1
RANCANG BANGUN STABILITAS SILUMANS1 (SPACE INTEGRATED PAYLOAD UMANNED SYSTEM) BERBASIS LOGIKA FUZZY Muchammad Nizar Aditya Pradhana, Fitri Adi Iskandarianto Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Indonesia E-mail:
[email protected]
Abstrak— Kebutuhan akan wahana yang handal dalam keadaan darurat dan nirawak pada daerah bencana ataupun untuk kebutuhan observasi cuaca sangat besar di negara kepulauan seperti Indonesia. Karena nirawak maka dibutuhkan suatu kontrol otomatis untuk kestabilan terbangnya. Salah satu kontrol yang dapat digunakan secara otomatis adalah dengan menggunakan kontrol logika fuzzy. Pemilihan logika fuzzy sebagai kontrol pada wahana ini adalah kesederhanaan metodenya dan dapat dengan mudah diimplementasikan pada banyak hal. Pada perancangan ini komponen hardawere yang dibutuhkan adalah antara lain accelerometer, gyroscope dan kompas sebagai sensor, arduino UNO sebagai kontroller dan empat buah Electronic Speed Controller (ESC) sebagai aktuator. Selain merancang hardware, dibutuhkan simulasi pada matlab sebelum dilakukan perancangan logika fuzzy pada ardino. Untuk bisa stabil, nilai sudut pada Roll, Pitch dan Yaw harus 0 semua. Logika fuzzy pada pengendalian ini mengendalikan agar agar nilai ketiganya bisa kembali ke posisi nilai 0 jika terjadi perubahan Kata kunci-Logika Fuzzy ,accelerometer,gyoscope, roll, pitch, yaw
I. PENDAHULUAN Kebutuhan sebuah alat untuk mengambil data yang handal dalam keadaan darurat seperti dalam keadaan darurat bencana, mata mata nirawak atau pemantau keadaan dari ketinggian dan mengambil informasi cuaca sangat tinggi. Untuk itu dibutuhkan sebuh alat yang bisa terbang manuver dengan lincah diudara. Selain bisa bermanuver, alat ini harus bisa stabil jika ada gangguan dari lingkungan sekitar. Alat observasi mobile SILUMANS-1(Space Integrated Payload Unmanned System) yang berupa Quadrorotor dibuat untuk memenuhi kebutuhan ini. Quadrotor merupakan pesawat tanpa awak yang memiliki empat buah motor dan baling-baling di tiap ujung-ujung kerangka utama. Bagian tengah digunakan untuk peletakan sumber daya (baterai), sistem kontrol, dan sensor dari quadcopter. Sistem kontrol tersebut digunakan untuk mengatur kecepatan dari tiap-tiap motor sesuai dengan gerakan yang diinginkan Dari namanya alat ini harus otomatis dan tanpa awak (UnManned) karena sangat diperlukan untuk efisiensi dan kepraktisan dalam pengoprasiannya. Alat observasi mobile ini kemungkinan besar akan menghadapi gangguan oleh angin. Untuk itu, Quadrotor harus stabil terhadap gangguan angin karena itu perancangan stabilitas wahana sangat diperlukan. Pergerakan quadrotor ini dipengaruhi oleh kecepatan putar pada setiap rotornya.untuk mengendalikan kecepatan putar pada masing - masing rotornya diperlukan suatu sistem pengendalian. Dengan sistem pengendalian, nilai kecepatan
setiap rotor dapat diatur secara otomatis jika attitude dari quadrotor berubah. Kemudian ketika ada gangguan dari luar sperti terpaan angin dan menjadikan posisi dan orientasi berubah maka Quadrorotor dapat mengembalikan orientasi dan posisi pada kondisi semula sehingga Quadrotor masih dapat berjalan dengan stabil. Pada penelitian sebelumnya, digunakan kontrol kendali PID untuk mengendalikan setiap rotornya. Dengan metode kontrol kendali PID ini terdapat beberapa kekurangan antara lain kurang fleksibel sehingga jika ada kondisi di luar set point suah untuk dikendalikan, oleh karena itu, pada penelitian ini digunakan logika fuzzy sebagai sebagai kontrol kendalinya dikarenakan bebrapa kelebihan antara lain sederhana algoritmanya sehingga mudah dimengerti, fleksibel dan mampu memodelkan fungsi non linear yang kompleks. II. URAIAN PENELITIAN Perancangan dan implementasi ini akan dilakukan dengan beberapa tahap. Tahapan tersebut akan dijelaskan dengan flowchart pada gambar 1: Mulai
Studi Literatur
Perancangan Logika Fuzzy pada Matlab
Pembuatan Hardware
Integrasi Logika Fuzzy dan Arduino Tidak
Perancangan Logika Fuzzy pada software Arduino Uji Stabil? Tidak Ya
Performansi kestabilan baik?
Analisa Data dan Pembahasan Ya
Penyusunan Buku Laporan
Selesai
Gambar 1 Diagram Alur Metodologi Penelitian
2
A. Pembuatan Hardware Elektrik Berupa perakitan beberapa komponen yang telah diketahi karakteristiknya masing – masing. Memasang dan merakit semua hardware yang dibutuhkan. Perakitan dilakukan seperti diagram di bawah ini. ESC 1
Brushless Motor 1
ESC 2
Brushless Motor 4
ESC 3
Brushless Motor 3
ESC 4
Brushless Motor 4
6 DOF IMU ITG-3200/ ADXL345
ARDUINO UNO
HMC5883L
Vcc : Digunakan sebagai pin catu daya masukan mikrokontroler GND : Sebagai Ground Port B : Digunakan sebagai port I/O 8 bit dengan pull-up resistor internal. Selain itu, pin PB:6 dapat digunakan sebagai inverting oscillator amplifier dan masukan internal clock. Port C : Digunakan sebagai port I/O 7 bit yang dilengkapi oleh pull-up resistor internal. PC6/RESET : Jika fungsi RSTDISBL tidak diprogram, maka pin ini berfungsi sebagai reset. Port D : Berfungsi sebagai port I/O 8 bit yang dilengkapi dengan pull-up resistor. AVcc : Berfungsi sebagai catu daya untuk pin ADC pada Arduino AREF : Berfungsi sebagai referensi pin ADC ADC7:6: Berfungsi sebagai masukan ADC 10 bit.
Gambar 2 Diagram Perancangan Hardware
Seperti pada gambar, perancangan dilakukan dengan menghubungkan sensor – sensor dengan mikrokontroler Arduino UNO dengan komunikasi I2C. Kemudian untuk aktuatornya yang berupa Electronic Speed Controler (ESC) dihubungkan dengan keluaran analog (PWM) pada Arduino UNO. Untuk lebih jelasnya tentang bagian – bagian rangkaian akan dijelaskan pada sub bab di bawah ini. Mikrokontroller ATMEGA 328 (Arduino UNO) Arduino adalah sebuah platform dari physical computing yang bersifat open source. Arduino ini terdiri dari software dan hardaware. Hardware arduino sama seperti mikrokontroler yang hanya pada arduino ditambahkan penamaan pin agar mudah diingat. Pemrograman dalam Arduino ini menggunakan Arduino Programming Language dimana struktur bahasanya berdasarkan wiring pada board dan mirip dengan bahasa C yang banyak digunakan pada mikrokontroler lainnya. Untuk melakukan proses download program ke dalam Arduino tidak memerlukan rangkaian downloader karena dalam minimum system Arduino tersebut telah dilengkapi oleh bootloader internal sehingga proses downloading menjadi lebih mudah untuk dilakukan. Konfigurasi pin pada Arduino UNO dapat dilihat pada gambar di bawah ini
Gambar 3 Konfigurasi pin Arduino UNO
Keterangan :
Gambar 4 Board Arduino UNO
Gambar tersebut merupakan bentuk fisik dari minimum system Arduini UNO. Arduin UNO memiliki 14 buah digital port I/O (6 pin diantaranya dapat digunakan sebagai keluaran sinyal PWM). 6 analog input, 16 MHz Ceramics Clock, pushbutton Reset, dan koneksi dengan USB. Untuk mengetahui lebih lengkap spesifikasi Arduino UNO dapat dilihat pada tabel di bawah ini. Tabel 1 Spesifikasi Arduino UNO Microcontroller Arduino Uno Operating Voltage 5V Input Voltage (Recommended) 7 – 12 V Input Voltage (Limit)
6 – 20 V
Digital I/O Pins Analog Inputs
14 Pins ( 6 Pins for PWM) 6 Pins
DC current per I/O pins DC current for3.3 V Flash Memory SPROM EEPROM Clock Speed
40 mA 50 mA 32 kB 2 kB 1 kB 16 MHz
6DOF IMU ITG-3200/ADXL345 Accelerometer adalah sebuah tranduser yang berfungsi mengukur percepatan., mendeteksi dan mengukur getaran,
3 ataupun untuk mengukur percepatan akibat gravitasi bumi. Accelerometer juga dapat digunakan untuk mengukur getaran yang terjadi pada kendaraan, bangunan, mesin dan bisa juga digunakan untuk mengukur getaran yang terjadi di dalam bumi. Gyroscope adalah device yang berguna untuk menentukan orientasi gerak dan kecepatan sudut yang berotasi dengan cepat pada poros sumbu dari segala arah. Gyroscope ini hanya dapat bekerja jika ada Accelerometer. Gyroscope memiliki keluaran berupa kecepatan sudut dari arah 3 sumbu yaitu: sumbu x yang nantinya akan menjadi sudut phi (kanan dan kiri) dari sumbu y nantinya menjadi sudut theta (atas dan bawah), dan sumbu z nantinya menjadi sudut psi (depan dan belakang). Keluaran dari Accelerometer dan Gyroscope ini kemudian dijadikan sebuah masukan perhitungan untuk menghasilkan nilai sumbu x yang nantinya menjadi sudut roll, dari sumbu y nantinya menjadi sudut pitch sedangkan dari sumbu z nantinya menadi sudut yaw. Dari nilai sudut – sudut inilah dapat diketahui kestabilan pesawat yang kemudia dapat mengatur kecepatan putar dari keempat baling balingnya. Combo Board ITG3200 Accelerometer – ADXL345 Gyroscope Merupakan sebuah board atau papan PCB kecil 6 Degree of Freedom Inertia Measurment Unit (6DOF IMU) yang berisi dua buah sensor Acceleromter dan Gyroscope dengan komunikasi interface 12c
Gambar 6 Scematic ADXL345
Keterangan : VDD I/O : catu daya interface digital GND : Sebagai Ground Vs : Catu Daya CS : Sebagai Chip Select INT1 : Sebagai Interupt 1 Output INT2 : Sebagai Interupt 2 Output SDO/ALT Addres : Sebagai serial data output 12c Addres select SCL/SCLK : Sebagai klok komunikasi serial
Gambar 7 Combo Board ADXL345/ITG3200
Gambar 5 Scematik Combo Board ADXL345/ITG3200
Keterangan : CLKIN : Digunakan sebagai referensi external optional, jika tidak digunakan disambungkan dengan ground VLOGIC : Sebagai catu daya I/O GND : Sebagai Ground SDA : Sebagai Serial Data – I2C master / slave Data VDD : Catu daya SCL : I2C serial clock
Kompas Digital HMC5883L Kompas adalah sebuah device yang menggunakan efek medan magnet Bumi untuk mempengaruhi jarum magnet yang bebas sehingga jarum dapat menunjukkan arah garis medan, yakni arah kutub magnet utara dan selatan. Kutub magnet utara Bumi tidak tepat berada di kutub utara secara geografis, atau pada sumbu putarnya. Setiap arah yang didapa dalam bentuk magnetik, maka harus dikoreksi untuk ketepatan penunjukan utara/selatan. HMC5883L 3-Axis Magnetometer Module Merupakan modul pcb yang berisi chip digital magnetometer atau kompas digital 3-axis dengan komunikasi interface 12c
Gambar 8 Scematik HMC5883L
Keterangan :
4
SCL : Digunakan sebagai serial clock – 12C Master/Slave Clock VDD : Sebagai catu daya masukan magnetometer HMC5883L GND : Sebagai Ground SDA : Sebagai Serial Data – I2C master / slave Data
Perancangan Logika Fuzzy pada Software Arduino Pengimplementasian rule base logika Fuzzy yang telah terbentuk di Matlab pada Software Arduino. Software ini satu paket dengan mikrokontroler Arduino dan dapat dipakai pada semua jenis Arduino. Mengimplementasikan semua rule base yang sudah ada dibuat pada Fuzzy Inference System (FIS) di Matlab ke dalam Bahasa C++ Arduino. Jalannya program seperti pada digram alir di bawah ini:
Gambar .9 Board HMC5883L Perubahan Orientasi (Roll,Pitch, Yaw dan Arah)
B. Perancangan Software Logika Fuzzy pada Matlab Berupa pembuatan Fuzzy Inference System (FIS) pada software Matlab untuk melihat performa kestabilan pada level simulasi. Fuzzy yang digunakan pada pnelitian ini adalah metode mamdani karena mamdani adalah logika fuzzy yang masukanya berupa numerik dan keluaranya berupa numerik pula.
Accelerometer, Gyroscope dan Kompas bekerja
Logika Fuzzy pada Arduino UNO bekerja sesuai masukan dari sensor
Keempat ESC bekerja sesuai dengan perintah fuzzy
Gambar 13 Jalannya Program pada Arduno
III. ANALISA DAN PEMBAHASAN DATA A. Uji Hardware Gambar 11 FIS untuk Quadrotor Silumans -1
Pada perancangan ini dihasilkan empat input fuzzy antara lain Roll, Pitch, Yaw dan ketinggian serta empat output yaitu PWM untuk memutar keempat baling balingnya. Dari FIS ini dihasilkan tujuh rule base.
Uji Sudut
Uji sudut dilakukan dengan menggerakkan sensor terhadap sudut tetap dengan interval 10 derajat terhadap arah gerak Roll, Pitch dan Yaw dengan sampling 100 mili detik selama 5 detik. Jadi setiap sudut ada lima puluh data pengujian. Nilai sudut ini didapatkan dari penggabungan sensor Accelerometer dan Gyroscope. a) Roll . Dari hasil uji gerak roll didapatkan hasil seperti grafik berikut.
Roll Terhadap sudut tetap 100 0 -100 Angle Gambar 12 Rule Base Fuzzy untuk Quadrotor Silumans-1
Gambar 14 Hasil Uji Roll terhadap Sudut Tetap
Roll
5 b) Pitch . Hasil uji Pitch ada pada grafik di bawah ini.
Pada uji ini, masih terdapat ketidaksesuaian antara sudut yang sebenarnya dengan yang tampil pada interface. Sudut yang tidak sesuai adalah sudut yaw, seperti yang terjadi pada uji yaw.
Pitch terhadap sudut tetap 200 0 -200 Angle
Pitch
Gambar 15 Hasil Uji Pitch terhadap Sudut Tetap
B. c) Yaw . Hasil yang didapat pada uji Yaw tampak pada grafik di bawah ini.
Uji Software Uji software dilakukandengan tujuan untuk memvalidasi apakah algoritma yang dibuat sudah sesuai atau belum. Uji fuzzy pada Matlab
Perbandingan Yaw dengan Sudut 200 100 0 -100 Angle
Yaw
Gambar 16 Hasil Uji Yaw terhadap Sudut Tetap
d) Uji Interface Setelah semua uji sudut dilakukan secara parsial, selanjutnya dilakukan uji sudut secara keseluruhan dari semua sudut yang ada. Uji ini dilakukan untuk melihat apakah output sudut sudah sesuai dengan kenyataan atau belum
Gambar 18 Rule Viewer FIS Gambar 19 Interface Masukan dan Keluaran Sistem Fuzzy
Uji Keluaran Fuzzy Uji Output Terhadap Roll %PWM Motor terhadap sudut Roll 100
0
-100
-50
motor1
0
50 motor2
Gambar 20 Hasil Uji Input Fuzzy pada Sudut Roll
Gambar 17 Interface Uji Sudut
Uji Output terhadap Pitch
100
6 Barclay, R. (2005). A Generic Simulator for Quad-Rotor Unmanned Aerial Vehicles. Bachelor of Science. Lukmana, M. A. (2011). Rancang Bangun Unmanned Aerial Vehicle (UAV) Empat Baling-baling (QuadrotorArducopter). Surabaya: ITS. Ogata, K. (1993). Teknik Kontrol Automatik (Sistem Pengaturan). Jakarta: Erlangga. Thro, F. M. (1994). Fuzzy Logic A Practical Approach. London: Academic Press Limited. Wasisto, E. T. (2011). RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL ATTITUDE PADA UAV (UNMANNED 100 AERIAL VEHICLE) QUADROTOR DF-UAV01 motor4 DENGAN MENGGUNAKAN SENSOR ACCELEROMETER 3-AXIS DENGAN METODE FUZZY. Surabaya: ITS.
% PWM terhadap Sudut Pitch 100 80 60
40 20 0 -100
-50 motor1
0 motor2
50 motor3
Gambar 21 Hasil Uji Output dari Inputan Sudut Pitch
Uji Output terhadap Yaw
BIODATA
%PWM terhadap sudut Yaw 100
-100
-50
motor1 0 motor30
motor2 50 motor4
100
Gambar 22 hasil Uji Output pada Sudut Yaw
IV. KESIMPULAN & SARAN A. Kesimpulan 1. Menjaga stabilitas quadrotor adalah dengan cara menstabilkan gerakan rool, pitch dan yaw. Menjaga stabiltas dari gerakan tersebut adalah dengan membuat semua gerakan tersebut bernialai nol (0). Untuk menjaga gerakan roll tetap stabil adalah dengan cara mengatur kecepatan motor 2 da motor 4. Untuk menjaga kestabilan sudut pitch dengan cara mengatur kecepatan motor 1 dan motor 3. Sedangkan untuk menjaga kestabilan sudut yaw adalah dengan mengatur keempat motornya. 2. Untuk Mengidentifikasi perubahan yang terjadi pada Quadrotor Silumans – 1 adalah dengan menempatkan sensor Accelerometer, Gyroscope dan Kompas
B. Saran Perlu dilakukan penerapan pada real plant agar dapat diketahui performansi yang sebenarnya dari simulasi ini apakah sudah sesuai dengan yang ada pada simulasi. Pemilihan hardware untuk real plant hendaknya disesuaikan dengan kebutuhan agar performansi dari plant dapat optimal
A,
A.
DAFTAR PUSTAKA R. (2011). RANCANG BANGUN SISTEM PENGENDALIAN KECEPATAN MOTOR PADA UAV(UNMANNED. Surabaya: ITS Pers.
Nama : M.Nizar Aditya.P TTL : Pasuruam, 10 Desember 1990 Alamat : Desa Karangayam RT/RW : 02/006 Kec. Srengat Kab.Blitar Pendidikan : TK Al-Hidayah (1995 – 1997) SDN Karanggayam 02 (1997 – 2003) MTsN Kunir (2003 – 2006) SMAN 1 Srengat (2006 – 2009) Teknik Fisika ITS (2009 – 2014)
