Jurnal Ilmiah Poli Rekayasa Volume 2, Nomor 2, Maret 2007
ISSN : 1858-3709
SIMULASI LOGIKA FUZZY UNTUK KONTROL PITCH PADA PROSES PENDARATAN OTOMATIS PESAWAT TERBANG Oleh : Zas Ressy Aidha Nazris Nazarudin Nurhatisyah Staf Pengajar Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Padang
ABSTRACT Some fuzzy logics application was explored for automatic aircraft landing control. Applying a collection of fuzzy rules based on the pilot heuristic approach and a defined path corridor, the corner stability pitch plan was maintained based on the ordinary classical control scheme. The simulations were carried out utilizing the available Mat lab fuzzy logic toolbox and simulink. In the overall feedback control system, the fuzzy logic controller/FLC was employed in the outer loop, while the classical control for longitudinal direction, based on a root-locus method to establish the required proceeding compensator was in the inner loop. The results show smooth approach paths and aircraft attitude. Keywords: Fuzzy logics, pilot heuristic, classical control
I.
jalur dan memasuki ”koridor” yang tepat
PENDAHULUAN Proses
pendaratan
(landing)
menuju
landasan.
Ini
bisa
menjadi
sulit
merupakan satu bagian yang berisiko pada
terutama untuk pesawat yang besar, karena
penerbangan pesawat terbang, hal ini dapat
jalur pendaratannya harus sudah ditentukan
dilihat dengan banyaknya kecelakaan pesawat
beberapa mil sebelum titik pendaratan. Untuk
terbang
pendaratan.
pesawat modern, sejumlah alat bantu canggih
Pendaratan memiliki kesulitan ketika pilot
sudah disediakan. Bantuan yang paling umum
harus melakukan manuver tertentu untuk
untuk pendaratan adalah alat menyeluruh
menuju titik pencapaian dengan teliti. Ketika
sistem
pesawat menuju lintasan pendaratan, pilot
System/ILS). Dengan sistem ini, sepasang
harus
gelombang radio diatur supaya melintasi jalur
yang
terjadi
memiliki
saat
pengetahuan
mengenai
pendaratan
(Instrument
”koridor” menuju landasan agar pesawat yang
pendaratan.
Penyimpangan
diterbangkannya
pendaratan
diindikasikan
dapat
mendarat
secara
benar.
dari pada
Landing
”koridor” beberapa
instrumen di kokpit, yang merupakan indikator Saat ini beragam bantuan peralatan
telah tersedia, yaitu berupa menara radio,
ILS (Barnard dan Philpott, 1989). Karena
adanya
kesulitan
dan
sehingga jarak ke ambang ”koridor” bisa
banyaknya tugas seorang pilot selama proses
diketahui.
Pilot
posisi
pendaratan, tahap penerbangan ini masih
pesawat
melalui
(Global
menjadi subyek pengembangan dalam sistem
Positioning System), tinggi pesawat pada
untuk membantu pilot melakukan tugasnya,
altimeter, serta arah dan kecepatan pesawat
sejalan
melalui Instrument Rate of Climb, Machmeter,
keselamatan
dan instrumen lain berdasar sistem gyro.
sistem kendali otomatis dapat mengurangi
Dari
bisa
uraian
mengetahui
penerima
tersebut,
GPS
salah
dengan
peningkatan
penerbangan.
masalah
Penggunaan
satu
beban kerja pilot, karena dengan sistem
masalah utama pendaratan adalah mengikuti
kendali yang baik, pilot diharapkan dapat
100
Jurnal Ilmiah Poli Rekayasa Volume 2, Nomor 2, Maret 2007
ISSN : 1858-3709
membimbing pesawat terbang untuk mendarat
Widodo,
serta
pada
Malaek
at
jarak-pandang
yang
memberikan stabilitas
baik
dan
untuk memperbaiki
Logika
fuzzy
diaplikasikan
untuk
(Fuzzy
al.
menggunakan
kualitas penerbangan pesawat.
penggunaan
ANFIS
Masing-masing
parameter
oleh
peneliti
masukan
dan
keluaran yang berbeda, tetapi menghasilkan logics)
dapat
pengendalian
performans yang bagus
proses
pendaratan pesawat terbang, karena pada
II.
Aplikasi
proses pendaratan dibutuhkan pendekatan
untuk
yang akurat selama penerbangan. Himpunan
terbang
Pengendali proses
Logika
pendaratan
Fuzzy pesawat
Pergerakan otomatis pesawat terbang
ini mampu memberikan definisi terhadap hasil
adalah dengan memperhatikan gerak pesawat
pengukuran dengan menggunakan derajat
menurut sumbu XYZ seperti Gambar 1. Gerak
keanggotaannya, oleh karena itu
tujuan
pesawat menurut sumbu X yang berhimpit
adalah
dengan badan pesawat disebut sumbu rolling
ketidakpastian
penerapan
pada
teori
setiap
fuzzy
logika
data
ini
membuat mesin yang pandai, sesuai dengan
(gelinding)
seperti Gambar 1a, bidang yang
aturan-aturan (rules) yang diinginkan.
digerakkan terdapat pada sayap yang disebut aileron. Sumbu Y tegak lurus sumbu X disebut
Beberapa penelitian yang memberikan konsep
sumbu yaw (lenggok), bidang yang akan
yang
digerakkan pada ekor vertikal yang disebut
berhubungan dengan pendaratan pesawat
rudder, yang akan membelokkan arah pesawat
masih terbatas, dianta ranya adalah penelitian
ke kanan atau ke kiri.
kontribusi
dalam
pengembangan
logika fuzzy sangat banyak, tetapi
yang dilakukan
oleh Kee dan Dong (2002),
Malaek et al. (2004), Widodo
(2005).
Sumbu Z berimpit dengan sayap yang disebut sumbu pitch (angguk) seperti Gambar
dan penelitian Sri
Ketiga
penelitian
ini
1c, bidang yang digerakkan terdapat pada
menggunakan kendali klasik untuk kalang
ekor horizontal yang disebut elevator. Pesawat
bagian dalam (inner loop) dan menggunakan
akan bergerak ke atas atau ke bawah yang
pengendali fuzzy untuk pengendali bagian luar
disebut pitching (anggukan), sesuai gerakan
(outer loop) oleh Kee dan Dong , dan Sri
elevator ke atas atau ke bawah.
Aileron ke atas
Sumbu Roll
Sumbu Yaw Rudder
Ekor Ekor Vertikal Horizontal
Aileron ke bawah
(b)
(a) Sumbu Pitch Elevator ke atas
(c) Gambar 1
Pergerakan pesawat terhadap : (a) sumbu Roll (gelinding) (b) sumbu Pitch (angguk) dan, (c) sumbu Yaw (lenggok) (Encyclopedia of Science,1997)
101
Jurnal Ilmiah Poli Rekayasa Volume 2, Nomor 2, Maret 2007 Suatu autopilot mempunyai tiga alat otomatis berikut.
ISSN : 1858-3709 Pesawat yang akan mendarat adalah
pesawat dalam keadaan terbang sepanjang yang
lintasan menurun. Ketika touch down dicapai,
menstabilkan sudut pitch dan ketinggian
pesawat harus melayang pada arah yang
waktu terbang.
benar, agar pendaratan terasa mulus dan
1. Alat
otomatis
longitudinal
2. Alat otomatis lateral yang menstabilkan
menuju perhentian dengan baik
sudut roll. 3. Alat otomatis arah yang menstabilkan sudut yaw dan penyimpangan lateral (Waluyo, 1997). Meluncur
Mendarat
Mengembang
Landasan Gambar 2. Pendaratan pesawat terbang Salah satu alat yang dapat membantu pilot
pendaratan sangat besar (curam). Alat ini
dalam melakukan pendaratan dengan baik
memberikan
adalah instrumen VASI (Visual Approach
membimbing pesawat pada lintasan yang
Slope Indicator) terlihat pada Gambar 3.
benar, maka akan terlihat sepasang cahaya
Terdiri dari 2 set lampu dengan reflektor dan
merah dan sepasang cahaya putih dikedua sisi
slats, yang akan mengeluarkan cahaya sangat
landasan. Jika terlalu tinggi maka akan terlihat
merah saat sudut pendaratan sangat sempit
cahaya putih saja, dan jika terlalu rendah
(kecil), dan cahaya sangat putih saat sudut
maka akan terlihat cahaya merah saja.
informasi
bahwa
jika
pilot
Gambar 3. Instrumen VASI (Visual Approach Slope Indicator) (Science and Invention Encyclopedia, 1983)
Instrumen
lain
yang
umum
membantu
pendaratan
adalah
instrumen
sistem
pendaratan
atau ILS (Instrument Landing
Penyimpangan
jalur
pendaratan
akan
diindikasikan oleh instrumen di kokpit. ILS
System). Dengan ini sepasang gelombang
membimbing
radio diatur supaya melintasi jalur pendaratan.
terutama
sangat
dibutuhkan
pesawat dalam
saat
cuaca
dalam
pendaratan, yang
tidak
mengizinkan.
102
Jurnal Ilmiah Poli Rekayasa Volume 2, Nomor 2, Maret 2007 Sebagai
pendekatan
pada
desain
ISSN : 1858-3709
pendaratan.
Pengalaman
pilot
pendaratan otomatis pesawat terbang pada
diimplementasikan
menggunakan
kendali
penelitian ini, maka digunakan pengendali
logika fuzzy pada kendali penerbangan kalang
klasik untuk desain kalang bagian dalam (inner
bagian luar (outer loop).
loop), yaitu untuk stabilisasi selama proses Parameter Referensi
Loop bag. Luar (Logika fuzzy)
+-
Parameter terukur
Pesawat terbang dgn Loop bag. Dalam
Gambar 4. Diagram blok pendaratan otomatis pesawat terbang Struktur dasar sistem Inferensi Fuzzy terdiri
Ketinggian
pesawat
maksimum
pada
atas:
simulasi adalah 500 m dari permukaan
a) basis aturan yang berisi sejumlah aturan
tanah dan jarak horizontal dari landasan
fuzzy yang memetakan nilai masukan fuzzy
maksimum adalah 10 km, dengan sudut
ke nilai keluaran fuzzy (aturan ini sering
lintasan dari permukaan tanah adalah γ =tg-
dinyatakan dengan format If- Then);
(JV/JH) , dalam hal ini γ = 2,86o. Titik acuan
b) basis data yang berisi fungsi keanggotaan dari
fuzzy
himpunan
yang
digunakan
sebagai nilai bagi setiap variabel sistem;
pada sumbu koordinat XY. Kecepatan
pesawat
pada
c) mekanisme
fuzzy
penalaran
yang
ini
Telah banyak dikembangkan metode melakukan
penegasan,
20 m/det untuk menjaga laju penurunan pesawat tetap konstan.
melakukan prosedur inferens.
salah
satu
Diasumsikan,
pesawat
jarak
proses penegasan pada penelitian ini, yaitu
ketinggian minimal 150 m.
metode penegasan dengan penghitungan titik of
(centroid
area/
COA).
Secara
Z COA =
∫μ z
A
z
untuk
m
dari
landasan
dengan
Untuk menjaga stabilitas sudut pitch maka digunakan teknik kompensasi mendahului dasar
pendekatan
tempat
kedudukan akar pada kalang bagian dalam
( z ).zdz
∫μ
1000
dengan
matematis diekspresikan:
gagal
melakukan pendaratan bila berada pada
diantaranya adalah yang digunakan pada
pusat
simulasi
dianggap konstan selama pendaratan, yaitu
dan
untuk
lintasan pendaratan adalah titik 0 (nol)
sistem. A
Pendekatan
fuzzy
pada
hakekatnya
dengan μA (z) adalah fungsi keanggotaan hasil
merupakan bagian wujud toleransi lintasan di
gabungan (aggregated).
dalam
III.
Simulator aplikasi logika fuzzy pada pendaratan
dan
juga
toleransi sudut
pendekatan atau ketika memasuki pangkal
Jalan Penelitian
proses
koridor,
pesawat
terbang
dirancang dengan koridor sebagai berikut:
ini
koridor yang telah tertentu tersebut. Proses kendali yang diawali penginderaan adanya penyimpangan
(error
sensing),
pada
103
Jurnal Ilmiah Poli Rekayasa Volume 2, Nomor 2, Maret 2007 hakekatnya
adalah
”meraba-raba”
dibangun terdiri dari dua variabel masukan
besar galat untuk keperluan koreksi, sehingga
(eJV dan eJH) dan satu variabel keluaran
seperti
(Theta_r), dengan menentukan:
yang
proses
ISSN : 1858-3709
dilakukan
manusia,
tidak
•
sepenuhnya eksak atau ”crisp”. Selanjutnya
tahapan perancangan sebagai
keluaran, •
berikut. 1. Merancang
diagram
blok
Jangkauan (interval) masukan dan
simulasi
Kurva derajat keanggotaan, bentuk segitiga,
•
pendaratan otomatis pesawat terbang, dengan kalang bagian luar adalah FLC
Operator and, implikasi min
dan
agregasi max, •
sebagai implementasi dari pengalaman
Aturan if-then berdasarkan Tabel 1,
pilot, dan kendali klasik menggunakan
dan defuzifikasi menggunakan metode
kompensator mendahului untuk sistem
centroid.
pendaratan
pesawat
terbang
seperti
Gambar 4. 2. Membangun sistem inferensi fuzzy (Fuzzy Inference System/FIS) yang
digunakan
untuk kalang bagian luar pesawat terbang sebagai implementasi pilot. FIS yang Tabel 1. Aturan perubahan Theta_r eJH eTV
SJ
J
S
D
NL
ST
NS
NB
NSB
NSB
PK
T
NS
NS
NB
NSB
PS
S
NK
NS
NS
NB
PB
R
NK
NK
NK
NS
NS
NL
NL
NL
NL
NL
NL
104
Jurnal Ilmiah Poli Rekayasa Volume 2, Nomor 2, Maret 2007
Gain 20
ISSN : 1858-3709
Sat 550
-KClock
JV (m) -KGain7 -C-
Sub
Di splay
eJV
Outer loop
Sat1
T heta_r
-K-
JH (m)
FLC eJH wi th Rulevi ewer
Gain1
0,2
-KSub1
K-
Inner loop
Gain5
du/dt De rivative E
Sub3
Sub2
55.56(s+0.68)
num(s)
(s+13.6)
den(s)
Kompensator
S.Pesawat
Penghitung Jarak sin
1 s
T ri gonometri c Integr Functi on1 cos
1 s
-K-
TV
20 m/det
JH
-K-
XY Graph
T ri gonometri c In tegr1 20 m/det1 Functi on2
Gambar 5. Diagram Blok Simulator Proses Pendaratan Otomatis Pesawat Terbang loop
3. Merancang menggunakan
bagian
kendali
dalam
klasik
untuk
IV. Hasil dan Pembahasan Pengujian
simulasi
pendaratan
mengendalikan sudut pitch pesawat saat
otomatis pesawat ini dilakukan dengan tujuan:
proses
1. Untuk melihat seberapa jauh jumlah dan
pendaratan,
memperhatikan
syarat
dengan desain
yang
bentuk
fungsi
keanggotaan
himpunan
diinginkan (Control Tutorial for Matlab),
fuzzy untuk variabel masukan (eJV dan
serta melakukan penghitungan besar rasio
eJH) dan variabel keluaran theta_r, sesuai
redaman ζ dan frekuensi alami ωn sesuai
rancangan menunjukkan unjuk kerjanya.
syarat tersebut untuk menggambar letak kedudukan
akar-akar
persamaan
2. Untuk melihat seberapa jauh penggunaan kompensator
mendahului
dapat
karakteristik sistem, untuk mendapatkan
memberikan tabilitas terhadap
fungsi alih kompensator mendahului.
lintasan pendaratan pesawat terbang ini
4. Membangun otomatis
simulator
pesawat
pendaratan
terbang,
dengan
simulasi
sesuai dengan desain rancanga. Pengujian yang dilakukan pada 4 titik uji
memanfaatkan simulator matlab simulink
sebagai berikut.
dan Fuzzy Logic Toolbox (Gambar 5)
Uji 1 : JV 500 m dan JH = 10.000 m dari
5. Melakukan pengujian simulator lengkap. 6. Menganalisis kesimpulan.
dan
pengambilan
landasan Gambar 6 memperlihatkan bahwa saat pesawat terbang berada pada ketinggian 500
105
Jurnal Ilmiah Poli Rekayasa Volume 2, Nomor 2, Maret 2007
ISSN : 1858-3709
m dari permukaan tanah dan 10.000 m dari landasan, pesawat terbang dapat mendarat
JV (m)
dengan baik pada titik pemberhentian. Uji 2 : JV = 300 m dan JH 7000 m Saat ketinggian pesawat 300 m dari permukaan tanah dan pada jarak horizontal 7000 m dari landasan, maka pesawat masih dapat mendarat dengan baik, terlihat pada Gambar 7. Uji 3 : JV = 350 m dan JH =3000 m Saat ketinggian pesawat 350 m dari permukaan tanah dan berada pada jarak 3000 m dari landasan tidak memungkinkan untuk
JHm (m) Gambar 7. Lintasan pesawat saat JV = 300 dan JH = 7000 m
melakukan pendaratan dengan baik, terlihat pada Gambar 8 lintasan pesawat terlihat curam dan kembali naik.
Ketinggian vertikal/TV (m)
Uji 4 : JV = 400 m dan JH =4000 m saat pesawat berada pada ketinggian 400 m dan pada jarak 4000 m dari landasan pesawat tidak dapat mendarat dengan baik maka terlihat pada Gambar 9 lintasan pesawat kembali naik. JV (m) Jarak Horizontal / JH (m)
Gambar 8. Lintasan pesawat saat JV = 350 m dan JH = 3000 m Ketinggian vertikal/TV (m)
JH (m)
Gambar 6. Lintasan pesawat saat JV = 500 m dan JH = 10.000 m
Jarak Horizontal / JH (m)
Gambar 9. Lintasan pesawat saat JV = 400 m dan JH = 4000 m
106
Jurnal Ilmiah Poli Rekayasa Volume 2, Nomor 2, Maret 2007 V.
Kesimpulan Dari tujuan dan hasil pengujian simulasi
ISSN : 1858-3709 Neural Networks and Fuzzy Logic, http://www.ee.umelb.edu.au/conference s/ascc2004/proceedings/papers/P54.pdf
aplikasi logika fuzzy pada proses pendaratan otomatis pesawat terbang, maka dapat ditarik kesimpulan bahwa, 1. Himpunan dan aturan-aturan fuzzy yang diaplikasikan pada kalang bagian luar simulasi
proses
pendaratan
pesawat
otomatis, adalah sebagai implementasi pengalaman lintasan
(heuristic)
pendaratan
pilot,
dimana
dipengaruhi
oleh
bentuk himpunan dan aturan fuzzy yang dipilih. Pada pengujian memperlihatkan hasil lintasan yang mulus, yaitu tidak ada
Rey, J.P., 2002, Lecture Notes: Principles of Fuzzy Logic, Noordelijke Hogeschool Leeuwarden. Waluyo, MS.,1997, Seri Teknik Penerbangan: Cara Kerja Autopilot, Penerbit ANDI, Yogyakarta. Widodo,Th. Sri, 2005, Design and Simulation of Fuzzy Logic Auto-Landing Control for an Aircraft, International Conference on Instrumentation, Communication and Information Technology (ICICI), Bandung. ______, 1997, Encyclopedia of Science: 10. Transportation, Macmillan- Reference USA, New York.
patahan atau belokan tajam, dan stabil sesuai yang seharusnya, yaitu ketika memasuki dan menelusuri koridor. 2. Kendali klasik pada kalang bagian dalam sistem
pengendalian
menggunakan
kompensator mendahului dengan metode tempat
kedudukan
memperlihatkan
______, 1983, The Illustrated Science and Invention Encyclopedia, H.S. Stuttman Inc. publishers. ______, 2004, Fuzzy Logic Tool Box, The math works.
akar,
stabilitas
dan
______,2004, Modelling a Pitch Controlle, http://www.engine.umich.edu/group/ct m/examples/pitch/Mpitch.html
yang
diharapkan.
VI. Daftar Pustaka Barnard, R.H. & DR. Philpott, 1989, Air Craft Flight: A Description of the Physical Prinsiples of AirCraft Flight, Longman Scientific & Technical, Singapore. Denker, JS., See How it Flies a New spin on the perceptions, procedures, and principles of Flight, http://www.av8n.com Eng Kee,Poh. & Li Dong, Fuzzy Logic Based Autoland Controller, http://www.mindef.gov.sg/rsaf/ats2002/u av/Uv3.pdf Nelson, Robert C., 1989, Flight Stability and Automatic Control, Mc. Graw-Hill International Edition. Ogata, Katsuhiko, 1997, Teknik Kontrol Automatik, Penerbit Erlangga, Jakarta. Malaek, S.M.B., et.al, 2004, Intelligent Autolanding Controller Design Using
107
