Sistem Kendali Jarak Tempuh Quadcopter Menggunakan Metode Proportional Integral Derivative

  Vol. 3, No. 1, Januari 2019, hlm. 7848-7853 http://j-ptiik.ub.ac.id

  

Sistem Kendali Jarak Tempuh Quadcopter Menggunakan Metode

Proportional Integral Derivative

_{1 2 3} Enno Roscitra Oktaria , Gembong Edhi Setyawan , Wijaya Kurniawan

  Program Studi Teknik Komputer, Fakultas Ilmu Komputer, Universitas Brawijaya _{1 2 3} Email: roscitra12@gmail.com, gembong@ub.ac.id, wjaykurnia@ub.ac.id

  

Abstrak

Quadcopter merupakan salah satu robot Unmanned Aerial Vehicle (UAV) yang memiliki kemampuan

  manuver ke segala arah dan fleksibel untuk menjelajahi area yang sempit. Kemampuan tersebut dapat dioptimalkan manfaatnya dengan cara membangun sistem navigasi otomatis pada quadcopter. Salah satunya yaitu merancang sistem kendali ketepatan perpindahan posisi quadcopter menggunakan metode PID (Proportional Integral Derivative). Penalaan parameter PID menggunakan metode osilasi ziegler

  

nichols . Dari hasil pengujian penalaan parameter PID, respon sistem berosilasi dengan stabil saat nilai

  = 0,07 dan = 0,092, sehingga pengendalian pergerakan dalam sudut pitch dan roll memperoleh nilai = 0,042; = 0,046; dan = 0,0115. Dari pengamatan pengujian ketepatan posisi, menunjukan bahwa sistem kendali menggunakan PID menghasilkan tingkat kesalahan sebesar 4,99% dan waktu yang dibutuhkan sistem untuk memasuki

  ±2% dari keadaan steady state atau settling time sebesar 0,4145 detik. Tingkat kesalahan dan settling time diperoleh berdasarkan rata-rata hasil pada setiap pengujian yang telah dilakukan.

  Kata kunci: Sistem Navigasi, PID, UAV, Quadcopter, Jarak tempuh, Ziegler Nichols

Abstract

  

The Quadcopter is one of Unmanned Aerial Vehicle (UAV) robots that has the ability to maneuver in

various directions and flexible to explore a narrow area. These capabilities can be optimized for the

benefits by building automated navigation systems on the quadcopter. One of them is designing a

precision control system of quadcopter position movement using a PID (Proportional Integral

Derivative) method. Tuning of PID parameters using the Ziegler Nichols oscillation method. From the

test result of PID parameter tuning, the system response oscillates stably when the value of Ku = 0,07

and Pu = 0,092, so that the movement control in the pitch and roll angle obtained Kp = 0,042; Ki =

0,046; and Kd = 0,0115. From the observation of position accuracy testing, it shows that the control

system using PID yields an error rate of 4,99% and the time required for the system to enter ± 2% of

the steady state or settling time of 0,4145 s. The error rate and settling time are obtained based on the

average results of each test that has been done.

  Keywords: Navigation System, PID, UAV, Quadcopter, Distance, Ziegler Nichlos

  yang cukup berbahaya, seperti pengamatan 1. terhadap kebakaran hutan yang dilakukan oleh

   PENDAHULUAN Caballero, Martonez-de-Dios dan Maza (2010).

  Quadcopter merupakan salah satu jenis Quadcopter membutuhkan sistem navigasi

  robot Unmanned Aerial Vehicle (UAV) yang otomatis untuk mengoptimalkan kemampuan memiliki struktur mekanis terdiri dari empat manuvernya. Sistem navigasi otomatis pada

  rotor pada empat ujung persimpangan tempat quadcopter didukung oleh sensor Global

  baterai dipasang (Piskorski, Brulez, Eline, &

  Positioning System (GPS) dan Inertial

  D’Haeyer, 2012). Dengan empat rotor tersebut (IMU). Namun, sistem

  Measurement Unit quadcopter memiliki kemampuan manuver

  dengan menggunakan GPS memiliki masalah kesegala arah dengan fleksibel. Kemampuan pada ketidak konsistenan konektivitas yang

  quadcopter tersebut dimanfaatkan oleh manusia

  disebabkan oleh medan atau lingkungan yang untuk memudahkan pekerjaan dalam lingkungan dilalui oleh quadcopter (Kurniawan, Mutiara, &

  Fakultas Ilmu Komputer Universitas Brawijaya

7848

  Hapsari, 2015). Sehingga sistem tersebut perlu diperbaiki dengan cara membangun sistem kendali jarak tempuh quadcopter. Pengendalian ini termasuk pengendalian otomatis berdasarkan jarak tempuh yang terdiri dari gerak maju, mundur, ke kiri, dan ke kanan.

  Satu pasang rotor berputar searah jarum jam dan yang lainnya berlawanan arah jarum jam (Piskorski, et al., 2012). Dengan mengatur kecepatan putar pada setiap rotor akan menghasilkan gerakan dari quadcopter. Dalam pergerakan quadcopter sendiri memiliki beberapa istilah yaitu pitch gerakan maju dan mundur, roll gerakan ke kiri dan ke kanan, yaw gerakan berputar ke kiri dan ke kanan, dan throttle gerakan ke atas dan ke bawah. Pergerakan-pergerakan tersebut dapat dilihat pada Gambar 1.

  (1)

  ( ) = ( ) + ∫ ( ) + ( )

  PID (Proportional Integral Derivative) merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Kontroler PID terdiri dari tiga jenis komponen yaitu kontrol P (Proportional), D (Derivative) dan I (Integral), dengan masing-masing memiliki kelebihan dan kekurangan. Dalam implementasinya masing-masing komponen kontrol PID dapat bekerja sendiri-sendiri maupun bersamaan tergantung dari respon yang diinginkan terhadap suatu plant seperti diagram blok dari kontroler PID yang dapat dilihat pada Gambar 2. Nilai keluaran kontroler PID atau ( ) dihitung dengan Persamaan (1):

  3. KONTROLER PID

  Pada Gambar 1 kecepatan putar rotor ditunjukkan dengan warna yaitu merah menandakan semakin cepat berputar dan warna biru menandakan semakin lambat berputar. Sedangkan arah rotor ditunjukkan dengan arah panah. Gambar 1(a) menunjukkan gerak maju dan mundur, Gambar 1(b) menunjukkan gerak ke kiri dan kanan, Gambar 1(c) menunjukkan gerak berputar ke kiri dan kanan dan Gambar 1(d) menunjukkan gerak ke atas dan ke bawah.

  Gambar 1. Pergerakan dari quadcopter

  (c) yaw (d) throttle

  (a) pitch (b) roll

  Parrot AR Drone 2.0.

  Dalam menentukan metode untuk sistem kendali jarak tempuh quadcopter merupakan suatu permasalahan tersendiri. Setyawan, Setiawan dan Kurniawan (2015) menggunakan metode PID (Proportional, Integral, Derivative) dengan parameter ketinggian. Lwin dan Tun (2014) dengan menambahkan metode Kalman

  Metode ini didasarkan pada reaksi plant yang dikenai suatu perubahan. Sistem kendali ini akan diimplementasikan pada quadcopter jenis

  tuning parameter PID secara eksperimental.

  menggunakan metode ziegler nichols dengan osilasi. Metode ziegler nichols adalah metode

  tuning parameter PID pada penelitian ini

  yaitu nilai jarak tempuh yang diinginkan. Untuk

  quadcopter melalui ROS (Robot Operating System ). Sedangkan setpoint pada pengendali ini

  Pada penelitian ini akan membangun sistem kendali menggunakan metode PID dengan parameter jarak tempuh quadcopter. PID merupakan kontroler untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem. Output PID digunakan untuk mengatur nilai command kecepatan linear x dan kecepatan linear y pada

  Hasil dari penelitian-penelitian tersebut menunjukan bahwa PID memiliki respon yang cepat sehingga dapat diterapkan dalam sistem quadcopter .

  Filter untuk simulasi forward moving control dan vertical moving control pada quadcopter.

2. PERGERAKAN QUADCOPTER Quadcopter digerakan oleh empat buah rotor.

• -linear.x Gerak mundur
• +linear.x Gerak Maju -linear.y Gerak ke kanan
• +linear.y Gerak ke kiri
• -linear.z Gerak turun
• +linear.x Gerak naik
• -angular.z Putar kanan
• +angular.z Putar kiri

  yang disebut periode (Gunterus, 1994). Metode penalaan Ziegler Nichols menyarankan penyetelan nilai parameter ,

  dari beberapa komponen dengan fungsi berbeda yang dapat dilihat pada Tabel 2.

  Sending Commands yang terdapat dalam driver autonomy_ardrone . Sending Commands terdiri

  Komponen Fungsi

  Tabel 2. Penalaan parameter PID dengan osilasi

  Gambar 2. Diagram blok kontroler PID Tabel 1. Sending commands to quadcopter

  , dan berdasarkan rumus yang diperlihatkan pada Tabel 1.

  oscillation

  Kontroler PID bermaksud untuk melakukan penjumlahan dari proses-proses penguatan, pengintegralan dan penurunan nilai error dan mengeluarkan hasil perhitungan sebagai sinyal kontrol. Untuk dapat diterapkan pada sistem berdasarkan Persamaan 1, maka harus diubah ke dalam persamaan diskrit dengan mendefinisikan persamaan terhadap waktu, sehingga diperoleh pendekatan integral dan deferensial untuk mendapat bentuk diskrit, menggunakan Persamaan 2.

  Penalaan parameter PID pada penelitian ini didasarkan terhadap dua konstanta hasil eksperimen, nilai penguatan proportional pada sistem mencapai kondisi sustain oscillation atau disebut gain dan periode dari sustained

  ( ) adalah error sistem terhadap waktu dan ( ) adalah delta error.

  0,6 × 0,5 × 0,125 × Dengan menyatakan konstanta proporsional, menyatakan konstanta integral dan menyatakan konstanta deferensial. Sedangkan

  ⁄ PID

  PI 0,45 × 1 1,2

  P 0,5 ×

  Tipe

  5. IMPLEMENTASI ALGORITME PID

4. KOMUNIKASI SISTEM

  ( ) = ( ) + ∑ ( ) + ( ( ) − ( − 1) =0

   (2)

  Algoritme PID diimplementasikan dengan cara diturunkan menjadi kode program, pada penelitian ini menggunakan bahasa pemrograman python node yang diprogram pada ROS. Pada program penelitian ini ditambahkan batasan untuk nilai Iterm atau yang disebut

  windup guard . Fungsi windup guard ini untuk

  mengatasi masalah overshoot pada sistem kendali. Pada sistem kendali ini windup guard

  memungkinkan user dapat mengakses data navigasi dari quadcopter dan mengirim perintah gerak ke quadcopter dengan menggunakan

  Komunikasi sistem merupakan tahap awal dalam merealisasikan sistem pada penelitian ini. Tujuan komunikasi sistem ini untuk menghubungkan komputer dengan quadcopter agar dapat saling berkomunikasi. Cara menghubungkan komputer dengan quadcopter adalah melalui koneksi Wi-Fi. Kemudian agar dapat berkomunikasi setelah saling terhubung digunakan platform robot yaitu Robot Operating

  System (ROS) yang telah tertanam driver autonomy_ardrone untuk mengendalikan sistem quadcopter . Driver package tersebut

  diatur sebesar 1 untuk batas atas dan -1 untuk Selanjutnya dilakukan pengujian dengan batas bawah karena nilai parameter command di setpoint berbeda pada setiap parameter. Setpoint ROS di antara -1 dan 1. Nilai keluaran PID akan ini diatur sebesar 10, 15 dan 20 dekameter. digunakan untuk mengontrol nilai command Pengujian dilakukan setelah quadcopter hover

  

linear .x dan linear.y pada ROS yang berfungsi terlebih dahulu dan tempat pengujian dilakukan

untuk mengatur pergerakan quadcopter agar dalam ruangan yang kecepatan anginnya rendah.

  mencapai jarak tempuh sesuai dengan yang diinginkan. ₁₅ Setpoint Position 6.

HASIL PENGUJIAN DAN ANALISIS

  ₁₀ Kontroler PID digunakan untuk

  mengendalikan nilai parameter pitch (

• –linear.x
₅ dan +linear.x) dan roll (-linear.y dan +linear.y) yang memiliki range antara -1,0 hingga 1,0.

  Masing-masing parameter tersebut _-5 membutuhkan kontroler PID sendiri-sendiri.

  Time(s)

  Penalaan parameter dilakukan pada sudut

  Gambar 5. Pitch gerak maju dengan setpoint 10 pitch dari quadcopter. Pada saat penalaan ini

  Setpoint Position

  pengendali PID pada roll tidak difungsikan dan ₃₀ pengujian dilakukan dalam ruangan yang kecepatan anginnya rendah. Setpoint diatur ₂₀ sebesar 10 dm. Hasil respon sistem dalam ₁₀ keadaan berosilasi ketika nilai = 0,07 dan

  =0,092 yang ditunjukan oleh Gambar 3. Berdasarkan Tabel 1, dengan menggunakan tipe pengendali PID maka diperoleh =0,042;

• _-10

  Time(s)

  =0,046; =0,0115. Dari hasil pengujian pengendali PID didapatkan respon sistem seperti

  Gambar 6. Pitch gerak maju dengan setpoint 15

  pada Gambar 4 dengan settling time sebesar ₃₀ Setpoint Position 0,271 detik, peak time sebesar 0,09 detik dan overshoot max sebesar 1,73 dm. _{20 15 20} Position Setpoint ₁₀

  10 Time(s) ₅ Gambar 7. Pitch gerak maju dengan setpoint 20 ₅ Setpoint Position Time(s)

  Gambar 3. Keadaan respon sistem berosilasi _{10 15} Position Setpoint -5 _{-15 -10}

  5 Time(s) _-5 Gambar 8. Pitch gerak mundur dengan setpoint 10

  Time(s) Gambar 4. Respon sistem dengan pengendali PID

• _-10 Setpoint Position Setpoint Position _{-5 -30} -20
• _{-15 -10}

  Time(s) Time(s)

  

Gambar 9. Pitch gerak mundur dengan setpoint 15 Gambar 14. Roll gerak ke kanan dengan setpoint 10

_-10 Setpoint Position Setpoint Position _{-10 -30 -20}
• 20 _-30

  Time(s) Time(s)

  

Gambar 10. Pitch gerak mundur dengan setpoint 20 Gambar 15. Roll gerak ke kanan dengan setpoint 15

_{10 15} Setpoint Position Setpoint Position _{10 -5}

  5

• _{-30 -20} ^-10

  Time(s) Time(s)

  Gambar 16. Roll gerak ke kanan dengan setpoint 20 Gambar 11. Roll gerak ke kiri dengan setpoint 10

  Pada Gambar 5, Gambar 6 dan Gambar 7 ₃₀ Setpoint Position menunjukan hasil respon sistem dari pengujian jarak tempuh pada gerakan maju dengan setpoint ₂₀ sebesar 10 dam, 15 dam dan 20 dam. Gambar 8, Gambar 9, dan Gambar 10 menunjukan hasil ₁₀ respon sistem dari pengujian jarak tempuh pada gerakan mundur dengan setpoint 10 dam, 15 dam dan 20 dam. Gambar 11, Gambar 12, dan Gambar 13 menunjukan hasil respon sistem dari

  Time(s)

  pengujian jarak tempuh pada gerakan ke kiri

  Gambar 12. Roll gerak ke kiri dengan setpoint 15 dengan setpoint 10 dam, 15 dam dan 20 dam.

  Setpoint Position ₃₀ Gambar 14, Gambar 15, dan Gambar 16 menunjukan hasil respon sistem dari pengujian ₂₀

  jarak tempuh pada gerakan ke kiri dengan ₁₀ setpoint 10 dam, 15 dam dan 20 dam.

  Berdasarkan hasil pengujian jarak tempuh didapatkan hasil rata-rata tingkat kesalahan sistem yang dapat dilihat pada Tabel 3 dan rata- _-10 rata waktu yang menyatakan respon telah masuk

  Time(s)

  ±2% dari keadaan steady state sistem yang dapat dilihat pada Tabel 4.

  Gambar 13. Roll gerak ke kiri dengan setpoint 20

  Tabel 3. Presentase tingkat kesalahan sistem Presentase kesalahan(%) Gerakan

  2015. Sistem Kendali Ketinggian

  Kurniawan, A. P., Mutiara, G. A. & Hapsari, G.

  I., 2015. Pengiriman Informasi GPS (Global Positioning System) Berupa Teks Melalui Wireless pada AR Drone 2.0. e-Proceeding of Applied Science, 1(2).

  Lwin, N. & Hla Myo, T., 2014. Implementation Of Flight Control System Based On Kalman And PID Controller For UAV.

  INTERNATIONAL JOURNAL OF SCIENTIFIC & TECHNOLOGY RESEARCH, 3(4).

  Piskorski, S., Brulez, N., Eline, P. & D’Haeyer, F., 2012. AR.Drone Developer Guide.

  Dalam: AR.Drone Developer Guide. s.l.:s.n. Setyawan, G. E., Setiawan, E., Kurniawan, W.,

  Quadcopter Menggunakan PID, Jurnal

  Gunterus, F. 1994, Falsafah Dasar: Sistem

  Teknologi Informasi dan Ilmu Komputer (JTIIK), Volume 2.

  Presentase s ettling time ( ) Gerakan Setpoint

  Rata- rata

  10

  15

  20 Maju 0,271 0,284 0,686 0,413 Mundur 0,30 0,414 0,354 0,356 Ke kiri 0,397 0,587 0,48 0,488

  Ke kanan 0,35 0,475 0,378 0,401 Total rata-rata 0,4145

  Pengendalian Proses . Elex Media Komputindo, Jakarta.

  Caballero, F., Martinez-de-Dios, J.R., Maza, I., 2010, Automatic Forest Fire Monitoring and Measurement Using Unmanned Aerial Vehicle, International Conference on Forest Fire Research, D.X. Viegas (Ed.)

  Setpoint (dam) Rata- rata

  8. DAFTAR PUSTAKA

  10

  15

20 Maju 9,86 4,3 5,05 6,403

  Penelitian ini dapat dikembangkan lebih lanjut dengan memanfaatkan fungsi kamera pada

  3. Rata-rata waktu yang dibutuhkan sistem untuk memasuki ±2% dari keadaan steady state adalah 0,4145 s.

  2. Hasil pengujian jarak tempuh quadcopter dengan setpoint berbeda-beda menunjukan bahwa sistem kendali dengan menggunakan metode PID memiliki tingkat kesalahan yang rendah yaitu 4,99 %.

  1. Dengan menggunakan metode ziegler nichols untuk penalaan parameter PID didapatkan hasil sebesar 0,042, sebesar 0,046 dan sebesar 0,0115.

  quadcopter yang digunakan untuk mengecek

  7. KESIMPULAN

  dirata-rata kemudian dijumlahkan dengan kesalahan pada setiap setpoint yang sama lalu dirata-rata kembali hingga didapat nilai kesalahan total.

  quadcopter

  Nilai presentase dari setiap gerakan

  Total rata-rata 4,99% Tabel 4. Presentase settling time (s)

  Mundur 4,56 3,326 4,515 4,134 Ke kiri 4,42 3,98 6,07 4,82 Ke kanan 4,58 4,73 4,54 4,617

  jarak objek disekitar quadcopter agar user dapat mengatur setpoint sesuai informasi yang didapatkan melalui kamera quadcopter . Pengembangan lainnya diharapkan quadcopter dapat mengendalikan gerak diantara pitch dan

  roll agar mencapai jarak tempuh yang diinginkan.

  Berdasarkan hasil analisis yang diperoleh melalui pengujian yang dilakukan, maka didapatkan beberapa kesimpulan sebagai berikut.