Penerapan Model Predictive Control (MPC) pada Kapal Autopilot dengan Lintasan Tertentu

JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 1, No. 1, (Sept. 2012) ISSN: 2301-928X

A-45

Penerapan Model Predictive Control (MPC) pada Kapal Autopilot dengan Lintasan Tertentu Siti Aminatus Sholikhah, Kamiran, dan Subchan Jurusan Matematika, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 Email: [email protected] Abstrak—Permasalahan dalam kendali kapal salah satunya adalah path following. Path following bertujuan mengarahkan kapal untuk mengikuti jalur yang ditentukan. Pada penelitian ini dikaji bentuk pengendali untuk memperkuat kendali terhadap masalah path following. Kapal yang menjadi objek pada penelitian ini adalah kapal yang berjenis underactuated. Kapal underactuated merupakan kapal dengan jumlah variabel yang dikontrol lebih banyak dari jumlah aktuator, dimana aktuator adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengontrol sebuah mekanisme atau sistem. Langkah pertama yang dilakukan adalah mentransformasikan model dinamik kapal terhadap lintasan sehingga didapatkan model dinamik kapal yang baru berupa error posisi kapal terhadap lintasan dan error orientasi (error sudut kapal). Selanjutnya digunakan pengendali MPC untuk menstabilkan gerak kapal.. Hasil simulasi menunjukkan bahwa dengan pengendali MPC, error dari path following konvergen ke nol dan kapal dapat mengikuti lintasan yang diharapkan. Kata kunci—Kapal Underactuated, Model Dinamik Kapal, Model Predictive Control (MPC), Path Following

I. PENDAHULUAN

I

NDONESIA merupakan salah satu negara yang sebagian besar wilayahnya adalah lautan yang membutuhkan sistem pertahanan keamanan kuat untuk menjaga keutuhan wilayah perairan. Salah satu upaya yang telah dilakukan adalah dengan meningkatkan patroli di perairan Indonesia. Patroli merupakan kegiatan rutin sehingga akan meringankan jika selama proses patroli menggunakan autopilot, dimana lintasan kapal telah ditentukan sebelumnya. Kapal didefinisikan sebagai alat yang bergerak pada permukaan laut yang memiliki 6 derajat kebebasan dalam bergerak yaitu surge, sway, heave, roll, pitch, dan yaw [1], akan tetapi pada penelitian ini variabel yang dikendalikan hanya dalam dua derajat kebebasan yaitu surge dan yaw dengan asumsi gerak sway, heave, roll, pith tidak berpengaruh pada manuver kapal. Kapal yang dimaksud adalah kapal underactuated dimana jumlah variabel yang dikontrol lebih banyak daripada jumlah yang dikendalikan oleh aktuator [2]. Aktuator adalah sebuah alat yang digunakan untuk mengontrol sebuah mekanisme atau sistem Masalah utama dalam kendali kapal adalah trajectory tracking dan path following [3]. Trajectory tracking mengacu pada kasus bagaimana kapal melacak jalur referensinya, sedangkan path following bertujuan mengarahkan kapal untuk mengikuti jalur yang diinginkan. Trajectory tracking sangat tergantung pada model

referensi sedangkan path following lebih cenderung untuk implementasi praktis seperti panduan (guidance) dan pengendalian kapal [4]. Dari tahun ke tahun, seiring dengan semakin berkembangnya keinginan untuk mencapai tingkat akurasi yang lebih tinggi dalam meyelesaikan permasalahan path following, semakin besar pula ketertarikan dalam menggunakan teknik kendali untuk menyelesaikan masalah ini. Banyak pendekatan yang dikenalkan dalam berbagai literatur, diantaranya pengendali backstepping yang digunakan pada wahana dalam air [5] dan untuk mengontrol kapal agar berada pada sebarang lintasan yang memungkinkan, serta pengendali state dan output feedback [6] yang digunakan untuk mengemudikan kapal permukaan underactuated mengikuti lintasan yang ada pada kecepatan maju konstan dengan mengabaikan gangguan lingkungan [7]. Pada penelitian ini, penulis menggunakan model predictive control (MPC) untuk mengendalikan kapal autopilot. Pemilihan teknik kendali MPC dikarenakan kendali ini dapat menangani sistem multivariabel. Penelitian ini di fokuskan pada kendali momen yaw yang terjadi karena pergerakan kapal di lautan. Dengan menggunakan optimasi pada MPC disusun sebuah pengendali sehingga posisi kapal dapat mengikuti lintasan yang diharapkan. II. GERAK KAPAL DI LAUTAN Pada prinsipnya perilaku gerak kapal dibagi dalam enamderajat kebebasan (six-degree of freedom) yaitu: surge, sway ,yaw, heave ,roll, dan pitch seperti pada Gambar 1. Secara umum gerakan yang dialami sebuah kapal ketika melaju di lautan ada dua macam, yaitu gerakan translasi dan rotasi [1]. Gerak translasi kapal dibagi menjadi tiga, yaitu: 1) Surge (maju/mundur) 2) Sway (kanan/kiri) 3) Heave (atas/ bawah) Gerak rotasi kapal dibagi menjadi tiga, yaitu: 1) Roll (gerakan maju) 2) Pitch (gerakan memutar ke depan) 3) Yaw (gerakan memutar ke samping)

JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 1, No. 1, (Sept. 2012) ISSN: 2301-928X

A-46

pada lintasan dan M. xn dan xt merupakan vektor normal dan vektor kemiringan pada M. ze merupakan jarak antar M dan P,

d

merupakan sudut antara

xt

dan

X b . Misalkan

ut  u 2  v 2 merupakan kecepatan total kapal.  merupakan sudut antara kecepatan surge dan kecepatan total. Berdasarkan parameter di atas, kinematik kapal (1) di transformasikan sebagai berikut: ze  ut sin e*

Gambar 1. Enam derajat kebebasan gerak kapal [1]

III. MODEL MATEMATIKA PERGERAKAN KAPAL Model matematika kapal underactuated pada pergerakan surge, sway, dan yaw dengan surge konstan adalah sebagai berikut [4] :

x  u cos   v cos  y  u cos   v cos  m11 d ur  22 v m22 m22

m  m22  uv  r  11 m33

m  m22  uv  d33 v  r  11 m33

m22

(2)

1 r m33

z1  ze z 2   e*

  r

v  

cs ut m11 u 2  u d  cos e*  2 . 22 v 2  ut m22  m22 ut  1  cs ze m d v   11 ur  22 v m22 m22 

 e*  r 1 

(1)

d 33 1 r r m33 m33

dengan : = Berat kapal dan muatan surge x = Berat kapal dan muatan sway y = Sudut yaw pada sumbu bumi  = Kecepatan surge u = Kecepatan sway v = Kecepatan yaw r mii i  1,2,3 = Inersia kapal termasuk pertambahan massa pada pergerakan surge, sway, dan yaw dii i  2,3 = Peredam getaran hidrodinamik pada pergerakan sway dan yaw = Momen yaw r Kerangka umum pada lintasan kapal ditunjukkan sebagai berikut :

Dengan

 e*     d

merupakan

orientasi

error.

cs  merupakan kelengkungan lintasan pad titik M. z1 , z 2 merupakan sistem keluaran dan titik kesetimbangan sistem (2) adalah z e  0, e*  0 . Keluaran referensi pada path following zd  0 . Berdasarkan persamaan (2) didapatkan bahwa ze harus distabilkan dengan menggunakan sudut  e* . Secara matematis memiliki arti bahwa z1 dan z2 pada persamaan (2) harus menjadi satu persamaan, untuk itu didefinisikan ulang keluarannya (output-redefinition) dengan pendefinisian sebagai berikut kze we*  arcsin 2 1  kze  Dimana k selalu konstan positif. Dengan output-redefinition (3), sistem (2) dapat di tulis sebagai berikut:

ut sin we*

ze 

1  kze 

2



ut kze cos we* 1  kze 

2

 m u2  kut sin we*  kze cos we* w e*  r 1  11 2   . 2 2 1  kze   m22 ut  1  kze  

cs ut kze sin we*  cos we* u d 22 .  2. v 2 1  cs ze ut m22 1  kz  e

Gambar 2. Kerangka umum pada lintasan kapal [4]

Pada gambar 2,  merupakan lintasan yang telah diketahui. M merupakan proyeksi orthogonal dari titik P kapal pada  . s merupakan jarak sepanjang lintasan antara beberapa titik tetap

v   r 

m11 d ur  22 v m22 m22

m11  m22  uv 

z  we

m33

d 33 1 r r m33 m33

(4)

JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 1, No. 1, (Sept. 2012) ISSN: 2301-928X IV. MODEL PREDICTIVE CONTROL UNTUK SISTEM NONLINEAR Berdasarkan sistem nonlinear [5]:

x  f x   g  x u (5) v  h x  dengan x  R n adalah vektor keadaan, u adalah input, dan y adalah output. Fungsi objektif diberikan sebagai berikut: 1 T T (6) J    yˆ t     wˆ t     yˆ t     wˆ t   d 2 0 dengan T adalah waktu prediksi, yˆ t      adalah prediksi keluaran dan wˆ t     adalah sinyal referensi prediksi. Kendali input u t  diberikan sebagai nilai awal pada kendali optimal input uˆ t    , 0    T dengan meminimumkn fungsi objektif pada persamaan (4), maka: (7) u t     uˆ t    untuk   0 Optimasi pada MPC nonlinear diberikan oleh teorema berikut : Teorema 1 [5] : Perhatikan sistem nonlinear (5) dan andaikan keluaran pada interval prediksi didekati dengan menggunakan ekspansi deret taylor sampai order   l dengan  merupakan derajat relatif. Untuk order kendali l  0, optimasi dalam MPC nonlinear dengan meminimumkan fungsi tujuan (6) sebagai berikut :



 KM

u t    Lg Lf 1h x  dengan M   R

1

m





 Lg hx   w  t 

diberikan sebagai berikut :

h x   wt      1 1  L f h x   w t   M    ...    1     1  L h x   w t  g   dengan K  R mm , misal K matriks dipartisi K  k 0 , k1 ,..., k  1



(8)



(9)

(10)

Dengan k i  R , i  0,...,   1 . Subsitusi (9) dan (10) ke (8) maka diperoleh  1  1  u t    Lg Lf 1 h x    k i Lif h x   wi   Lf h x   w  t   i 0  (11) dengan k0 , k1 ,..., k  1 adalah baris pertama pada matriks

A-47

T i  j 1 (14) i  1! j  1!i  j  1' dengan T adalah waktu prediksi dan l adalah order kendali. Derajat relatif sistem bertujuan untuk menentukan input u masuk ke dalam sistem. Definisi 1 [6]: Sistem nonlinear (5) dikatakan mempunyai derajat relatif  jika : i , j  

(i)

Lg Lkf h x   0 k   1

untuk setiap x dipersekitaran x0 dan

Lg Lf 1hx   0 Derajat relatif  pada sistem nonlinear (5) dikatakan didefinisan dengan baik (well defined) jika derajat relatifnya seragam untuk setiap x. Ketika derajat relatif  tidak didefinisan dengan baik maka (ii)

Lg Lf 1h x   0 Supaya dapat memahami sistem pada Persamaan (5), digunakan turunan Lie dengan menggunakan aturan rantai. Definisi 2 [7]: Turunan Lie didefinisikan sebagai hasil kali h x  dengan f x  atau secara umum ditulis: x hx  (15) f x  L f h x   x dengan L f h x  diartikan sebagai turunan fungsi h atas vektor f. Elemen dari turunan Lie adalah: n hi fi x   (16) i 1 xi Definisi 3 [7]: Yang dimaksud dengan Lnf h x  adalah: Lnf hx  





 Lnf1h x 

f x  (17) x dengan Lnf h x  diartikan sebagai turunan ke-n fungsi h atas vektor f.

mm













ll1Tl , yang diberikan sebagai berikut :    1,  1    1,   l 1       ll       l 1,  1     l 1,   l 1     1,  1  1,   l 1       l      ,  1    ,   l 1   

V. PEMBAHASAN Berdasarkan persamaan (4) maka sistem tersebut dapat ditulis kembali sebagai berikut:

x  f  x   g  x  z  h x  dengan

(12)

(13)

 x1  x  4 , x   2 x   x3     x4 

JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 1, No. 1, (Sept. 2012) ISSN: 2301-928X

 f1  x   f  x  4 , f x    2  f x     f3 x     f 4  x   g1  x   g  x  4 , g x    2  g x     g 3  x     g 4  x     r ,   1

L f 2 hx 

i 1

1

m11 d ux4  22 x3 m22 m22 m  m22  ux  d 22 x f 4   11 3 4 m22 m22 f3  

n

i 1





hx  f i x  xi

2 2 *  m u 2  k u  x3 sin e    x4 1  11  m22 u 2  x 2  1  kx1 2 3  

cs  u

2

 x32

cos e*

1  cs x1



u



n

L f hx 

i 1

xi

1 m33

 u2 1  m11  m22 u 2  x 2 3 

L g L f hx   

u

2

 x32

.

d 22 x3 m22

g i x     

Sesuai dengan Definisi 1 maka sistem mempunyai derajat relatif   2 karena Lg L f hx   0 . Maka akan dicari nilai dari 2 L f h x  sebagai berikut :





    u 2  x32 sin e*    

 k u 2  x 2 cos * cs u 2  x 2 sin *  e e 3 3     1  csx1 1  kx1 2   2 2 *   2  k u  x3 sin e cs u 2  x32 cos e*   x 1  m11 u   4   m22 u 2  x32  1  csx1 1  kx1 2    d22   u x3   2 2 . m u x  22 3    kx3 sin e* csx3 cos e*     2 2 2  1  kx1  u  x3 1  csx1  u 2  x32   m  d   11 ux4  22 x3   m22    m22  2m11u 2 x3 x4  d22u u 2  x32   2   m22 u 2  x32 2  m   m  m22   d u  1  11 2 2   11 ux3  22 x4  m m m  33 22 22 u  x3   







 



Keluaran referensi z d  0 maka turunan zd sampai  adalah z d  z d  zd  0 Kendali input (18) dapat ditulis sebagai berikut :

Kendali input pada MPC nonlinear yang mengacu dari (11) maka diperoleh :  1  1   r   Lg Lf 1hx    ki Lif hx   zdi   Lf hx   zd   (18)  i 0  dengan h  x2



f i x



cs 1 u 2  x32 kx1 sin x2 1 cos x2 u d .  2 . 22 x3  2 2 1  cs x1 u  x3 m22 1  kx 

L f hx  

xi



2 2  m u 2  k u  x3 sin x2  kx1 cos x2  f 2  x4 1  11 2 .  2 2  2 1  kx1   m22 u  x3  1  kx1 



L f hx

  2k 3 x u 2  x 2 sin *  k 2 u 2  x 2 cos * e e 1 3 3   2 2 1  kx1    2 2 2 * 2 2 *  c s u  x3 cos e kcs u  x3 sin e   1  csx1 2 1  csx1  1  kx1 2 

z  h x   x 2  we* , h x    1 dan u 2  x32 sin x2 kx1 u 2  x32 cos x2 f1   2 2 1  kx1  1  kx1 



n



A-48

     2 2 * 2 2 * k *  arcsin kze   k  k u  v cose  c(s) u  v sine   1 2  0 e  2   1 c s z    1 kze  e 1 kze            m11 u2  k u2  v2 cose* c(s) u2  v2 sine* u2 d22     v r1  2 2 2 2 2 1 c(s)ze u  v m22  1 kze    m22 u  v      1     m u2    2k3ze u2  v2 sine*  k2 u2  v2 cose* c2(s) u2  v2 cose* kc(s) u2  v2 sine*    r  m331 11 2 2    2 2 2   m 2 1 c(s)ze  1 c(s)ze  1 kze   22 u  v    1 kze         2 * * kvsine c(s)vcose 2m11u vr  d22u u2  v2   u2  v2 sin*      e    1 kz 2 u2  v2 1 c(s)z  u2  v2  2 22 m22 u  v e e       2   m11 u  m11  m22 uv d22 r    m u2  v2   m  m 33 22    22 





















(19) Parameter pengendali MPC yang digunakan adalah T=37.5 detik, l=6. Pada perhitungan (12)-(14) didapatkan nilai k 0  0,365 dan k1  1,0267 .

JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 1, No. 1, (Sept. 2012) ISSN: 2301-928X VI. SIMULASI NUMERIK Dari hasil analisa pengendali MPC di atas, maka diperoleh hasil sebagai berikut: Tabel 1. Data Parameter Sistem Kapal Underactuated [4] Parameter

Nilai

Parameter

Nilai

u(m/s)

10

m 22 (kg)

217.900

2

k

0,002

m33 (kg m )

63.600.000

c(s)

0,0125

d 22 (kg/s)

117.000

m11 (kg)

120.000

d 33 (kg m2/s)

8.020.000

A-49

Pada gambar di atas, dapat dilihat bahwa grafik menunjukkan error posisi z e , output-redefinition we* dan error orientasi  e* konvergen ke nol. Artinya, grafik error posisi z e menyerupai lintasan yang diharapkan pada detik ke8, grafik output-redefinition we* menyerupai lintasan yang diharapkan pada detik ke-10 dan grafik error orientasi  e* menyerupai lintasan yang diharapkan pada detik ke-10.

B.

Simulasi Kecepatan Sway, Yaw dan Kendali Torsi Parameter yang digunakan sesuai tabel 1 dengan waktu simulasi 20 detik. Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 6, Gambar 7, dan Gambar 8.

A.

Simulasi Error Path Following dan Output-redefinition Parameter yang digunakan sesuai tabel 1 dengan waktu simulasi 20 detik. Hasil simulasi ditunjukkan pada Gambar 3, Gambar 4, dan Gambar 5.

Gambar 6. Grafik Kecepatan Sway

Gambar 3. Grafik Error Posisi

ze

Gambar 7. Grafik Kecepatan Yaw

Gambar 4. Grafik Output-redefinition

we*

Gambar 8. Grafik Kendali Torsi Gambar 5. Grafik Error Orientasi

we*

JURNAL SAINS DAN SENI ITS Vol. 1, No. 1, (Sept. 2012) ISSN: 2301-928X

C. Simulasi lintasan yang diharapkan Dalam simulasi hasil analisa pengendali MPC digunakan persamaan lingkaran dengan jari-jari lingkaran 80 m sebagai lintasan yang diharapkan. Persamaan tersebut dapat dituliskan sebagai berikut : x d  R cos 

(20)

y d  R sin 

Simulasi

berikut

menggunakan

kondisi

awal

x 0   75m, y0   0,  0   1.57 rad , v0   0.1m / s, r 0   0 d

an waktu simulasi 100 detik dengan parameter yang digunakan sesuai tabel 1.

A-50 VII. KESIMPULAN

Dari hasil analisa pengendali MPC beserta simulasinya, didapatkan kesimpulan sebagai berikut : 1. Pengendali Model Predictive Control dapat diterapkan untuk mengendalikan gerak kapal underactuted dengan baik. Hal ini terlihat dari hasil simulasi yang menunjukkan bahwa gerak kapal hanya membutuhkan waktu beberapa detik agar dapat mengikuti lintasan yang diharapkan. 2. Hasil simulasi menunjukkan bahwa lintasan pada sistem sudah sesuai dengan lintasan yang diharapkan dan error pada path following yang meliputi error posisi z e , output-redefinition w e* , error orientasi  e* konvergen ke nol. DAFTAR PUSTAKA [1] D.

P. Sari, “Perancangan sistem pengendalian dan monitoring untuk menghindari tabrakan antar kapal di alur pelayaran tanjung perak Surabaya,” Tugas Akhir, Jurusan Teknik Fisika, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) (2011).

Gambar 9. Grafik Posisi Kapal Melingkar pada Bidang (x.y)

Berdasarkan hasil dari simulasi yang ditunjukkan pada Gambar 9. Setelah diberi pengendali MPC yang telah dianalisa sebelumnya, maka grafik lintasan kapal menyerupai lintasan yang diharapkan. Jika kelengkungan lintasan c(s) pada parameter di tabel 1 diganti menjadi nol, maka hal ini akan mengakibatkan kapal bergerak lurus seperti hasil simulasi yang di tunjukkan pada Gambar 10.

Gambar 10. Grafik Posisi Kapal Lurus pada Bidang (x,y)

[2] S. Oh-Ryeok and J. Sun, “Path following of underactuated marine surface vessels using line-of-sight based model predictive control,” Ocean Engineering, Vol. 37, No. 2-3 (2010, Feb.) 289-295. [3] P. Encarnacao and A. Pascoal, “Combained trajectory tracking and path following for marine craft,” Institute for System and Robotic, Portugal (2001). [4] W. Xiaofei, Z. Baohua, C. Deying, and W. Huaming,, “Adaptive analytic model predictive controller for path following of underactuated ships,” in Proceedings of the 30th Chinese Control Conference, Yantai, China, (2011, July) 22-24. [5] P. Encarnacao and A. Pascoal, “3D path following for antonomous underwater vehicle,” in Proceedings of the 39th IEEE Conference on Decision and Control,Sydney, Australia, (2000) 2977-2982. [6] R. Skjetne and T.I. Fossen, “Nonlinear maneuver and control of ship”, Proceedings of Oceans 2001IEEE Conference and Exhibition, (2001) 1808-1815 [7] K.D. Do and J. Pan, State- and output-feedback robust path following for underactuated ship using serret-frenet frame”, Ocean Engineering, Vol. 31 (2004) 587-613.