem kontrol tuas implemen, sistem diperintahkan untuk bergerak menuju posisi tuas tertentu, kemudian akan dilihat posisi yang dihasilkan oleh sistem. 3. Pengujian statis Pada pengujian statis, traktor terlebih dahulu diangkat dengan menggunakan hidrolik sehingga traktor berada dalam keadaan statis. Sistem kontrol dijalankan dengan kondisi tertentu, kemudian diberi perlakuan dari luar terhadap roda penggerak, roda bagian depan untuk melihat respon sistem dalam mengatasi perlakuan tersebut apakah kembali bekerja sesuai dengan pengaturan awal. Pengujian yang dilakukan meliputi uji konsistensi sistem dan uji respon sistem. Pada uji konsistensi sistem kontrol stir, roda depan diset pada sudut putar tertentu (set point), kemudian dilakukan perubahan sudut putar dan dikembalikan ke sudut putar set point dan diukur sudut yang terbentuk pada set point untuk mengetahui error sudut yang terjadi akibat terjadi perubahan nilai sudut. Proses ini dilakukan berulangulang sehingga diketahui kekonsistenan sistem kontrol yang dibuat. Pada uji konsistensi sistem akselerator, sistem diset pada persentase akselerasi tertentu, kemudian dilakukan perubahan persentase akselerasi dan dikembalikan pada set point persentase akselerasi serta diukur persentase akselerasi yang terjadi untuk mengetahui kekonsistenan sistem yang telah dibuat. Pada uji respon sistem, sistem diset pada nilai tertentu baik sistem stir maupun akselerasi selama periode tertentu, kemudian diset kembali pada nilai yang lain selama periode tertentu dan dikembalikan ke set point awal. Hal ini dilakukan berulang-ulang dan diukur nilai sudut putar roda depan serta persentase akselerasi yang terjadi pada setiap waktu untuk mengetahui apakah sistem sudah merespon sesuai dengan yang diperintahkan.
23
4. Pengujian kinerja sistem kontrol traktor pada operasi di lapangan Pada pengujian ini, seluruh perangkat sistem telah terpasang pada traktor. Traktor diprogram untuk mengikuti jalur lintasan yang telah ditentukan. Pada proses pengujian, langkah pertama adalah menyalakan base-line GPS, agar koreksi RTKDGPS dapat dilakukan. Tahapan selanjutnya adalah memasukkan titik-titik koordinat GPS acuan kedalam sistem. Tahap selanjutnya adalah sistem melakukan koneksi ke GPS, dan menunggu hingga kondisi GPS mencapai kondisi RTK-DGPS. Pada kondisi RTK-DGPS telah terpenuhi, maka traktor dikendarai secara manual hingga mencapai titik awal pengujian. Tahap selanjutnya adalah menghidupkan rangkaian kontrol mikrokontroler sehingga mikrokontroler akan melakukan pengaturan awal pada tiap-tiap aktuator yang dibangun. Pada tahap terakhir sistem akan melakukan koneksi ke mikrokontroler dan proses pengujian pun dapat dilakukan. Layout set-up pengujian dapat dilihat pada Gambar 14.
Baseline GPS
Lahan Pengujian
Antena komunikasi rover - baseline GPS rover
Titik awal pengujian
Gambar 14 layout set-up pengujian
Pengujian dilakukan pada tiga jenis lintasan, yaitu lintasan lurus, petakan dan terakhir pengolahan tanah dengan menggunakan garu rotari.
I
Pengujian lintasan lurus. Pada lintasan lurus, panjang lintasan yang digunakan sebesar 30 m. pengujian ini dilakukan untuk mengetahui kinerja sistem pada lintasan lurus. Pada pengujian ini
24
juga diberikan perlakuan simpangan awal untuk mengetahui respon sistem terhadap simpangan yang diberikan. Parameter uji yang diukur adalah besarnya simpangan yang terjadi terhadap lintasan yang seharusnya. Lintasan set-point merupakan garis yang dibentuk oleh dua titik koordinat GPS.
II
Pengujian lintasan persegi panjang Pengujian dengan bentuk lintasan persegi panjang dilakukan untuk mengetahui besar sudut belok yang diperlukan serta kemampuan sistem dalam melakukan maneuver belok. Pengujian dilakukan pada lahan berukuran 40 x 20 m. lintasan set-point dibuat berdasarkan 4 titik pojok koordinat yang telah diukur sebelumnya dengan menggunakan GPS. Parameter uji yang diukur adalah besarnya simpangan yang terjadi terhadap lintasan set-point yang diinginkan, terutama simpangan yang terjadi akibat mekanisme belok. Traktor digerakkan dari posisi pojok kanan bawah bergerak naik ke kanan atas, kemudian belok ke kiri bawah dan terakhir kembali ke titik awal. Layout pengujian dapat dilihat pada Gambar 15(a).
III
Pengujian pengolahan tanah. Pada pengujian terakhir berupa pengolahan tanah, luas lahan yang digunakan sama dengan pengujian petakan yaitu 40 x 20 m. Lebar kerja disesuaikan dengan lebar kerja implemen garu yaitu 1.6 m. sehingga jumlah lintasan yang harus dilalui sebanyak 13 lintasan. Penentuan masing-masing lintasan dilakukan dengan menggunakan algoritma yang dikembangkan. Pada pengujian ini implemen dikontrol agar bergerak turun pada jalur lurus (panjang) dan implemen akan dinaikkan pada jalur belok. Jalur lintasan dibentuk berdasarkan input 4 titik koordinat pojok lahan yang akan diolah. Titik-titik tersebut merupakan nilai GPS yang telah dibaca pada kondisi RTK-DGPS. Kecepatan putaran mesin (RPM) diatur pada 2200 rpm, dengan kombinasi porseneling low – 3 sehingga kecepatan yang diharapkan 0.6 m/s. Tinggi lower link RPM diset pada ketinggian 35 cm atau maksimum menyentuh tanah. Layout pengujian dapat dilihat pada Gambar 15 (b).
25
Titik 3
Titik 2
Mulai Titik 4
Titik 1 Selesai
Selesai
(a)
Mulai
(b)
Gambar 15 Layout jalur pengujian sistem navigasi traktor (a) petakan dan (b) pengolahan tanah. Parameter uji yang diukur adalah besarnya simpangan yang terjadi terhadap lintasan set-point yang diinginkan, terutama simpangan yang terjadi akibat mekanisme belok. Analisa juga dilakukan pada besarnya panjang lintasan serta waktu yang dibutuhkan untuk memperbaiki simpangan yang terjadi. Waktu yang dibutuhkan dihitung berdasarkan lamanya waktu yang dibutukan dari simpangan maksimum yang terjadi hingga traktor kembali ke lintasan set-point, begitu juga panjang lintasan perbaikan yang dibutuhkan.
26
IV
PENDEKATAN RANCANGAN
Kriteria Perancangan Pada prinsipnya suatu proses perancangan terdiri dari beberapa tahap atau proses sehingga menghasilkan suatu desain atau prototype produk yang sesuai dengan kebutuhan. Perancangan sistem kemudi otomatis traktor pertaian pada penelitian ini bertujuan untuk memandu traktor pertanian bergerak secara otomatis sesuai dengan jalur set-point yang diinginkan. GPS digunakan untuk penentuan posisi traktor secara real time. Rancangan Fungsional Pada rancangan fungsional, dilakukan perancangan berdasarkan aspek fungsional dari masing-masing mekanisme yang dibuat. Sistem navigasi otomatis traktor pertanian terdiri atas: unit pengontrol stir, unit pengontrol kopling, unit pengontrol pedal akselerator, unit pengontrol pedal rem, unit pengontrol tuas implemen dan unit pembaca serts pengolah data GPS. 1. Unit pengontrol stir Unit pengontrol stir berfungsi untuk mengontrol stir agar berputar kanan-kiri sesuai dengan yang diperintahkan dengan kecepatan putar yang dapat diatur. Pengontrolan stir dilakukan agar traktor mampu bergerak sesuai dengan jalur set-point yang diinginkan serta mampu memperbaiki simpangan yang terjadi. 2. Unit pengontrol kopling Unit pengontrol kopling berfungsi untuk mengontrol pergerakan kopling agar sesuai dengan yang diperintahkan dan kecepatan pergerakan yang dapat diatur. Pengontrolan kopling dilakukan bertujuan agar traktor mampu bergerak dan berhenti sesuai dengan yang diperintahkan. 3. Unit pengontrol pedal akselerator Unit pengontrol pedal akselerator berfungsi untuk mengontrol persentase akselerasi agar bergerak sesuai dengan yang diperintahkan dan kecepatan putar
27
yang dapat diatur. Pengontrolan pedal akselerator dilakukan agar traktor mampu bergerak sesuai dengan kecepatan yang diinginkan. 4. Unit pengontrol rem Unit pengontrol rem berfungsi untuk mengontrol pedal rem agar bergerak sesuai dengan yang diperintahkan dengan kecepatan putar yang dapat diatur. Pengontrolan rem dilakukan agar traktor mampu menurunkan kecepatan majunya terutama pada kondisi-kondisi yang kritis. 5. Unit pengontrol tuas implemen Unit pengontrol tuas implemen berfungsi untuk mengontrol tuas agar bergerak ke posisi implemen yang diperintahkan dengan kecepatan putar yang dapat diatur. Pengontrolan tuas implemen dilakuan bertujuan untuk mengontrol tinggi lower link implemen sesuai dengan yang diinginkan. 6. Unit penerima dan pengolah data GPS Unit penerima dan pengolah data GPS berfungsi untuk menerima data GPS dari satelit, kemudian mengolahnya sehingga menjadi acuan bagi pergerakan traktor. Berdasarkan data GPS, komputer pengendali akan memerintahkan unit-unit aktuator agar bergerak sesuai dengan algoritma yang dibangun. Analisis Teknik Analisis teknik diperlukan pada proses perancangan untuk menentukan spesifikasi yang dibutuhkan bagi masing-masing unit pengontrol. Pada tahap ini dilakukan perhitungan kebutuhan daya masing-masing motor penggerak agar mekanisme dapat bekerja sesuai dengan tujuannya. Ukuran mekanisme pun menjadi hal yang diperhitungkan agar mekanisme dapat bergerak sesuai dengan yang diharapkan. Analisis teknik dilakukan pada 5 mekanisme unit kontrol, yaitu : unit pengontrol stir, unit pengontrol kopling, unit pengontrol akselerator, unit pengontrol rem serta unit pengontrol tuas implemen. 1. Unit pengontrol roda stir Pengukuran gaya awal untuk menggerakkan stir kemudi telah dilakukan pada landasan beton dan gaya yang dibutuhkan untuk memutar stir (F) adalah 1.5 kgf 28
= 14.7 N dan jari-jari stir (r3)= 20 cm, maka torsi yang dibutuhkan untuk memutar stir adalah :
Jika kecepatan putar roda stir (N2) maksimum yang diinginkan adalah sebesar 0.75 rps, dengan kecepatan putar motor DC penggerak (N1) sebesar 1.5 rps, maka perbandingan jari-jari puli yang digunakan baik pada motor DC penggerak (r1) maupun stir (r2) adalah sebagai berikut :
Jika puli yang digunakan pada poros motor DC berdiameter 7.5 cm maka puli pada stir berdiameter 15 cm.
r1
ω1
Motor DC 12 V
T- Belt
r2 ω2
r3 F
Gambar 16 Diagram benda bebas mekanisme pengontrol stir
29
Torsi motor DC yang dibutuhkan adalah sebesar :
Daya motor DC yang dibutuhkan dengan asumsi effisiensi 70% adalah:
Nilai safety factor yang digunakan adalah sebesar 1.75, sehingga daya motor yang digunakan adalah sebesar :
Berdasarkan ketersediaan di pasaran, maka motor DC yang digunakan adalah motor DC yang memiliki daya sebesar 36 watt.
2. Unit pengontrol kopling Kopling dikontrol dengan menggunakan motor DC. Pedal kopling dihubungkan dengan batang penggerak yang berfungsi untuk menurunkan gaya serta mempermudah proses pengontrolan. Panjang batang penggerak (L) didesain 55 cm dan sudut α yang terbentuk adalah 230, sehingga panjang Y dapat dihitung dengan persamaan : sin
sin
L
F’ Y
Pedal kopling
α
r
ω
Motor DC 24 V
F
Gambar 17 Diagram benda bebas unit pengontrol kopling 30
Pada perancangan, waktu yang dibutuhkan untuk menggerakkan kopling dari kondisi kosong menjadi terinjak sepenuhnya didesain 1.64 detik, dan kecepatan putar motor (N) sebesar 0.6 rps, sehingga jari-jari r dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Berdasarkan hasil pengukuran awal, gaya yang dibutuhkan untuk menarik batang kopling (F’) sebesar 13 kgf =127.4 N, sehingga torsi yang dibutuhkan pada motor DC penggerak adalah sebesar : s
s
Dan daya motor yang digunakan dengan effisiensi motor 70% adalah sebesar :
Nilai safety factor yang digunakan adalah 2, sehingga daya motor yang digunakan adalah sebesar :
Hal yang perlu diperhatikan pada rancangan ini adalah besarnya gaya yang ditimbulkan oleh pegas agar kopling kembali pada posisi kosong (terangkat). Sehingga perlu adanya mekanisme yang mampu menahan kembalinya pedal kopling ketika proses penurunan pedal kopling terjadi, dalam hal ini digunakan gearbox berupa worm gear, sehingga kopling akan tetap berada pada posisi meskipun motor DC sudah tidak dialiri arus. Berdasarkan hal tersebut, maka motor DC yang memenuhi syarat tersebut adalah motor DC yang telah dilengkapi gearbox berupa worm-gear dengan daya 150 watt.
31
3. Unit pengontrol akselerator Unit pengontrol akselerator dikontrol menggunakan motor DC. Pedal rem dihubungkan ke batang penggerak untuk memudahkan proses pengontrolan. Batang penggerak didesain berbentuk tuas dengan panjang lengan F1’ (L1) sepanjang 10 cm dan panjang lengan F’ (L2) sepanjang 25 cm. Jarak vertikal yang terbentuk antara persentase akselerasi 0 dan 100% (Y 1) sepanjang 4 cm. Motor DC 12 v F
Batang penggerak
r ω
Pedal Akselerator
L1 α
Y1
F1’
F1 Y2 F’ L2
Gambar 18 Diagram benda bebas unit pengontrol akselerator Berdasarkan hasil pengukuran, yang dibutuhkan untuk menarik tuas akselerator (F1) sebesar 6 kgf = 58.86 N. Gaya F1’ dapat dihitung menggunakan persamaan berikut: sin
s
s
s
s
sin
sin
32
Pada perancangan, waktu yang dibutuhkan untuk menggerakkan tuas akselerator dari persentase 0% menjadi 100% kondisi kosong menjadi terinjak sepenuhnya didesain 1 detik, dan kecepatan putar motor sebesar 0.4 rps sehingga jari-jari r dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
Torsi yang terjadi pada motor DC penggerak adalah sebesar :
Dan daya motor yang digunakan dengan effisiensi 70% adalah sebesar :
Nilai safety factor yang digunakan adalah 2, sehingga daya motor yang dibutuhkan adalah sebesar :
Berdasarkan ketersediaan di pasaran, motor yang digunakan adalah motor dengan daya 30 watt.
4. Unit pengontrol pedal rem Pedal rem dikontrol dengan menggunakan motor DC dengan bantuan batang penggerak yang dihubungkan ke pedal rem. Rem yang dikontrol merupakan penggabungan rem kanan dan rem kiri. Panjang lengan L didesain 38 cm dan sudut α yang terbentuk adalah 110, sehingga panjang Y dapat dihitung dengan persamaan : sin
sin
Pada perancangan, waktu yang dibutuhkan untuk menggerakkan pedal rem dari kondisi kosong menjadi terinjak sepenuhnya didesain 0.6 detik, dan kecepatan putar motor sebesar 0.6 rps, sehingga jari-jari r dapat dihitung dengan menggunakan persamaan :
33
L Y
F’ Pedal rem
α
r
ω
Motor DC 12 V
F
Gambar 19 Diagram benda bebas unit pengontrol pedal rem Berdasarkan hasil pengukuran, gaya yang dibutuhkan untuk menarik pedal rem adalah sebesar 8 kgf = 78.48 N, maka torsi yang dibutuhkan pada motor DC penggerak dihitung berdasarkan persamaan: s
s
Dan daya motor yang digunakan dengan effisiensi motor 70% adalah sebesar :
Nilai safety factor yang digunakan adalah 2, sehingga besarnya daya motor yang dbutuhkan dihitung menggunakan persamaan :
Berdasarkan nilai daya yang didapat dan mempertimbangkan ketersediaan di pasaran, maka motor yang dipilih adalah motor berdaya 30 watt.
34
5. Unit pengontrol tuas implemen Tuas implemen digerakkan dengan menggunakan motor DC melalui mekanisme sprocket dan rantai. Berdasarkan pengukuran awal, maka jarak lintasan tuas implemen dari posisi 0-9 adalah 30 cm. jika motor yang digunakan memiliki kecepatan putar 1 rps, dan waktu yang diinginkan adalah 2 detik, maka jari-jari sprocket yang dibutuhkan dihitung menggunakan persamaan :
Tuas implemen Motor DC
r
Y Y
F
Gambar 20 Diagram benda bebas unit pengontrol tuas implemen Gaya untuk menarik tuas implemen adalah sebesar 8 kgf=78.48 N, maka torsi yang dibutuhkan pada motor DC penggerak dihitung berdasarkan persamaan:
Dan daya motor yang digunakan dengan effisiensi motor 70% adalah sebesar :
Nilai safety factor yang digunakan adalah 2, sehingga daya motor yang dibutuhkan dihitung menggunakan persamaan :
Berdasarkan nilai daya yang didapat dan membandingkan ketersediaan di pasaran, maka motor yang digunakan adalah motor DC dengan daya 30 watt. 35
Perhitungan ukuran rantai yang digunakan, dihitung menggunakan grafik yang dapat dilihat pada Gambar 21.
Gambar 21 Grafik pemilihan ukuran rantai (Srivastava et al, 2006) Berdasarkan grafik, maka rantai yang digunakan adalah rantai dengan no. 25, yang memiliki spesifikasi jarak bagi 6.35 mm, rol rantai dengan diameter 3.3 mm dan lebar 3.18 mm, plat mata rantai dengan tebal 0.76, diameter pena 2.3 mm. Rancangan Struktural Dalam perancangan, pemilihan bentuk dan penentuan ukuran yang digunakan merupakan proses yang sangat penting. Rancangan struktural dari mekanisme unit pengontrol dirancang sedemikian rupa sehingga sesuai untuk dirangkaikan pada traktor roda 4 dalam hal ini traktor Yanmar EF453T. Mekanisme unit pengontrol juga dirancang agar tidak mengganggu pengoperasian unit-unit yang dikontrol bila dioperasikan secar manual. 1. Unit pengontrol stir Unit pengontrol stir dirancang agar mampu menggerakkan stir layaknya dikendalikan oleh pengemudi. Mekanisme pengontrol stir dilakukan dengan menggunakan motor DC 36 watt. Putaran motor DC ditransmisikan ke stir 36
kemudi menggunakan sistem transmisi puli – sabuk dengan perbandingan diameter puli 1: 2. Diameter puli pada poros motor DC yang digunakan adalah 7.5 cm, sedangkan pada stir kemudi puli yang digunakan berdiameter 15 cm. Diameter puli pada stir kemudi diset dua kali diameter puli pada poros motor DC dengan tujuan agar torsi yang dihasilkan lebih besar dengan cara menurunkan kecepatan putar stir kemudi. Sabuk yang digunakan berupa timingbelt (T-Belt). Timing-belt digunakan agar putaran motor dapat ditransmisikan secara sempurna ke stir kemudi tanpa terjadi slip. Secara umum mekanime kontrol stir kemudi dapat dilihat pada Gambar 22.
Gambar 22 Mekanisme unit pengontrol stir kemudi 2. Unit pengontrol kopling Pengontrolan kopling dilakukan menggunakan motor DC 150 watt. Pedal kopling dihubungkan dengan batang penggerak yang berfungsi untuk memudahkan pengontrolan serta menurunkan gaya yang dibutuhkan untuk menggerakkan pedal kopling. Batang penggerak yang digunakan berupa besi pipa berdiameter 30 mm, dengan ketebalan 1 mm dan panjang 55 cm. Pada ujung batang penggerak, dipasang tali sling baja berdiameter 1 mm. Tali sling tersebut dihubungkan ke puli berdiameter 7.5 cm berbahan dasar Polietilen (PE). Puli tersebut diputar menggunakan motor DC. Secara umum mekanisme pengontrol pedal kopling dapat dilihat pada Gambar 23.
37
Gambar 23 Mekanisme unit pengontrol pedal kopling 3. Unit pengontrol akselerator Pengontrolan akselerator dilakukan menyerupai sistem tuas pengungkit. Pedal akselerator dihubungkan dengan batang penggerak berbahan dasar besi, dengan panjang sebesar 35 cm, lebar 3 cm dan tebal 3 mm. Batang penggerak dihubungkan ke tali sling berdiameter 1 mm. Tali sling tersebut dihubungkan ke puli berdiameter 7.5 cm yang terbuat dari Poli Etilen (PE). Puli diputar menggunakan motor DC yang memiliki daya sebesar 30 watt. Secara umum mekanisme pengontrol gerakan pedal rem dapat dilihat pada Gambar 24.
Gambar 24 Mekanisme unit pengontrol pedal akselerator
38
4. Unit pengontrol rem Mekanisme kontrol pergerakan pedal rem dirancang menyerupai mekanisme kontrol pedal kopling. Rem yang dikontrol pada mekanisme ini merupakan penggabungan dari pedal rem kanan dan pedal rem kiri. Pedal rem dihubungkan dengan batang penggerak yang berfungsi untuk memudahkan pengontrolan serta memperkecil gaya yang dibutukan untuk menggerakkan pedal kopling. Batang penggerak yang digunakan berupa besi pipa berdiameter 30 mm, dengan ketebalan 1 mm dan panjang 55 cm. Pada ujung batang penggerak, dipasang tali sling baja berdiameter 2 mm. Tali sling tersebut dihubungkan ke puli berdiameter 6.4 cm berbahan dasar Polietilen (PE). Puli tersebut diputar menggunakan motor DC 30 watt. Secara umum mekanisme pengontrol pedal kopling dapat dilihat pada Gambar 25.
Gambar 25 Mekanisme unit pengontrol pedal rem 5. Unit pengontrol tuas implemen Mekanisme kontrol pergerakan tuas implemen dirancang agar mampu menggerakkan
tuas
implemen
naik-turun.
Tuas
implemen
dikontrol
menggunakan motor DC 30 watt. Pergerakan tuas implemen merupakan pergerakan translasi dan pergerakan motor merupakan gerakan rotasi, sehingga
39
diperlukan mekanisme yang mampu merubah gerakan rotasi menjadi gerakan translasi. Sistem transmisi putaran yang digunakan berupa sistem transmisi sproket – rantai. Tuas implemen dihubungkan ke salah satu pin rantai, sehingga tuas implemen mampu bergerak secara translasi. Motor DC yang digunakan memiliki daya 30 watt. Rantai yang digunakan adalah rantai no. 25 dan sproket yang digunakan berdiameter 2.4 cm. Secara umum mekanisme pengontrol pedal kopling dapat dilihat pada Gambar 26.
Gambar 26 Mekanisme unit pengontrol tuas implemen 6. Unit penerima dan pengolah data GPS GPS yang digunakan pada penelitian ini merupakan GPS dengan tipe RTKDGPS. Komponen yang sangat penting agar sistem RTK – DGPS dapat terpenuhi adalah 1 set GPS rover dan base-line. Satu set GPS rover terdiri atas antenna GPS, antenna radio komunikasi rover dan base-line, serta monitor GPS. GPS rover yang digunakan adalah RTK-DGPS Outback® S3 GPS Guidance and Mapping System dengan tingkat ketelitian yang diharapkan sebesar 3 -5 cm. Unit pengolah data yang digunakan adalah sebuah laptop mini (notebook) yang telah dilengkapi dengan sistem pengolah data.
40
Komputer pengendali serta GPS rover dipasang pada traktor. Posisi antenna radio komunikasi rover dan base-line diletakkan di atas kap traktor, sedangkan antenna GPS diletakkan diatas roda sebelah kanan. Rancangan Sistem Berdasarkan mekanisme yang dirancang sebelumnya, maka pada tahap ini dirancang sistem kontrol mekanismenya. Secara umum diagram alir kontrol sistem dapat dilihat pada Gambar 27.
Keterangan : Garis kontrol Garis data Garis penggerak sdpepenggerakpenggerak Gambar 27 Diagram sistem kontrol traktor 1. Sistem kontrol stir. Pergerakan stir dilakukan dengan menggunakan motor DC 12 volt. Motor DC dikontrol menggunakan mikrokontroller melalui perangkat H-Bridge. Input kontrol yang digunakan berupa sudut yang harus dibentuk oleh roda depan.
41
Sensor yang digunakan untuk pembacaan sudut roda adalah absolute encoder dengan ketelitian 10. Hasil pembacaan sensor dijadikan feedback mikrokontroller. Algoritma sistem kontrol stir dapat dilihat pada Gambar 28. Mulai Input sudut depan roda traktor (x)
Pembacaan nilai encoder (enc) Ya
enc = x ? Tidak Ya
enc > x ? Tidak
Motor berputar ke kanan PORTD.7=1; PORTD.6=0;
Ya
Motor berputar ke kiri PORTD.7=0; PORTD.6=1;
Delay 100 us
Delay 100 us
Pembacaan nilai encoder (enc)
Pembacaan nilai encoder (enc)
enc > x ?
Ya
Motor berhenti PORTD.7=0; PORTD.6=1;
Selesai
enc < x ?
Tidak
Tidak
Gambar 28 Algoritma sistem kontrol stir 2. Sistem kontrol pedal akselerator. Pedal akselerator digerakkan dengan menggunakan motor DC 12 volt. Pergerakan motor DC dikontrol oleh mikrokontroller melalui perangkat HBridge. Input kontrol yang digunakan berupa besaran kecepatan putaran (RPM) mesin. Rpm diatur melalui posisi pedal akselerator, dan posisi pedal akselerator 42
diukur menggunakan potensiometer yang dihubungkan langsung ke poros motor penggerak pedal akselerator. Perubahan hambatan pada potensiometer dikonversi menjadi data digital oleh ADC internal mikrokontroller dan menjadi feedback ke sistem. Algoritma sistem kontrol dapat dilihat pada Gambar 29. Mulai Input kecepatan putaran mesin (x)
Pembacaan nilai ADC (ADC0) Ya
ADC0=x ? Tidak Ya
ADC0>x ? Tidak
Motor berputar ke kanan PORTD.3=1; PORTD.2=0;
Motor berputar ke kiri PORTD.3=0; PORTD.2=1;
Delay 100 us
Delay 100 us
Pembacaan nilai ADC (ADC0)
Pembacaan nilai ADC (ADC0)
Ya
Ya ADC0>x ?
Motor berhenti PORTD.3=0; PORTD.2=1;
Selesai
ADC0<x ?
Tidak
Tidak
Gambar 29 Algoritma sistem kontrol akselerator 3. Sistem kontrol tuas implemen. Tuas iplemen digerakkan menggunakan motor DC 12 volt. Motor DC tersebut dikontrol menggunakan mikrokontroller melalui perangkat H-Bridge. Input kontrol yang digunakan adalah tinggi lower link implemen yang diharapkan.
43
Posisi tuas implemen menunjukkan tinggi lower link implemen. Sensor yang digunakan untuk mengukur tinggi lower link implemen adalah potensiometer yang dipasang ke poros motor DC penggerak tuas implemen menggunakan kopel. Perubahan hambatan pada potensiometer dikonversi menjadi data digital oleh ADC internal mikrokontroler dan dijadikan sebagai feedback ke sistem. Algoritma kontrol tuas implemen dapat dilihat pada Gambar 30. Mulai Input tinggi lower link implemen (x)
Pembacaan nilai ADC (ADC1) Ya
ADC1=x ? Tidak Ya
ADC1>x ? Tidak
Motor berputar ke kanan PORTA.3=1; PORTA.2=0;
Motor berputar ke kiri PORTA.3=0; PORTA.2=1;
Delay 100 us
Delay 100 us
Pembacaan nilai ADC (ADC1)
Pembacaan nilai ADC (ADC1)
Ya
Ya ADC1>x ?
Selesai
ADC1<x ?
Tidak
Tidak
Gambar 30 Algoritma sistem kontrol tuas implemen
44
Motor berhenti PORTA.3=0; PORTA.2=1;
4. Sistem kontrol pedal kopling. Pedal kopling digerakkan menggunakan motor DC 24 volt. Pergerakan motor DC dikontrol menggunakan mikrokontroller melalui perangkat H-bridge. Pergerakan kopling hanya diset pada dua kondisi, yaitu tersisi sepenuhnya atau lepas sepenuhnya. Sensor yang digunakan berupa limit switch, yang akan bereaksi jika switch tertekan. Algoritma sistem kontrol pedal kopling dapat dilihat pada Gambar 31. Mulai Input arah gerakan pedal kopling
Ya Motor berputar ke kanan PORTA.7=1; PORTA.6=0;
Gerakan pedal kopling=Naik ? <x?
Tidak
Motor berputar ke kiri PORTA.7=0; PORTA.6=1;
Delay 1 detik
Delay 2detik Motor berhenti PORTA.7=0; PORTA.6=0;
Selesai
Gambar 31 Algoritma sistem kontrol pedal kopling 5. Sistem kontrol pedal rem. Pedal rem digerakkan menggunakan motor DC 12 volt. Pergerakan motor DC dikontrol menggunakan mikrokontroller melalui perangkat H-bridge. Pergerakan rem hanya diset pada dua kondisi, yaitu tersisi sepenuhnya atau lepas sepenuhnya. Sensor yang digunakan berupa limit switch, yang akan bereaksi jika switch tertekan. Algoritma yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 32.
45
Mulai Input arah gerakan pedal rem
Tidak
Gerakan pedal rem = Naik ?
Motor berputar ke kanan PORTA.4=1; PORTA.5=0;
Ya
Motor berputar ke kiri PORTA.4=0; PORTA.5=1;
Delay 0.6 detik
Delay 0.4 detik Motor berhenti PORTA.4=0; PORTA.5=0;
Selesai
Gambar 32 Algoritma sistem kontrol pedal rem 6. Sistem pembacaan dan pengolahan data GPS Perangkat computer digunakan untuk membaca dan mengolah data GPS yang dikirimkan oleh GPS receiver. Data GPS yang diterima berupa sebuah kalimat yang mengikuti protocol NMEA 0183. Header yang digunakan berupa header “GPGGA”. Berdasarkan data yang diterima, dilakukan pengolahan data sehingga ditentukan operasi apa yang dilakukan dan dikirimkan ke mikrokontroller. Data yang didapatkan dari GPS berupa data geodetic berbentuk besaran sudut bujur (longitude) dan lintang (latitude). Besaran sudut tersebut perlu dikonversi menjadi data UTM (Universal Transverse Mercator) berbentuk x, y bersatuan meter. Perhitungan dilakukan menggunakan persamaan (10) dan (11). Berdasarkan data 4 titik koordinat pojok lahan olah, maka sistem akan membentuk lintasan-lintasan yang harus dilalui. Parameter-parameter lintasan yang dihitung adalah 2 titik ujung lintasan, persamaan garis lintasan dan sudut orientasi lintasan. 4 titik koordinat GPS tersebut dikonversi menjadi data UTM, koordinat x dan y.
46
Tahap selanjutnya adalah menhitung ∆x, ∆y maksimum dari masing-masing titik yang berhadapan, dengan persamaan berikut : ......................................................................................... (11) ......................................................................................... (12) ......................................................................................... (13) ......................................................................................... (14) Berdasarkan masing-masing delta yang ada, dihitung lebar lahan olah ( ) dengan menggunakan persamaan berikut : ........................................... (15) Berdasarkan lebar lahan olah ( , dihitung banyaknya jumlah lintasan yang harus diakukan pengolahan tanah. Jumlah lintasan (nlintasan) dihitung dengan membagi lebar lahan (
dengan lebar kerja alat yaitu 1.6 m. perhitungan dilakukan dengan
melakukan pembulatan keatas. .......................................................................................... (16) Setiap lintasan olah akan membentuk 1 lintasan belok tanpa adanya proses pengolahan tanah. Dua lintasan olah dan dua lintasan belok akan membentuk 1 petakan olah, sehingga jumlah petak lintasan (npetak) dihitung menggunakan persamaan: ...................................................................................... (17) Berdasarkan
dan
, maka parameter masing-masing lintasan
dapat dihitung. Titik awal dan titik akhir pada lintasan ganjil dihitung menggunakan persamaan : ................................................................... (18) ................................................................... (19) .................................................................. (20) .................................................................. (21) Pada lintasan genap, maka titik awal dan akhir dihitung menggunakan persamaan:
47
..................................................... (22) ..................................................... (23) .................................................... (24) .................................................... (25) dimana nilai i adalah indeks petakan olah ke-i. Perhitungan persamaan garis dan sudut orientasi lintasan dihitung menggunakan persamaan : ...................................................................................... (26) ............................................................................. (27) n
............................................................................................ (28)
jika yakhir < yawal, maka nilai θ ditambahkan dengan 1800. Persamaan garis yang terbentuk berupa y=mx+c, dengan sudut orientasi θ. Secara umum algoritma tersebut dapat dilihat pada Gambar 33 dan sketsa penentuan lintasan olah dapat dilihat pada Gambar 34. Pada setiap lintasan akan ditentukan area belok yang berjarak 3.6 m dari tiap ujung lintasan. Sketsa penetuan titik belok dan area belok dapat dilihat pada Gambar 35. Mulai
Hitung lebar lahan olah
Input 4 titik koordinat lahan (long1,lat1), (long2,lat2), (long3,lat3), (long4,lat4)
Hitung jumlah lintasan
Konversi ke UTM
Hitung jumlah petakan lintasan
(x1,y1), (x2,y2), (long1,lat1), (x3,y3), (x4,y4), Hitung parameter lintasan Hitung ∆x, ∆y
(titik awal, titik akhir, pers. garis, sudut orientasi)
(long1,lat1),
Selesai
Gambar 33 Algoritma penentuan parameter lintasan olah
48
∆x2
Titik 3 koordinat lahan (x3,y3)
∆y2 Titik 2 koordinat lahan (x2,y2)
y (m)
Titik 4 koordinat lahan (x4,y4)
∆y1
Titik 1 koordinat lahan (x1,y1)
∆x1
x (m)
Gambar 34 Sketsa penentuan lintasan olah
Lintasan belok Titik awal lintasan 2
Titik akhir lintasan 1
3.6 m
Lintasan olah 2
Lintasan olah 1 3.6 m
Titik akhir lintasan 2
Titik awal lintasan 1 Lintasan belok
Keterangan : = Titik belok
= Area belok
Gambar 35 Sketsa penentuan titik belok dan area belok pada setiap lintasan Data real time GPS dibaca dengan frekuensi pembacaan 5 Hz. Data tersebut kemudian diolah menggunakan algoritme pengolahan data GPS yang dibangun dan ditentukan keputusan yang selanjutnya dikirimkan ke mikrokontroler yang akan menggerakkan aktuator sesuai dengan yang diharapkan. Algoritma pengolahan data GPS dapat dilihat pada Gambar 36.
49
Hal pertama yang dilakukan adalah konversi data GPS menjadi data UTM (x,y). Posisi traktor kemudian diproyeksikan ke peta lintasan yang dibuat. Sistem akan memerintahkan mikrokontroller agar menurunkan kopling hingga traktor akan berhenti jika traktor pada kondisi telah menyelesaikan semua lintasan yang harus dilalui. Sistem juga akan memerintakan agar RPM mesin diturunkan hingga 1000 rpm. Sistem akan memerintahkan aktuator melakukan manuver belok berupa pembentukan sudut roda depan sebesar 340. Sudut yang dibentuk tersebut merupakan sudut yang optimum dalam operasi belok dengan radius belok 3.5 m. sistem juga akan memerintahkan mikrokontroller agar implemen bergerak maksimum terangkat yaitu tinggi lower link 83 cm. Mulai Koordinat GPS (Long, Lat) Konversi ke UTM (x, y)
Selesai
Pedal Kopling Turun RPM mesin = 1000 rpm
Ya
Akhir Lintasan ? Tidak
Penetuan Trajektori Set Point
Tidak
Area Belok?
Penentuan Orientasi Maju Traktor
Perhitungan Besar Error Terhadap Jalur Set Point
Sudut Putar = x
Penentuan Sudut Putar Roda Depan Traktor (x)
Tinggi Lower Link = 83 cm
Tidak
Lintasan Olah?
Ya
Sudut Putar = 340 Tinggi Lower Link = 83 cm
Penentuan Orientasi yang Seharusnya
Penentuan Delta Orientasi Ya
Gambar 36 Algoritma pengolahan data GPS
50
Tinggi Lower link = 35 cm
Pada kondisi traktor berada pada lintasan lurus, sistem akan menentukan lintasan set-point yang sedang dilalui traktor. Penentuan tersebut dilakukan berdasarkan posisi, arah maju traktor serta urutan lintasan yang telah dilalui, sehingga ketika titik akhir lintasan sebelumnya telah dilewati, maka traktor secara otomatis akan diarahkan menuju lintasan yang selanjutnya. Berdasarkan parameter-parameter lintasan tersebut, dilakukan perhitungan simpangan. Orientasi maju real traktor dhitung dengan membandingkan posisi real dengan posisi 1 detik sebelumnya. Orientasi dihitung relatif terhadap orientasi lintasan (θ) menggunakan persamaan berikut :
n
........................................................ (29)
dimana indeks t-1 menunujukkan waktu 1 detik sebelumnya. Perhitungan simpangan (error) dilakukan dengan membandingkan posisi real traktor dengan lintasan set-point yang seharusnya. Untuk arah maju traktor utara atau selatan yang sejajar dengan sumbu y, maka perhitungan simpangan dilakukan dengan membandingkan posisi xreal dengan posisi x yang seharusnya. ............................................................................. (30) Pada arah maju traktor mendekati arah barat-timur atau sejajar dengan sumbu x, maka perhitungan simpangan dilakukan dengan membandingkan xreal dengan x yang seharusnya, sehingga simpangan dihitung menggunakan persamaan berikut: .............................................................. (31) Berdasarkan nilai error, dihitung orientasi maju traktor yang seharusnya. Perhitungan dilakukan dengan mengasumsikan bahwa orientasi maksimum yang dibentuk antara pergerakan traktor dengan lintasan adalah sebesar 45 0 dengan jarak maksimum 3.5 meter. Orientasi yang seharusnya (ori) dihitung menggunakan persamaan berikut: ................................................................................... (32)
51
Penentuan orientasi yang seharusnya tersebut dimaksudkan agar ketika simpangan yang terbentuk sangat besar, maka traktor akan membentuk sudut yang besar juga terhadap orientasi lintasan set-point. Besar orientasi tersebut akan berkurang seiring dengan berkurangnya simpangan, sehingga ketika simpangan mendekati 0, besar orientasi pun demikian. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 37.
Gambar 37 Ilustrasi sudut orientasi terhadap simpangan yang terjadi Sudut orientasi yang seharusnya (Ori) kemudian dibandingkan dengan orientasi maju real traktor, untuk mendapatkan delta orientasi yang terjadi. Delta orientasi tersebut dihitung menggunakan persamaan berikut: ...................................................... (33) Berdasarkan delta orientasi tersebut, ditentukan besar sudut yang harus dibentuk roda depan menggunakan Tabel 3.
52
Tabel 3 Penentuan sudut roda depan traktor Delta orientasi (0)
Sudut roda depan (0)
≥ 35
-20
20 ≤ x ≤ 35
-15
10 ≤ x ≤ 20
-10
0.1 ≤ x ≤ 10
-3
-0.1 ≤ x ≤ 0.1
0
-10 ≤ x ≤ -0.1
3
-20 ≤ x ≤ -10
10
-35 ≤ x ≤ -20
15
-45 ≤ x ≤ -35
20
x ≤ -45
34
Berdasarkan Tabel 3 tersebut, maka komputer akan mengirimkan perintah ke mikrokontroler agar menggerakkan roda depan traktor membentuk sudut roda depan yang telah ditentukan. Pada lintasan olah, sistem juga akan memerintahkan mikrokontroler agar menggerakkan tuas implemen, sehingga tinggi lower link implemen 35 cm atau maksimum menyentuh tanah, sedangkan pada lintasan belok, sistem akan memerintahkan mikrokontroler agar menggerakkan tuas implemen sehingga tinggi lower link implemen 83 cm atau terangkat maksimum.
53
V
HASIL DAN PEMBAHASAN
Identifikasi Masalah Tahapan identifikasi masalah bertujuan untuk mengetahui masalah serta kebutuhan yang diperlukan agar otomasi traktor dapat dilaksanakan. Studi pustaka dilakukan untuk mengetahui masalah serta hal-hal yang diperlukan. Berdasarkan studi pustaka, masalah yang paling penting dalam otomasi adalah pengendalian sistem kemudi secara otomatis. Hal ini sangat diperlukan agar traktor mampu bergerak sesuai dengan lintasan yang diharapkan. Penentuan posisi traktor secara otomatis pun merupakan hal yang penting agar traktor mampu mengenali posisinya sendiri, sehingga mampu bergerak ke posisi yang diinginkan. Sistem penentuan posisi telah banyak dikembangkan, baik penentuan posisi secara lokal maupun secara global menggunakan GPS. Pengendalian kecepatan kerja traktor merupakan hal penting lainnya agar hasil kerja traktor maksimal. Pengaturan kecepatan kerja dapat dilakukan salah satunya dengan kombinasi pengaturan pedal akselerator dan sistem pengereman. Pengontrolan pedal akselerator diperlukan untuk mengatur kecepatan putaran mesin traktor. Sistem pengereman diperlukan untuk menurunkan kecepatan kerja terutama ketika lahan olahan memiliki kontur yang beragam. Hal penting lainnya dalam proses otomasi traktor adalah pengontrolan sistem kopling. Hal ini disebabkan karena pedal kopling punya peran penting dalam perubahan kombinasi porseneling serta kontrol gerak tidaknya traktor. Proses penghentian traktor menggunakan kopling sangat penting terutama ketika hal-hal yang tidak diharapkan terjadi. Hasil kinerja traktor terutama pengolahan tanah sangat bergantung pada pengaturan ketinggian impemen traktor. Pengolahan tanah yang terlalu dalam akan menyebabkan traktor slip, sedangkan kedalaman yang terlalu rendah akan menyebabkan kurang optimalnya hasil pengolahan tanah. Berdasarkan hal tersebut, maka pengontrolan implemen melalui kontrol tuas implemen sangat penting agar kedalaman olah sesuai dengan yang diharapkan. Berdasarkan masalah-masalah yang terjadi, maka pada penelitian ini
sistem
kontrol aktuator dibatasi pada 5 komponen aktuator yaitu : sistem kontrol stir kemudi,
54
sistem kontrol pedal kopling, sistem kontol pedal akselerator, sistem kontrol pedal rem dan sistem kontrol tuas implemen. Pengukuran Gaya Awal Pengukuran gaya awal diperlukan untuk menentukan spesifikasi yang diperlukan pada proses perancangan. Pengukuran gaya awal dilakukan pada 5 komponen aktuator yang akan dikontrol. Pengukuran dilakukan menggunakan timbangan pegas. Contoh pengukuran gaya yang dibutuhkan untuk menggerakkan mekanisme dapat dilihat pada Gambar 38.
Timbangan Pegas
Gambar 38 Contoh pengukuran gaya untuk memutar stir kemudi Gaya yang dibutuhkan untuk memutar stir kemudi dengan landasan roda beton adalah sebesar 1.5 kgf atau setara dengan 14.7 N. Gaya yang dibutuhkan untuk menarik pedal kopling adalah sebesar 13 kgf atau setara dengan 127.4 N. Besarnya nilai tersebut dikarenakan pedal kopling dilengkapi dengan pegas, sehingga semakin jauh ditarik, gaya yang dibutuhkan pun semakin besar. Gaya yang dibutuhkan untuk menarik pedal akselerator adalah sebesar 6 kgf = 58.86 N. Pedal akselerator dipilih sebagai aktuator yang dikontrol dibandingkan dengan tuas akselerator tangan dikarenakan kemudahan dalam pembuatan mekanisme kontrol serta gaya yang dibutuhkan pun tidak terlalu besar. Gaya yang dibutuhkan untuk menarik pedal rem adalah sebesar 8 kgf = 78.48 N. Gaya tersebut merupakan gaya yang dibutuhkan untuk menarik gabungan pedal rem kanan dan rem kiri. Gaya terakhir yang diukur adalah gaya yang dibutuhkan untuk menarik tuas implemen. Berdasarkan hasil
55
pengukuran, gaya yang dibutuhkan untuk menarik tuas implemen adalah sebesar 8 kgf = 78.48 N. Perancangan Sistem Kemudi Otomatis Traktor Proses perancangan merupakan proses yang sangat pentinga dalam rancang bangun. Pada proses ini dilakukan perhitungan serta penentuan spesifikasi unit pengontrol yang akan dibangun. Tahapan perancangan meliputi rancangan fungsional, analisis teknik, rancangan struktural serta rancangan sistem kontrol. Pada rancangan fungsional, dirancang beberapa unit berdasarkan fungsi untuk mengatasi masalah yang telah diidentifikasi pada proses identifikasi masalah. Unit-unit yang dirancang berdasarkan fungsinya meliputi: unit pengontrol stir kemudi yang berfungsi untuk mengontrol stir kemudi agar berputar kiri-kanan sesuai dengan yang diharapkan, unit pengontrol kopling yang berfungsi untuk mengontrol pergerakan pedal kopling sesuai dengan yang diperintahkan, unit
pengontrol pedal akselerator yang
berfungsi untuk menggerakkan pedal akselerator dalam rangka pengaturan kecepatan maju traktor, unit pengontrol pedal rem yang berfungsi untuk mengontrol pergerakan pedal rem agar sesuai dengan yang diharapkan, unit pengontrol tuas implemen yang berfungsi untuk mengatur tinggi lower link implemen yang berimplikasi pada kedalaman pengolahan serta unit penerima dan pengolah data GPS berfungsi untuk menerima data GPS dari satelit, kemudian mengolahnya sehingga menjadi acuan bagi pergerakan traktor. 1. Unit pengontrol stir kemudi Pada sistem kontrol stir kemudi, diameter puli pada motor DC pengendali berukuran 7.5 cm dan pada roda stir berukuran 15 cm. Hal ini dilakukan agar torsi yang digunakan untuk memutar roda stir kemudi dua kali lebih besar dibandingkan dengan torsi yang dihasilkan oleh motor DC. Pemilihan sistem transmisi puli-sabuk dilakukan agar stir mampu bergerak sesuai dengan putaran motor DC. Daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan mekanisme kontrol stir adalah sebesar 34.7 watt. Berdasarkan hasil perhitungan tersebut, maka motor DC yang digunakan dipilih berdasarkan ketersediaan di pasaran. Motor DC yang digunakan memiliki daya 36 watt.
56
Pada perancangan sistem, motor DC digerakkan dengan tipe kontrol on-off. Motor DC digerakkan oleh mikrokontroler melalui perangkat H-Bridge. Sensor yang digunakan sebagai feedback adalah sensor encoder dengan resolusi 10. Perangkat limit switch juga digunakan sebagai faktor pengaman, sehingga ketika roda bergerak ke sudut paling besar maupun paling kecil, badan roda akan menekan switch dan secara otomatis arus yang dialirkan terputus. 2. Unit pengontrol pedal kopling Pedal kopling dikontrol dengan menggunakan motor DC. Sistem transmisi daya yang digunakan adalah puli dan tali sling yang dihubungkan dengan batang penggerak pedal kopling. Pemilihan puli dan tali sling dilakukan karena sistem pedal kopling memiliki pegas, sehingga untuk menggerakkan pedal kopling ke posisi bawah (turun), motor akan memutar dan menarik tali sling. Pada proses pelepasanpedal kopling, motor hanya memutar untuk melepaskan tali sling, dan mekanisme pegas pada pedal akan mendorong pedal kopling ke posisi atas (naik). Puli yang digunakan pada mekanisme kontrol pedal kopling berdasarkan perhitungan berdiameter 7.44 cm.
Berdasarkan gaya yang dibutuhkan untuk
menarik pedal kopling, maka daya motor yang dibutuhkan untuk menggerakkan mekanisme pedal kopling adalah sebesar 55.26 watt. Motor DC yang digunakan dipilih dengan daya yang lebih besar untuk faktor keamanan serta ketersediaan di pasaran. Motor DC yang dipilih juga harus memiliki perangkat gearbox, hal ini dikarenakan konstanta pegas yang terdapat pada kopling ssangat besar, sehingga jika arus yang mengalir ke motor DC tanpa gearbox dihentikan, maka pegas akan mendorong batang penggerak, sehingga motor akan tertarik dan pedal kopling akan kembali ke posisi semula. Pada motor DC dengan gear-box, daya dorong pegas tidak mampu memutar gearbox, sehingga ketika arus yang mengalir dihentikan, pergerakan mekanisme pun berhenti. Berdasarkan hal tersebut, maka motor DC yang dipilih adalah motor DC yang dilengkapi gearbox berupa wormgear dengan daya sebesar 150 watt. Pada perancangan sistem, motor DC digerakkan dengan tipe kontrol on-off. Motor DC digerakkan oleh mikrokontroler melalui perangkat H-Bridge. Pedal kopling
57
hanya diset pada dua kondisi, sehingga kontrol yang dilakukan berbasis waktu. Motor digerakkan selama waktu tertentu berdasarkan kecepatan putar motor. Perangkat limit switch juga digunakan sebagai faktor pengaman, sehingga ketika pedal rem telah berada pada titik maksimum ataupun minimum, batang penggerak pedal akan menyentuh limit switch dan secara otomatis arus yang dialirkan terputus. 3. Unit pengontrol pedal akselerator Pedal akselerator dikontrol menggunakan motor DC. Sistem tuas pengungkit digunakan untuk mengontrol pedal akselerator, dengan tujuan mempermudah mekanisme sistem serta memperkecil tenaga yang dibutuhkan. Salah satu ujung batang pengungkit dihubungkan ke pedal akselerator, dan ujung lainnya dihubungkan ke tali sling. Sistem transmisi daya yang digunakan adalah puli dan tali sling. Berdasarkan proses perhitungan pada analisis teknik, diameter puli yang digunakan adalah sebesar 7.5 cm. Daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan mekanisme pengontrol pedal akselerator adalah 6.54 watt. Motor yang dipilih adalah motor DC dengan daya 30 watt. Motor yang dipilih memiliki daya yang lebih besar dikarenakan ketersediaan di pasar. Pergerakan motor motor DC dikontrol dengan tipe kontrol on-off. Motor DC dikontrol oleh mikrokontroler melalui perangkat H-Bridge. Sistem kontrol bekerja dengan sistem kontrol loop tetutup, dimana potensiometer yang dihubungkan ke poros motor menjadi umpan balik ke sistem. Perangkat limit switch juga digunakan pada mekanisme ini sebagai pengaman. 4. Unit pengontrol pedal rem Prinsip kerja mekanisme pengontrol pedal rem mirip dengan mekanisme pengontrol pedal kopling. Hal yang berbeda adalah konstanta pegas lebih kecil bila dibandingkan dengan konstaanta pegas pada pedal kopling. Hal tersebut menyebabkan gaya yang dibutuhkan pun semakin kecil. Diameter puli yang digunakan pada mekanisme kontrol pedal rem dirancang sebesar 6.4 cm, dan kebutuhan daya motor yang dibutuhkan untuk menggerakkan mekanisme pedal rem
58
adalah sebesar 28.52 watt. Motor DC yang dipilih memiliki daya sebesar 30 watt, hal ini dilakukan karena ketersediaan di pasaran. Tipe kontrol motor DC yang digunakan seperti halnya mekanisme kopling adalah kontrol on-off dengan sistem loop terbuka, yang berarti tidak ada sensor yang menjadi umpan balik ke sistem. Mekanisme hanya digerakkan dengan waktu tertentu berdasarkan kecepatan putaran motor. Limit switch digunakan pada mekanisme ini sebagai pengaman agar mekanisme berhenti ketika posisi maksimum dan minimum tercapai. 5. Unit pengontrol tuas implemen Tuas impelemen digerakkan menggunakan motor DC. Sistem transmisi daya yang digunakan berupa transmisi sproket – rantai. Hal ini dilakukan karena tuas impelemen digerakkan maju mundur tanpa adanya pegas, sehingga motor DC harus mampu menarik atau mendorong tuas agar bergerak ke posisi yang diharapkan. Tuas implemen dihubungkan ke salah satu mata rantai, sehingga untuk menarik tuas implemen ke depan (bawah), motor DC berputar searah jarum jam dan untuk mendorong mundur (naik) motor DC akan berputar berlawanan arah jarum jam. Berdasarkan analisis teknik, diameter sproket yang digunakan adalah 2.4 cm atau 14 gigi dengan no rantai yang digunakan adalah 25. Daya yang dibutuhkan untuk menggerakkan mekanisme pengontrol tuas implemen adalah sebesar 16.88 watt. Motor yang dipilih memiliki daya 30 watt, hal ini dilakukan berdasarkan ketersediaan di pasaran serta faktor keamanan agar mekanisme dapat bekerja dengan sempurna. Tipe kontrol motor DC yang digunakan adalah kontrol on-off dengan sistem loop tertutup. Potensiometer yang dihubungkan ke poros motor DC digunakan untuk mengukur sudut yang dibentuk oleh motor DC dan dijadikan umpan balik ke sistem. Limit switch digunakan pada mekanisme ini sebagai pengaman agar mekanisme berhenti ketika posisi maksimum dan minimum tercapai. 6. Unit pembaca dan pengolah data GPS Pembacaan data posisi dilakukan dengan menggunakan RTK-DGPS Outback® S3 GPS Guidance and Mapping System. GPS tersebut dipilih dengan alasan ketelitian
59
yang mampu dicapai GPS tersebut sebesar 3 – 5 cm.
Hal ini bertujuan agar
simpangan yang terjadi akibat kesalahan pembacaan data GPS mampu dihindari. Data GPS yang telah dibaca kemudian diolah oleh komputer pengendali sehingga menghasilkan perintah yang dikirim ke mikrokontroler dan menggerakkan aktuator yang sesuai. Pembuatan Sistem Kemudi Otomatis Traktor Proses pembuatan sistem kontrol baik mekanik maupun elektronik dilakukan berdasarkan rancangan yang telah dibuat. Pemrograman sistem pada mikrokontroler dilakukan menggunakan Code Vision AVR. Hal ini dilakukan berdasarkan kemudahan dalam pembuatan dikarenakan lengkapnya library yang terdapat pada Software tersebut serta bahasa pemrograman yang digunakan berbasis bahasa pemrograman C. File yang telah dibuat kemudian di-compile dan didownload ke chip mikrokontroler. Pemrograman menggunakan Code Vision AVR dapat dilihat pada Gambar 39.
Gambar 39 Pemrograman sistem mikrokontroler menggunakan Code Vision AVR Rangkaian elektronik yang digunakan dibuat dalam 1 kotak kontrol agar memudahkan perangkaian. Rangkaian tersebut meliputi : mikrokontroler, RS232 – USB Converter, rangkaian H-Bridge, penurun tegangan output encoder dan LCD. Mikrokontroler berfungsi mengatur semua pergerakan aktuator sesuai dengan perintah
60
yang dikirimkan komputer pengendali. RS232 – USB Converter digunakan untuk mengkonversi sistem pengiriman dan pembacaan data dari komputer ke mikrokontroler. Rangkaian H-bridge merupakan rangkaian yang konfigurasi atau susunan 4 switch yang membentuk huruf H. pengaturan switch dilakukan untuk mengatur polaritas motor DC, sehingga motor dapat berputar searah jarum jam (clockwise) dan berlawanan arah jarum jam (counterclockwise). Output dari encoder memiliki tegangan 12 volt pada kondisi biner 1 sesuai dengan catu daya yang digunakan encoder. Input maksimal yang dapat diterima oleh mikrokontroler sebesar 5 volt, sehingga output encoder tersebut perlu diturunkan menggunakan rangkaian penurun tegangan output encoder. Rangkaian tersebut terdiri dari 2 buah resistor 420 Ω dan 580 Ω yang disusun seri. LCD digunakan untuk menampilkan informasi proses yang dikerjakan oleh mikrokontroler. Susunan rangkaian yang digunakan dapat dilihat pada Gambar 40. Skema rangkaian secara lengkap dapat dilihat pada Lampiran 7.
Mikrokontroler
Penurun Tegangan output encoder
Konverter RS232 - USB
Rangkaian H-Bridge
LCD
Gambar 40 Rangkaian elektronik yang digunakan dalam sistem kontrol Sumber tenaga listrik yang digunakan sistem kontrol bekerja adalah dua buah accu dikarenakan mekanisme kontrol kopling membutuhkan daya yang cukup besar sehingga tidak cukup jika tegangan yang digunakan 12 volt. Dua buah accu tersebut dirangkai seri sehingga menghasilkan tegangan 24 volt. Sistem isi ulang tenaga yang disediakan oleh traktor hanya untuk 1 accu, sehingga untuk sistem kontrol yang lainnya, motor DC diberi tegangan 12 volt. Encoder yang digunakan sebagai pengukur sudut yang dibentuk roda depan bertipe absolute rotary encoder. Tipe tersebut dipilih karena mampu mengetahui sudut 61
yang dibentuk tanpa perlu menggerakkannya terlebih dahulu. Encoder yang digunakan memiliki resolusi 360 per putaran, sehingga ketelitian yang dicapai adalah 10. Pada sistem yang dibuat, hanya 8 pin terendah yang digunakan, hal ini dikarenakan ketersediaan pin yang dimiliki oleh mikrokontroler serta sudut yang mungkin dibentuk oleh roda depan adalah 900. Encoder dipasang di pusat putaran roda depan. Sistem kontrol stir dapat dilihat pada Gambar 41. Motor DC 12 V Absolute encoder T-belt Stir kendali (a)
(b)
Gambar 41 Sistem kontrol stir ; (a) mekanisme dan (b) sistem pembacaan sudut putar roda depan Mekanisme kontrol pedal kopling dan pedal rem dibuat berdasarkan rancangan yang telah dibuat. Unit pengontrol pedal kopling yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 42 dan unit pengontrol pedal rem dapat dilihat pada Gambar 43.
Batang Penggerak
Limit Switch
Motor DC 24 v
Puli
Gambar 42 Mekanisme kontrol pedal kopling
62
Limit switch
Batang penggerak rem
Puli
Gambar 43 Mekanisme kontrol pedal rem Potensiometer yang digunakan pada sistem kontrol akselerator memiliki nilai resistansi 10 kΩ. Potensiometer dihubungkan secara langsung ke poros motor DC penggerak, sehingga putaran motor akan memutar potensiometer sehingga terjadi perubahan resistansi dan tegangan yang kemudian dikonversi menjadi data digital oleh ADC internal mikrokontroler. ADC yang digunakan adalah ADC0 dengan resolusi 10 bit. Mekanisme kontrol pedal akselerator yang telah dibuat dapat dilihat pada Gambar 44. Motor DC 12 v
Pedal akselerator Batang penggerak
Potensiometer
Gambar 44 Mekanisme kontrol pedal akselerator Potensiometer yang digunakan pada sistem kontrol tuas implemen memiliki nilai resistansi 10 kΩ. Seperti halnya pada sistem kontrol pedal akselerator, potensiometer dihubungkan secara langsung ke poros motor DC penggerak menggunakan kopel. 63
Putaran motor akan memutar potensiometer sehingga terjadi perubahan resistansi dan tegangan yang kemudian dikonversi menjadi data digital oleh ADC internal mikrokontroler. ADC yang digunakan adalah ADC1 dengan resolusi 10 bit. Mekanisme kontrol tuas implemen yang telah dibuat dapat dilihat pada Gambar 45.
Tuas implemen
Motor DC 12 v
Potensiometer
Gambar 45 Mekanisme kontrol tuas implemen Sistem pembacaan dan pengolah data GPS dibuat dengan menggunakan bahasa pemrograman visual basic 6.0. Pada aplikasi tersebut beberapa informasi yang ditamplikan antara lain posisi real-time traktor serta jalur set-point, kecepatan maju traktor yang dhitung berdasarkan perubahan posisi traktor terhadap waktu, besar simpangan posisi traktor terhadap set point serta sudut yang terbentuk antara orientasi maju traktor dengan orientas lintasan. Pengambilan data GPS dilakukan dengan frekuensi sampling 5 Hz. Contoh pengolahan dan perhitungan secara lengkap dapat dilihat pada Lampiran 2. Tampilan sistem pembacaan dan pengolahan data GPS dapat dilihat pada Gambar 46. Unit pembaca dan pengolah data GPS dapat dilihat pada Gambar 47.
64
Gambar 46 Tampilan sistem navigasi traktor berdasarkan posisi GPS
Monitor GPS rover Komputer pengendali
Gambar 47 Unit penerima dan pengolah data GPS Secara umum tampilan traktor yang telah dilengkapi dengan mekanisme yang dibuat dapat dilihat pada Gambar 48.
65
5 1
6
2
7 8
3
9
4
10
Keterangan : 1. GPS monitor
6. Modul kontrol
2. Komputer pengendali
7. Mekanisme implemen
3. Mekanisme kontrol stir
8. Antena GPS
4. Mekanisme kontrol kopling
9. Mekanisme kontrol akselerator
5. Antena radio GPS
10. Mekanisme kontrol rem
Gambar 48 Traktor yang telah dilengkapi mekanisme kontrol Pengujian Fungsional Uji fungsional dilakukan untuk menguji apakah unit-unit kontrol yang telah dibuat dapat bekerja dengan baik dan sesuai dengan yang diharapkan. Uji fungsional pada unit kontrol stir kemudi, pedal akselerator dan tuas implemen meliputi kalibrasi pembacaan sensor terhadap besaran yang diukur serta validasi sistem kontrol. Pada unit kontrol pedal kopling dan pedal rem, parameter yang diukur adalah waktu yang dibutuhkan agar posisi pedal bergerak naik ke posisi maksimum atau bergerak turun ke posisi minimum. Pada unit pembaca dan pengolah data, kalibrasi dilakukan untuk membandingkan jarak hasil pengolahan GPS antara dua titik dengan jarak yang sebenarnya. 1. Unit kontrol stir kemudi Proses kalibrasi untuk menentukan persamaan yang terbentuk antara sudut putar roda depan dengan hasil pembacaan encoder. Sudut putar 0 menunjukkan bahwa kondisi roda depan dalam keadaan lurus, nilai negatif menunjukkan bahwa roda
66
depan berputar ke kanan, serta nilai positif menunjukkan bahwa roda depan berputar ke kiri. Berdasarkan persamaan yang terbentuk, sudut putar 0 bernilai 136. Sudut maksimum yang dapat dibentuk kearah kanan adalah sebesar 37 0, sedangkan kearah kiri, sudut yang terbentuk sebesar 530. Proses validasi sistem kontrol stir dilakukan untuk mengetahui keakuratan sistem kontrol yang dibuat. Hal ini ditunjukkan dengan besarnya nilai error yang terbentuk terhadap set point yang diinginkan. Berdasarkan hasil uji validasi, maka error ratarata yang terbentuk adalah sebesar 0.6440. Simpangan sudut terbentuk dikarenakan meskipun motor penggerak telah dimatikan pada sudut yang sesuai, motor masih bergerak sedikit akibat momen inersia. Grafik kalibrasi dan validasi dapat dilihat pada Gambar 49.
(a)
(b)
Gambar 49 Uji fungsional unit pengontrol traktor ; (a) Kalibrasi dan (b) validasi Berdasarkan proses validasi tersebut, maka uji respon dilakukan untuk mengetahui waktu yang dibutuhkan agar motor benar-benar dapat bergerak setalah diberi catu daya serta waktu yang dibuthkan untuk motor agar benar-benar berhenti setelah motor tidak dialiri catu daya. Uji respon dilakukan sebanyak 3 kali pada masingmasing arah putaran. Pada arah putaran kiri ke kanan, roda berada pada sudut 37 0 dan akan digerakkan ke set point -160, begitu juga pada arah putaran kanan ke kiri, stir akan digerakkan dari sudut -170 ke set point sudut 340. Grafik uji respon dapat dilihat pada Gambar 50.
67
Gambar 50 Grafik respon stir terhadap waktu Berdasarkan uji respon, maka motor baru akan bergerak ketika diberi catu daya selama 120 ms untuk putaran ke kanan dan 360 ms untuk putaran ke kiri. Motor baru akan berhenti ketika tidak ada arus yang mengalir selama 100 ms. Kecepatan sudut putar roda bagian depan kanan ke kiri adalah sebesar 23.630/s, sedangkan arah kiri ke kanan sebesar 24.83 0/s Berdasarkan hasil tersebut, secara umum motor akan mengalami overshoot sebanyak 30 jika sudut yang dibentuk cukup besar. Hal ini dikarenakan sistem kontrol masih berbentuk on-off sehingga kemungkinan overshoot terjadi. Untuk mengatasi hal tersebut, tipe kontrol yang sebaiknya digunakan adalah tipe kontrol bukan on-off seperti PID dan fuzzy logic. 2. Unit kontrol pedal kopling Waktu tempuh yang dibutuhkan unit kontrol untuk menggerakkan pedal kopling ke posisi minimum (turun) sebesar 2 detik sedangkan waktu tempuh yang dibutuhkan untuk menggerakkan pedal kopling ke posisi maksimum (naik) adalah sebesar 1 detik. Perbedaan waktu tersebut terjadi dikarenakan pada proses penurunan pedal kopling, pedal menekan pegas, sehingga gaya yang dibutuhkan lebih besar. Pada proses pedal kopling naik, pegas justru mendorong pedal ke posisi atas sehingga gaya lebih kecil dan waktu yang dibutuhkan lebih rendah.
68
3. Unit kontrol pedal akselerator Proses kalibrasi dilakukan dengan pembacaan nilai ADC pada setiap kecepatan putaran mesin (rpm), nilai-nilai yang dihasilkan digunakan untuk membuat persamaan konversi dari rpm mesin menjadi nilai ADC yang harus diinputkan ke mikrokontroler. Hasil kalibrasi menunjukkan bahwa perubahan nilai ADC bersifat polinomial terhadap perubahan persentase akselerasi. Waktu yang dibutuhkan unit untuk merubah kecepatan putaran mesin dari 1000 rpm menjadi 2500 rpm selama 0.34 detik. Uji validasi juga dilakukan pada sistem kontrol tuas akselerator untuk mengetahui besar error yang dihasilkan terhadap set point yang diinginkan. Rata-rata error yang dihasilkan adalah sebesar 2.71%. Hal ini dikarenakan motor masih bergerak meski arus sudah tidak mengalir dikarenakan adanya momen inersia serta tanpa adanya sistem brake internal pada motor. Hal ini dapat diatasi dengan mengubah tipe kontrol dari on-off menjadi bukan on-off seperti PID dan fuzzy logic. Hasil uji kalibrasi dan validasi dapat dilihat pada Gambar 51.
(a)
(b)
Gambar 51 Uji fungsional unit kontrol pedal akselerator; (a) kalibrasi dan (b) validasi
69
4. Unit kontrol pedal rem Waktu tempuh yang dibutuhkan unit kontrol untuk menggerakkan pedal rem ke posisi minimum (turun) sebesar 0.6 detik sedangkan waktu tempuh yang dibutuhkan untuk menggerakkan pedal rem ke posisi maksimum (naik) adalah sebesar 0.4 detik. Perbedaan waktu tersebut terjadi dikarenakan pada proses penurunan pedal rem, pedal menekan pegas, sehingga gaya yang dibutuhkan lebih besar. Pada proses pedal kopling naik, pegas justru mendorong pedal ke posisi atas sehingga gaya dan waktu yang dibutuhkan pun lebih kecil. 5. Unit kontrol tuas implemen Proses kalibrasi dilakukan dengan melakukan pembacaan nilai ADC pada setiap posisi tuas yang mengindikasikan tinggi lower link implemen, nilai-nilai yang dihasilkan digunakan untuk membuat persamaan konversi dari tinggi lower link implemen menjadi nilai ADC yang harus diinputkan ke mikrokontroler. Hasil kalibrasi menunjukkan bahwa perubahan nilai ADC bersifat linier terhadap perubahan tinggi lower link implemen. Tinggi lower link minimum adalah 35 cm, sedangkan tinggi maksumum adalah sebesar 83 cm. Terdapat perbedaan nilai ADC yang terbaca pada saat implemen naik jika dibandingkan dengan saat implemen turun. Uji validasi dilakukan untuk mengetahui besarnya error yang dihasilkan sistem kontrol terhadap set point yang diharapkan. Berdasarkan hasil pengujian, rata-rata error yang dihasilkan adalah sebesar 0.56 cm. Uji kalibrasi dapat dilihat pada Gambar 52. Uji validasi dapat dilihat pada Gambar 53.
Gambar 52 Grafik kalibrasi tinggi lower link implemen
70
Gambar 53 Grafik validasi sistem kontrol tinggi lower link implemen 6. Unit pembaca dan pengolah data GPS Pada unit pembaca dan pengolah data GPS, dilakukan kalibrasi konversi data GPS (longitude dan latitude) menjadi data UTM (x, y) berdasarkan persamaan (1) dan (2). Kalibrasi dilakukan dengan membadingkan jarak rela yang diukur dengan menggunakan meteran dengan jarak hasil perhitungan GPS. Hal ini juga dilakukan untuk mengetahui besaran Kx dan Ky pada koordinat lahan yang akan dilakukan pengujian penentuan Kx dan Ky dihitung menggunakan persamaan (10) dan (11). Hasil kalibrasi dapat dilihat pada Tabel 4. Tabel 4 Kalibrasi antara jarak real dengan hasil pengolahan GPS. Jarak Real (m) 20 20 30 30 40 40
Koordinat Longitude
Latitude
1.8627571
-0.1145474
1.8627539
-0.1145477
1.8627539
-0.1145538
1.862757
-0.1145534
1.8627568
-0.1145538
1.8627572
-0.1145491
1.8627574
-0.1145543
1.8627578
-0.1145496
1.8627573
-0.1145548
1.8627579
-0.1145486
1.8627549
-0.1145482
1.8627542
-0.1145545
Rata-rata
Kx (m/rad)
Ky (m/rad)
∆x (m)
∆y (m)
Jarak Hasil Perhitungan (m)
Error (m)
6336907
6336561
-19.78
-1.75
19.86
0.14
6336901
6336561
+19.63
+2.56
19.80
0.20
6336903
6336562
-2.95
+29.69
29.84
0.16
6336902
6336561
+3.02
+29.71
29.87
0.13
6336901
6336562
+4.00
+39.67
39.87
0.13
6336906
6336561
-3.94
-39.61
39.81
0.19
6336903
6336561
71
-
0.16
Berdasarkan hasil pengujian kalibrasi, maka persamaan yang digunakan untuk merubah data GPS menjadi data UTM cukup mendekati. Error yang dihasilkan diduga disebabkan adanya kesalahan pada pengukuran menggunakan meteran. Nilai ∆x bernilai (+) pada arah pergerakan menuju ke timur dan (-) pada arah pergerakan barat. Nilai ∆y bernilai (+) pada arah pergerakan utara dan (-) pada arah pergerakan selatan. Nilai Kx tidak terlalu berbeda pada setiap titik pengukuran dikarenakan koordinat titik-titik pengujian masih dibawah nilai menit pada derajat sudut GPS, begitu juga dengan nilai Ky. Berdasarkan hal tersebut, maka konversi data GPS ke data UTM dapat menggunakan nilai rata-rata untuk mempermudah proses perhitungan selanjutnya. Kx yang digunakan adalah 6336903 m/radian atau setara dengan 0.0184 m/(10 -5 menit) dan Ky yang digunakan adalah 6336561 m/radian atau setara dengan 0.0184 m/(10 -5 menit). nilai 10-5 menit diambil berdasarkan ketelitian yang dapat dibaca oleh GPS yang digunakan. Pengujian Kinerja Uji kinerja dilakukan untuk mengetahui kinerja sistem secara keseluruhan, baik dari pengolahan data GPS hingga aksi yang dilakukan oleh masing-masing aktuator. Parameter yang digunakan dalam setiap pengujian adalah besarnya simpangan yang terjadi terhadap lintasan set-point yang diinginkan. Set-up pengujian dapat dilihat pada Gambar 54. Antena radio rover - baseline
Antena GPS
Baseline GPS
Lahan pengujian
Traktor yang dikendalikan
Gambar 54 Set-up pengujian di lahan
72
Pada proses pengujian, kondisi lahan yang akan diuji diasumsikan ideal sebagaimana lahan yang akan diolah sehingga faktor eksternal berupa karakteristik tanah baik kadar air, tekstur serta tahanan penetrasi tanah diasumsikan tidak mempengaruhi besarnya simpangan yang terjadi. Pada kondisi traktor mengalami slip berat sehingga traktor tidak mampu bergerak sebagaimana mestinya, maka sistem akan menghentikan laju pergerakan traktor dan proses pengujian akan diulang kembali dari awal. Kondisi GPS pada saat pengujian berada pada kondisi RTK – DGPS, sehingga diasumsikan tidak terjadi simpangan akibat kesalahan pembacaan data GPS. Pengujian juga akan dihentikan apabila sistem tidak mampu membaca pesan GPS selama lebih dari 5 detik dan pengujian akan diulang apabila sistem pembacaan GPS telah kembali normal. Pengujian kinerja terdiri dari tiga tahap yaitu : pengujian dengan lintasan lurus, lintasan persegi panjang dan pengolahan tanah. 1. Pengujian lintasan lurus. Pada pengujian lintasan lurus, lintasan berupa 1 lintasan dengan jarak 30 m. Lintasan tersebut dibentuk berdasarkan dua titik ujung lintasan yang telah diinputkan sebelumnya kedalam sistem. Nilai simpangan dihitung berdasarkan delta antara posisi real traktor dengan lintasan set-point. Simpangan yang dibentuk dapat dilihat pada Tabel 5. Tabel 5 Hasil pengujian sistem navigasi lintasan garis lurus Ulangan
Parameter
Rata-rata
1
2
3
Simpangan maks (cm)
20.3
49
20.3
29.9
Simpangan rata-rata (cm)
9.5
17
9.5
12
Berdasarkan hasil pengujian tersebut, maka simpangan rata-rata yang terjadi, adalah sebesar 12 cm. Pengujian selanjutnya adalah dengan memberi perlakuan awal simpangan yang cukup besar di awal pergerakan traktor, untuk mengetahui kemampuan sistem dalam memperbaiki nilai error yang terjadi.
73
Ulangan 1
Ulangan 2 (a)
Ulangan 3
Ulangan 1
Ulangan 2 (b)
Gambar 55 Pegujian sistem navigasi lintasan lurus ; (a) tanpa simpangan dan (b) penggunaan simpangan awal Pengujian dilakukan dengan memberikan simpangan awal yang terletak di sebelah kiri jalur set point dengan besar simpangan 172 cm, dan pada pengujian kedua, simpangan awal yang terletak disebelah kanan lintasan dengan besar simpangan 263 cm. berdasarkan hasil pengujian, sistem mampu memperbaiki posisi traktor, sehingga traktor bergerak mendekati jalur set point dengan orientasi maju traktor yang sesuai. Koordinat hasil pengujian dapat dilihat pada Gambar 55. 2. Pengujian lintasan persegi panjang Pada pengujian ini traktor akan diperintahkan untuk bergerak membentuk persegi panjang sesuai dengan lintasan yang telah diatur. Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui kemampuan sistem dalam melakukan manuver belok. Lintasan tersebut dibuat berdasarkan kombinasi 4 titik pojok kotakan lahan. Lahan yang digunakan pada pengujian ini berukuran 40 x 20 m dengan titik belok berjarak 3.5 m dari ujung lintasan. Pengujian dilakukan sebanyak 3 kali ulangan. Koordinat pergerakan traktor dapat dilihat pada Gambar 56. Simpangan maksimum dan rata-rata dapat dilihat pada Tabel 6.
74
(a) Ulangan 1
(b) Ulangan 2
(c) Ulangan 3
Gambar 56 Pegujian sistem navigasi traktor lintasan kotak Tabel 6 Hasil pengujian sistem navigasi lintasan persegi panjang
Simpangan maks (cm) lurus
1 48.9
Ulangan 2 28.98
3 31.35
Simpangan rata-rata (cm) lurus
14.91
9.94
9.87
11.6
Simpangan maks (cm) belok
84.55
84.79
46.72
72.0
Simpangan rata-rata (cm) belok
37.15
37.15
31.07
35.0
Parameter
Rata-rata 36.4
Berdasarkan hasil pengujian, simpangan yang terjadi akibat manuver belok cukup besar, akan tetapi sistem mampu mengembalikan traktor ke lintasan set-point, sehingga simpangan rata-rata pada lintasan lurus kecil. Berdasarkan hal tersebut, maka pengujian dapat dilanjutkan ke pengujian yang terakhir berupa pengujian pengolahan lahan menggunakan garu rotari. 3. Pengujian pengolahan tanah Pengujian terakhir berupa pengujian pengolahan tanah menggunakan rotary harrower. Lahan yang digunakan berukuran 40 x 20 m. RPM mesin diset pada 2200 rpm, dengan tinggi lower link implemen diset 35 cm atau posisi maksimum menyentuh tanah pada lintasan olah dan terangkat maksimum (83 cm) pada lintasan belok serta area belok. Pengujian hanya dilakukan pada satu pola pengolahan tanah yaitu pola overlapping alteration dengan lebar kerja disesuaikan dengan lebar kerja 75
implemen yang digunakan berupa garu rotari sebesar 1.6 m. Pemilihan pola ini dilakukan karena mekanisme belok yang digunakan tanpa menggunakan rem kanan atau kiri, sehingga radius putar yang digunakan masih cukup besar yaitu 3.6 m. lebar lahan olah yang akan diuji harus lebih besar dari 4 kali radius putar sehingga lahan mampu diolah seluruhnya. Koordinat pergerakan traktor dapat dilihat pada Gambar 57. Simpangan maksimum dan rata-rata yang terjadi dapat dilihat pada Tabel 7.
Ulangan 1
Ulangan 2
Ulangan 3
Gambar 57 Pegujian sistem navigasi traktor pada pengolahan tanah menggunakan rotary harrower Tabel 7 Hasil pengujian sistem pada pengolahan tanah
Simpangan maks (cm) lurus
1 82.3
Ulangan 2 50.4
3 61.5
Simpangan rata-rata (cm) lurus
22.1
14.2
17.5
17.9
Simpangan maks (cm) belok
224.7
195.5
186.5
202.3
Simpangan rata-rata (cm) belok
52.6
71
54.9
59.5
Parameter
Rata-rata 64.7
Berdasarkan hasil pengujian, simpangan yang terjadi pada lintasan lurus memiliki nilai rata-rata 17.9 cm, hal ini masih dapat ditolerir pada pengolahan tanah, dikarenakan lebar kerja alat 1.6 m. Beberapa faktor yang mungkin menyebabkan simpangan yang tejadi antara lain: algoritme pengolahan dan penentuan aksi yang harus dilakukan traktor masih sederhana, hanya berdasarkan simpangan dan error
76
orientasi pada satu waktu, sehingga pergerakan traktor masih kasar. Pengembangan algoritma diperlukan agar penentuan sudut belok yang harus dilakukan lebih baik seperti penggunaan beberapa series posisi traktor, sehingga orientasi maju traktor lebih baik dan simpangan yang dihasilkan pun menurun. Pengambilan keputusan sudut belok juga sebaiknya menggunakan algoritme yang lebih kompleks seperti PID ataupun fuzzy logic. Waktu yang dibutuhkan untuk mengolah data GPS menjadi suatu tindakan adalah 18 ms pada kondisi laptop normal. Besarnya getaran dapat menurunkan kinerja prosesor laptop sehingga waktu yang dibutuhkan pun lebih lama. Hal ini juga menyebabkan waktu yang dibutuhkan untuk menerima data GPS dan mengirimkan perintah ke mikrokontroller lebih lama. Hal ini diduga menjadi penyebab masih terdapat data GPS yang terpotong atau tidak sempurna diterima oleh komputer pengendali. Hal yang dilakukan apabila kejadian tersebut terjadi adalah dengan menduga posisi traktor berdasarkan delta posisi sebelumnya. Pada saat masalah tersebut terjadi, sistem menduga posisi traktor dengan menggunakan sistem dead reckoning, yaitu menduga posisi traktor berdarkan posisi terakhir serta asumsi jarak yang terjadi berdsarkan delta perubahan posisi sebelumnya. Contoh data GPS yang tidak sempurna dan data yang sempurna diterima oleh komputer pengendali dapat dilihat pada Gambar 58.
821,S,10643.68739,E,4,10,0.9,208.701, M,1.035,M,1.2,0444*61
$GPGGA,025723.00,0633.80999,S,106 43.68731,E,4,10,0.9,208.701,M,1.035, M,1.0,0444*61
(a)
(b)
Gambar 58 Pesan GPS yang diterima; (a) pesan terpotong dan (b) pesan sempurna Pengolahan menggunakan rotary umumnya dilakukan setelah proses pengolahan tanah menggunakan bajak, sehingga kondisi tanah pun bergelombang. Hal ini menyebabkan traktor mengalami kesulitan dalam memperbaiki sudut roda depan dikarenakan torsi yang dibutuhkan menjadi lebih besar. Hal ini diduga meningkatkan nilai simpangan yang terjadi. Kondisi tanah sebelum dan sesudah pengolahan dapat dilihat pada Gambar 59.
77
(a)
(b)
Gambar 59 Kondisi tanah pengujian; (a) sebelum pengolahan dan (b) setelah pengolahan Hubungan antara besaran simpangan yang terjadi dengan waktu yang dibutuhkan untuk mengembalikan traktor ke lintasan set-point berbentuk logaritmik. Semakin besar simpangan, maka waktu yang dibutuhkan per satuan jarak semakin kecil, yang berarti semakin besar simpangan, semakin besar pula perubahan perbaikan simpangan tersebut. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 60.
Gambar 60 Hubungan besar simpangan dan waktu yang dibutuhkan untuk kembali ke lintasan set-point Hubungan yang terjadi antara besar simpangan dan panjang lintasan yang dibutuhkan untuk kembali ke lintasan set-point pun membentuk sebuah persamaan logaritmik. Hal ini dapat dilihat pada Gambar 61. Hal ini berarti semakin besar
78
simpangan yang terjadi, semakin besar pula panjang lintasan perbaikan simpangan yang terjadi. Nilai simpangan yang digunakan adalah simpangan maksimum yang terjadi pada setiap lintasan terutama ketika traktor selesai melakukan manuver belok. Contoh pengambilan simpangan maksimum dapat dilihat pada Gambar 62.
Gambar 61 Hubungan besar simpangan dan panjang lintasan yang dibutuhkan untuk kembali ke jalur set-point
Simpangan maksimum lintasan 1
Simpangan maksimum lintasan 1
Panjang lintasan perbaikan
Panjang lintasan perbaikan
Gambar 62 Contoh penentuan simpangan terbesar dan panjang lintasan perbaikan
79
Terdapat perbedaan waktu perbaikan dengan panjang lintasan perbaikan yang dibutuhkan antara hasil pengujian dengan teori yang dibangun. Hal ini dipengaruhi oleh adanya delta orientasi yang terjadi antara orientasi real dengan orientasi yang seharusnya sehingga dibutuhkan waktu bagi traktor untuk membentuk orientasi yang seharusnya. Hal yang mungkin mempengaruhi juga adalah penentuan besarnya sudut roda depan yang harus dibentuk berdasarkan delta orientasi tersebut belum maksimal, sehingga perlu diperbaiki aturan (rules) penentuan sudut roda depan traktor. Secara umum sistem telah bekerja cukup baik, dikarenakan meskipun simpangan maksimum yang terjadi pada saat
belok cukup besar, sistem mampu
mengembalikan traktor ke jalur set point yang diharapkan, sehingga simpangan yang terjadi pada lintasan lurus menjadi lebih kecil.
80
VI
KESIMPULAN DAN SARAN
Kesimpulan Sistem kemudi otomatis traktor pertanian telah berhasil dibangun. Sistem kontrol yang dibangun meliputi sistem kontrol stir, akselerator, pedal kopling, pedal rem serta tuas implemen. Pengujian fungsional yang dilakukan meliputi uji kalibrasi dan validasi pada masing-masing aktuator. Hasil uji fungsional menunjukkan bahwa masing-masing unit kontrol telah bekerja dengan baik. Perangkat GPS digunakan sebagai penentu posisi traktor. Sistem pembacaan dan pengolahan data GPS dibangun menggunakan Microsoft Visual Basic 6.0. Pengolahan data GPS dilakukan dengan mengolah simpangan posisi traktor terhadap jalur set point dan menentukan sudut yang harus dibentuk oleh roda depan traktor. Pengujian lapang telah dilakukan pada jalur set point lurus, kotak dan pengolahan lahan menggunakan rotari. Hasil dari pengujian pengolahan tanah menunjukkan bahwa sistem telah bekerja dengan baik dengan simpangan rata-rata pada lintasan lurus sebesar 17.9 cm dan pada lintasan belok sebesar 59.5 cm . Saran Sistem pengolahan data GPS masih perlu dikembangkan untuk menghindari adanya data yang tidak terolah. Pengembangan algoritme penentuan aksi traktor perlu dikembangkan sehingga simpangan yang dihasilkan menjadi lebih kecil, seperti pengaplikasian algoritme PID ataupun fuzzy logic. Mekanisme sistem kontrol tuas porseneling perlu dikembangkan, agar traktor dapat diatur maju-mundur sehingga radius putar yang dihasilkan lebih kecil dan posisi belok pun lebih akurat, begitu juga dengan pemisahan sistem kontrol pedal rem menjadi kontrol rem kanan dan kiri. Penggunaan sensor lain seperti kompas digital, kamera CCD maupun laser range finder perlu dikembangkan agar penentuan arah maju traktor maupun pendeteksian rintangan dapat dilakukan sehingga sistem mampu bekerja lebih baik.
81
82
DAFTAR PUSTAKA Ahamed Tofael. 2006. Navigation of an Autonomous Tractor Using Multiple Sensors [Disertasi]. Tsukuba: Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba. Ahmad Usman, Desrial, Saksono Mudho. 2011. Pengembangan Metoda Deteksi Rintangan Menggunakan Kamera CCD untuk Traktor Tanpa Awak. Prosiding Seminar Nasional Perteta; Bandung, 6-8 Desember 2011. Annas MS. 2012. Otomasi Kemudi Pada Traktor 4 Roda Menggunakan Labview dan RTK-DGPS (Studi Kasus Traktor Mini Empat Roda). [Disertasi]. Bogor: Sekolah Pascasarjana, Institut Pertanian Bogor. Apostopoulos D, Michael W, Whittaker WR. 1999. Technology and Field Demonstration Results in The Robotic Search for Antarctic Meteorites. Proceedings of the International Conference on Field and Service Robotics; 1999. pp. 185-190. Arnholt M, Batte M, Prochaska S. 2001. Adoption and Use of Precision Farming Technologies: A survey of Central Ohio Precision Farmers. AECE-RP-001101. Agricultural, Environmental and Development Economics, Ohio State University, Columbus, USA (http://aede.osu.edu/resources/ docs/pdf/37B50AE8-D5F7-4350-89C9F68B962F3604.pdf)[15 Juni 2011] Atmel. 2010. 8 bit AVR Microcontroller with 128K bytes In-System Programmable Flash: ATmega128, ATmega128L. Atmel (http://www. atmel.com/dyn/resources/prod_documents/doc8151.pdf) [17 Nov 2010] Auernhammer Hermann. 2000. Precision Farming for the Site-Specific Fertilization. Paper Publication of Institut fur Landtechnik der TUM in FreisingWeihenstephan.Germany. Barnet Richard, O’Cull Larry, Cox Sarah. 2006. Embedded C Programming and the Atmel AVR 2nd Edition. Canada : Thomson Learning Inc. Bell Thomas. 2000. Automatic Tractor Guidance Using Carrier-Phase Diffrential GPS. Computers and electronics in Agriculture Journal. Elsevier Science B.V. 25(2000) 53-66. Borrenstein J, Koren Y. 1998. Obstacle Avoidance with Ultrasonic Sensors. IEEE Journal of Robotics and Automation, vol. 4, no. 2, pp. 213-218, April 1998 Brasse T. 2005. Precision Agriculture. New York: Thomson Delmar Learning. De Luca A, Oriolo G, Samson C.1998. Feedback Control of a Nonholonomic Car-Like Robot. Lecture Notes in Control and Information Sciences 229, Laumond JP (Ed). Springer Verlag. 171-253
83
Easterly Dwight R., Viacheslav I. Adamchuk, Michael F. Kocher, Roger .2010.Using a Vision Sensor System for Performance Testing of Satellite-Based Tractor Autoguidance. Computers and electronics in Agriculture Journal. Elsevier Science B.V. 72(2010) 107-118. Ehsani MR, Sullivan MD, Zimmerman TL, dan Stombaugh T. 2003. Evaluating the dynamic accuracy of low-cost GPS receivers. ASAE Paper No. 031014.
El-Rabbany A. 2002. Introduction to GPS : Global Positioning System. Boston : Artech House. Holtmann W., 1999. Same SDS sequential drive system: one button-eight operations. Profi Int. 99 (10),46–48. Joni, I Made. Raharjo, Budi. 2006. Pemrograman C dan Implemenasinya. Bandung: Penerbit Informatika. Junyusen P. 2005. Development of Guidance System of an Agricultural Trailer for Approaching to Target Position [Disertasi]. Tsukuba: Graduate School of Life and Environmental Sciences, University of Tsukuba. Perez LG, Garcia-Alegre MC, Ribeiro A, Guinea D. 2008. An Agent of Behaviour Architecture for Unmanned Control of a Farming Vehicle. Computers and Electronics in Agriculture Elsevier Science B.V. 60 (2008) 39 – 48. Rains GC, Thomas DL. 2009. Precision Farming: An Introduction. Bulletin the Cooperative Extension Service the University of Georgia College of Agricultural and Environmental Sciences 1186 (http://www.caes.uga. edu/pplications/publications/files/pdf/B%201186_2.PDF) [10 Juni 2011] Stephen SC, Rasmusen VP. 2010. High End DGPS and RTK Systems. Geospatial Extension Program Peridic Report; March 2010. (http://extension.usu.edu/nasa/files/uploads/GTK-tuts/RTK_DGPS.pdf) [27 Januari 2013] Scarlett AJ.2001.Integrated Control Of Agricultural Tractors And Implemens: a Review of Potential Opportunities Relating to Cultivation And Crop Establishment Machinery. Computers and Electronics in Agriculture Elsevier Science B.V. 72 (2010) 107-118. 30 (2001) 167–191. Searcy SW. 1997. Precision Farming: A New Approach to Crop Management.: Texas Agricultural Extension Service. College Station. L-5177 (http://txprecag.tamu.edu/content/pub/pf-ncm.pdf) [15 Juni 2011] Setiawan RPA. 2001. Development of Variable Rate Granular Aplicator for Paddy Field [Researc Report]. Jepang : Kyoto University. Shields D A. 1998. Precision Agriculture: Information Technology for Improved Resource Used. Agricultural Outlook, April 1998. Economic Research Service: USDA. 84
Singh AK. 2007. Precision Farming. New Delhi. (http://www.iasri.res.in/ebook/ EBADAT/6-Other%20Useful%20Techniques/ 14-Precision%20Farming%20 Lecture.pdf) [ 27 Januari 2013] Snyder JP. 1987. Map Projections – A Working Manual. US Geological Survey Professional Paper 1395. (http://pubs.er.usgs.gov/publication/pp1395) [15 Juni 2012] Srivastava AK, Goering CE, Rohrbach RP, Buckmaster, DR. Engineering Principles of Agricultural Machines. Ed ke-2. Michigan: ASABE. Stombaugh T, Shearer SA, Fulton J, Ehsani MR. 2002. Elements of a dynamic GPS test standard. ASAE Paper No. 021150. Sudduth KA. 1999. Engineering Technologies for Precision Farming. Journal of Production Agriculture 7:249-256. (http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/ download?doi=10.1.1.42.4803&rep=rep1&type=pdf) [15 Juni 2011] Tim Teknis Nasional. 2007. Konsep GIS. UNDP. Usman. 2008. Teknik Antarmuka dan Pemrograman Mikrokontroller AT89S52. Jakarta: Penerbit Andi.
85
Lampiran 1. Deskripsi pesan GPS tipe “GPGGA”
No Field
Keterangan
1
ID tipe pesan
2
Waktu universal (UTC) dengan format HHMMSS.SS
3
Sudut lintang (latitude) dengan format DDMM.MMMMM
4
Arah lintang (N = utara (north) dan S = selatan (south)
5
Sudut bujur (longitude) dengan format DDMM.MMMMM
6
Arah bujur
7
Indikator kualitas GPS
(W = barat (west) dan E = timur (east)
0 = GPS belum siap 1 = GPS fix 2 = DGPS fix
4 = RTK fix 5 = RTK float
8
Jumlah satelit yang digunakan
9 10
Nilai HDOP (Horizontal Dilution of Precision) yang menunjukkan presisi pembacaan GPS Tinggi antenna (altitude)
11
Unit tinggi altitude dalam satuan meter (M)
12 13
Geoidal separation merupakan perbedaan ketinggian ellipsoid Bumi dengan tinggi permukaan laut (geoid). Unit tinggi geoidal separation dalam satuan meter (M)
14
Waktu koreksi data GPS
15
ID base station
86
Lampiran 2. Contoh Pengolahan Data GPS Titik referensi : latitude longitude
= (-060 33.80679’) = (1060 43.68697’)
= -0.114553751703498 rad = 1.86275703155932 rad
Koefisien konversi : Ky = 6336561 m/rad Kx = 6336903 m/rad Contoh data GPS $GPGGA,045555.20,0633.80534,S,10643.68688,E,4,09,0.8,207.691,M,1.035,M,1.2,0444*62
t-1
$GPGGA,045555.40,0633.80528,S,10643.68689,E,4,09,0.8,207.700,M,1.035,M,1.4,0444*67 $GPGGA,045555.60,0633.80522,S,10643.68689,E,4,09,0.8,207.707,M,1.035,M,1.6,0444*6A $GPGGA,045555.80,0633.80516,S,10643.68689,E,4,09,0.8,207.706,M,1.035,M,0.8,0444*6D $GPGGA,045556.00,0633.80510,S,10643.68689,E,4,09,0.8,207.718,M,1.035,M,1.0,0444*66 $GPGGA,045556.20,0633.80504,S,10643.68689,E,4,09,0.8,207.718,M,1.035,M,1.2,0444*63
t
$GPGGA,045556.40,0633.80499,S,10643.68690,E,4,09,0.8,207.718,M,1.035,M,1.4,0444*6E $GPGGA,045556.60,0633.80493,S,10643.68691,E,4,09,0.8,207.718,M,1.035,M,1.6,0444*65 $GPGGA,045556.80,0633.80487,S,10643.68691,E,4,09,0.8,207.720,M,1.035,M,0.8,0444*6A $GPGGA,045557.00,0633.80481,S,10643.68691,E,4,09,0.8,207.719,M,1.035,M,1.0,0444*66
Pengolahan dilakukan pada data yang diberi tanda. Berdasarkan data GPS, informasi yang didapat berupa : Titik pengukuran (t): Latitude
= -060 33.80504’
Longitude
= 1060 43.68689’ = 1.86275700828827 rad
= - 0.114553242649133 rad
(tanda negatif menunjukkan lintang utara ataupun bujur barat)
Titik 1 detik sebelum pengukuran (t-1): Latitude
= -060 33.80534’
Longitude
= 1060 43.68688’ = 1.86275700537938 rad
= -0.114553329915595 rad
(tanda negatif menunjukkan lintang utara ataupun bujur barat)
87
Posisi traktor berada pada lintasan yang memiliki persamaan garis dan orientasi sebagai berikut : Persamaan garis lintasan : Orientasi = tan-1(131.775) = 1.5632 rad = 89.565 0 Nilai simpangan dihitung menggunakan persamaan: – Orientasi real traktor dihitung menggunakan persamaan : n
n
Orientasi relatif = Berdasarkan error, orientasi yang seharusnya (Ori) dihitung menggunakan persamaan
Delta orientasi dihitung menggunakan persamaan: Delta_ori = Ori – Orireal = Berdasarkan Tabel 3, maka sudut roda depan yang dibentuk adalah sebesar 30 ke arah kiri.
88
Contoh script program untuk perhitungan error, orientasi real dan delta orientasi :
89
Lampiran 3. Outback® S3 GPS Guidance and Mapping System
Computer (CPU) Processor 500 MHz AMD Memory 512KB SDRAM Storage 1 GB Solid State Internal, USB 2.0 External Thumbdrive Operating System Microsoft Windows XP Embedded Specific/Dedicated to Outback S3 Application Display type LCD 640x480 VGA, CCFT Backlit, TFT Touchscreen, 8.4 inch Mechanical Type: Aluminum with Rubber Gaskets Size: 7.5" h x 9.2" w x 2.7" d Weight: 4.4lbs. Mount adjustable ball mount with U-bolt base (NO suction cup mounting provided) GPS Sensor Receiver Type: Crescent ® L1, C/A code, with carrier phase smoothing (patented COAST™ technology during differential signal outage) Channels: 12-channel, parallel tracking (10-channel when tracking WAAS) Differential Type: RTK, SBAS (WAAS) Update Rate: 10 Hz 90
Antenna: CDA-3RTK with magnetic mount Communications Serial Port 1 full duplex RS232, DB-9(F) CAN-Power Circular 7-pin USB 2.0 Host, A-Type Differential Input Dedicated RTK Differential Serial Input, Circular 8-pin Ground Speed Interface Pulse Out, Range; 0.5 - > 200mph, Circular 6-pin Data I/O Protocol NMEA 0183, SLX binary, NMEA 2000 Environmental Operating Temperature: +14° to +122°F Storage Temperature: -4° to +140°F Power Input Voltage 9 - 16 VDC (Reverse and Over-Voltage Protected) 1.5 ampere at 12 VDC Power cable designed to go directly to battery or other reliable 12 volt power (NO cigarette lighter adapter included) Cables Antenna Cable: RF-Coax, 90° TNC(M) to 90° N(M), 26ft. CAN-Power Cable: 90° 7-pin Circular Split to CAN 7-pin Circular, Power Delphi(F), Remote Delphi(M), 15ft. Battery Cable Power:Delphi(M)to 2-5/16in. Ring Terminal, In-Line 5A Fuse, 6 ft. Foot Switch Run/Hold Delphi(F)
91
Lampiran 4. DT-AVR Low Cost Micro System
Dimensi: 8,6 cm (P) x 7,2 cm (L) x 1,8 cm (T) Spesifikasi: Dua 8-bit Timer/Counter, satu 16-bit Timer/Counter, dan Real Time Counter 4 channel PWM Two-wire Serial Interface Programmable Serial USART (Universal Synchronous and Asynchronous serial Receiver and Transmitter) Master/Slave SPI Serial Interface Programmable Watchdog Timer On-chip Analog Comparator Internal Calibrated RC Oscillator Mendukung varian AVR® 40 pin antara lain: AT90S8535, ATmega8535L, ATmega16(L), ATmega8515(L), AT90S8515, dan ATmega162(L) (Seri AVR® yang tidak memiliki ADC membutuhkan converter socket) Memiliki fasilitas In-System Programming untuk IC yang mendukung, dilengkapi LED Programming Indicator Memiliki hingga 35 pin jalur input/output
92
Lengkap dengan osilator 4 MHZ dan memiliki kemampuan komunikasi Serial UART RS-232 yang sudah disempurnakan Lengkap dengan rangkaian reset, tombol manual reset, dan brown-out detector Menggunakan tegangan input 9 - 12 VDC dan memiliki tegangan output 5 VDC
93
Lampiran 5. EMS 30A H-Bridge
Dimensi : 7.4 cm (p) x 6.1 cm (l) x 1.9 cm (t).
Spesifikasi : Terdiri dari 1 driver full H-Bridge. (IC VNH2SP30 memiliki fitur current sense). Driver mampu melewatkan arus kontinu 30 A dan mendukung tegangan beban dari 5,5 V sampai 36 V (IC VNH2SP30 hanya sampai 16V). Input kompatibel dengan level tegangan TTL dan CMOS. Output tri-state. MOSFET output dengan resistansi drain-source rendah (typ. 0,034 ohm). Mendukung kontrol PWM dengan frekuensi sampai 20 Khz. Fault detection. Proteksi hubungan singkat dan proteksi overtemperature. Undervoltage and overvoltage shutdown. Reverse battery protection. Jalur catu daya input (logika) terpisah dari jalur catu daya untuk beban. Desain PCB standar industri dengan bahan 2 layer FR4 dan plated through hole (PTH). Kompatibel dengan SPC Gamepad Interface serta mendukung sistem mikrokontroler.
94
Lampiran 6. EP50S8-360-2R-P-24 Autonics Absolute Encoder
Dimensi : 50 mm (d) x 55.5 mm (l), diameter shaft 8 mm.
Spesifikasi : Tegangan input : 12 – 24 V Tipe : Absolute Resolusi : 360/putaran Output Jenis output : Binary Control output : PNP open collector Tegangan output : Tegangan input – 1.5 V Arus output : max. 32 mA Frekuensi respon maksimum : 35 kHz Suhu lingkungan : -10 – 70 0C Kelembaban udara lingkungan : 35 – 85%
95
Lampiran 7. Skema Rangkaian Kontrol
96
