JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-1
1
PERANCANGAN SISTEM GUIDANCE UNTUK MEMBANGUN AUTOPILOT KAPAL PKR KRI KELAS SIGMA Robbi Handito, Dr. Ir. Aulia Siti Aisjah, MT, dan Dr. Ir. Agoes A. Masroeri, M.Eng Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail:
[email protected],
[email protected]
Abstrak— Sistem guidance merupakan hal yang penting dalam membangun autopilot, karena sistem ini digunakan untuk mengendalikan kapal dengan suatu lintasan tertentu tanpa campur tangan manusia sehingga meminimalkan tenaga manusia sebagai nahkoda kapal. Sistem guidance merupakan aksi sistem yang kontinyu melakukan update memperoleh lintasan terbaru sebagai setpoint. Sensor pada sistem guidance yang diperlukan adalah compas, GPS, dan gyrocompas. Data ekternal berupa tinggi gelombang. Informasi tersebut kemudian diteruskan kedalam sistem kontrol. Dari hasil simulasi yang telah dilakukan, dapat disimpulkan bahwa perancangan sistem guidance yang diujicobakan secara simulasi pada lintasan Selat Malaka berhasil sampai sea state 6 pada tinggi gelombang 6 meter menghasilkan error lintasan terkecil 3,6 meter, error lintasan terbesar 110,1 meter dan error rata-rata 41,6 meter.
sensor (compas, GPS, dan gyrocompas), data eksternal seperti data cuaca (kecepatan dan arah angin, tinggi gelombang dan kemiringan, kecepatan arus dan arah arus). Komputer mengumpulkan dan mengolah informasi tersebut untuk diumpankan ke sistem kontrol. Informasi dari sistem kontrol tersebut digunakan untuk membuat trayektori baru untuk mengendalikan kapal agar dapat menuju lokasi yang diharapkan dengan aman. Pada penelitian ini akan dirancang sistem guidance untuk membangun autopilot pada kapal PKR KRI Kelas Sigma untuk memperhitungkan posisi kapal berdasarkantrayektori yang ditentukan sebelumnya kemudian diolah menjadi trayektori yang baru yang aman untuk dilalui kapal. I. METODE PENELITIAN
Kata Kunci— sistem guidance, error lintasan,
tinggi gelombang,
sea state.
PENDAHULUAN ndonesia disebut juga sebagai negara maritim, karena wilayah perairannya lebih luas daripada wilayah daratannya, dimana 2/3 wilayahnya berupa perairan. Oleh karena itu, Indonesia memiliki potensi yang sangat strategis dalam mengembangan wilayah perairannya. Dalam pengembangan wilayah perairan tersebut perlu diikuti oleh sistem keamanan wilayah perairan yang memadai guna menghindari serangan dari negara-negara lain yang berusaha mengganggu kedaulatan NKRI. Salah satunya adalah dikembangkan sistem guidance untuk membangun autopilotpada kapal Perang Kawal Rudal KRI Kelas Sigma. Dengan adanya sistem guidance ini dapat mempermudah kapal Perang Kawal Rudal KRI Kelas Sigma dalam melakukan penjagaan wilayah perairan dengan membuat trayektori baru secara otomatis apabila terjadi suatu gangguan, sehingga kapal dapat berpatroli sampai ke tempat tujuan dengan aman. Sistem guidance merupakan aksi sistem yang kontinyu untuk melakukan perhitungan variabel-variabel berupaposisi, kecepatan, dan percepatankapal yang digunakan untuk masukan sistem control[2]. Data-data tersebut biasanya disediakan untuk operator manusia dan sistem navigasi. Komponen dasar sistem guidance adalah
I
Gambar 1. Flowchard Perancangan Sistem Guidance Gambar 2 menunjukkan diagram alir dari perancangan sistem kendali. Mekanisme dari KLF adalah dengan berdasarkan variabel masukan yaitu error yaw (e) dan yaw rate (r atau dΨ/dt) dan error lintasan (d) saat melakukan aksi course keeping. Keluaran sinyal kendali KLF adalah δc (rudder command) yang diumpankan ke mesin kemudi dan kemudian mesin kemudi menggerakkan kapal sesuai dengan setting heading. Apabila dilakukan setting heading untuk target posisi, maka KLF bekerja dengan masukan error yaw (e), yaw
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-2 rate (r) dan error lintasan (d) dan keluaran sinyal kendali KLF adalah δc yang menggerakkan mesin kemudi, kemudian mesin kemudi ini akan menggerakkan ke arah posisi yang diharapkan.
Updating trajectory d i
2 Terlihat bahwa ketika sistem diberi masukan sudut heading sebesar 10, respon sistem semakin naik tak terkendali dengan sudut heading yang semakin membesar dan mengakibatkan kapal berputar dengan diameter lintasan yang semakin membesar. Oleh karena itu dapat disimpulkan sistem tidak stabil saat uji open loop. Hal ini dikarenakan tidak adanya suatu kontroller pada sistem yang digunakan untuk mengendalikan sistem agar sesuai dengan heading setpoint. 2.2 Uji Closed Loop Tanpa Gangguan Pada uji closed loop tanpa gangguan ini digunakan untuk mengetahui kemampuan kontroller fuzzy dalam memposisikan kapal agar sampai ke tempat tujuan dengan cara membuat lintasan yang baru berdasarkan error yang dihasilkan dari lintasan aktual. Gambar 4 menunjukkan respon sistem saat diberi uji error tanpa gangguan.
Gambar 2. Blok Diagram Kendali Logika Fuzzy pada Sistem Guidance Berdasarkan gambar 2 terdapat tiga masukan pada KLF yaitu error yaw, yaw rate, dan beda lintasan. Ketiga masukan tersebut akan digunakan untuk menghasilkan sinyal kontrol untuk menggerakkan rudder agar sesuai dengan sudut yang diinginkan. Oleh rudder, kapal dikendalikan agar sesuai dengan trayektori yang diharapkan. Keluaran dari kapal adalah sudut yaw aktual yang digunakan sebagai awal perhitungan untuk memperoleh lintasan terbaru dari kapal dalam membangun sistem guidance. II. HASIL DAN DISKUSI
Heading
2.1 Pengujian Open Loop Kapal PKR KRI Kelas Sigma Pengujian secara open loop digunakan untuk mengetahui respon dari kapal KRI Kelas Sigma apabila tanpa menggunakan suatu kontroller. Uji open loop ini menggunakan sinyal uji step sebagai masukan dari aktuator kemudian menuju kapal. Penggunaan sinyal step ini agar mengetahui respon sistem apabila diberi masukan secara mendadak, selain itu sinyal ini mudah untuk diamati antara nilai setpoint yaitu grafik sinyal step itu sendiri dengan nilai variabel yang terukur. Grafik berikut ini menunjukkan uji open loop dari kapal KRI Kelas Sigma.
waktu Gambar 3. Hasil Uji Secara Open Loop
Gambar 4. Hasil Uji Closed Loop Tanpa Gangguan Berikut ini adalah keterangan dari grafik diatas :
• Lintasan 1 adalah lintasan awal kapal. • Lintasan 2 adalah lintasan aktual kapal. • Lintasan 3 adalah lintasan terbaru kapal
Dari grafik 4 terlihat bahwa grafik lintasan 3 (lintasan terbaru) mendekati lintasan 1 (garis berwarna merah) daripada lintasan 2 (garis berwarna hijau) yaitu lintasan yang terbentuk oleh sistem kontrol yang digunakan. Tabel 1. Perhitungan Nilai Error Lintasan Tanpa Gangguan
Terlihat bahwa trayektori baru yang dibuat hampir berhimpit dengan trayekori awal sehingga sistem kontrol mampu dalam melakukan updating trayektori pada kapal PKR KRI Kelas Sigma. Pada titik sembilan yaitu titik yang ditandai merupakan titik dengan nilai error lintasan paling besar sebesar sehingga digunakan sebagai sampel untuk melihat koordinat lintasan baru. Berdasarkan perhitungan yang dilakukan diperoleh nilai error rata-rata
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-3 keseluruhan titik adalah 3,37E-08. Nilai ini sangat kecil atau bisa dikatakan mendekati nol. 2.3 Uji Closed Loop Dengan Gangguan Gelombang 1.1meter Gambar 5 dibawah ini menunjukkan hasil uji closed loop dengan gangguang gelombang setinggi 1,1 meter
Gambar 5. Hasil Uji Closed Loop Dengan Gelombang 1,1m Terlihat pengaruh dari gelombang setinggi 1,1 meter pada titik yang ditandai yaitu titik 8 pada saat tikungan menyebabkan koordinat lintasan aktual jauh melebihi setpoint dan lintasannya terlalu tajam saat belok sehingga tidak aman, namun apabila diamati pada lintasan yang baru yaitu lintasan 3 (lintasan berwarna biru) melakukan manuver yang lebih halus dibandingkan dengan lintasan 2 (lintasan aktual). Hal yang menyebabkan lintasan baru lebih baik karena error yang dihasilkan antara lintasan 1 dan lintasan 2 Tabel 2. Perhitungan Error Lintasan Aktual dengan Lintasan setpoint dengan gangguan gelombang 1,1 meter
3 perhitunga lintasan kapal pada semua titik yang ,menghasilkan nilai error rata-rata yaitu sebesar r 15.9 meter dengan kondisi pengaruh gangguan gelombang setinggi 1.1 meter. 2.4 Uji Closed Loop Dengan Gangguan Gelombang 6 meter Berikut ini adalah grafik hasil simulasi yang dilakukan pada sistem guidance kapal PKR KRI Kelas Sigma dengan gangguan gelombang 6 meter.
Gambar 6. Hasil Uji Closed Loop Dengan Gelombang 6m Gambar 6 menunjukkan pengaruh gelombang setinggi 6 meter terhadap lintasan kapal. Lintasan 1 merupakan lintasan awal kapal yang nantinya digunakan untuk melakukan perhitungan dalam membuat lintasan baru. Lintasan 2 adalah lintasan aktual kapal akibat dari pengaruh gelombang setinggi 6 meter, sedangkan lintasan 3 merupakan lintasan baru yang terbentuk oleh sistem kontrol yang bekerja pada kapal PKR KRI Kelas Sigma. Nilai error yang terjadi antara lintasan 1 dengan lintasan 2 merupakan sebagai acuan awal dalam pembuatan lintasan yang baru. Dari hasil plotting terlihat pengaruh gelombang setinggi 6 meter menyebabkan terjadinya lintasan yang tidak beraturan dan menghasilkan nilai error yang cukup besar seperti yang dituliskan berdasar tabel 3 Tabel 3 Perhitungan Error Lintasan dengan Tinggi Gelombang 6 Meter
Dari tabel 2 terlihat bahwa pengaruh sistem autopilot dengan gangguan gelombang setinggi 1.1 meter menyebabkan terjadi error lintasan yang besarnya bervariasi mulai dari yang terkecil yaitu 1.54 meter sampai yang terbesar yaitu 82.5 meter. Dari nilai error dilakukan perhitungan oleh sistem kontrol untuk menentukan lintasan baru yang aman bagi pelayaran kapal PKR KRI Kelas Sigma. Dari penjelasan sebelumnya terlihan bahwa lintasan baru lebih smooth dibandingkan dengan lintasan aktual kapal. Hal ini akibat perhitungan secara beriterasi oleh sistem kontrol untuk menentukan titik yang aman untuk dilalui. Nilai error tersebut masih dapat ditoleransi karena menurut standart yang digunakan untuk error lintasan yaitu sebesar 10 dikalikan lebar kapal yaitu 10 x 13.02 = 130.2 meter. Dilakukan pula
Dari hasil tabel 3 diatas terlihat bahwa nilai error lintasan terkecil adalah 3,6 meter dan nilai error lintasan
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-4 terbesar 110, 1 meter. Hal yang menyebabkan rentang error ini sangat lebar karena adanya lintasan yang ekstrim pada lintasan setpoint. Pengujian dengan gangguan setinggi 6 meter ini dimaksudkan agar dapat mengetahui kemampuan sistem kontrol kapal yang menggunakan logika fuzzy dalam menanggapi lintasan yang ekstrim sehingga sistem kontrol yang dibuat bisa diterapkan pada daerah-daerah lainnya dengan berbeda kondisi lintasan. Nilai error tersebut hampir mendekati batas maksimum penyimpangan lintasan kapal yaitu 130,2 meter, oleh karena itu dapat disimpulkan bahwa sea state 6 merupakan batas maksimum dari level gelombang yang boleh dilalui kapal KRI Kelas Sigma ini. Nilai error ratarata yang diperoleh yaitu 41, 6 meter. 4.2.3 Uji Closed Loop dengan Gangguan Gelombang 7 Meter Pada gambar 7 di bawah ini menunjukkan respon dari kapal perang kawal rudal KRI Kelas Sigma dengan gangguan berupa gelombang yang diklasifikasikan dalam sea state 7 yaitu gelombang yang memiliki rentang tinggi gelombang sebesar 6 sampai 9 meter. Garis berwarna merah merupakan lintasan target kapal, sedangkan garis berwarna hijau merupakan lintasan aktual kapal akibat pengaruh gelombang, sedangkan lintasan biru merupakan lintasan baru yang terbentuk oleh sistem. Sumbu x dan sumbu y merupakan koordinat lintasan kapal.
4 Tabel 4.4 dibawah ini menunjukkan hasil perhitungan beda lintasan antara lintasan baru dengan lintasan yang target. Tabel 4.4 Perhitungan Error Lintasan Kapal dengan Gangguan Gelombang Setinggi 7 Meter
Dari hasil perhitungan tabel 4.4 terlihat bahwa nilai error terkecil adalah 30,9 meter dan nilai error terbesar adalah 173 meter. Nilai ini melebihi standar batas maksimal penyimpangan lintasan kapal yaitu 130, 2 meter, dan error rata-rata error lintasan sebesar 86, 94. Nilai error rata-rata ini sangan jauh berbeda dengan nilai error rata-rata pada sistem dengan gangguan gelombang setinggi 6 meter yaitu sebesar 41, 6 meter. Hal ini disebabkan oleh sistem kontrol pada kapal sudah tidak mampu dalam mengendalikan posisi kapal sebagai syarat dalam merancang sistem guidance untk membangun autopilot. Sehingga dapat diambil suatu kesimpulan bahwa level sea state maksimal yang boleh dilalui oleh kapal perang kawal rudal KRI Kelas Sigma ini adalah sea state 6 dengan rentang tinggi gelombang 4 sampai 6 meter. III. KESIMPULAN
Gambar 7 Grafik Lintasan Kapal Dengan Gelombang 7 Meter Dari gambar 7 terlihat bahwa lintasan 1 sebagai lintasan awal kapal, lintasan 2 sebagai lintasan aktual kapal akibat pengaruh dari gelombang setinggi 7 meter, sedangkan lintasan 3 merupakan lintasan yang baru sebagai hasil dari respon sistem dalam mengatasi gangguan gelombang setinggi 7 meter. Dari grafik tersebut terlihat bahwa sistem kontrol pada kapal tidak mampu untuk membuat lintasan yang baru pada gelombang dengan ketinggian 7 meter. Lintasan 2 berkelok dengan tajam, namun lintasan 3 hasil perhitungan error yang terjadi juga menunjukkan manuver yang tajam, sehingga dapat disimpulkan bahwa pada gangguan gelombang setinggi 7 meter, sistem guidance yang tidak mampu dalam men-generate lintasan baru yang aman, oleh karena itu dapat dikatakan bahwa gelombang maksimal yang boleh dilalui kapal adalah setinggi 6 meter yaitu gelombang yang masuk dalam level sea state 6 dengan kategori very rought.
Berdasarkan analisa yang telah dilakukan, maka dapat diperleh kesimpulan sebagai berikut : 1. Perancangan sistem guidance untuk kapal PKR KRI Kelas Sigma berhasil untuk kondisi tanpa adanya gangguan dengan error mendekati nol. 2. Pada kondisi dengan gangguan berupa gelombang setinggi 1,1 meter menghasilkan error lintasan ratarata sebesar 15,9 meter dengan nilai error terkecil 1,54 meter dan error terbesar 82,5 meter. 3. Pada kondisi dengan gangguan berupa gelombang setinggi 6 meter menghasilkan error lintasan ratarata sebesar 41,6 meter dengan nilai error terkecil 3,6 meter dan error terbesar110,1 meter. 4. Hasil simulasi untuk perancangan sistem guidance dan sistem kontrol mampu dioperasikan pada sea state 1 sampai dengan sea state 6.
JURNAL TEKNIK POMITS Vol. 1, No. 1, (2012) 1-5
UCAPAN TERIMA KASIH Penulis mengucapkan terima kasih kepada orang tua, dosen pembimbing, dosen penguji, laboran, seluruh dosen, karyawan, dan elemen jurusan Teknik Fisika serta seluruh pihak yang turut membantu kelancaran tugas akhir ini. DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3]
[4]
[5] [6]
[7] [8]
[9] [10] [11] [12]
Fossen, T.I. 1994. “Guidance and Control of Ocean Vehicles”. John Willey and Sons. New York. Anonymous.”Guidance System”. http://www.itk.ntnu.no/fag/gnc/Wiley/Ch10.pdf Illa Rizianiza, A.S, Masroeri, A.A. 2010. “Design Tracking Control Of Ship Based On Fuzzy Logic”. Surabaya. Anita Faruci.2011.” Perancangan Sistem Kontrol Berbasis Logika Fuzzy Pada Manuvering Kapal Niaga untuk Menghindari Benda Asing di Perairan Tanjung Perak”. Surabaya Storvik, Marit. 200. ” Guidance System For Automatic Approach to a Ship”. NTNU. E. Lefeber, K. Y Pettersen, and H. Nijmeijer. 2003. “Tracking Control of an Underactuated Ship”. IEEE, USA. Kovacic , Zdenko. 2006. “Fuzzy Controller Design Theory and Applications”, Taylor & Francis Group, Kazuo Tanaka and Hua O. Wang, 2001,“Fuzzy Control Systems Design and Analysis,” John Wiley & Sons, Inc., New York. K. Van Dokkum, 2003,”Ship Knowledge”, Dokmar, Netherlands “T.W Vaneck, 1997, Fuzzy Guidance Controller for an Antonomous Boat”, IEEE, USA Anonymous. “Control of Vehicles and Vehicle Systems”. R S Burns, G Blackwell and S Calvert, “An Automatic Guidance, Navigation and Collision Avoidance System for Ships at Sea”.
5
