MAKARA-04 KONTES KAPAL CEPAT TAK BERAWAK 2014

MAKARA-04 KONTES KAPAL CEPAT TAK BERAWAK 2014 Hitomi Hadinuryana*1, Muhammad Ichsan*2, Maya Lestari*3,Zulfah Zikrina*4, Syifa Alfiah Andini Putri*5, Aldwin Akbar Hermanudin**6, Steven Susanto**7,Muhammad Taqiyuddin**8, Tomi**9, Brian Adi Kusumo***10 *Naval Architecture, ** Computer Engineering, *** Faculty of Computer Science, Universitas Indonesia 1

[email protected], [email protected],[email protected],4zulfah.zikrin [email protected],[email protected],[email protected],[email protected],8muhammad [email protected],[email protected],[email protected]

Abstrak Tim AMV (Autonomous Marine Vehicle) Universitas Indonesia mengembangkan prototipe Makara-04 yang memiliki misi utama sebagai kapal surveillance dengan sea worthiness dengan memaksimalkan kemampuan stabilitas selfrighting yang tinggi. Makara-04 memiliki konsep pengembangan submersible autonomous vehicle, dimana kapal dapat beroperasi di atas maupun di bawah air dengan optimal dan low noise high speed propulsion menggunakan water jet sehingga sulit di deteksi dalam aplikasi surveillance di laut. Makara-04 juga memiliki keunggulan dalam durabilitas dimana kapal dapat terus melakukan tugasnya dalam jangka waktu minimal 3 jam. Kata Kunci : Surveillance, Submersible Surface Vehicle, Low detection Latar belakang Makara-04, merupakan sebuah Autonomous Vehicle yang dikembangkan dari Autonomous Marine Vehicle sebelumnya sebagai aplikasi pertahanan laut Indonesia sebagai negara maritime sesuai dengan kebutuhan Angkatan Laut Indonesia saat ini. Kapal ini dibuat memiliki tujuan utama untuk melaksanakan misi surveillance di laut dengan memiliki tingkat survivability dan sea worthiness yang tinggi dan misi kompetisi KKCTBN dengan terus meningkatkan kemampuan manuver dan kecepatan yang optimal sebagai pembelajaran riset mahasiswa sesuai dengan tujuan lomba. Mechanical Design Tim Universitas Indonesia memiliki sebuah konsep bahwa kapal yang didesain memiliki keunggulan dalam kapal yang sea worthy, kecepatan dan manuver yang optimal, sulit terdeteksi dalam mengintai sesuai dengan peranan kapal tanpa awak dalam aplikasi sebenarnya. Untuk mewujudkan hal itu tim terinspirasi untuk mengunakan desain kapal dari perkembangan kapal yang menggunakan wave piercing inverted bow/x-bow[2]. Hal ini dikarenakan kelebihannya yang dapat mengurangi hambatan kapal ketika menembus ombak yang tingginya melampaui kapal dan model kapal ini dapat berlayar dengan cepat. Design lambung Makara-04 merupakan hasil inovasi baru yaitu lambung hybrid hasil penggabungan monohull pada bagian depan lambung dan multihull untuk mengurangi hambatan turbulen saat melakukan penyelaman pada bagian belakang kapal[1] yang kami sebut triangle hull yang menggabungkan kelebihan stabilitas dalam manueverability dan selfrighting dalam platform yang sama.

Gambar I-1 Pengembangan Konsep Kendaraan Tanpa Awak

Gambar I-2 hambatan kapal pada perancangan Lambung dibagian depan berbentuk wave piercing inverted bow dimana bentuk ini memungkinkan kapal melaju lebih cepat dengan mengurangi hambatan air dan udara walau dalam kondisi cuaca yang buruk, kemudian meningkatkan stabilitas dengan meniadakan gerakan motion kapal pitch, roll, yaw, surge, heave dan sway secara berlebihan. Kapal Makara-04 dapat membawa payload kurang lebih 10,7 kg dengan berat kapal 4 kg. Spesifikasi hull adalah sebagai berikut. = 122,4 cm  LoA  BoA = 23 cm = 9 cm  H  Displacement = 14,7kg  LWT = 4kg  DWT = 10,7kg (payload)

Gambar I-3 Realisasi Desain Makara-04

Pada bagian tengah kapal, dibuat ruang untuk menempatkan seluruh subsistem elektronika sehingga subsistem elektronik benar-benar dilindungi dari kontak air. Tutup pelindung dibuat dari bahan plastic dengan gabus didalamnya. Tutup kapal mengadopsi mekanisme tutup pada box es yang dimaksudkan tutup kapal dapat benar-benar kedap air. Ruang lainnya adalah ruang mesin yang dibatasi oleh sekat yang berada pada 450 mm dari buritan kapal. Ruang ini berfungsi sebagai ruang mesin penggerak dimana terdapat waterjet, motor brushless dan servo. Jika terjadi kebocoran pada ruang mesin, maka air tidak akan menggenangi ruang kapal lainnya dan memberikan rentang waktu hingga kebocoran kapal diatasi. Selain itu dengan adanya sekat melintang dapat memperkuat badan kapal.

Gambar I-4 Desain Makara-04 Pemasangan fin pada berfungsi sebagai konsep pengembangan kapal Makara-04 sebagai kapal submersible autonomous. Pengembangan fin akan dimanfaatkan sebagai sistem manuver kapal pada saat mode menyelam sebagai pengatur gerak pitch. Makara-04 menggunakan sistem propulsi waterjet dengan jenis “Jet Drive KMB 28 mm”. Makara-04 menggunakan water jet sebagai sistem propulsinya, setelah mempertimbangkan keunggulannya dibandingkan propeler konvensional, yaitu : 1. Keamanan, dikarenakan propeler tidak berada di luar hingga mengurangi resiko kerusakan akibat objek asing dan pemakai kapal dari propeler 2. Memiliki manuver optimal, terutama dengan penggunaan lebih dari 1 water jet 3. Low maintenance, dikarenakan resiko kerusakan yang lebih sedikit 4. Low noise, dikarenakan tidak terdapatnya kavitasi 5. Kedap, dikarenakan sistem water jet sudah dirakit secara pabrikan secara utuh Umumnya sistem water jet terdiri dari sistem pompa (pump system) dan sistem saluran (ducting system). Sistem pompa berfungsi untuk mengubah tenaga mekanik menjadi tenaga hidrolis. Sedangkan sistem saluran berfungsi untuk mengarahkan laju aliran dari lingkungan ke pompa dan dari pompa untuk kembali ke lingkungan. Sistem water jet memiliki komponen – komponen utama yang sangat menentukan kinerjanya, yang dalam pemilihannya sebagai suatu sistem propulsi lebih rumit jika dibandingkan dengan pemilihan baling – baling (propeller). Komponen – komponen tersebut meliputi mesin penggerak dan sistem transmisinya, pompa, thrust nozzel yang dilengkapi dengan reverse bucket, thrust vectoring, diffuser, ducting dan inlet (intake).

Motor Brushless

Details # of poles: Max Amps: Max Volt: Max Watts: Rpm/V: Resistance: No-load Current: Dimension:

Tabel I Spesifikasi Specs Details 4 Kv [pm/v] 90A Weight [g] 11.1V Max Current [A] 1000W Resistance [mh] 2700kv Max Voltage [V] 0.0075 ohms Power [W] 2.7A(7.4V) Shaft A [mm] 36.0mm x 65.0mm Length B [mm]

Specs 2700 275 90 8 11 1000 5 65

Gambar I-5. Motor Brushless Servo Motor servo digunakan sebagai aktuator putar (motor) yang dirancang dengan sistem kontrol umpan balik loop tertutup (servo), sehingga dapat di set-up atau di atur untuk menentukan dan memastikan posisi sudut dari poros output motor. Mikrocontroller motor servo merupakan perangkat yang terdiri dari motor DC, serangkaian gear, rangkaian kontrol dan potensiometer. Serangkaian gear yang melekat pada poros motor DC akan memperlambat putaran poros dan meningkatkan torsi motor servo, sedangkan potensiometer dengan perubahan resistansinya saat motor berputar berfungsi sebagai penentu batas posisi putaran poros motor servo.

Gambar I-6 Motor Servo Sistem Aktuator Pada sistem penggerak Makara-04 menggunakan satu buah waterjet pada tiap sisi kiri dan kanan, masing-masing waterjet digerakkan oleh motor brushless yang menggerakan perpuataran impeller pada waterjet. Terdapat sebuah servo yang dihubungkan dengan flexible shaft diameter 3mm, sehingga dapat menggerakan reverse bucket pada nozzle pada waterjet untuk gerakan kapal mundur. Selain itu, sebuah servo lain dihubungkan oleh shaft diameter 1mm yang akan menggeraan nozzle pada waterjet untuk gerakan yaw kapal berbelok kanan dan kiri.

Gambar I-7 Sistem Aktuator Electrical Design Desain elektronik yang dirancang untuk memasok daya listrik dan melakukan misi navigasi di makara-04 terdiri dari power distribution, driver unit, controller unit dan sensor unit. Berikut adalah deskripsi desain elektronika. Power Distribution Untuk mensuplai seluruh komponen sistem elektronik, Power Distribution untuk menyuplai daya yang dibutuhkan keseluruhan komponen. Power Distribution System ini menggunakan dua baterai LiPo 11.1 V dan satu baterai LiPo 7.4 V serta power bank 16000mAh. Berikut adalah diagram Power Distribution untuk mendeskripsikan Power Distribution System pada Makara-04.

Gambar II-1 Diagram Power Distribution System

LiPo Battery 11.1 V digunakan untuk mensuplai impeller, yaitu motor Brushless, dengan melalui Driver, yaitu ESC (Electronic Speed Control), sedangkan LiPo 7.4 V digunakan untuk menyuplai daya ke BEC yang kemudian mengubah tegangannya menjadi 5V sebagai suplai daya untuk empat servo. Lalu terdapat powerbank 16000mAh yang memberikan daya ke SBC dan ke Arduino.

Diagram Sinyal Diagram sinyal berisi dua unit kontroler, yaitu SBC dan Arduino Mega2560. SBC digunakan untuk melakukan pengolahan citra. Arduino Mega2560 digunakan untuk mengontrol aktuator, yaitu motor Brushless dan servo. Diagram berikut menunjukkan hubungan sinyal antara SBC dengan Arduino Mega2560.

Gambar II-2. Sinyal komunikasi antara SBC dengan Arduino Mega2560 Pada Arduino Mega2560 fitur kontrol utama berikut: 1) Mengirim sinyal ke ESC untuk mengendalikan motor, dan 2) komunikasi dengan SBC untuk menerima data pengendalian sistem. Arduino Mega2560 diprogram menggunakan bahasa C. SBC berguna untuk: 1) pengolahan gambar, 2) komunikasi data dengan Arduino Mega2560, dan 3) Komunikasi Nirkabel. SBC ini memiliki OS Linux untuk mengoperasikan OpenCV untuk melakukan pemrosesan gambar yang baik dengan webcam. Image Processing dengan hasil SBC perintah untuk Arduino Mega2560 untuk menavigasi serta navigasi. Untuk komunikasi Nirkabel, digunakan untuk membawa kembali kapal ke dermaga apabila terjadi error ketika menjalankan misi (Remote Controllable). Untuk mencegah air masuk ke SBC dan Arduino Mega2560, plat akrilik ditempatkan di atas sistem elektronik. Semua komponen elektronika benar-benar tertutup dan dijauhkan dari kontak dengan air. Sensor Unit Webcam (PS3 Eye) digunakan sebagai sensor pada Makara-04. Webcam ini digunakan untuk melakukan image processing yang dilakukan oleh SBC.

Gambar II-3. Webcam PS3 Eye

Controller Unit SBC (single board computer) SBC adalah suatu sistem computer yang dibuat diatas sebuah papan sirkuit tunggal dengan ODROID-U3 dengan SBC ARM Exynos Quad core 1.7 Ghz, 1 RJ-45 port, usb. Adapun sumber daya yang digunakan berasal dari powerbank 5Volt.

Gambar II-4 Tampak SBC Arduino Mega 2560 Arduino merupakan board development mikrokontroller 8 bit terintegrasi yang sudah memiliki header tempat colokan dan konverter daya 5 volt terintegrasi. Arduino ini menggunakan mikrokontroller 8 bit AVR dengan kapasitas flash 256 KB flash dan 96 KB static RAM. Fungsi Arduino pada Makara-04 sebagai extender SBC yang mengirimkan sinyal ke dua ESC dan empat servo. Sumber daya Arduino berasal dari USB yang terhubung ke SBC.

Gambar II-5 Tampak Arduino 2560mega Driver Unit ESC Turnigy Marine 180A digunakan untuk mengubah sinyal output dari Arduino Mega2560 menjadi daya listrik yang dibutuhkan oleh Motor Brushless.

Gambar II-6 ESC 180A

Programming Design  Boat Controller  Program ini terdapat pada yang berfungsi untuk memproses semua input sensor (Kamera) dan memprosesnya menjadi output untuk besar kecepatan yang nantinya dikirim ke ESC untuk mengatur laju Waterjet. Mikrokontroler ini menggunakan sistem Arduino, sehingga debug-ing untuk keseluruhan sistem akan lebih mudah. Nilai laju Waterjet yang akan dikirim ke ESC secara keseluruhan bergantung hanya pada nilai yang diterima dari posisi Bouy yang telah diproses oleh Program Vision/Image Processing.  Vision/Image Processing  Program ini tidak terletak pada mikrokontroler yang sama seperti diatas, karena proses pengenal objek membutuhkan sumber daya yang lebih besar, oleh sebab itu digunakan sbc yang memiliki clock yang tinggi untuk dapat memproses gambar. Program ini menggunakan Library OpenCV yang didesain untuk efisiensi komputasi agar pengolahan citra lebih cepat yang berfokus pada aplikasi realtime.[3]

Gambar III-1 Flowchart Program Makara-04

Menangkap Gambar Pada keadaan ini proses automasi dimulai, kamera mengambil gambar dengan kecepetan maksimal 20 gambar per detik. Threshold Gambar Dari setiap gambar yang diambil kamera, gambar-gambar tersebut secara langsung dipecah setiap spectrum warnanya dan hanya mengambil warna yang ingin digunakan, yaitu warna merah. Menentukan Posisi Buoy Setelah mengambil spectrum warna yang dipilih, total luas daerah warna yang dipilih dihitung dan dicari titik tengah daerah tersebut lalu di hitung titik x dan titik y relatif terhadap resolusi kamera.

Membandingkan Posisi Buoy dengan Set Point Set Point ialah titik x dan titik y yang akan menjadi titik dimana kapal akan berbelok untuk menjauhi atau mendekati buoy. Dengan membandingkan Posisi Buoy saat Threshold dengan Set Point, akan menghasil nilai yang akan memberitahu seberapa jauh kapal telah keluar jalur. Sistem PID Dengan mengetahui nilai error dari proses sebelumnya, komputer didalam kapal dapat memperhitungan gerakan selanjutnya agar pada hasil threshold gambar posisi bouy tetap mendekati atau berada di setpoint Output Sistem PID tersebut menghasilkan nilai yang nantinya akan dikirim ke mikrokontroller yang menjalankan Servo dan Motor. Proses ini akan terus berulang hingga program dihentikan dengan kecepatan maksimal 20 frame per second.

Gambar III-2 Gambar original dari kamera

Gambar III-3 Hasil olahan gambar dengan opencv

Untuk menjalankan kapal secara otomatis, Makara-04 menggunakan 2 pengontrol utama (2 main controller) yaitu SBC dan Atmega2560. SBC dengan OS Linux Ubuntu 14.04 dan OpenCV, digunakan untuk melakukan pengolahan gambar (image processing) untuk navigasi kapal. Gambar tersebut diambil menggunakan webcam yang diolah untuk mendeteksi objek pelampung kemudian hasilnya akan diubah menjadi suatu perintah ke Atmega2560. Atmega2560 dengan program berbahasa C, menerima perintah dari SBC untuk mengatur kecepatan motor dan servo sehingga kapal mampu melakukan manuver dan menyelesaikan misi.

Kesimpulan  

 

  

Tim AMV meneruskan pengembangan inovasi konsep kapal surveillance dengan submersible surface vehicle dari segi design wave piercing inverted bow dan bentuk lambung triangle hull  Pengembangan sistem controller unit Makara-04 secara autonomous maupun remotely operated memudahkan fleksibilitas pengendalian kapal  Penggunaan sistem propulsi Water Jet dalam peningkatan optimasi kemampuan manuver dan kecepatan kapal Makara-04  Makara-04 dapat memfilter warna untuk mengetahui posisi buoy dan menjalankan misi dengan sistem PID untuk menyelesaikan kedua mode lomba kecepatan dan manuver 

Referensi [1] Joubert, PN. 2004. Some aspects of submarine design part 1 hydrodynamics [2] Yun, Liang; Bliault, Alan. 2012. High Performance Marine Vessels. New York, USA [3] Bradski, Gary; Kaehler, Adrian. 2008. Learning OpenCV . O’Reilly Media, Inc. USA