HARDWARE IN THE LOOP SIMULATION (HILS) UNTUK UNMANNED AERIAL VEHICLE (UAV)

 

Hardware In the Loop Simulations (HILS) adalah komputer terpisah yang digunakan untuk melakukan simulasi perilaku wahana (plant) yang didukung oleh beberapa sistem akuisisi data, pembangkit sinyal dan prototipe sistem kendali yang dapat di uji secara waktu nyata (real time) dan dipresentasikan dalam bentuk perangkat keras (hardware).

Simulasi menggunakan HIL merupakan teknik yang efektif untuk merancang dan menguji sistem autopilot. Perangkat keras dan piranti lunak yang terintegrasi di dalam HILS dapat diberi sinyal masukan dan menghasilkan sinyal keluaran secara real time. Target uji berupa prototipe sistem kendali autonomous bekerja secara real time dan pengujian dilakukan dibawah beban dan kondisi yang mendekati kenyataan sebenarnya. Perancang sistem kendali (enginer) dapat melakukan koreksi dan menyempurnaan hasil rancangannya selama proses simulasi dijalankan. Simulator HIL sangat cocok untuk penelitian dan pengembangan sebuah sistem kendali untuk wahana beresiko tinggi seperti UAV. Dengan menggunakan HILS maka resiko kerusakan UAV akibat jatuh, hilang atau keadaan tak-terkendali dapat dihindari.

 Secara garis besar buku ini memuat langkah-langkah perancangan dan simulasi sistem kendali untuk UAV, yang mencakup :

• Pendahuluan : berisikan pengertian HILS, tahapan merancang HILS dan manfaat HILS.
• Teori Gerak Pesawat : memuat penurunan persamaan keadaan dalam matra longitudinal dan lateral-direksional.
• Model Dinamika : menguraikan penurunan dan analisis persamaan keadaan LSU-02 menggunakan first priciple, dan memvalidasi persamaan keadaan.
• Sistem Kendali dan Embedded System : menguraikan komponen yang digunakan dalam pembangunan HILS.
• Desain dan Implementasi : menyajikan perancangan sistem kendali dengan model plant LSU-02.
• Simulasi dan pengujian : menyajikan analisis kestabilan LSU-02 berdasarkan hasil simulasi.
• Manual Pengoperasian : menyajikan manual menjalankan simulasi menggunakan HILS.

 Buku ini bisa digunakan bagi para peneliti dan mahasiswa yang ingin merancang sistem kendali wahana terbang dan mengembangkan HILS lebih lanjut. Dengan simulator HILS maka penelitian tingkat kestabilan sebuah wahana (UAV) dijalankan dan resiko kerusakan wahana terbang dapat diminimalisir. Harapan penulis, walaupun tidak sempurna, semoga buku ini bermanfaat bagi para peneliti, mahasiswa dan pembaca yang tertarik pada sistem kendali UAV.   

Mengerti Artificial Intelligence [Eko Budi Purwanto]

Sinopsi :

Buku ini diperuntukan bagi siapa saja yang ingin belajar dan memahami kecerdasan buatan (artificial intelligence). Pembahasan tiap teori meliputi definisi, konsep dasar, contoh program dan penerapanya. Secara umum isi dari buku ini dibagi dalam empat baian yaitu :

Bagian I Pengertian Artificial Intelligence berisi dua bab yaitu bab1 menjelaskan tentang Definisi Artificial Intelligence, Struktur dan Perilaku Intelligence, Bidang Cakupan AI, dan Ruang Keadaan. Bab2 menjelaskan tentang Konsep Matematika yang digunakan untuk Pengembangan AI, antara lain  Konsep Himpunan, Vector Matriks, Persamaan Linier dan Matematika Logika.

Bagian II Teknik Pelacakan yang dibagi dalam dua bab yaitu bab 3 menjelaskan tentang Teknik Pelacakan Tak Terbimbing terdiri atas algoritma Breadth First Search, Depth First Search dan Depth First Search Limited. Bab 4 menjelaskan tentang Teknik Pelacakan  Terbimbing yang terdiri atas Algoritma Generate and Test, Hill Climbing, Best First Search (Greedy), Uniform Cost, A-star, Mean and Analysi, dan Simulated Annealing.

Bagian III Representasi Pengetahuan yang terdiri dari bab 5 menguraikan tentang First Order Logic (FOL), Teknik Inferensi, Operator Logika dan Dalil de Morgan, dan Algortma Resolusi. Bab 6 menguraikan tentang Representasi Pengetahuan secara Grafik yang mencakup Jaringan Ssemantic, Frame, Script dan Conceptual Dependency (CD). Bab 7 menguraoakan Statistic dan Ketidakpastian yang mencakup Statistika Dasar, Probabilitas, Teori Bayes, Teori Dempster-Shafer, Teori Markov, dan Regresi Linier.

Bagian IV Aplikasi Artificial Intelligence dibagi dalam enam bab. Bab 8 menguraikan tentang Pengertian Game, Algoritma MINIMAX, Alpha-Beta Pruning, Constraint Satisfaction Problems, dan Teknik Bactracking. Bab 9 menjelaskan tentang Palnning yang mencakup Pengertian Planning, Permainan Balok, Linier Planning, Sussman Anomaly, dan Non-Linear Planning. Bab 10 menguraikan tentang Natural Language Processing (NLP) yang mencakup Pengertian NLP,  Analisis Tahapan NLP, NLP untuk Penterjemah, dan NLP untuk Komunikasi. Bab 11 menguraikan tentang Computer Vision yang mencakup Pengertian, Aplikasi, Tipe Tugas, Line Labeling dan Object Recognition. Bab 12 menguraikan tentang Computer Learning yang mencakup Pengertian, Belajaran dari Pengamatan, Basis Pengetahuan, Metoda Statistic Learning, dan Algoritma Candidate Elimination. Bab 13 berisi Pengatar Robotika yang mencakup Sistem Robotika, Komponen Pembentuk Robot, dan Tipe-tipe Robot.

Bagian V menyajikan Soal-soal Ujian AI yang terdiri atas bab 14 Soal-soal UTS, dan bab 15 Soal-soal UAS.   

PERANCANGAN DAN ANALISIS ALGORITMA

 RANCANG BANGUN DAN ANALISIS ALGORITMA

Eko Budi Purwanto, penulis lahir di kota Reog Ponorogo tahun 1962, menyelesaikan sarjana di Jurusan Fisika FMIPA Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS Surabaya) tahun 1989, dan meraih gelar Magister Teknologi dari Instutut Teknologi Bandung (ITB) jurusan Instrumentasi dan Kontrol tahun 1995, dan pensiun dari Pustekbang LAPAN.

Buku ini diperuntukan bagi mabahasiswa/mahasiswi dan umum yang ingin belajar perancangan dan analisis algoritma. Untuk mempermudah pemahaman, pembahasan tiap bab mencakup konsep dasar, simulasi dan contoh program (code) menggunakan Bahasa pemrograman C++.

Buku ini terdiri atas  11 bab terbagi dalam 5 bagian.

Bagian 1 Kompleksitas Waktu Algoritma dan Induksi Matematik, dari bagian ini pembaca bisa memahami tentang komplesitas waktu dan cara menghitungnya, serta dapat memahami algoritma-algoritma untuk penyelesaian persamaan linier.

Bagian 2 Algoritma Devide and Conquer yang membahas tentang beberapa algoritma pengurutan (sorting), algoritma pencarian (searching) data, dan algoritma-algoritma pencarian akar karakteristik untuk permasalahan metoda numerik seperti, bisection, regulafalsi, Newton Raphson dan Secant.

Bagian 3 Pemrograman Dinamik dan Optimasi Coding yang membahas algoritma Greedy, knapsack problem, algoritma Kruskals, Prims dan Dijkstras. Pada pemrograman dinamik disajikan stack, queue, multistage graph, yang dilengkapi dengan basic basic traversal, code optimization, Huffman code.

Bagian 4 Algoritma dalam Permainan membahas algoritma branch and bound untuk permasalahan traveling salesman problem (tsp), simulasi penempatan ratu, puzzle dan Sudoku. Dilengkapi dengan algoritma linier waktu yang meliputi coin chane, deret Fibonacci, ekspedisi Euler dan simulasi menara Hanoi. 

Bagian 5 menyajikan 21 contoh soal-soal ujian yang dilengkapi dengan penyelesaianya. Sehingga para pembaca dan mahasiswa/mahasiswi mudah memahami konsep algoritma dan bisa menerapkanya dalam simulasi. Dengan cara demikian diharapkan para mahasiswa/mahasiswi terpacu belajar dan tidak takut pada mata kuliah algoritma dan pemrograman. Disamping itu para mahasiswa/mahasiswi akan dapat menemukan judul untuk projek tugas akhir (skripsi).  

Penulis meniti karir dibidang penelitian dan pengembangan teknologi turbin angin, instrumentasi wahana dirgantara, dan sistem kendali wahana terbang. Penulis aktif membimbing mahasiswa kerja praktek (KP) dan Tugas Akhir (TA) dibidang Pemodelan dan Perancangan Sistem Kendali Pesawat Tanpa Awak (Unmanned Aerial Vehicle/UAV), Rancang Bangun Sistem Kendali Fuzzy, dan Perancangan dan Aplikasi Sistem Pakar untuk Medical Diagnosis. Penulis sebagai dosen paruh waktu dibeberapa universitas dan saat ini masih aktif mengajar di Universitas Bina Nusantara (BINUS), dan Sekolah Tinggi Ilmu Komputer (STMIK) Dharma Putra. Mata kuliah yang diampu : Artificial Intelligence (AI), Algoritma dan Pemrograman (Algopro), Perancangan dan Analisis Algoritma (PAA), Sistem Digital (Rangkaian Logika), Rangkaian Listrik, Sistem Kontrol, Sistem Pakar, Fuzzy Logic.

 Dalam menjalani hidup penulis mempunyai landasan pikir (semboyan hidup) berbahasa jawa

“ Wong kang têkun atêtêkên têmên bakal katêkan kang sinêdyo “

 

 

Sistem Digital

Sinopsis

Era sekarang bisa dikatakan sebagai era teknologi digital, ini karena sebagian besar sisi kehidupan masyarakat dipenuhi oleh pernak-pernik rangkaian digital. Dari peralatan rumah tangga hingga super komputer untuk menentukan posisi benda antariksa semuanya menggunakan rangkaian digital. Kondisi yang demikian menjadikan pengetahuan tentang sistem digital sebagai pondasi yang harus dimengerti dan difahami oleh para mahasiswa dan para peminat dunia digital. 

Secara garis besar sistem digital dibagi menjadi dua bagian yaitu rangkaian kombinasi dan rangkaian sekuensial. Rangkaian kombinasi adalah suatu rangkaian logika yang tidak melakukan penyimpanan data, artinya keluaran dihasilkan hanya dipengaruhi oleh masukkan yang diberikan pada periode yang sama. Sedangkan rangkaian sekuensial adalah rangkaian logika yang melakukan penyimpanan data, artinya keluaran pada suatu periode ditentukan oleh masukkan pada periode yang sama dan keluaran dari periode sebelumnya.

Agar para pembaca mudah memahami cara kerja suatu rangkaian digital, maka buku ini ditulis secara rinci dengan bahasa yang sederhana. Sedangkan untuk melatih kemampuan setelah membaca, pada bagian akhir bab diberikan soal-soal latihan. Disamping itu pada beberapa rangkaian dilakukan simulasi menggunakan piranti lunak electronics workbench (EWB).

 Materi pembahasan meliputi : 
·          Sistem bilangan beserta cara konversinya
·          Sistem operasian bilangan
·          Kondisi logika dan Gerbang dasar
·          Aljabar Boolean dan Teori De Morgan
·          Teknik implementasi
·          Teknik penyederhanaan rangkaian
·          Pengubahan kode (encoder dan decoder)
·          Multiplexer dan Demultiplexer (MUX dan DEMUX)
·          Dasar-dasar rangkaian sekuensial (flip-flop)
·          Up-Down Counter
·          Shift register
·          Aritmatika biner (adder dan subtractor)
·          Programmable logic device (PLD)
·          Piranti penyimpanan (memory devices)
·          Dasar-dasar organisasi komputer
·          Antarmuka (interface)   
Buku ini bisa digunakan bagi mahasiswa di Jurusan Teknik Komputer (Sistem Komputer), Teknik Informatika, Teknik Elektro, Teknik Fisika, Teknik Mesin, Matematika, Fisika dan jurusan lain yang berbasis Teknologi Informasi serta masyarakat umum.  

 

 

PEMODELAN AWAL DAN ANALISIS KESTABILAN PESAWAT TANPA AWAK LSU-05

(PRELIMINARY MODELLING AND STABILITY ANALYSIS OF LSU-05)

Eko Budi Purwanto

Email :  ekobudi1310@gmail.com

SIMULASI DAN ANALISIS LINGKAR TERTUTUP GERAK LSU-01 MENGGUNAKAN SISTEM KENDALI PID

SIMULASI DAN ANALISIS LINGKAR TERTUTUP Gerak LSU-01 MENGGUNAKAN SISTEM KENDALI PID

Oleh :

Eko Budi Purwanto

Email : ; eko.budi@lapan.go.id ; ekobudi1310@gmail.com

Bidang Teknologi Avionik – PUSTEKBANG

ABSTRAK

Persamaan keadaan (state space) gerak longitudinal dan lateral-direksional dari LSU-01 dimodelkan menggunakan metoda first principle. Analisis secara off line menunjukkan bahwa letak  pole di sebelah kiri sumbu imajiner yang berarti LSU-01 mempunyai karakteristik stabil statik. Mode akar karakteristik sudah sesuai dengan mode wahana terbang secara umum. Pada gerak longitudinal terdiri atas satu pasang short periode dan satu pasang phugoid, sedangkan pada gerak lateral-direksional terdiri atas satu pole untuk roll mode, satu pole spriral mode dan satu pasang pole untuk dutch roll. Hasil simulasi memperlihatkan bahwa waktu (settling time) mencapai kondisi tunak (steady state) pada gerak longitudinal lebih lambat dibandingkan gerak lateral-direksional, namun lewatan maksimum (maximum overshoot) pada gerak lateral-direksional lebih tinggi. Untuk memperbaiki kinerja (performance) LSU-01, digunakan sistem kendali PID. Hasil simulasi lingkar tertutup (close loop) menunjukkan bahwa waktu respon dan lewatan maksimum lebih singkat dibandingkan dengan lingkar terbuka, dan diketahui bahwa osilasi pada gerak lateral-direksional lebih lama dibandingkan gerak longitudinal. Ketika ada gangguan pada gerak lateral-direksional, maka akan terjadi gerak osilasi lebih lama. Contoh, waktu mencapai kondisi stabil untuk gangguan gerak rolling (gulung) akan lebih lama dibandingkan gangguan pada pitching (angguk).

Kata kunci: LSU-01, longitudinal, lateral-directional, PID.  

SIMULATION AND CLOSE LOOP ANALYSIS OF LSU-01 FLIGHT DYNAMICS USING PID CONTROL SYSTEM

by :

Eko Budi Purwanto

ABSTRACT

The state space in the longitudinal dan lateral-directional of LSU-01 is modeled using first principle method. Off line analysis show that the poles position is in left of imaginary axis, that mean LSU-01 have staticaly stable. The mode of poles is approiate with the generally mode of space vehicle. The longitudinal motion consist of one pair of short period and one pair of phugoid, while for lateral-directional motion consist one pole of roll mode, one pole of spiral mode, and one pair of dutch roll. The result of simulation show that steady state time at longitudinal motion is longer in than lateral-directional, but maximum overshoot for lateral-directional is higher. For beter performance of LSU-01, used PID control system. The result of close loop simulation show that the respon time and maximum overshoot is shorter than open loop simulation, and show that the osilation of lateral-directional motion is longer than longitudinal motion. When the disturbance on the lateral-directional motion, then will become the osilation motion is longer. Example, time for stable conditions for rolling motion disturbance is needed longer time than pitching motion disturbance.    

Key word: LSU-01, longitudinal, lateral-directional, PID.

1.    PENDAHULUAN

UAV (Unmanned Aerial Vehicle) merupakan wahana terbang yang dalam menjalankan misinya dikendalikan menggunakan sistem autopilot. Autopilot merupakan suatu sistem yang memandu gerak terbang UAV agar mengikuti titik-titik (way point) yang telah ditetapkan. Sistem autopilot paling sederhana terdiri atas sebuah modul mikrokontroler dengan beberapa sensor gerak. Kegiatan pada penelitian ini adalah perancangan sistem kendali untuk kestabilan dinamika terbang UAV.

Kegunaan UAV dalam dunia sipil antara lain untuk pemotretan dari udara, memonitor gunung berapi, kebakaran hutan, pemantauan bencana alam, kemacetan lalu lintas dan keperluan khusus lainya. Agar bisa menjalankan misinya, maka UAV harus terkendali sehingga bisa terbang stabil dan mengikuti trayektori yang ditetapkan. Namun realitas di lapangan tidak mudah, karena munculnya gangguan internal seperti kesalahan pengukuran sensor, dan gangguan eksternal seperti perubahan arah dan kecepatan angin, pergerakan awan, turbulensi aliran udara akibat wahana terbang yang melintas (seperti pesawat), komunikasi radio dengan ground segment, dll. Ganguan-gangguan tersebut akan mengubah perilaku UAV, oleh karena itu perlu aksi dari sistem kendali agar UAV stabil dan tetap mengikuti trayektori yang ditetapkan. Aksi kendali diberikan melalui masukan berupa defleksi bidang-bidang kendali terdiri atas: aileron (d_a), elevator (d_e), rudder (d_r), dan throttle (d_T), sedangkan keluaran berupa roll rate (p(t)), pitch rate (q(t)), yaw rate (r(t)), dan kecepatan terbang (u(t)) [1].  

Tujuan penelitian adalah: (1) perancangan sistem kendali PID (Proporsional Integral dan Derivatif) untuk kestabilan terbang LSU-01 (Lapan Surveilance UAV-01). (2) Penentuan nilai parameter ketiga komponen PID yang sesuai untuk LSU-01. (3) Melakukan analisis karakteristik stabilitas LSU-01.

Untuk perancangan sistem kendali diperlukan persamaan keadaan dari LSU-01 dalam matra longitudinal dan lateral direksional, dan sudah diturunkan. Analisis efek umpan balik kendali PID terhadap gerak sistem diperoleh dengan memvariasikan: gain, frekuensi cut-off, saturasi gaya. Simulasi pengujian pitch altitude hold untuk gerak longitudinal, dan pengujian wing leveler untuk gerak lateral-direksional [2].

2.    LANDASAN TEORI

2.1.            Persamaan Gerak Translasi dan Gerak Rotasi

Koordinat sumbu benda (body axis) adalah sistem koordinat benda non-inersia yang besarnya tetap terhadap asal dan orientasi gerak pesawat. Dalam hal ini diasumsikan pesawat adalah benda kaku yang bergerak di udara yang berorientasi terhadap sumbu koordinat badan tetap terhadap bentuk badan pesawat.

Enam derajat kebebasan (6 DoF) dalam gerak UAV terbagi atas tiga gerak translasi (vertikal, horisontal dan transversal) dan tiga arah gerak rotasi (roll, pitch, yaw). Untuk menghidari kompleksitas pemodelan matematik gerak UAV, diasumsikan bahwa : pertama gerakan pesawat mempunyai deviasi cukup kecil terhadap titik kesetimbangan, kedua dilakukan separasi gerak pesawat dalam 2 kelompok yaitu gerak longitudinal dan lateral direksional[3].

Sebuah wahana (pesawat) yang sedang bergerak di ruang tiga dimensi akan terkena tiga gaya dan tiga momen [4].

Tiga gaya yang bekerja terdiri atas :

Tiga momen terdiri atas momen rolling, piching, dan yawing ditulis sebagai berikut:

Gerak pesawat tersebut dikelompokkan dalam matra longitudinal dan matra lateral-direksional. Gerak longitudinal dibangun oleh persamaan (2.1). (2.3) dan (2.5), sedangkan gerak lateral-direksional dibangun oleh persamaan (2.2), (2.4) dan (2.6).

  

2.2.        Persamaan Keadaan Gerak Longitudinal

Gerak longitudinal adalah gerak pesawat pada bidang x_bz_b terdiri atas dua gerak translasi dan satu gerak rotasi. Gerak longitudinal merupakan komposisi dari gaya-gaya terhadap sumbu-x, sumbu-z dan momen pitching. Representasi persamaan gerak pesawat yang terbang lurus, simetri dengan wing level adalah:

Persamaan keadaan berbentuk :

Persamaan keluaran berbentuk :

      

                                              

2.3.        Persamaan Keadaan Gerak Lateral-Direksional

Gerak lateral-direksional adalah geral pesawat pada bidang y_bz_b dan x_by_b terdiri atas satu gerak translasi dan dua gerak rotasi. Gerak lateral merupakan komposisi gaya-gaya terhadap sumbu-y, momen rolling dan momen yawing. Persamaan gerak lateral adalah :

            

Gangguan terhadap gerakan lateral-direksional sebuah pesawat merupakan kombinasi dari rolling, yawing dan gerak sliding. Dalam hal ini interaksi antara roll dan yaw saling mempengaruhi, sehingga pesawat belok sambil rolling. Persamaan keadaan gerak lateral-direksional adalah: 

Persamaan keluaran:

   

2.4.  Sistem Kendali PID 

Dalam penelitian ini digunakan sistem kendali PID dengan diagram blok di bawah ini [5].

 

Gambar 2.1. Diagram blok sistem kendali PID

Persamaan dengan u(t) keluaran kontroler PID adalah :

      

dimana K_p = gain proporsional; K_i = gain integral; K_d = gain derivatif; e = error; t = waktu. Ketiga gain mempunyai daerah kerja tertentu dan dinamakan tuning parametercontroller. Untuk plant khusus seperti UAV, nilai tuning parameter yang sesuai harus dicari agar perilaku sistem terkendali.

3.         PERSAMAAN KEADAAN LSU-01 DAN SISTEM KENDALI PID

3.1.            Spesifikasi LSU-01

 Gambar LSU-01dan spesifikasi diperlihatkan pada gambar 2.1 dan tabel berikut.

Gambar 3.1. LSU-01 [sumber : laporan Akhir Pemodelan LSU-01 tahun 2013]

Tabel 3.1 : Spesifikasi LSU-01

N0	Nama Komponen		Ukuran	Dimensi
1	Luas bentangan sayap (Wingspan)		1900	mm
2	Panjang badan LSU (Fuselage Length)		1200	mm
3	Muatan Maksimum (Maximum load)		0,5	Kg
4	Kecepatan rata-rata (Average speed)		45	km/h
5	Kecepatan maksimum (Maximum speed)		60	km/h
6	Kecepatan stall (Airspeed Stall)		30	km/h
7	Lama terbang (Endurance)		50	minutes
8	Mesin : brushless motor		980	kV
9	Sumber tenaga : baterei		5000	mAh
10	Lepas landas		dilempar (throwed)
11	Sistem kendali (Control System) :	-     Lepas landas/ mendarat menggunakan Remote Control -     Cruise :  Autonomous

  

3.2.        Persamaan Keadaan Gerak Longitudinal

            Nilai-nilai turunan kestabilan dan turunan kendali dihitung menggunakan piranti lunak Datcom, ditampilkan pada tabel 3.2 dan tabel 3.4 [6]. Selanjutnya dengan nilai-nilai tersebut dibangun persamaan keadaan (3.1) untuk gerak longitudinal [7].

Tabel 3.2 : Nilai parameter untuk gerak longitudinal

Parameter	Nilai		Parameter	Nilai
Cxu	-0.1530		Cxq	0
Czu	-0.1440		Czq	-0.9147
Cmu	0		Cmq	-15.9600
Cxa	0.3007		Cxde	0
Cza	-5.9540		Czde	-0.2865
Cma	-1.3150		Cmde	-0.9740
Cxa’	0		CxT	1.0000
Cza’	-0.4107		CzT	0
Cma’	-7.2160		CmT	1.0000

Berdasarkan persamaan (2.8),  persamaan keadaan gerak longitudinal adalah [8] :

 

Tabel 3.3: Nilai Eigen, rasio redaman dan frekuensi dari LSU-01 gerak longitudinal

Bagian riil dari nilai eigen berharga negatif, artinya bahwa LSU-01 mempunyai karakteristik stabil statik pada gerak longitudinal.

3.3.  Persamaan Keadaan Gerak Lateral-Direksional 

Nilai konstanta dan persamaan keadaan gerak gerak lateral-direksional ditampilkan pada tabel dan persamaan dibawah ini.  

Tabel 3.4 : Nilai parameter untuk gerak lateral-direksional

Parameter	Nilai		Parameter	Nilai
Cyb	-0.1873		Clr	0.1430
Cyphi	0.5539		Clda	0.0790
Cyp	0		Cldr	0.0040
Cyr	0		Cnb	0.0299
Cyda	0		Cnp	-0.0897
Cydr	0.0573		Cnr	-0.0405
Clb	-0.0766		Cnda	-0.0072
Clp	-0.300		Cndr	-1.6300

Berdasarkan persamaan (2.11), persamaan keadaan gerak lateral-directional adalah [8]:

Tabel 3.5: Nilai Eigen, rasio redaman dan frekuensi dari LSU-01 gerak lateral-direksional

Bagian riil dari nilai eigen berharga negatif, artinya bahwa LSU-o1 mempunyai karakteristik stabil statik pada gerak lateral-direksional. Namun nilai eigen spiral mode positif sangat kecil, ini mengindikasikan bahwa gerak lateral direksional cukup respon terhadap gangguan, dan bisa diperbaiki dengan penerapan sistem kendali. 

3.4.        Rancang Bangun Sistem Kendali PID

Dengan data pada tabel 3.2 dan persamaan keadaan (3.1) gerak longitudinal, dibangun sistem kendali PID dengan diagram blok di bawah ini [9]. 

Gambar 3.2. Diagram blok sistem kendali PID untuk gerak longitudinal LSU-01

Hasil simulasi untuk gerak longitudinal tanpa sistem kendali (lingkar terbuka) ditampilkan di bawah ini.

Gambar 3.3. Keluaran sistem lingkar terbuka dari LSU-01 dengan masukan doublet

Dari gambar di atas dapat dijelaskan bahwa kondisi tunak (steady state) akan dicapai dalam waktu 50 detik setelah gangguan diberikan pada elevator. Sedangkan gangguan pada daya dorong mesin (throttle) perlu waktu sekitar 40 detik untuk kembali ke kondisi tunak.

Gambar 3.4. Hasil simulasi gerak longitudinal dengan sistem kendali PID

Grafik keluaran simulasi menunjukkan bahwa sudut serang menuju ke arah stabil setelah mengalami perubahan impulsif akibat dari masukan yang diberikan. Artinya bahwa LSU-01 membutuhkan waktu sekitar 8 hingga 9 detik untuk kembali stabil setelah mendapatkan gangguan. Sedangkan respon sudut picth membutuhkan waktu kurang dari 2 detik untuk kembali ke posisi wing level. Kecepatan perubahan sudut pitch diperlihatkan oleh grafik pitch rate yang secara impulsif dan kembali ke posisi stabil.

Diagram blok sistem kendali PID untuk gerak lateral-direksional LSU-01

Gambar 3.5. Diagram blok sistem kendali PID untuk gerak lateral-direksional LSU-01

Hasil simulasi untuk gerak lateral-direksional ditampilkan pada gambar di bawah ini.

Gambar 3.6. Keluaran sistem lingkar terbuka LSU-01

Dari gambar di atas dapat dijelaskan bahwa masukan dari rudder sangat kecil dan pesawat akan kembali ke kondisi tunak dalam waktu 5 detik setelah gangguan diberikan. Sedangkan respon waktu terhadap gangguan pada aileron sekitar 20 detik, dan cenderung tidak kembali ke posisi wing level.   

  

  

Gambar 3.7. Hasil simulasi gerak lateral-direksional dengan sistem kendali PID

Karater gerak lateral-direksional berbeda dengan longitudinal, hal ini terlihat bahwa terjadi osilasi pada sinyal keluaran dan membutuhkan waktu relatif lama untuk kembali ke posisi stabil. Sudut roll dan sudut yaw akan mengalami osilasi beberapa kali sebelum mencapai kondisi stabil. Kondisi transien ini memerlukan waktu 10 detik atau lebih. 

4.      ANALISIS HASIL SIMULASI

Hukum kendali digunakan sebagai korelasi kinematik dari deviasi kondisi awal untuk mendapatkan nilai parameter pemandu yang ideal dan akan berhubungan (koneksi) dengan persamaan dinamik gerak LSU-01. Hasil simulasi pengujian pole-zero LSU-01, menunjukkan bahwa model matematik yang diturunkan sudah sesuai dengan mode wahana terbang. Secara umum bahwa akar karakteristik (pole) gerak longitudinal terdiri atas dua akar karakteristik short poriode dan dua akar karakteristik phugoid. Sedangkan untuk gerak lateral-direksional terdiri atas satu akar karakteristik roll mode, dua akar karakteristik dutch roll, dan satu akar karakteristik spiral mode.

Verifikasi model persamaan keadaan hasil penurunan tersebut dilakukan dengan uji terbang, agar didapatkan kondisi sebenarnya. Oleh karena itu diperlukan Standard Operational Procedure (SOP) uji terbang dengan model inputan baku yang biasa digunakan dalam uji terbang pesawat [10]. Dengan sistem ternanam (embedded system) yang digunakan maka nilai-nilai parameter dinamika terbang dapat direkam [11]. Selanjutnya data hasil uji terbang digunakan untuk verifikasi (modifikasi) model persamaan keadaan sebelumnya menggunakan System Identification Toolbox dari Matlab.  

Gerak LSU-01 dan wahana terbang pada umumnya merupakan superposisi dari gerak longitudinal dan lateral-direksional dalam enam derajat kebebasan. Dari gambar 3.4 dan 3.6 terlihat bahwa gerak longitudinal mempunyai tingkat kestabilan lebih baik dibanding dengan gerak lateral-direksional. Gerak longitudinal terdiri atas gerak maju-mundur, naik-turun dan angguk (pitching) membutuhkan waktu lebih pendek untuk mencapi kondisi stabil setelah mendapat gangguan. Sedangan gerak lateral-direksional yang terdiri atas gerak geser kanan-kiri, guling (roolling), dan geleng (yawing) membutuhkan waktu lebih lama untuk mencapai kondisi stabil setelah mendapatkan gangguan. Kestabilan terbang sebuah pesawat adalah cukup komplek, untuk itu diperlukan sistem kendali yang handal dan sesuai karakteristik plant agar berfungsi sebagai pemandu dan pengendali gerak.

Awal aksi sistem kendali adalah memandu gerak LSU-01 terhadap parameter percepatan, kecepatan, posisi linier dan anguler. Efek dinamik dari wahana yang dikendalikan menyebabkan perubahan gaya yang menjalankan aksi terbang dengan mengadopsi nilai parameter sistem kendali dan algoritma pemandu. Sistem kendali otomatis didasarkan pada  nilai defleksi yang dibandingkan dengan informasi keberadaan keadaan (state) dari wahana yang dikendalikan, vektor keadaan awal, dan sinyal kendali yang dibangkitkan. Kinematik dan deviasi geometrik berhubungan pada sermomekanis menjadi gaya tarik (strengthened) yang kemudian di transfer ke aktuator. Waktu tunda (delay time) dari sistem kendali dapat dilihat dari nilai rata-rata kuadrat (square means) inersia order pertama.

Sementara itu sistem kendali otomatis pada wahana terbang (UAV) adalah terkait dengan empat kanal kendali permukaan yaitu :

-       Kanal roll (f) akibat defleksi aileron (da)

-       Kanal pitch (q) akibat defleksi elevator (de)

-       Kanal yaw (j) akibat defleksi rudder (dr)

-       Kanal kecepatan (u) akibat perubahan daya dorong mesin (dth)  

Dalam hal ini, sudut roll, pitch, yaw dan daya dorong mesin dijadikan umpan balik pada sistem gerak. Apabila terjadi selisih antara sinyal umpan balik (feed back) dengan sinyal acuan (set point) yang ditetapkan, maka dilakukan koreksi terhadap selisih sudut tersebut. Sistem kendali akan berusaha tidak ada kesalahan (zero offset) antara sinyal keluaran dengan sinyal acuan. Aksi koreksi kesalahan dilakukan dengan merubah nilai defleksi aileron, elevator, rudder atau thruts. Hasil simulasi memperlihatkan bahwa sistem kendali PID bekerja baik sehingga LSU-01 dapat terbang dengan stabil.

5.    KESIMPULAN

-          Perancangan Sistem Kendali PID sudah berhasil dilakukan dan dicoba untuk plant LSU-01.

-          Dilihat dari letak nilai eigen persamaan keadaan keadaan lingkar terbuka LSU-01 mempunyai karakteristik stabil namun waktu pencapaian relatif lama yakni 40 detik untuk gerak longitudinal dan 20 detik untuk lateral-direksional.

-          Hasil simulasi lingkar tertutup menunjukkan bahwa pemakaian sistem kendali dapat memperbaiki kinerja LSU-01, hal ini ditunjukkan oleh waktu pencapaian lebih singkat dan lewatan yang kecil dibandingkan hasil simulasi lingkar terbuka.

-          Dengan sistem kendali PID diperoleh nilai gain proporsional Kp = -8, derivatif Kd = -15, dan integral Ki = -1,5 adalah nilai paling optimal dengan waktu pencapaian ts = 2 detik, dan  lewatan maksimum Mp < 10 %.

DAFTAR PUSTAKA

1.      Eko Budi Purwanto; “Pemodelan Sistem Dan Analisis Kestabilan Dinamik Pesawat UAV”; Jurnal Teknologi Dirgantara, Juni 2012.

2.      Eko Budi Purwanto; “Identifikasi Parameter dan Perancangan Sistem Kendali PID untuk Analisis Sikap Terbang UAV; Jurnal Teknologi Dirgantara, Vol. 10 No. 2, Desember 2012 (hal 81-93).

3.      Lucio R. Ribiero, Neusa Maria F. Pliviera; “UAV Autopilot Controller Test Platform Using Matlab/Simulink and X-Plane”; Instituto Tecnologico de Aeronautica; Iregis@ita.br; neusa@ita.br. [download 31-05-2011].

4.      Donald McLean; “Automatic Flight Control System”; Prentice Hall International Series in System ang Control Engineering (editor M. J. Grimble), UK 1990.

5.      Katsuhiko Ogata; (alih bahasa Edi Leksono); “Teknik Kontrol Automatik, buku 2”; Penerbit Erlangga, Jakarta, 1990. 

6.      Nn; “The USAF Stability and Control Datcom, Vol I, User Manual”; McDonnell Douglas Astronautics Comapay, St Louis, Missouri 63166, April 1979.

7.      John H. Blakelock; “Automatic Control of Aircraft and Missiles, second edition”; Air Force Institute of Technology; A Willey-Interscience Publication; John Wiley & Sons, Inc. 1991.

8.      Eko Budi Purwanto;  Flight Attitude Characteristic Analysis of LSU-01 Without Control System”; Hasil Penelitian disampaikan dan dimuat dalam Proseding SIPTEKGAN ke 17, DRN Serpong, November 2013.  

9.      Nn; Matlab Engineering and Scientific Tool, Release R2012a, Matlab License Number : 779907; Mathwork; January 2013.

10.  Nn; “Flight Test Guide Multi-Engine Class Rating”; Aeroplane Seventh Edition; ISBN: 978-1-100-14964-6; Catalogue No. T52-4/38-1-2010E-PDF; (TP11575E) published under the authority of Transport Canada; April 2010;

11.  Michael Oborne, et al; “Mission Planner, mission planning for Unmanned Aerial Vehicles (UAV)” versi 1.2.33 mav 1.0; User Manual; www.diydrones.com ; 2014 .

BIO DATA PENULIS

Eko Budi Purwanto; Penulis adalah peneliti di Pusat Teknologi Penerbangan dalam bidang penelitian Pemodelan dan Perancangan Sistem Kendali. Penulis bekerja di Pustekbang LAPAN sejak tahun 1990 hingga kini. Penulis aktif mengamalkan ilmunya sebagai dosen paruh waktu di UPH, BINUS dan STMIK Dharma Putra. Bidang ilmu yang dikuasai adalah Artificial Intelligence, Expert System, Design and Analysis of Algorithm, Control System, Digital System, Microelectronic, and Human Computer Interaction. Banyak tulisan ilmiah (paper) tentang Hardware In the Loop Simulation (HILS), Pemodelan UAV dan Perancangan Sistem Kendali telah dimuat di beberapa Jurnal Nasional. Hasil karya berupa buku dengan ISBN antara lain : Perancangan dan Analisis Algoritma (PAA), Teori dan Aplikasi Sistem Digital, Hardware In the Loop Simulation (HILS), Mengerti Artificial Intelligence, Rancang Bangun dan Analisis Algoritma.