perancangan sistem pengendalian kecepatan putar motor thruster pesawat tanpa awak (df-uav01) dengan...
DESCRIPTION
Jurnal Online Universitas Negeri Surabaya, author : Fitri Iskandarianto, Firman Fahriansyah,TRANSCRIPT
12
PERANCANGAN SISTEM PENGENDALIAN KECEPATAN PUTAR MOTOR THRUSTERPESAWAT TANPA AWAK (DF-UAV01) DENGAN MODE KONTROL PROPORSIONAL
Fitri Adi Iskandarianto
Jurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, ITS
Firman FahriansyahJurusan Teknik Fisika, Fakultas Teknologi Industri, ITS
Abstrak
Pengendalian motor thruster pada quadrotor DF-UAV01 merupakan pengendalian yang dilakukan untuk menjagakecepatan putar motor agar dapat mengikuti set poin dengan menggunakan rangkaian IC L293D dan mikrokontrollerATMEGA8535. Masukan set poin kecepatan motor yang harus didapatkan berasal dari reference input dari atittudecontrol. Dari data didapatkan pengendali P dengan nilai Kp=0.0279 memiliki respon yang paling baik yaitu rise timesebesar 2s dan settling time sebesar 6s. Pengendali ini diuji dengan gangguan berupa kipas angin dengan kecepatanangin sebesar 3m/s, guncangan, dan perubahan arah putaran motor secara mendadak. Dari pengujian didapatkanpengendali dapat tetap bekerja dengan baik. Sistem ini kemudian diintegrasi dengan pengendalian empat motor dansistem attitude control. Dari pengujian dapat dilihat sistem dapat membaca masukan dari range 0 – 4600 rpm dan dapatmengikuti dengan baik set poin yang diberikan oleh attitude control antara range 1500-4200 rpm.
Kata Kunci : Motor Thruster, IC L293D, quadrotor
AbstractMotor control thruster on DF-UAV01 quadrotor control is being done to keep the rotational speed of the motor to beable to follow a set of points using L293D IC circuit and microcontroller ATMEGA8535. Put the motor speed set pointsthat must be obtained from the reference input of atittude control. From the data obtained with a value of P controllerKp = 0.0279 has the best response for the rise time and settling time 2s for 6s. The controller is tested in the form of faninterference with wind speed of 3m / s, shocks, and changes in direction of motor rotation suddenly. Obtained from thetest controller can still work well. The system is then integrated with control four motors and attitude control system.From the test system can be able to read input from the range 0-4600 rpm and can follow up with a good set of pointsgiven by the attitude control between 1500-4200 rpm range.Keywords: Motor Thruster, IC L293D, quadrotor
PENDAHULUAN
UnManned Aerial Vehicle (UAV) adalah perangkatyang memiliki kemampuan terbang tanpa awak dan pilot.Mereka dapat dikontrol secara langsung oleh operatoratau di kontrol secara otomatis melalui perangkat yang diprogram sebelumnya. Beberapa pesawat udara telah diimplementasikan pada dunia militer. Penggunaan lebihlanjut dari UAV ini pada dunia militer, secara khususdigunakan untuk mencari, operasi penyelamatan, danpengembangan UAV lainnya. Ide pembuatan quadrotorini bukanlah hal yang baru, pertama kali telahdirealisasikan pada tahun 1907 dengan nama GyroplaneNo.1 oleh Louis dan Jacques Breguet (Perancis); inimerupakan pendahulu yang sekarang digunakan untukmodel helicopter konvensional. Pengembangan lebihlanjut dari quadrotor ini pada model George de Bothezat(Dayton, Ohio) tahun 1922, oleh Etienne Oemichen(Peugeot, Perancis) tahun 1923, dan pengembanganpaling baru adalah pengembangan quadrotor dalam skalakecil dan digerakan dengan empat motor dan dapatberputar dan dikontrol secara sendiri-sendiri
kecepatannya, oleh karena itu bentuk mekanik dariquadrotor jadi semakin sederhana juga. Motor yangdigunakan adalah motor DC 5,9 volt. Pengendalian daripesawat ini berdasarkan kecepatan dari keempat motoryang saling berkaitan satu sama lain. Quadrotor secaraumum memerlukan pengendali untuk menjaga kecepatanmotor agar seimbang selama terbang.
Permasalahan yang dihadapi dalam penelitian iniadalah bagaimana membangun dan merancang sistempengendali motor thruster pada UAV DF-UAV01 denganmenggunakan mode proporsional memakai referenceinput dari attitude control. Sehingga penelitian inibertujuan untuk merancang sistem kendali pada motorthruster UAV DF-UAV01 dalam melakukan maneuver.Pada UAV tipe ini akan diberikan tambahan motor padabagian tengah quadrotor. Motor ini berfungsi untukmendorong quadrotor baik untuk maju maupun untukmundur. Dan apabila diintegrasikan dengan pengendalian4 motor dan attitude control akan dapat memperluasmaneuver yang dihasilkan.Adapun batasan masalah pada penelitian ini adalah:
transparentopaque
16
Pada gambar 3.13 diatas merupakan form HMI sistempengendali kecepatan motor pada quadrotor UAV untukmonitoring, perubahan parameter, dan respon dinamiksystem. Gambar di kanan bawah merupakan indicatorapakah pesawat dalam keadaan maju atau mundur.
HASIL DAN PEMBAHASANDari hasil penelitian didapatkan beberapa data. Data-
data ini akan dianalisa dan hasilnya sebagai berikut :Analisa Pembacaan Kecepatan Motor
Pembacaan kecepatan motor akan dilakukan olehsensor optocoupler yang akan dikalibrasi dengan alatpembaca frekuensi putaran motor yang bernamastroboscope. Dari hasil pembacaan didapatkan dataseperti pada tabel 4.6 yang kemudian akan dicari nilaiRMSE yang dimiliki sensor optocoupler.
Tabel 1 Perbandingan data bacaanoptocoupler dengan stroboscope
Data Optocoupler Data Stroboscope
PulsaKiri(rpm)
Kanan(rpm)
Kiri(rpm)
Kanan(rpm)
0 0 0 0 020 1308 1260 1356 129040 2022 1998 2069 211160 2490 2478 2626 264280 2910 2880 3001 3011100 3258 3156 3338 3343120 3468 3408 3638 3624140 3750 3684 3925 3912160 3996 3870 4160 4111180 4206 4074 4353 4367200 4440 4326 4625 4609
Diatas adalah data hasil perbandingan pembacaankecepatan motor dengan optocoupler dan stroboscope.Dari data diatas didapatkan error yang dapat digunakanuntuk menghitung RMSE.
RMSE=ට∑(௧௨)మ
భ−
∑(௦௧௦)మ
మ
Dari perhitungan didapatkan RMSE dari motorputaran kiri adalah 3,619564 dan RMSE dari putarankanan adalah 5,303435.Analisa Sistem Pengendalian Motor
Dari pemrograman yang sudah diberikan padamikrokontroller dan pengkalibrasian sensor pengukuranoptocoupler dilakukan perbandingan respon pengendalidengan beberapa parameter pengendali dari nilai Kp,Ti,dan Td sebagai berikut:Pengendali P dengan nilai Kp=0.0279
Pengendalian yang digunakan adalah pengendali Pdengan nilai Kp=0.0279. Dari hasil tracking set poin padaHMI didapatkan kurva sebagai berikut :
Gambar 9 Kurva hasil pengendalian motor maneuvermaju dengan nilai Kp=0.0279
Tabel 2 Kriteria hasil pengendalian motor maneuvermaju dengan pengendali P(Kp=0.0279)
KriteriaRise time 2 sSettlingtime
6 s
Peak time -Max.overshoot
-
Gambar 10. Kurva hasil pengendalian motormaneuver mundur dengan nilai Kp=0.0279
Tabel 3 Kriteria hasil pengendalian motor maneuvermundur dengan pengendali P(Kp=0.0279)
KriteriaRise time 4 sSettling
time7 s
Peak time -Max.
overshoot-
Pengujian Beban Pada PengendaliDari hasil didapatkan bahwa pengendali P dengan
Kp=0.0279 memiliki karakteristik pengendali yangpaling baik.Untuk itu kali ini akan dilakukan uji bebanuntuk melihat seberapa baik pengendali bekerja biladiberikan gangguan. Dari hasil pengujian didapatkankurva sebagai berikut :
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 7 1319253137434955
RP
M
Waktu (s)
Set Poin
Kecepatan Motormaju
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 7 131925313743495561
RP
M
waktu(s)
Set Poin
KecepatanMotorMundur
17
Pengujian Beban Dengan Gangguan KipasAngin(v=3m/s,r=12cm)
Gambar 11 Kurva pengendalian motor maneuvermaju dengan beban kipas angin pada bagian depan \
Tabel 4 Kriteria hasil pengendalian motor maneuvermaju dengan gangguan kipas angin depan pada
pengendali P(Kp=0.0279)
KriteriaRise time 4 sSettling
time10 s
Peak time -Max.
overshoot-
Gambar 12 Kurva pengendalian motor maneuvermundur dengan beban kipas angin pada bagian depan
quadrotor
Tabel 5 Kriteria hasil pengendalian motor kiri dengangangguan kipas angin depan pada pengendali
P(Kp=0.0279)
Kriteria
Rise time 4 s
Settling time 6 s
Peak time -
Max.overshoot
-
Gambar 13 Kurva pengendalian motor maneuvermaju dengan beban kipas angin pada bagian belakang
quadrotor
Tabel 6 Kriteria hasil pengendalian motor maneuvermaju dengan gangguan kipas angin belakang pada
pengendali P(Kp=0.0279)
Kriteria
Rise time 2 s
Settlingtime
13 s
Peak time 2 s
Max.overshoot
8,14 %
Gambar 14. Kurva pengendalian motor maneuvermundur dengan beban kipas angin pada bagian belakang
quadrotor
Tabel 7 Kriteria hasil pengendalian motor maneuvermundur dengan gangguan kipas angin belakag pada
pengendali P(Kp=0.0279)
Kriteria
Rise time 5 s
Settling time 7 s
Peak time -
Max.overshoot
-
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 12 23 34 45 56 67 78 89
RP
M
waktu(s)
set poin
kecepatanmotor Maju
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 8 1522 293643 505764
RP
M
waktu(s)
set poin
kecepatanmotorMundur
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 8 15 22 29 36 43 50 57
RP
M
waktu(s)
Set Poin
kecepatanmotorMaju
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 8 15222936435057
RP
M
waktu(s)
Set Poin
KecepatanMotorMundur
18
Pada gambar dapat dilihat kurva hasil pengendaliandengan pengendali P(Kp=0.0279) dapat dengan baikmengikuti set poin ketika diubah secara mendadakwalaupun diberikan gangguan berupa angin dari kipasangin dengan kecepatan 3m/s baik dari arah depanmaupun dari arah belakang quadrotor untuk pengendalianmotor untuk arah putaran kanan maupun untuk motordengan arah putaran kiri. Semua pengendalian tidakmemiliki overshoot dan settling time yang cukup cepat.Pengujian Beban Dengan Gangguan BerupaGoncangan
Dari pengendali yang sudah ditala akandilakukan pengujian terhadap pengendali P(Kp=0.0279)dengan gangguan berupa guncangan pada rangkaquadrotor. Pengujian ini dilakukan untuk melihatseberapa baik pengendali bekerja ketika quadrotormenerima guncangan dari lingkungan sekitar. Hasilpengendalian dapat dilihat pada kurva berikut :
Gambar 15 Kurva pengendalian motor maneuvermaju dengan beban berupa goncangan pada quadrotor
Tabel 8 Kriteria hasil pengendalian motor maneuvermaju dengan gangguan goncangan pada pengendali
P(Kp=0.0279)
KriteriaRise time 8 sSettling time 8 sPeak time -Max.overshoot
-
Gambar 16. Kurva pengendalian motor maneuvermundur dengan beban berupa goncangan pada quadrotor
Tabel 9 Kriteria hasil pengendalian motor maneuvermundur dengan gangguan goncangan pada pengendali
P(Kp=0.0279)
KriteriaRise time 2 sSettling time 5 sPeak time -Max.
overshoot-
Pengujian Pengendali dengan motor diputarberlawanan arah secara mendadak
Motor thruster ini dapat digunakan sebagaipendorong untuk maju maupun sebagai pendorong untukgerakan mundur. Untuk itu akan diuji hasil pengendalianapabila motor diputar berlawanan arah secara mendadak.Berikut hasil Pengendalian dengan pengendaliP(Kp=0.0279) :
Gambar 17. Pengujian pengendali ketika arah putaranmotor diubah secara mendadak
Sistem pengujian dilakukan dengan memberikan setpoin sebesar 4200, 3500, 2500 dan diubah arahnya secaramendadak. Dari gambar diatas dapat dilihat bahwa ketikaset poin 4200, arah putar diubah sehingga dapat dilihatterjadi overshoot sekitar 10% dan settling time sekitar 5sekon. Begitu juga ketika set poin bernilai 3500 dan2500. Dari gambar dapat dilihat overshoot semakin tinggiapabila set poin motor berada pada range terendahnya.
Pengintegrasian Sistem Attitude Control, SistemPengendalian 4 Motor dan Sistem PengendalianMotor Thruster Dalam Mode Maneuvering
Subbab ini akan membahas hasil pengintegrasiansistem atittude control, sistem pengendalian empat motordan sistem pengendalian motor thruster dalammelakukan mode maneuvering. Integrasi ini menggnakanmikro dari masing-masing sistem yang keluaranya akandisatukan dalam satu serial yang selanjutnyadihubungkan dalam satu laptop.
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 7 1319253137434955
RP
M
waktu(s)
Set Poin
KecepatanMotorMaju
0
1000
2000
3000
4000
5000
1 7 13 19 25 31 37 43
RP
M
waktu(s)
Set Poin
KecepatanMotorMundur
0500
100015002000250030003500400045005000
1
18
35
52
69
86
10
3
12
0
RP
M
waktu(s)
Set Poin
KecepatanMotor
20
PENUTUP
Simpulan
Dalam pelaksanaan penelitian penelitian dapatdisimpulkan beberapa hal sebagai berikut :1. Pengendali P dengan nilai Kp=0.0279 memiliki
respon yang paling baik dengan Rise time sebesar 2 sdan settling time sebesar 6s untuk motor maneuvermaju dan rise time 4s beserta settling time 7s untukmotor maneuver mundur.
2. Pada sistem pengendalian motor yang berlakudidapatakan bahwa pengendali P merupakanpengendali yang paling bagus jika dibandingkandengan pengendali PI dan PID dengan kriteriapengendali PI yaitu settling time sebesar 23 s danovershoot sebesar 27%. Sedangkan pengendali PIDmemiliki settling time sebesar 30s dan overshootsebesar 29% dan kedua pengendali ini berosilasiketika dilakukan perubahan set poin terutama dalamrange rendah(1400 rpm – 2500 rpm)
3. Pengendali P dengan nilai Kp=0.0279 dapat berjalandengan baik ketika diberikan gangguan berupagoncangan dan gangguan kipas angin(v=3m/s) padabagian depan maupun belakang quadrotor.
4. Pengendali P dengan nilai Kp=0..0279 dapat bekerjadengan baik ketika arah putaran motor diubah secaramendadak dengan overshoot 8% dan settling timesebesar 4s.
5. Sistem pengendalian motor thruster terintegrasidapat membaca masukan set poin dengan range 0 –4600 rpm dan dapat mengikuti perubahan set poindengan baik ketika diintegrasikan dengan sistemattitude control dan sistem pengendalian empatmotor pada range 1500-4600 rpm.
SaranTerdapat beberapa saran yang dapat diberikan setelah
melakukan penelitian penelitian ini antara lain1. Motor dc yang sebaiknya digunakan adalah brushless
dc motor, rangkaian ESC (Electronic Speed Control)yang menggunakan ESC pada Radio Control, danmenggunakan software LabView untukmempermudah proses koneksi antara hardware dansoftware dengan menggunakan NI-DAQ (NationalInstrument- Data Acquisition)
2. baling-baling yang digunakan sesuai dengan brushlessdc motor dengan berat seringan mungkin namunmemiliki nilai rpm yang tinggi.
3. Pembuatan rangka quadrotor diharapkan dapat lebihdiringankan namun masih stabil dan kuat untukmemudahkan BDC dalam memberikan gaya angkat.
DAFTAR PUSTAKA
Ariefianto, Budi.2008.”Training MicrocontrollerATMEGA 8535 for Beginner”.Maxtron
Domingues ,Jorge Miguel Brito, “Quadrotor prototype”,Instituto Superior Tecnico
Electro Control team, “Driver Motor DC menggunakanIC L293 D”,www.electrocontrol.wordpress.com
Emanuel Stingu, frank Lewis,”Quadrotor Spesification”,Automation & Robotics Research Institute Universityof Texas at Arlington
Elliot, Grant,2005,” Development of an AutonomousQuadrotor Flying Platform”
Firdaus ,Ahmad Riyad, “SISTEM KENDALIKECEPATAN MOTOR DC”, Politeknik Batam
Haomiao Huang, Gabriel M. Hoffman, Steven L.Waslander, Claire J. Tomlin, “Aerodynamics andControl of Autonomous Quadrotor Helicopters inAggressive Maneuvering
McComb , Gordon.2001.the robot builder’s(2nd edition)bonzana.MacGraw-Hill
Ogata, Katsuhiko. 1993.”Teknik KontrolAutomatik(Sistem Pengukuran)”.Jakarta:Erlangga
Risqiawan, Awindra.2009.” Sekilas RotaryEncoder”.Penelitian Energi Listrik Elektro ITB
S. Bouabdallah, “Design and control of quadrotors withapplication to autonomous flying,” Ph.D. dissertation,EPFL, 2006
Sadin , Paul E..2003.robot mechanism and mechanicaldevice ilustrated.mc graw-hill : new york
Simanjutak , Raymond T.,2008, “Perancangan RobotPemadam Api Berbasis MIKROKONTROLLERAT89C51