Post on 19-Oct-2015
description
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
1/87
i
PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM
KENDALI QUADCOPTER MELALUI
KOORDINAT DENGANGLOBAL POSITIONING SYSTEM TRACKER
Design and Analysis of Quadcopter Control System Automation
Coordinate with Global Positioning System Tracker
TUGAS AKHIR
Diajukan sebagai salah satu syarat untuk memperoleh gelar Sarjana Teknik
pada Fakultas Elektro dan Komunikasi Institut Teknologi Telkom
Oleh :
GHANI AKBAR HABIBIE
111118031
FAKULTAS ELEKTRO DAN KOMUNIKASI
INSTITUT TEKNOLOGI TELKOM
BANDUNG
2013
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
2/87
ii
LEMBAR PENGESAHAN
TUGAS AKHIR
PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM
KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT
DENGAN GLOBAL POSITIONING SYSTEM TRACKER
Design and Analysis of Quadcopter Control System Automation
Coordinate with Global Positioning System Tracker
GHANI AKBAR HABIBIE
111118031
Telah disetujui dan disahkan sebagai Tugas Akhir
Program Sl Teknik Telekomunikasi Fakultas Elektro dan KomunikasiInstitut Teknologi Telkom
Pembimbing I Pembimbing II
M. Sarwoko,Ir., M.Sc.
NIP: 09440560-3
Agung Nugroho Jati, ST., MT.
NIP: 10880616-3
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
3/87
iii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS
NAMA : GHANI AKBAR HABIBIE
NIM : 111118031
ALAMAT : Jl. Godean Km.10 Gang Manyar RT 03/03 Sentul
Sidoagung Godean Sleman Yogyakarta
NO TELPON : 085729251829
EMAIL : ghani.habibie@gmail.com
Menyatakan bahwa Tugas Akhir ini merupakan karya orisinal saya sendiri,
dengan judul :
PERANCANGAN DAN ANAL ISIS OTOMASI SISTEM
KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT
DENGAN GLOBAL POSITIONING SYSTEM TRACKER
Design and Analysis of Quadcopter Control System Automation Coordinate
with Global Positioning System Tracker
Atas pernyataan ini, saya siap menanggung resiko/sanksi yang
dijatuhkan kepada saya apabila kemudian ditemukan adanya pelanggaran
terhadap kejujuran akademik atau etika keilmuan dalam karya ini, atau
ditemukan bukti yang menunjukkan ketidakaslian karya ini.
Bandung, 14 Februari 2013
Ghani Akbar Habibie
111118031
mailto:ghani.habibie@gmail.commailto:ghani.habibie@gmail.commailto:ghani.habibie@gmail.com7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
4/87
iv
ABSTRACT
Quadcopter was one of UAV (Unmaned Aerial Vehicle) the multi-rotor
in the technological surface aeromodelling that had the free movement in air
used four brushless the motor. UAV this was equipped by the censor gyro
and the other censor as stabilizer flew the aircraft. Quadcopter that was
supplemented with GPS (Global Positioning System) equipment could be
made use of as the search implement for the target was based on the co-
ordinate that was determined in an autonomous manner. Because of that must
be carried out by the integration between the movement of the aircraft and
the calculation system of the GPS co-ordinate, so as the aircraft could move
in an aoutonomous manner headed the co-ordinate that was meant.
In the task of this end, the writer analysed a movement system
quadcopter with GPS equipment in the aspect of height accuracy, the co-
ordinate accuracy, CEP (Circular Error Probability), and 2DRMS (2
Dimension Root Mean Square) of the aircraft. This movement was provided
a basis for by the calculation latitude and longitude to GPS equipment that
was mentioned waypoint by the aircraft as the aim co-ordinate. To get this
data, was used by the minimal system mikrokontroler ATmega2560 as flight
controller, ESC as the control of the speed of the motor as well as supporting
equipment like the censor gyro, sonar, and flash card as logger the data.
Quadcopter autonomous systems can achieve the goal point coordinates
automatically (AUTO mode) have a path with a straight line from the starting
point. At the AUTO mode, Quadcopter drove at a constant speed 3.37 m / s
and then do LOITER at destination waypoint. While doing LOITER mode
(hold position), Quadcopter shift with the lowest value as far as 5.64 m. As
for the estimated maximum distance Quadcopter is 2830.8 m in AUTO mode
with li-po battery 3000mAH.
Keyword : GPS, CEP, 2DRMS, autonomous, waypoint
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
5/87
v
ABSTRAK
Quadcopter merupakan sebuah UAV(Unmanned Aerial Vehicle)
multi rotor di bidang teknologi aeromodelling yang memiliki pergerakan
bebas di udara menggunakan empat brushlessmotor. UAV ini dilengkapi
sensorgyrodan sensor lain sebagai alat bantu penyetabil terbang pesawat.
Quadcopter yang dilengkapi dengan perangkat GPS (Global Positioning
System) dapat dimanfaatkan sebagai alat pencarian target berdasarkan
koordinat yang telah ditentukan secara autonomous. Oleh karena itu perlu
dilakukan integrasi antara pergerakan pesawat dengan sistem perhitungan
koordinat GPS, sehingga pesawat dapat bergerak secara aoutonomousmenuju koordinat yang dimaksud.
Dalam tugas akhir ini, penulis menganalisis sebuah sistem
pergerakan quadcopterdengan perangkat GPS dalam segi akurasi keinggian,
akurasi koordinat, CEP (Circular Error Probability), dan 2DRMS (2
Dimension Root Mean Square). Pergerakan tersebut didasari oleh
perhitungan latitude dan longitude pada perangkat GPS yang disebut
waypoint oleh quadcopter sebagai koordinat tujuan. Untuk mendapatkan
data tersebut, digunakan sistem minimum mikrokontroler ATmega2560
sebagaiflightcontroller, ESC (Electronic Speed Controller) sebagai kontrol
kecepatan motor serta perangkat pendukung seperti sensor gyro,altimeter
danflashcardsebagai loggerdata.
Sistem autonomousquadcopterdapat mencapai titik koordinat tujuan
secara otomatis (mode AUTO) memiliki jalur dengan lintasan lurus dari titik
awal. Pada saat mode AUTO, quadcoptermelaju dengan kecepatan konstan
3,37 m/s dan kemudian melakukan LOITER pada waypoint tujuan. Saat
melakukan mode LOITER (hold position), quadcopter terjadi pergeseran
dengan nilai terendah sejauh 5,64 m. Sedangkan untuk estimasi maksimum
jarak tempuh quadcopter adalah 2830,8 m dengan mode AUTO dengan
baterai li-po 3000mAH.
Kata kunci : GPS, CEP, 2DRMS, autonomous, waypoint
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
6/87
vi
KATA PENGANTAR
Assalamualaykum Wr. Wb.
Segala puji dan syukur penulis panjatkan ke hadirat Allah SWT yang
telah melimpahkan segala karunia dan hidayah-Nya kepada penulis sehingga
dapat menyelesaikan tugas akhir ini sebagai persyaratan untuk
menyelesaikan program studi Sarjana S1 Teknik Telekomunikasi Fakultas
Elektro dan Komunikasi Institut Teknologi Telkom.
Dalam tugas akhir ini, yang berjudul PERANCANGAN DAN
NALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI
KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSITIONING SYSTEMTRACKER, penulis mengharapkan agar UAV autonomousquadcopterini
dapat dikembangkan lebih lanjut lagi sehingga dapat memaksimalkan
potensi anak bangsa untuk lebih memajukan teknologi di Indonesia.
Dengan kerendahan hati penulis penulis sangat mengharapkan kritik
serta saran untuk memperbaiki tugas akhir ini pada khususnya dan
kemampuan penulis pada umumnya. Kritik dan saran bisa disampaikan
melalui email : ghani.habibie@gmail.com. Semoga tugas akhir ini dapat
memberikan manfaat bagi kita semua.
Wassalammualaykum Wr. Wb
Bandung, 14 Februari 2013
Penulis
mailto:ghani.habibie@gmail.commailto:ghani.habibie@gmail.commailto:ghani.habibie@gmail.com7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
7/87
vii
UCAPAN TERIMA KASIH
Alhamdulillah, segala puji hanya milik Allah atas karunia dan rahmatNya
yang telah memberikan segalanya pada penulis untuk menyelesaikan tugas
akhir ini. Pada kesempatan kali ini penulis ingin mengungkapkan rasa terima
kasih yang sedalam-dalamnya kepada :
1. Allah, Tuhan Semesta Alam yang telah memberikan kekuatan,keyakinan, kemudahan, kelancaran, dan segala apapun sehingga
penulis dapat menghadapi segala ujian dan tantangan dalam
penyelesaian seluruh tugas akhir ini.
2.
Bapak Slamet Widodo dan Ibu Siti Sudaryatun selaku orang tua sayayang saya sayangi, terimakasih untuk dukungan, nasehat, serta doa
yang selalu mengalir tanpa putus demi keberhasilan saya. Doa kalian
akan selalu mengiringi setiap langkah saya, amin, serta kedua kakak
saya, Achmad Fauzan dan Akhmad Faishal, terima kasih atas segala
dukungan dan arahannya selama ini. Serta adek Haryati Istiqomah,
yang selalu mendukung saya dalam menjalankan amanah di kampus
hingga tugas akhir ini, semoga Allah selalu memberikan Cinta-Nya
kepadamu
3. Bapak M. Sarwoko, selaku pembimbing I, terima kasih untukbimbingan, masukan, kritikan, ide-ide, nasehat, serta ilmu yang telah
diberikan. Bapak Agung Nugroho Jati, selaku pembimbing II, terima
kasih untuk bimbingan, masukan, kritikan, nasehat, serta ilmu yang
telah diberikan.
4. Bapak Koredianto Usman selaku dosen wali, terima kasih untukbimbingan, saran dan masukan selama ini.
5. Keluarga Besar Laboratoria Bengkel Mekatronika yang telahmemberikan saya keluarga baru yang tak putus-putusnya menggali
ilmu di dalamnya, serta suka, duka yang dilalui di dalamnya.
6. Keluarga BGM 20, Bapak Junaedi dan Ibu Nuraeni selaku pemilik,dan rekan-rekan BGM serta ex BGM 20 lain yang tidak dapat
disebutkan satu per satu, terima kasih atas kesolid-an kalian sebagai
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
8/87
viii
keluarga yang ke-2 saya di Bandung, semoga kita selalu bertemu
dalam rahmat-Nya,amin.
7. Semua pihak yang telah membantu, yang tidak dapat disebutkan satupersatu. Walau ucapan terima kasih tidak cukup, semoga Allah
membalas semua kebaikan dengan karunia-Nya.
Sesungguhnya kesempurnaan hanya milik Allah dan penulis
sangatlah jauh dari kesempurnaan. Semoga buku ini dapat bermanfaat bagi
pembaca.
Bandung, 14 Februari 2013
Penulis
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
9/87
ix
DAFTAR ISI
HALAMAN JUDUL ..................................................................................... i
LEMBAR PENGESAHAN .......................................................................... ii
HALAMAN PERNYATAAN ORISINALITAS ........................................ iii
ABSTRACT ................................................................................................ iv
ABSTRAK .................................................................................................... v
KATA PENGANTAR ................................................................................. vi
UCAPAN TERIMA KASIH ...................................................................... vii
DAFTAR ISI ............................................................................................... ix
DAFTAR GAMBAR .................................................................................. xii
DAFTAR TABEL ..................................................................................... xiv
DAFTAR SINGKATAN ............................................................................ xv
DAFTAR LAMPIRAN ............................................................................. xvi
PENDAHULUAN ........................................................................................ 1
1.1 Latar Belakang ............................................................................... 1
1.2 Tujuan Penelitian ........................................................................... 2
1.3 Perumusan Masalah ....................................................................... 2
1.4 Batasan Masalah ............................................................................ 2
1.5 Metodologi Penelitian .................................................................... 3
1.6 Sistematika Penulisan .................................................................... 4
LANDASAN TEORI .................................................................................... 5
2.1 Mikrokontroler ATmega2560 ........................................................ 5
2.2 Mikrokontroler ATmega32U2 ....................................................... 9
2.3 Motor Brushless DC..................................................................... 13
2.3.1 Stator ........................................................................................ 14
2.3.2 Rotor ........................................................................................ 17
2.4 Gyroscope .................................................................................... 18
2.4.1 Rotary Gyroscopes ................................................................... 18
2.4.2 Vibrating Gyroscope ................................................................ 19
2.4.3 Optical Gyroscopes .................................................................. 21
2.5 Accelerometer .............................................................................. 22
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
10/87
x
2.5.1 Prinsip Kerja ............................................................................ 22
2.5.2 Tipe accelerometer ................................................................... 23
2.6 Global Positioning System (GPS) ................................................ 24
2.6.1 Kemampuan GPS ..................................................................... 24
2.6.2 Produk yang Diberikan GPS .................................................... 24
2.6.3 Segmen Penyusun Sistem GPS ................................................ 25
2.6.4 Prinsip Penentuan Posisi dengan GPS ..................................... 25
2.6.5 Tipe Alat (Receiver) GPS ........................................................ 26
2.6.6 Sinyal dan Bias pada GPS ....................................................... 26
2.6.7 Error Source pada GPS ............................................................ 27
2.6.8 Metoda Penentuan Posisi dengan GPS .................................... 27
2.6.9 Ketelitian Posisi yang Diperoleh dari Sistem GPS .................. 27
2.7 Statistika ....................................................................................... 28
2.7.1 Rerata ....................................................................................... 28
2.7.2 Standar Deviasi ........................................................................ 28
2.7.3 Tingkat Kesalahan Pengukuran ............................................... 28
2.7.4 Akurasi Koordinat GPS ........................................................... 29
PERANCANGAN SISTEM ....................................................................... 30
3.1 Analisis Perancangan Sistem ....................................................... 30
3.2 Blok Diagram Sistem ................................................................... 30
3.3 Diagram Alir Sistem .................................................................... 31
3.4 Analisis Kebutuhan Perangkat Keras ........................................... 33
3.4.1 Frame F450Q ........................................................................... 33
3.4.2 Brushless Motor 950KV .......................................................... 33
3.4.3 Electronic Speed Controller (ESC) .......................................... 343.4.4 Propeller 1045 .......................................................................... 35
3.4.5 Flight Controller ...................................................................... 36
3.4.6 Baterai LiPolymer .................................................................... 38
3.4.7 Remote Control (RC) ............................................................... 38
3.5 Analisis Kebutuhan Perangkat Lunak .......................................... 39
3.5.1 APM Planner ............................................................................ 39
3.5.2 Firmware Arduino Copter V2.8.1Quad ................................... 39
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
11/87
xi
3.6 Perakitan perangkat ...................................................................... 39
3.7 Konfigurasi perangkat .................................................................. 40
3.7.1 Konfigurasi Remote Control (RC) ........................................... 40
3.7.2 Kalibrasi ESC .......................................................................... 41
3.7.3 Kalibrasi pada Flight Controller .............................................. 43
3.8 Analisis Sistem Keseluruhan ....................................................... 44
3.9 Skenario Pengujian dan Pengukuran............................................ 44
3.9.1 Skenario Pengukuran Ketinggian ............................................ 44
3.9.2 Skenario Pengukuran Akurasi dan Presisi Koordinat GPS ..... 45
3.9.3 Skenario Pengujian Quadcopter Manual ................................. 46
3.9.4 Skenario Pengukuran Waktu Terbang ..................................... 47
3.9.5 Skenario Pengujian dan Pengukuran Autonomous .................. 47
ANALISIS HASIL PENGUJIAN SISTEM ............................................... 49
4.1 Pengukuran dan Analisis Ketinggian Quadcopter ....................... 49
4.1.1 Ketinggian 50 Sentimeter ........................................................ 49
4.1.2 Ketinggian 100 Sentimeter ...................................................... 50
4.1.3 Ketinggian 150 Sentimeter ...................................................... 51
4.1.4 Ketinggian 200 Sentimeter ...................................................... 51
4.2 Pengukuran dan Analisis Akurasi dan Presisi Koordinat GPS .... 52
4.2.1 Koordinat Asal ......................................................................... 53
4.2.2 Koordinat Tujuan ..................................................................... 56
4.3 Analisis Estimasi Jarak Tempuh Maksimal Quadcopter ............. 59
4.4 Pengukuran dan Analisis Autonomous Quadcopter .................... 59
4.4.1 Koordinat Autonomous Zona 48 ............................................. 60
4.4.2 Koordinat Autonomous Zona 49 ............................................. 65PENUTUP .................................................................................................. 70
5.1 Kesimpulan .................................................................................. 70
5.2 Saran............................................................................................. 70
DAFTAR PUSTAKA ................................................................................. 71
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
12/87
xii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 IC Mikrokontroler ATmega2560 .............................................. 7
Gambar 2.2 IC Mikrokontroler ATmega32U2 ........................................... 12
Gambar 2.3 Blok PenyusunMotor Brushless............................................. 15
Gambar 2.4 Pembagian Kutub Motor BLDC ............................................. 15
Gambar 2.5 Sinyal Fasa Motor Trapezoidal............................................... 16
Gambar 2.6 Sinyal Fasa Motor Sinusoidal................................................. 16
Gambar 2.7 Penampang Pengaturan Magnet .............................................. 17
Gambar 2.8 Sistem KerjaRotary Gyroscope............................................. 19
Gambar 2.9 Sistem Kerja Vibrating Gyroscope......................................... 20
Gambar 2.10 Sistem Kerja Optical Gyroscope.......................................... 21
Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem Keseluruhan ......................................... 30
Gambar 3.2 Diagram Alir Sistem Kerja Quadcopter Autonomous............ 32
Gambar 3.3 Konfigurasi ArahPropeller.................................................... 40
Gambar 4.1 Grafik Hasil Pengukuran Ketinggian 50 cm ........................... 49
Gambar 4.2 Grafik Hasil Pengukuran Ketinggian 100 cm ......................... 50
Gambar 4.3 Grafik Hasil Pengukuran Ketinggian 150 cm ......................... 51
Gambar 4.4 Grafik Hasil Pengukuran Ketinggian 200 cm ......................... 52
Gambar 4.5 Jalur Pengukuran Akurasi Koordinat GPS ............................. 53
Gambar 4.6 Distribusi X dan Y serta CEP(merah) & 2DRMS(hijau)
Koordinat Asal ............................................................................................ 54
Gambar 4.7 Grafik Distribusi Normal Koordinat Asal .............................. 55
Gambar 4.8 Distribusi X dan Y beserta CEP (merah) & 2DRMS (hijau)
Koordinat Tujuan ........................................................................................ 57
Gambar 4.9 Grafik Distribusi Data Koordinat Tujuan ............................... 58
Gambar 4.10 Distribusi X dan Y serta CEP (merah) & 2DRMS (hijau)
Mode LOITER Zona 48 .............................................................................. 62
Gambar 4.11 Grafik Distribusi Data KoordinatAutonomousZona 48 ...... 63
Gambar 4.12 Jalur KoordinatAutonomousZona 48 .................................. 64
Gambar 4.13 Distribusi X dan Y serta CEP (merah) & 2DRMS (hijau)
Mode LOITER Zona 49 .............................................................................. 67
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
13/87
xiii
Gambar 4.14 Grafik Distribusi Pengelompokan DataAutonomous Zona 49
.................................................................................................................... 68
Gambar 4.15 Jalur KoordinatAutonomousZona 49 .................................. 69
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
14/87
xiv
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Spesifikasi Mikrokontroler ATmega2560 .................................... 5
Tabel 2.2 Spesifikasi Mikrokontroler ATmega32U2 ................................. 10
Tabel 3.1 SpesfifikasiFrameF450Q .......................................................... 33
Tabel 3.2 SpesfifikasiBrushless Motor950KV ......................................... 33
Tabel 3.3 Spesifikasi ESC .......................................................................... 35
Tabel 3.4 Spesifikasi GPS Mavlink ............................................................ 38
Tabel 3.5 Konfigurasi Mode ESC .............................................................. 42
Tabel 3.6 Pemilihan Mode Program ESC ................................................... 42
Tabel 4.1 Koordinat X dan Y Asal UTM .............................................. 53
Tabel 4.2 Nilai CEP dan 2DRMS Koordinat Asal ..................................... 53
Tabel 4.3 Nilai Pengelompokan Data Koordinat Asal ............................... 55
Tabel 4.5 Koordinat X dan Y Tujuan.................................................... 56
Tabel 4.6 Nilai CEP dan 2DRMS Koordinat Tujuan ................................. 56
Tabel 4.7 Distribusi Pengelompokan Data Koordinat Tujuan .................... 58
Tabel 4.8 Distribusi Data Koordinat Tujuan .............................................. 58
Tabel 4.10 Parameter Pengujian Zona 48Autonomous.............................. 60
Tabel 4.11 Koordinat X dan Y Zona 48Autonomous.......................... 60
Tabel 4.12 Nilai CEP, 2DRMS dan Pergeseran KoordinatAutonomous
Zona 48 ....................................................................................................... 61
Tabel 4.13 Distribusi Pengelompokan Data KoordinatAutonomous Zona 48
.................................................................................................................... 63
Tabel 4.14 Distribusi Data KoordinatAutonomous Zona 48 .................... 63
Tabel 4.15 Parameter Pengujian Zona 49Autonomous.............................. 65
Tabel 4.16 Koordinat X dan Y Zona 49Autonomous................................ 65
Tabel 4.17 Nilai CEP, 2DRMS, dan Pergeseran KoordinatAutonomous
Zona 49 ....................................................................................................... 66
Tabel 4.18 Distribusi Pengelompokan Data KoordinatAutonomous Zona 49
.................................................................................................................... 68
Tabel 4.19 Distribusi Data KoordinatAutonomous Zona 49 ..................... 68
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
15/87
xv
DAFTAR SINGKATAN
UAV : Unmaned Aerial Vehicle
CEP : Circular Error Probability
2DRMS : 2Dimension Root Mean Square
RC :Remote Control
FC :Flight Controller
FCd :Flash Card
BLDC :BrushlessDirect Current
PID :Proportional Integral Derivative
GPS : Global Positioning System
NMEA :National Marine Electronics Association
MEMS :Micro-machined Electro-Mechanical System
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
16/87
xvi
DAFTAR LAMPIRAN
LAMPIRAN A :DatasheetPerangkat Keras
LAMPIRAN B : Rangkaian SchematicdanLayoutPCB Elektronika
LAMPIRAN C : Perhitungan Akurasi Sensor Tinggi & Koordinat
LAMPIRAN D : Foto Hasil Perancangan Quadcopter
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
17/87
1
BAB 1
PENDAHULUAN
1.1Latar BelakangSistem pengintaian dengan robot merupakan suatu terobosan
teknologi yang berfungsi sebagai alat pelacak suatu objek tertentu. Robot
tersebut digunakan sebagai media pembawa sensor pelacak, kamera, dan
perangkat lain sehingga memungkinkan pengguna dapat melihat kondisi
lingkungan dimana robot tersebut bergerak. Namun tidak setiap robot dapat
difungsikan sebagai media pembawa, dikarenakan bermacam-macam fungsi
dari masing-masing robot, dengan kata lain robot memiliki keterbatasan
gerak ruang dan energi. Oleh karena itu pemilihan robot sebagai media
pembawa alat pengintai harus memiliki sudut penglihatan yang luas dan
minim obstacle. Salah satu contohnya adalah pesawat UAV atau biasa
disebut pesawat tanpa awak. Pesawat UAV dapat dilengkapi berbagai
macam perlengkapan dan sensor-sensor pendukung agar lebih stabil dan
akurat.
Tahap pencarian suatu tempat secara autonomous berdasarkan titik
koordinat/waypoint tertentu, harus dilengkapi dengan perangkat GPS yang
terintegrasi dalam pesawat UAV tersebut. Perangkat GPS akan menangkap
sinyal NMEA dari satelit GPS yang menghasilkan koordinat latitute dan
longitudeterhadap lokasi perangkat GPS tersebut berada. Untuk menentukan
suatu titik tertentu GPS harus mendapatkan paling sedikit tiga buah sinyal
satelit GPS.
Dalam tugas akhir ini, penulis merakit pesawat UAV multirotor
dengan jenis quadcopter yang dilengkapi dengan perangkat GPS dan
perangkat pendukung yang mendukung kestabilan terbang quadcopter
tersebut. Perangkat GPS diintegrasikan dengan respon attitutequadcopter,
sehingga perlu adanya penerapan sistem PID guna mengatur kestabilan
terbang pesawat. Parameter yang digunakan adalah perhitungan dan analisis
akurasi koordinat dengan posisi pesawat, akurasi, ketinggian, dan konsumsi
daya pada quadcopter.
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
18/87
2
Quadcopterdiprogram dengan koordinat waypointyang dipilih dan
akan terbang dengan ketinggian konstan tertentu pada saat menuju waypoint.
Namun untuk take off, pesawat memerlukan bantuan dari RC terlebih dahulu
sebelum mendapatkan perintah AUTO, yakni menuju waypoint yang
dimaksudkan.
1.2Tujuan PenelitianTujuan yang ingin dicapai dalam penelitian ini adalah sebagai berikut:
1. Mengetahui sistem integrasi setiap blok penyusun quadcopter.2. Menganalisis hasil pengukuran ketinggian, akurasi koordinat, CEP,
2DRMS yang dihasilkan GPS.
3. Mengetahui dan menganalisis perbandingan koordinat perintah yangdituju dengan koordinat LOITER GPS saat quadcopterautonomous.
4. Mengetahui dan menganalisis estimasi jarak tempuh maksimumquadcopterberdasarkan lama waktu terbang sistem quadcopter.
1.3Perumusan MasalahBeberapa masalah yang akan timbul dalam perancangan dan analisis
perhitungan koordinat GPS pada pergerakan quadcopterantara lain:
1. Bagaimana sistem integrasi setiap blok penyusun quadcopter?2. Bagaimana analisis hasil pengukuran ketinggian, akurasi koordinat,
CEP, dan 2DRMS yang dihasilkan GPS?
3. Bagaimana analisis perbandingan koordinat perintah yang ditujudengan nilai koordinat loiter GPS saat quadcopterautonomous?
4. Berapakah estimasi jarak tempuh maksimum berdasarakan lamawaktu terbang quadcopter?
1.4Batasan MasalahUntuk membatasi cakupan pembahasan masalah pada tugas akhir ini
maka diberikan batasan-batasan sebagai berikut:
a. Perangkat yang digunakan untuk membangun quadcopter berupamodul.
b. Faktor kecepatan angin, tekanan, suhu, dan tingkat gravitasi padasetiap tempat pengambilan data diasumsikan sama.
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
19/87
3
c. Tidak membahas secara lanjut mengenaifirmwaredansoftware.d. Parameter pengukuran meliputi ketinggian, akurasi koordinat, CEP,
2DRMS, beserta distribusi data yang dihasilkan GPS.e. Perhitungan estimasi jarak tempuh maksimum quadcopter
berdasarkan pengukuran lama waktu terbang quadcopter.1.5Metodologi Penelitian
Langkah-langkah yang akan ditempuh dalam menyelesaikan tugas
akhir ini adalah:
1. Studi Literatura. Pencarian dan pengkajian teori mengenai integrasi sistem beserta
cara kerjanya dari berbagai literatur serta sumber yang bermacam-
macam seperti buku, internet, jurnal, wawancara langsung.
b. Pengumpulan data-data dan spesifikasi sistem yang dipakai untukpembuatan perangkat sebagai pendukung sistem.
2. Analisa MasalahMelakukan analisa dari teori yang telah didapat dengan bermacam-
macam sumber sehingga mendapatkan hasil yang semaksimal
mungkin.
3. Perancangan dan Pembuatan SistemPembuatan sistem dengan melakukan integrasi antara perangkat
utama dan perangkat pendukung.
4. Simulasi SistemBerdasarkan standar yang ada, tahap selanjutnya adalah melakukan
simulasi sistem untuk melihat kinerja sistem tersebut.
5. Eksperimen dan Analisa SistemJika sistem telah berjalan dengan baik, maka akan dilakukan
eksperimen untuk untuk mendapatkan nilai yang akan ditindaklanjuti
oleh analisis sistem sehingga menghasilkan sistem yang baik dan
efisien.
6. Penulisan LaporanBerupa hasil perancangan, eksperimen dan analisis yang dituliskan
dalam sebuah laporan.
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
20/87
4
1.6Sistematika PenulisanSistematika penulisan yang akan digunakan pada tugas akhir ini
adalah sebagai berikut:
BAB 1 Pendahuluan
Berisi latar belakang permasalahan, tujuan penelitian, perumusan
masalah, pembatasan masalah dan asumsi yang digunakan, serta
metode penelitian yang dilakukan.
BAB 2 Landasan Teori
Berisi konsep dasar perangkat yang digunakan dalam pendukung
tentang perancangan dan analisis data tersebut beserta cara kerjanya.
BAB 3 Perancangan Sistem
Berisi tentang perancangan dan integrasi antara quadcopter dengan
modul GSM dan GPS tracker sehingga menghasilkan suatu perangkat
tracker.
BAB 4 Analisis Hasil Pengujian Sistem
Berisi tentang pengujian kerja alat dan analisa dari pengukuran alat
tersebut berdasarkan parameter-paramater yang telah ditetapkan
sebelumnya.
BAB 5 Penutup
Berisi kesimpulan atas hasil kerja yang telah dilakukan serta saran
untuk pengembangan maupun perbaikan selanjutnya.
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
21/87
5
BAB 2
LANDASAN TEORI
2.1Mikrokontroler ATmega2560ATmega2560 merupakan mikrokontroler yang memiliki konsumsi daya
rendah dengan CMOS-8bit berbasis AVR dan arsitektur RISC. Untuk
menjalankan program yang cukup banyak dalam sekali sekali clock,
mikrokontroler ini dapat mencapai throughput mendekati 1 MIPS untuk
setiap MHz. Nilai tersebut menunjukkan bahwa sistem tersebut digunakan
untuk mengoptimalkan konsumsi daya terhadap kecepatan pemrosesan.
Tabel 2.1 Spesifikasi Mikrokontroler ATmega2560
Parameter Nilai
Memoriflash(Kbytes) 256
Jumlah pin 100
Maksimum frekuensi operasi 16 MHz
CPU 8-bit AVR
Maksimum I/O pin 86
UART 4
ADC channel 16
ADCResolution(bits) 10
Kecepatan ADC (ksps) 15
SPI 5
TWI(I2C) 1
DAC channel 0
DAC resolution(bits) 0
SRAM (Kbytes) 8
EEPROM (Bytes) 4096
Timers 6
Output Compare channels 16
Input Capture channels 4
PWM channels 15
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
22/87
6
Mikrokontroler ini dapat menggabungkan instruksi yang cukup banyak
dengan dukungan 32 register General Purpose. Semua register tersebut
secara langsung terhubung ke Logic Unit Arithmetic (ALU), yang
memungkinkan dua register independen dapat diakses dalam satu instruksi
tunggal yang dijalankan dalam satu siklus clock saja. Arsitektur tersebut
dapat menghasilkan kode yang lebih efisien sehingga dapat mencapai
throughputs sepuluh kali lebih cepat daripada mikrokontroler CISC
konvensional.
ATmega2560 ini menyediakan fitur berikut ini: memori 256K byte In-
System Programmable Flash dengan kemampuan Read-While-Write, 4
Kbytes EEPROM, 8 Kbytes SRAM, 86 General PurposeI/O line, 32 register
General Purpose, Real Time Counter (RTC), 6 Timer/Counters fleksibel
dengan membandingkan mode dan PWM, 4 USARTs, sebuah byte
berorientasi 2-wireserial interface, 16-channel, 10-bit ADC dengan pilihan
input stagedangainyang dapat diprogram, Timer gain Watchdogyang dapat
diprogram dengan Osilator internal, akses On-Chip Debugsistem,serta enam
modesoftwarehemat daya yang dapat dipilih. Mode tersebut salah satunya
adalah mode idle,yakni mode yang dapat menghentikan CPU pada saat
sistem menjalankan SRAM, Timer / Counter, SPI port, dan sistem interrupt
untuk terus berfungsi. Sedangkan mode Power-downdapat menghemat isi
register namun dapat membekukan Oscillator, menonaktifkan semua fungsi
chip lainnya sampai dengan interruptberikutnya atau peresetan hardware.
Selanjutnya, dalam Power-save mode, asynchronous timer terus berjalan
sehingga memungkinkan pengguna untuk mempertahankan basis waktu pada
saat perangkat dalam kondisi sleeping. Di dalam mode ADC noisereduction dapat menghentikan CPU dan semua I/O modul kecuali
Asynchronous Timer dan ADC, untuk meminimalkan perpindahan noise
selama konversi ADC berlangsung. Dalam modus siaga, Oscillator
Kristal/Resonator dapat berjalan sementara sisa perangkat lain sleeping.
Hal ini memungkinkan kombinasi sistem yang dapat start-upsangat cepat
dengan konsumsi daya yang rendah. Di mode Extended Standby, baik
Oscillatorutama danAsynchronousTimerterus berjalan.
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
23/87
7
Mikrokontroler ini menggunakan teknologi high-density nonvolatile
memoryyang memudahkan dalam pemrograman sistem. On-ChipISPFlash
memungkinkan memori program dapat diprogram in-system melalui SPI
serial interface, oleh programmer memory nonvolatile konvensional itu
sendiri atau dengan program BootOn-chipyang berjalan pada AVR core.
Program boot tersebut dapat menggunakan antarmuka apapun untuk men-
downloadaplikasi program di aplikasi Flash memory. Softwarepada bagian
Boot Flash akan terus berjalan saat bagian ApplicationFlash diperbarui,
sehingga menyediakan operasi true Read-While-Write. Dengan
menggabungkan sebuah 8-bit RISC CPU dengan In-System Self-
Programmable Flash pada chip monolitik, ATmega2560 adalah
mikrokontroler powerfulyang menyediakan tingkat fleksibel yang tinggi
dan solusi efisiensi biaya untuk banyak aplikasi embedded control. AVR
ATmega2560 juga didukung banyak program dan software pengembang
termasuk: C compilers, assemblersmakro, program debugger/simulator, in-
circuitemulator, dan kit evaluasi.
Gambar 2.1 IC Mikrokontroler ATmega2560
Berikut ini adalah fungsi umum dari pin maupun port Atmega2560:
1. VCCVCC merupakan pin yang berfungsi untuk catuan utama
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
24/87
8
2. GNDPin yang terhubung ke pentanahan/grounding
3. Port A (PA7-PA0)Port ini merupakan 8-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu.
4. Port B (PB7-PB0)Port ini merupakan 8-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu.
5. Port D (PD7-PD0)Port ini merupakan 8-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu.
6. Port E (PE7-PE0)Port ini merupakan 8-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu.
7. Port F (PF7-PF0)Port ini merupakan 8-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu saat ADC
padaportini tidak digunakan.
8. Port G (PG7-PG0)Port ini merupakan 6-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu.
9. Port H (PH7-PH0)Port ini merupakan 8-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu.
10.Port I (PI7-PI0)
Port ini merupakan 8-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu.
11.Port J (PJ7-PJ0)Port ini merupakan 8-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu.
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
25/87
9
12.Port K (PK7-PK0)Port ini merupakan 8-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu.
13.Port L (PL7-PL0)Port ini merupakan 8-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu.
14.RESETPin untuk pengaturan awal/reset
15.XTAL1Pin yang berfungsi sebagai masukan menuju ke inversi Oscillator
Amplifierdan masukan menuju ke rangkaian operasi internal clock
16.XTAL2Pin ini meruipakan keluaran dari hasil inversi Oscillator Amplifier
17.AVCCAVCC merupakan suplai tegangan untuk port F dan ADC, dan harus
disambungkan ke VCC secara eksternal jika ADC tidak digunakan.
Namun bila menggunakan ADC maka harus disambungkan ke VCC
untuk melalui filter LPF
18.AREFPin ini berfungsi sebagai pin referensi analog pada ADC
2.2Mikrokontroler ATmega32U2ATmega32U2 pada dasarnya mirip dengan ATmega2560, yakni
memiliki konsumsi daya rendah dengan CMOS 8-bit yang berbasis arsitektur
RISC, sehingga memiliki kecepatan akses yang sama. Sedangkan perbedaan
yang mendasar terdapat pada memori yang dimiliki, fitur USB, dan jumlah
pin yang tersedia. Berikut ini adalah parameter-parameter dan nilai yang
terdapat pada mikrokontroler ATmega32U2.
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
26/87
10
Tabel 2.2 Spesifikasi Mikrokontroler ATmega32U2
Parameter Nilai
Memoriflash(Kbytes) 32
Jumlah pin 32
Maksimum frekuensi operasi 16 MHz
CPU 8-bit AVR
Maksimum I/O pin 22
ExtInterrupt 20
USB Transceiver 1
USB Speed Full Speed
USBInterface Device
UART 1
AnalogComparator 1
I/O SupplyClass 2,7 to 5,5
OperationVoltage 2,7 to 5,5
DAC channel 0
DAC resolution(bits) 0
SRAM (Kbytes) 1
EEPROM (Bytes) 1024
Timers 2
OutputComparechannels 5
Input Capture channels 1
PWM channels 4
Watchdog Ya
Mikrokontroler ATmega32U2 dapat menggabungkan instruksi yang
cukup banyak dengan dukungan 32 register General Purpose. Semua
registertersebut secara langsung terhubung ke Logic Unit Arithmetic(ALU),
yang memungkinkan dua register independen dapat diakses dalam satu
instruksi tunggal yang dijalankan dalam satu siklus clock saja. Arsitektur
tersebut dapat menghasilkan kode yang lebih efisien sehingga dapat
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
27/87
11
mencapai throughputs sepuluh kali lebih cepat daripada mikrokontroler
CISC konvensional.
ATmega32U2 menyediakan fitur berikut ini: memori 32 Kbyte In-
SystemProgrammable Flashdengan kemampuan Read-While-Write, 1024
bytes EEPROM, 1024 bytes SRAM, 22 General Purpose I/O line, 32
register General Purose, 2 Timer/Counters fleksibel dengan
membandingkan mode dan PWM, 1 USART, Watchdog Timeryang dapat
diprogram dengan Oscillatorinternal, sebuah SPI serial port, debug WIRE
interface, akses On-Chip Debugsistem, serta 5 mode softwarehemat daya
yang dapat dipilih. Mode tersebut salah satunya adalah mode idle, yakni
mode yang dapat menghentikan CPU pada saat sistem menjalankan SRAM,
Timer / Counter, dan sistem interrupt untuk terus berfungsi. Sedangkan
modePower-downdapat menghemat isi registernamun dapat membekukan
Oscillator, menonaktifkan semua fungsi chip lainnya sampai dengan
interruptberikutnya atau peresetan hardware. Selanjutnya, dalam modus
siaga, OscillatorCrystal/Resonatordapat berjalan sementara sisa perangkat
lain sleeping. Hal ini memungkinkan kombinasi sistem yang dapatstart-up
sangat cepat dengan konsumsi daya yang rendah. Di mode Extended
Standby, baik Oscillatorutama danAsynchronousTimerterus berjalan.
Mikrokontroler ini menggunakan teknologi high-density nonvolatile
memoryyang memudahkan dalam pemrograman sistem. On-ChipISPFlash
memungkinkan memori program dapat diprogram in-system melalui SPI
serial interface, oleh programmer memory nonvolatile konvensional itu
sendiri atau dengan program Boot On-chipyang berjalan pada AVR core.
Program boot tersebut dapat menggunakan antarmuka apapun untuk men-downloadaplikasi program di aplikasi Flash memory. Softwarepada bagian
Boot Flash akan terus berjalan saat bagian Application Flash diperbarui,
sehingga menyediakan operasi true Read-While-Write. Dengan
menggabungkan sebuah 8-bit RISC CPU dengan In-System Self-
Programmable Flash pada chip monolitik, ATmega32U2 adalah
mikrokontroler powerfulyang menyediakan tingkat fleksibel yang tinggi
dan solusi efisiensi biaya untuk banyak aplikasi embedded control. AVR
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
28/87
12
ATmega32U2 juga didukung banyak program dan software pengembang
termasuk: C compilers, assemblersmakro, program debugger / simulator, in-
circuit emulator, dan kit evaluasi.
Gambar 2.2 IC Mikrokontroler ATmega32U2
Berikut ini adalah fungsi umum dari pin maupun port Atmega32U2:
1. VCCVCC merupakan pin yang berfungsi untuk catuan utama
2. GNDPin yang terhubung ke pentanahan/grounding
3. AVCCAVCC merupakan pin catuan tegangan untuk semua fitur analog
(AnalogComparator, PLL) dan harus terhubung ke pin VCC untuk
melewati filter LPF
4. Port B (PB7-PB0)Port ini merupakan 8-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu.
5. Port C (PC7-PC0)Port ini merupakan 8-bit bi-directional I/O port dengan internal
tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi tertentu.
6. Port D (PD7-PD0)Port D menyediakan input analog yang diteruskan ke analog
comparator. Port ini juga merupakan 8-bit bi-directional I/O port
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
29/87
13
dengan internal tahananpull-upyang dapat digunakan untuk fungsi
tertentu jika analog comparatortidak difungsikan.
7. D-Pin D- menyediakan fasilitas USB Full Speed Negative Data
Upstream Portuntuk komunikasi data melalui USB
8. D+Pin D+ menyediakan fasilitas USB Full Speed Positive Data
Upstream Portuntuk komunikasi data melalui USB
9. UGNDPin USB Ground
10.UVCCPin yang berfungsi sebagai pencatu tegangan input pada regulator
USBPads
11.UCAPPin yang berfungsi sebagai pencatu tegangan outputpada regulator
USBPads. Pin ini harus terhubung ke kapasitor eksternal (1F).
12.RESETPin masukan penyetelan ulang/reset
13.XTAL1Pin yang berfungsi sebagai masukan menuju ke inversi Oscillator
Amplifierdan masukan menuju ke rangkaian operasi internalclock
14.XTAL2/PC0Pin ini merupakan keluaran dari hasil inversi Oscillator Amplifierjika
difungsikan olehFuse. Pin ini juga menyediakangenericI/O.
2.3Motor Brushless DCMotorBrushless Direct Current (BLDC) merupakan salah satu tipe
motor yang kepopulerannya meningkat sangat cepat. BLDC motor
digunakan di peralatan industri seperti alat rumah tangga, otomotif,
aerospace, pengguna langsung, medis, dan industri peralatan serta
instrumentasi.
Seperti namanya, motor BLDC tidak menggunakan brushes(sikat) pada
saat melakukan commutation (pergantian) polaritas magnet pada
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
30/87
14
elektromagnet, namun melakukan commutaion secara elektronik. Motor
BLDC memiliki banyak keunggulan dibandingkan motor DC brusheddan
motor induksi. Berikut ini merupakan keunggulan motor BLDC:
1. Memiliki tingakt kecepatan yang lebih baik dibanding karekteristiktorsi,
2. Respon dinamik yang tinggi,3. Efisiensi tinggi,4. Long operating life,5. Noiseless operation,6. Rentang kecepatan yang tinggi.Selain itu, rasio torsi yang dihasilkan oleh motor brushless lebih tinggi,
hal tersebut bermanfaat dalam penerapannya, yakni dimana ruang dan berat
merupakan faktor yang sangat diutamakan.
Motor BLDC merupakan tipe syncchronous motor. Hal ini berarti
medan magnet dihasilkan oleh stator dan medan magnet yang dihasilkan oleh
rotor berbutar di frekuensi yang sama. Oleh karena itu motor BLDC tidak
memiliki slipyang banyak ditemui di tipe motor induksi.
Motor BLDC banyak didesain dengan konfigurasi single-phase, 2-
phase, dan 3-phase. Sesuai dengan jenisnya, stator memiliki jumlah lilitan
yang sama. Sedangkan motor BLDC yang paling populer adalah motor
BLDC 3 fasa.
2.3.1 StatorStator motor BLDC terdiri atas tatanan baja yang dilapisi lilitan
ditempatkan pada slot yang secara axial dipotong di sepanjang pinggiran
bagian dalam. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada gambar 2.3
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
31/87
15
Gambar 2.3 Blok PenyusunMotor Brushless
Secara umum, stator menyerupai suatu motor induksi, namun lilitantersebut didistribusikan dengan cara yang berbeda. Kebanyakan motor
BLDC memiliki tiga lilitan stator yang terhubung dalam mode bintang.
Setiap lilitan tersebut dibangun dengan banyak coil(kumparan) yang saling
berhubungan untuk membentuk satu lilitan. Satu atau lebih coilditempatkan
di slot dan saling berhubungan untuk membuat satu lilitan. Masing-masing
lilitan didistribusikan melalui pinggiran stator untuk membentuk kutub
dengan jumlah genap.
Pada gambar 2.4 terlihat pada bagian U, V, W, merupakan tempat lilitan
dan ujungnya terdapat tatanan baja, yang merupakan bagian stator. Pada
masing-masing label, lilitan saling terhubung, sehingga membentuk satu
pasang kutub.
Gambar 2.4 Pembagian Kutub Motor BLDC
Pembedaan varian stator dibuat atas dasar interkoneksi coil di
gulungan stator untuk memberikan berbagai jenis back Electromotive Force
(EMF).BackEMF merupakan tegangan yang dihasilkan lilitan. Fungsi back
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
32/87
16
EMF adalah membalikkan catuan tegangan utama pada lilitan menurut
hukum Lenz, agar motor tetap berputar. BackEMF dipengaruhi oleh tiga
faktor: sudut rotor, medan magnet yang dihasilkan magnet rotor, dan jumlah
lilitan pada stator.
Terdabat dua jenis varian lilitan stator, yakni: motor trapezoidal dan
sinusoidal. Seperti yang ditunjukkan pada setiap nama varian, motor
trapezoidal memberikan back EMF dalam mode trapesium dan motor
sinusoidal memberikan back EMF bermode sinusoidal, seperti yang
ditunjukkan pada gambar 2.5. Selain backEMF, arus fasa juga berbentuk
trapesium dan sinusoidal pula sesuai dengan jenis varian motor. Hal ini
membuat torsi output dengan motor sinusoidal halus daripada yang dari
trapesium motor. Namun, konsekuensinya adalah tambahan biaya, motor
sinusoidalmemerlukan hubungan lilitan yang lebih banyak karena distribusi
coilpada pinggiran stator, sehingga menambah jumlah lilitan tembaga.
Gambar 2.5 Sinyal Fasa Motor Trapezoidal
Gambar 2.6 Sinyal Fasa Motor Sinusoidal
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
33/87
17
Tergantung dari nilai kontrol catu daya yang akan digunakan,
pemilihan nilai teganganstatoryang tepat dapat ditentukan. Sebagai contoh
motor 48 volt, atau kurang dari nilai tersebut digunakan di dunia otomotif,
robotik pergerakan lengan, dan lain-lain. Motor dengan 100 volt atau lebih
digunakan di peralatan rumah tangga, sistem otomasi dan peralatan industri.
2.3.2 RotorRotor terbuat dari magnet permanen dan dapat bervariasi dari dua
sampai delapan pasang kutub Utara (U) dan Selatan (S). Berdasarkan medan
magnet yang diperlukan dalam rotor, pemilihan bahan magnetik sangat
diperlukan untuk membuat rotor. Ferritemagnet secara umum digunakan
untuk membuat magnet permanen. Hal tersebut menjadikan tingkat
penggunaan di kalangan idustri meningkat. Ferrite magnet sedikit lebih
mahal tetapi hanya memiliki kerapatan fluks lemah dalam volume tertentu.
Hal tersebut berkebalikan pada bahan paduan yang memiliki kepadatan
magnet tinggi setiap volumedan memungkinkan rotor untuk menekan lebih
jauh pada torsi yang sama. Perpaduan magnet tersebut meningkatkan rasio
size-to-weightdan memberikan torsi yang lebih tinggi untuk motor dengan
ukuran yang sama menggunakanferritemagnet.
Neodymium (Nd), Samarium Cobalt (SmCo), serta paduan
Neodymium, Ferrite dan Boron (NdFeB) merupakan beberapa contoh
paduan magnet yang tergolong jarang. Penelitian yang berkelanjutan akan
meningkatkan kerapatan fluks untuk menekan rotor lebih jauh. Pada gambar
2.6 menunjukkan penampang dari pengaturan magnet yang berbeda pada
rotor.
Gambar 2.7 Penampang Pengaturan Magnet
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
34/87
18
2.4GyroscopeGyroscopemerupakan perangkat utama yang digunakan untuk navigasi
dan pengukuran kecepatan sudut[1]. Gyroscopedapat mengukur kecepatan
putaran dalam tiga arah. 3-axisgyroscope biasanya diimplementasikan
dengan 3-axisaccelerometeruntuk menyediakan enam derajat kebebasan
atau biasa disebut dengan 6 degree-of-freedom (DoF) motion tracking
system.
Gyroscope berevolusi dari perangkat mekanik-inersia yang berputar
terdiri atas rotor, as roda, dan gimbal menjadi berbagai inkarnasi perangkat
elektronik dan optik. Masing-masing perangkat memanfaatkan beberapa
properti fisik dari sistem yang memungkinkan mendeteksi kecepatan rotasi
pada beberapa sumbu. Terdapat tiga jenis dasar gyroscope: rotary
(classical) gyroscopes, vibrating structure gyroscope, dan optical
gyroscopes
2.4.1 Rotary GyroscopesGyroscope klasik memanfaatkan hukum kekekalan momentum sudut
yang menyatakan bahwa momentum sudut total sistem adalah konstan
dalam kedua besar dan arah jika torsi eksternal resultan yang bekerja pada
sistem adalah nol[4]. Gyroscopebiasanya terdiri dari cakram yang berputar
atau beban pada poros yang dipasang pada serangkaian gimbal. Setiap
gimbal terdapat cakram yang berputar dengan sudut tambahan dari
kebebasan putaran. Gimbal tersebut memungkinkan rotor berputar tanpa
menerapkan setiap net external torque pada gyroscope. Jadi selama
gyroscopeberputar, maka akan mempertahankan orientasi konstan. Ketika
torsi eksternal atau rotasi pada sumbu diberikan pada perangkat ini, orientasi
dapat dipertahankan dan pengukuran kecepatan sudut dapat diukur karena
adanya fenomena presisi.
Presisi terjadi karena sebuah benda berputar pada beberapa sumbu
memiliki torsi eksternal yan diterapkan dalam arah tegak lurus terhadap
sumbu putar (sumbu masukan). Pada sistem rotasi ketika netexternal torque
terjadi, vektor momentum sudut (yang berada di sepanjang sumbu putar)
akan bergerak dalam arah vektor torsi yang diterapkan. Sebagai hasil dari
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
35/87
19
torsi tersebut, sumbu putar berotasi pada sumbu yang tegak lurus terhadap
kedua sumbu masukan dan sumbu putar (disebut sumbu keluaran). Rotasi
pada sumbu keluaran kemuadian akan mendeteksi dan memberikan umpan
balik pada sumbu masukan dimana perangkat motor atau perangkat sejenis
akan berlaku torsi dalam arah berlawanan, menghilangkan presisigyroscope
dan mempertahankan orientasi. Peristiwa pembatalan/ penghilangan ini juga
dapat dicapai dengan dua gyroscope yang berorientasi pada sudut-sudut
yang benar satu sama lain.
Untuk mengukur tingkat rotasi, nilai perhitungan torsi dipulsakan pada
interval waktu yang teratur. Setiap pulsa mewakili masing-masing rotasi
sudut tetap , dan jumlah pulsa dalam interval waktu t yang tetap akan
sebanding dengan perubahan sudut selama periode waktu tertentu. Dengan
demikian, penerapan nilai perhitungan torsi sebanding dengan laju rotasi
yang akan diukur.
Gambar 2.8 Sistem KerjaRotary Gyroscope
2.4.2 Vibrating GyroscopeVibrating structuregyroscope atau gyroscope dengan struktur getar
adalah perangkat MEMS (Micro-machined Electro-Mechanical System)
yang mudah didapatkan secara koersial, terjangkau, dan ukuran yang kecil.
Dasar untuk memahami operasi darigyroscopestruktur getar adalah sama
dengan pemahaman prinsip gaya Coriolis. Dalam sistem putarannya, setiap
titik berputar dengan kecepatan rotasi yang sama. Sebagai salah satu
pendekatan sumbu rotasi sistem, kecepatan rotasi tetap sama, namun
kecepatan dalam arah tegak lurus terhadap sumbu rotasi menurun. Dengan
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
36/87
20
demikian, proses pergerakan dalam arah garis lurus menuju atau menjauh
dari sumbu rotasi saat sistem berputar, kecepatan lateral akan meningkat
atau menurun dalam rangka mempertahankan posisi sudut yang relatif sama
(bujur) terhadap badan perangkat. Tindakan memperlambat atau
mempercepat adalah percepatan, dan gaya Coriolis adalah waktu percepatan
massa obyek dimana bujur harus dipertahankan. Gaya Coriolis sebanding
dengan kecepatan sudut obyek berputar dan kecepatan dari obyek bergerak
menuju atau menjauh dari sumbu rotasi.
Gambar 2.9 Sistem Kerja Vibrating Gyroscope
Padagyroscopestruktur getar terdapat micro-machinedyang terhubung
ke outer-housing oleh suatu pegas. Outer-housing terhubung ke papan
sirkuit tetap oleh set ke-dua dari pegas ortogonal. Beban terus didorong
secara sinusoidal sepanjang set pertama dari pegas. Setiap rotasi sistem akan
mendorong percepatan Coriolis di beban, mendorongnya ke arah set ke-dua
pegas. Pada waktu beban didorong jauh dari sumbu rotasi, beban akan
mendorong tegak lurus dalam satu arah, dan karena didorong kembali ke
sumbu rotasi, maka akan didorong ke arah yang berlawanan, karena gayaCoriolis yang bekerja pada beban.
Gaya Coriolis terdeteksi oleh sifat kapasitif jari yang berada di sepanjang
housingbeban dan struktur yang keras. Ketika beban didorong oleh gaya
Coriolis, perbedaan kapasitansi akan terdeteksi sebagai sinyal jari dibawa
lebih dekat secara bersamaan. Ketika beban didorong dalam arah yang
berlawanan, set berbeda dari sifat jari tersebut dibawa lebih dekat secara
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
37/87
21
bersamaan, sehingga sensor dapat mendeteksi baik besaran dan arah
kecepatan sudut dari sistem.[6]
2.4.3 Optical GyroscopesOpticalGyroscopes dikembangkan segera setelah penemuan teknologi
laser. Daya tarik dari jenis ini karena tidak mengandung bagian yang
bergerak, dan tidak rentan terhadap keausan mekanis atau drift. Optical
Gyroscopeberoperasi pada prinsip efek Sagnac. Efek ini dapat dilihat dalam
pengaturan ring interferometri. Di sini, sinar laser pertama-tama dibagi oleh
half silvered mirror. Kemudian dua sinar melintasi jalan identik tetapi arah
berlawanan sekitar lingkaran yang terdiri dari cermin datar dan berisi udara
tabung lurus atau kabel serat optik panjang. Kedua sinar kemudian
bergabung kembali pada detektor. Ketika sistem berputar, salah satu sinar
harus menempuh jarak yang lebih panjang daripada sinar berlawanan untuk
membuatnya ke detektor. Perbedaan panjang lintasan (atau Doppler shift)
terdeteksi sebagai pergeseran fasa dengan interferometri. Pergeseran fasa ini
sebanding dengan kecepatan sudut dari sistem.
Gambar 2.10 Sistem Kerja Optical Gyroscope
Gyroscopeoptik terdiri dari 3 Gyroscopetersusun ortogonal satu sama
lain untuk deteksi rotasi tiga sumbu rotasi ortogonal tersebut. Biasanya
Gyroscope ini diimplementasikan dengan 3-axis accelerometers sehingga
memberikan gerakan penuh penginderaan dalam 6 DoF. Seperti halnya
Gyroscoperotor, optical Gyroscopeterbatas dalam bentuk fisik yang kecil,
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
38/87
22
sedangkan jumlah dan luas kabel serat optik dibutuhkan dan kehadiran
peralatan optik sangat diperlukan. Jadi gyroscope ini sering digunakan
dalam aplikasi angkatan laut dan penerbangan, dan dimana ukuran fisik
tidak menjadi masalah. Oleh karena itu giroskop optik biasanya tidak
tersedia secara komersial.
2.5AccelerometerSatu dari inersial sensor yang umum adalah accelerometer, sebuah
sensor dinamik yang mempunyai kemampuan merasakan dalam jarak luas.
Acelerometer tersedia dalam beberapa ukuran, yaitu satu, dua atau tiga
sumbu orthogonal.Accelerometertersebut khususnya dipakai satu dari tiga
mode:
Sebagai ukuran intersial dari kecepatan dan posisi Sebagai sensor kecondongan, kemiringan,atau orientasi pada 2 atau
3 dimensi, sebagai referensi dari akselerasi gravitasi (1g= 9.8 m/s 2)
Sebagai sensor getaran atau tubrukanAda banyak keuntungan memakai analog accelerometer sebagai
perbandingan dengan inclinometer seperti sensor kemiringan cairan,
inclinometer cenderung untuk hasil informasi biner (menandai sebuah
ketetapan dari onatau off), serta hanya dapat mendeteksi saat kemiringan
melewati beberapa ambang sudut.
2.5.1 Prinsip KerjaKebanyakan accelerometer adalah Micro-Electro-Mechanical Sensors
(MEMS). Prinsip dasar dibalik kerja MEMS accelerometer adalah
berpindahnya bagian kecil benda kedalam permukaan silikon yang
tergabung dalam lingkaran dan ditangguhkan oleh tiang kecil. Konsisten
dengan hukum gerak Newton II (F=ma), gerak akselerasi yang terjadi pada
suatu perangkat, sebuah gaya akan bertambah saat perpindahan sebuah
benda. Tiang pendukung berguna sebagai pegas dan fluida (biasanya udara)
dimampatkan didalam IC yang berfungsi sebagai sebuah pengatur,
akibatnya terjadi sistem lapisan gumpalan fisik. [Elwenspoek 1993]
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
39/87
23
2.5.2 Tipe accelerometerAda beberapa prinsip berbeda yang mana sebuah analog accelerometer
dapat dibuat. Dua tipe yang biasanya memanfaatkan capacitive sensingdan
piezoelektrik effectuntuk merasakan berpindahnya benda yang sebanding
dengan akselerasi yang diterapkan.
2.5.2.1 CapacitiveAccelerometeryang mengimplementasikan capacitive sensingdengan
keluaran sebuah tegangan yang bergantung pada jarak antara 2 permukaan
planar. Satu atau kedua plates ini membebankan pada sebuah arus
elektrik. Mengubah jarak antara plates maka akan merubah kapasitas
elektrik dari sistem, yang mana dapat diukur sebagai tegangan output.
Metodesensingini dikenal karena akurasi tinggi dan stabilitas. Capacitive
accelerometers juga lebih mudah mengurangi noise dan perubahan variasi
temperatur, khususnya mengurangi penghamburan tenaga, dan dapat
mempunyai bandwidthbesar dalam kaitan internalfeedbackcircuity.
2.5.2.2 PiozoelectricPiozoelectricsensing dalam akeselerasi adalah hal yang natural, yakni
akeselerasi secara langsung sebanding dengan gaya. Saat beberapa tipe
crystal ditekan , muatan kutub terakumulasi di bagian berlawanan dari
crystal. Ini disebut efek Piozoelectric. Dalam Piozoelectricaccelerometer
muatan terakumulasi di atas crystal dan diterjemahkan dan memperkuat
salah satu hasil arus atau tegangan output. Piozoelectric accelerometer
hanya merespon gejala AC seperti getaran atau goncangan. Piozoelectric
accelerometer mempunyai sebuah jarak dinamik yang luas, tapi dapat
menjadi mahal tergantung kualitasnya (Doscher 2005).
Piezo-film berbasis accelerometers paling baik digunakan untuk
mengukur fenomena AC seperti getaran atau guncangan, bukan fenomena
DC seperti percepatan gravitasi.Piezo-filmtidak tergolong mahal, dan dapat
merespon fenomena lain seperti temperatur, suara, dan tekanan (Doscher
2005).
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
40/87
24
2.6 Global Positioning System (GPS)GPS (Global Positioning System) adalah sistem satelit navigasi dan
penentuan posisi yang dimiliki dan dikelola oleh Amerika Serikat. Sistem
ini didesain untuk memberikan posisi dan kecepatan tiga-dimensi serta
informasi mengenai waktu, secara kontinyu di seluruh dunia tanpa
bergantung waktu dan cuaca, bagi banyak orang secara simultan. Saat ini
GPS sudah banyak digunakan orang di seluruh dunia dalam berbagai bidang
aplikasi yang menuntut informasi tentang posisi, kecepatan, percepatan
ataupun waktu yang teliti. GPS dapat memberikan informasi posisi dengan
ketelitian bervariasi dari beberapa millimeter (orde nol) sampai dengan
puluhan meter.
2.6.1 Kemampuan GPSBeberapa kemampuan GPS antara lain dapat memberikan informasi
tentang posisi, kecepatan, dan waktu secara cepat, akurat, murah, dimana
saja di bumi ini tanpa tergantung cuaca. Hal yang perlu dicatat bahwa GPS
adalah satu-satunya sistem navigasi ataupun sistem penentuan posisi dalam
beberapa abad ini yang memiliki kemampuan handal seperti itu. Ketelitian
dari GPS dapat mencapai beberapa mm untuk ketelitian posisinya, beberapa
cm/s untuk ketelitian kecepatannya dan beberapa nanodetik untuk ketelitian
waktunya. Ketelitian posisi yang diperoleh akan tergantung pada beberapa
faktor yaitu metode penentuan posisi, geometri satelit, tingkat ketelitian
data, dan metode pengolahan datanya.
2.6.2 Produk yang Diberikan GPSSecara umum produk dari GPS adalah posisi, kecepatan, dan waktu.
Selain itu ada beberapa produk lainnya seperti percepatan, azimuth,
parameter attitude, TEC (Total Electron Content), WVC (Water Vapour
Content), Polar motion parameters, serta beberapa produk yang perlu
dikombinasikan dengan informasi eksternal dari sistem lain, produknya
antara lain tinggi ortometrik, undulasigeoid, dan defleksi vertikal.
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
41/87
25
2.6.3 Segmen Penyusun Sistem GPSSecara umum ada tiga segmen dalam sistem GPS yaitu segmen sistem
kontrol, segmen satelit, dan segmen pengguna. Satelit GPS dapat
dianalogikan sebagai stasiun radio angkasa, yang diperlengkapi dengan
antena-antena untuk mengirim dan menerima sinyal sinyal gelombang.
Sinyal-sinyal ini selanjutnya diterima oleh receiver GPS di/dekat
permukaan bumi, dan digunakan untuk menentukan informasi posisi,
kecepatan, maupun waktu. Selain itu satelit GPS juga dilengkapi dengan
peralatan untuk mengontrol attitudesatelit. Satelit-satelit GPS dapat dibagi
atas beberapa generasi yaitu : blok I, blok II, blok IIA, blok IIR dan blok IIF.
Hingga april 1999 ada 8 satelit blok II, 18 satelit blok II A dan 1 satelit blok
II R yang operasional.
Secara umum segmen sistem kontrol berfungsi mengontrol dan
memantau operasional satelit dan memastikan bahwa satelit berfungsi
sebagaimana mestinya. Segmen pengguna terdiri dari para pengguna satelit
GPS di manapun berada. Dalam hal ini alat penerima sinyal GPS (GPS
receiver) diperlukan untuk menerima dan memproses sinyal -sinyal dari
satelit GPS untuk digunakan dalam penentuan posisi, kecepatan dan waktu.
Komponen utama dari suatu Receiver GPS secara umum adalah antena
dengan pre-amplifier, bagian RF dengan pengidentifikasi sinyal dan
pemroses sinyal, pemroses mikro untuk pengontrolan Receiver, data
sampling dan pemroses data ( solusi navigasi ), osilator presisi , catu daya,
unit perintah dan tampilan, dan memori serta perekam data.
2.6.4 Prinsip Penentuan Posisi dengan GPSPrinsip penentuan posisi dengan GPS yaitu menggunakan metode
reseksi jarak, dimana pengukuran jarak dilakukan secara simultan ke
beberapa satelit yang telah diketahui koordinatnya. Pada pengukuran GPS,
setiap epoknya memiliki empat parameter yang harus ditentukan : yaitu 3
parameter koordinat X,Y,Z atau L,B,h dan satu parameter kesalahan waktu
akibat ketidaksinkronan jam osilator di satelit dengan jam diReceiverGPS.
Oleh karena diperlukan minimal pengukuran jarak ke empat satelit.
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
42/87
26
2.6.5 Tipe Alat (Receiver) GPSAda 3 macam tipe alat GPS, dengan masing-masing memberikan tingkat
ketelitian (posisi) yang berbeda-beda. Tipe alat GPS pertama adalah tipe
Navigasi (Handheld, HandyGPS). Tipe nagivasi harganya cukup murah,
sekitar 1 - 4 juta rupiah, namun ketelitian posisi yang diberikan saat ini baru
dapat mencapai 3 sampai 6 meter. Tipe alat yang kedua adalah tipe geodetik
single frekuensi (tipe pemetaan), yang biasa digunakan dalam survey dan
pemetaan yang membutuhkan ketelitian posisi sekitar sentimeter sampai
dengan beberapa desimeter. Tipe terakhir adalah tipe Geodetik dual
frekuensi yang dapat memberikan ketelitian posisi hingga mencapai
milimeter. Tipe ini biasa digunakan untuk aplikasi precise positioning
seperti pembangunan jaring titik kontrol, survey deformasi, dan
geodinamika. HargaReceivertipe geodetik cukup mahal, mencapai ratusan
juta rupiah untuk 1 unitnya.
2.6.6 Sinyal dan Bias pada GPSGPS memancarkan dua sinyal yaitu frekuensi L1 (1575.42 MHz) dan
L2 (1227.60 MHz). Sinyal L1 dimodulasikan dengan dua sinyal pseudo-
random yaitu kode P (protected) dan kode C/A (coarse/aquisition). Sinyal
L2 hanya membawa kode P. Setiap satelit mentransmisikan kode yang unik
sehingga penerima (receiverGPS) dapat mengidentifikasi sinyal dari setiap
satelit. Pada saat fitur Anti-Spoofing diaktifkan, maka kode P akan
dienkripsi dan selanjutnya dikenal sebagai kode P(Y) atau kode Y.
Ketika sinyal melalui lapisan atmosfer, maka sinyal tersebut akan
terganggu oleh konten dari atmosfer tersebut. Besarnya gangguan di sebut
bias. Bias sinyal yang ada utamanya terdiri dari 2 macam yaitu bias ionosfer
dan bias troposfer. Bias ini harus diperhitungkan (dimodelkan atau
diestimasi atau melakukan teknik differencing untuk metode diferensial
dengan jarak baseline yang tidak terlalu panjang) untuk mendapatkan solusi
akhir koordinat dengan ketelitian yang baik. Apabila bias diabaikan maka
dapat memberikan kesalahan posisi sampai dengan orde meter.
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
43/87
27
2.6.7 Error Source pada GPSPada sistem GPS terdapat beberapa kesalahan komponen sistem yang
akan mempengaruhi ketelitian hasil posisi yang diperoleh. Kesalahan-
kesalahan tersebut contohnya kesalahan orbit satelit, kesalahan jam satelit,
kesalahan jam receiver, kesalahan pusat fase antena, dan multipath. Hal-hal
lainnya juga ada yang mengiringi kesalahan sistem seperti efek imaging, dan
noise. Kesalahan ini dapat dieliminir salah satunya dengan menggunakan
teknik differencingdata.
2.6.8 Metoda Penentuan Posisi dengan GPSMetoda penentuan posisi dengan GPS pertama-tama terbagi dua, yaitu
metoda absolut, dan metoda diferensial. Masing-masing metoda kemudian
dapat dilakukan dengan cara real time dan atau post-processing. Apabila
obyek yang ditentukan posisinya diam maka metodenya disebut
statik. Sebaliknya apabila obyek yang ditentukan posisinya bergerak, maka
metodenya disebut kinematik. Selanjutnya lebih detail lagi kita akan
menemukan metoda-metoda seperti SPP, DGPS, RTK, Survei GPS, Rapid
statik, pseudo kinematik, danstopandgo, serta masih ada beberapa metode
lainnya.
2.6.9 Ketelitian Posisi yang Diperoleh dari Sistem GPSUntuk aplikasi sipil, GPS memberikan nilai ketelitian posisi dalam
spektrum yang cukup luas, mulai dari meter sampai dengan
milimeter. Sebelum mei 2000 (SA on) ketelitian posisi GPS metode absolut
dengan data psedorange mencapai 30 - 100 meter. Kemudian setelah SA off
ketelitian membaik menjadi 3 - 6 meter. Sementara itu Teknik DGPS
memberikan ketelitian 1-2 meter, dan teknik RTK memberikan ketelitian 1-
5 sentimeter. Untuk posisi dengan ketelitian milimeter diberikan oleh teknik
survai GPS dengan peralatan GPS tipe geodetik dual frekuensi dan strategi
pengolahan data tertentu.
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
44/87
28
2.7Statistika2.7.1 Rerata
Rerata merupakan nilai perwakilan sebaran data untuk mencari nilai
delta (standar deviasi) suatu persebaran data. Berikut ini merupakan rumus
rata-rata suatu persebaran data:
X=1
=1 i
Keterangan:
X= rata-rata
n = jumlah data
Xi = data ke i
2.7.2 Standar DeviasiStandar deviasi digunakan untuk mencari simpangan persebaran data
yang terkait, sehingga didapatkan delta dari setiap nilai persebaran datanya.
Berikut ini merupakan rumus standar deviasi/simpangan baku yang
digunakan.
2=()
2
Keterangan:
= standar deviasi
xi= data ke-i
= rata-rata populasi
N = total populasi data
2.7.3 Tingkat Kesalahan PengukuranTingkat kesalah digunakan untuk mencari nilai kesalahan pengukuran
serta nilai kebenaran. Berikut ini merupakan rumus yang digunakan untuk
mencari tingkat kesalahan pengukuran.
Tingkat kesalahan =|X |
Keterangan:
X= nilai rata-rata
Xr = nilai riil
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
45/87
29
2.7.4 Akurasi Koordinat GPSAkurasi Koordinat GPS dapat dihitung nilainya berdasarakan persebaran
data koordinat dengan CEP(Circular Error Probability) dan 2DRMS (2
Dimension Root Mean Square). Sehingga berdasarkan data UMT Easting
dan UTMNorthing, data dihitung nilai masing-masing standar deviasi titik
awal sehingga dapat dihitung nilai CEP 50% dan 2DRMS 95%. CEP
merupakan pendekatan probabilitas kebenaran suatu pengukuran 50% dari
keseluruhan data. Sedangkan 2DRMS berfungsi menjadi lingkaran toleransi
akurasi dari suatu nilai perhitungan titik koordinat GPS. Berikut ini
perhitungan lingkaran CEP dan 2DRMS:
CEP = 0,59 x (St. Dev UTMEasting+ St. Dev UTMNorthing)
2DRMS = 2 x (St. Dev UTM )2 + (St. Dev UTM )2
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
46/87
30
BAB 3
PERANCANGAN SISTEM
3.1Analisis Perancangan SistemPada sub bab analisis perancangan sistem akan dibahas perancangan
sistem serta kronologi pengukuran dan pengujian. Selain itu akan dijabarkan
pula spesifikasi perangkat keras serta konfigurasinya dengan dukungan
perangkat lunak. Perangkat keras sistem terdiri atas modul-modul yang
terintegrasi dalam blok-blok sistem, sehingga menghasilkan parameter-
parameter yang diinginkan untuk pengujian. Parameter yang menjadi acuan
pengukuran adalah: ketinggian, akurasi koordinat GPS, kepresisian
koordinat GPS, radius koordinat GPS, perbandingan nilai jalur yang
dihasilkan GPS pada quadccopter, pengujian terbang quadcopter secara
autonomous, serta konsumsi daya quadcopter.
Hasil pengukuran yang didapat dari skenario yang ditentukan, dianalisis
dan dibandingkan sehingga menghasilkan suatu nilai. Nilai tersebut sebagai
acuan untuk melakukan perbaikan atau maintenance pesawat terhadap
keakurasian perangkat dan kestabilan terbang quadcopter. Hal tersebut
digunakan untuk mengoptimalkan sistem terbang quadcopter.
3.2Blok Diagram Sistem
Mikrokontroller
ATmega2560
Mikrokontroller
ATmega32U2
Modul GPS
Sensor gyro,
altimeter,
accelerator,
compass
Receiver
Flash Card
Transmitter
RC
Motor 1
Motor 2
Motor 4
Motor 3
USB
ESC
Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem Keseluruhan
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
47/87
31
3.3Diagram Alir SistemMulai
Inisialisasi motor dan sel
baterai Li-Po oleh ESC
Inisialisasi sinyal PWM olehmikrokontroler dan ESC
Inisialisasi sensor-sensor dan
modul GPS oleh
mikrokontroler
Melakukan lock koordinat
oleh GPS
Lock berhasil ?tidak
ya
Proses arming quadcopter
Mulai menyimpan parameter
data keflash card
Menghidupkan transmitter
remote control
Menghidupkan receiver dan
sistem quadcopter
Pemilihan mode
STABILIZED
Proses deteksi sinyal PWM
dari RC dan kontrol PWM
motor oleh mikrokontroler
Pemilihan mode
AUTO
(autonomous)
iii
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
48/87
32
ii
Deteksi koordinat sepanjang
jalur yang dilewati
Koordinat Tujuan
ditemukan?
Pembacaan perintah
koordinat tujuan dan
koordinat sekarang
Pemilihan mode
LOITER
Deteksi koordinat dan
mempertahankan posisi
i
Pemilihan mode
STABILIZED ?
Kontrol manual dan landing
Mematikan sistem
quadcopter
Selesai
Penyimpanan data ke
flash cardberakhir
ya
tidak
ya
tidak
Gambar 3.2 Diagram Alir Sistem Kerja Quadcopter Autonomous
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
49/87
33
3.4Analisis Kebutuhan Perangkat Keras3.4.1 Frame F450Q
Framequad F450 merupakanframeyang berukuran diameter 450 mm.
Frame ini terbuat dari bahan atom agar tidak terlalu berat dan lebih kuat.
Selain itu frame ini cukup lentur, sehingga dapat mengurangi
getaran/goncangan pada saaat pesawat mendarat atau terjadi crash.
Frameini memiliki 4 lengan untuk menempatkan motor pada masing-
masing ujung lengan. Selain itu frameini memiliki landing gear kecil pada
bagian bawah masing-masing ujung lengan agar perangkat lain tidak kontak
langsung ke landasan. Hal tersebut berguna untuk melindungi flight
controlleragar tidak terkena benturan ke tanah jika terjadi crash.
Tabel 3.1 SpesfifikasiFrameF450Q
Parameter Nilai
Diagonal wheelbase(mm) 450
Frame weight(gram) 282
Takeoff weight(gram) 800 ~ 1600
3.4.2 Brushless Motor 950KVBrushless motor merupakan komponen yang cukup penting dalam
menentukan responsifitas quadcopter.Brushless motoryang dipakai bernilai
950 KV, berarti motor tersebut memiliki kemampuan 950 rpm/V. Jadi jika
dihitung putaran motor tersebut dapat mencapai: 950 rpm/volt x 11,1 volt =
10.545 rpm.
Tabel 3.2 SpesfifikasiBrushless Motor950KV
Parameter Nilai
Dimensi (mm) 28x24
Tingkat (KV) 950
Massa (gr) 56
Arus standar (A) 15 ~ 25
Arus maksimum (A) 30
75%
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
50/87
34
Perhitungan daya dorong motor ini adalah sebagai berikut:
T= ((x P)2x 2 x R2x rho )0,3333
Keterangan:
T = thrust(Newton)
=propellerhovereffeciency(%) =
P =shaft power(watt) =
R =propellerradius (m) =
rho = airdensity =
= 75%
P = V x I x motor efficiency
= 11,1 x 17 x 75%
= 141,525 watt
R = 5 inch = 0,127 m
rho = 1,22 kg/m3
Maka jika dihitung :
T = ((75% x 141,525)2x 2 x (0,127)2x 1,22 )0,3333
T = 11,16 Newton ~ 1,138003294 Kgf ~ 1138 gram-force
Pada quadcopter pastinya menggunakan 4 motor sekaligus, apabila
dihitung T keseluruhan, maka 1138 x 4 = 4552 gram-force. Sedangkan untuk
mengangkat beban total pesawat secara stabil dan tanpa masalah, maka
idelanya berat pesawat maksimum adalah1
3dari T (4 motor), sehingga dapat
dihitung :13x 4552 = 1517,3 gram-force.
3.4.3 Electronic Speed Controller (ESC)ESC yang digunakan adalah berjenis brushless, terdiri atas susunan
MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) untuk
mengendalikan kecepatan motor brushless. ESC bekerja secara cepat untuk
menghidupkan atau mematikan pulsa ke motor, sehingga respon kendali
motor cepat. Selain itu ESC yang digunakan telah berbasis mikroprosessor,
sehingga dapat diprogram sesuai dengan kebutuhan. Keempat ESC yang
digunakan tergabung dalam satu fisik, atau dapat disebut sebagai Quattro
ESC, sehingga tidak memerlukan konfigurasi wiringyang banyak. Berikut
ini adalah tabel spesifikasi ESC MOSFET yang digunakan.
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
51/87
35
Tabel 3.3 Spesifikasi ESC
Parameter Nilai
Arus konstan (A) 20
Arus lebih(>10 s) (A) 25
Keluaran BEC 5V@3A
Massa(gr) 112
Ukuran (PxLxT) 70x62x11 (Quattro)
ESC memberikan catuan pada motor sesuai dengan sinyalPulse Width
Mudulation (PWM) yang masuk pada input ESC. Selain itu ESC ini juga
memiliki fasilitasBattery Eliminator Circuit(BEC) yang memiliki keluarantegangan kecil untuk mencatuflight controllerserta sensor yang lain. Berikut
ini merupakan fitur yang dimiliki ESC MOSFET ini:
1. Brake, berfungssi untuk menghentikan motor secara spontan,2. Soft start, berfungsi sebagai pengatur lama waktu menyalakan
sistem,
3. Battery type, pemilihan baterai yang digunakan,4. Microprocessor, berfungsi untuk mengatur fitur agar dapat
diprogram,
5. Cut Off, berfungsi sebagai pemotong arus jika baterai akan habis.ESC MOSFET ini memiliki 0,002 Ohm resistansi. Menurut hukum
Ohm, maka dapat dihitung tegangan hilang pada ESC, yakni: Vloss= IESCx R
= 20 x 0,002 = 0,04 volt. Kemudian berdasarkan hukum Ohm ke-dua, daya
yang hilang dapat diketahui, yakni: P = V lossx IESC= 0,04 x 20 = 0,8 Watt.
Oleh karena itu, ESC MOSFET ini lebih efisien karena daya yang hilang
hanya sekitar 0,8 Watt untuk setiap motor. Sedangkan daya konstan
maksimum yang dapat dihasilkan setiap motor adalah: P = Vsistemx IESC=
11,1 x 20 = 222 Watt.
3.4.4 Propeller 1045Propelleryang digunakan dalam tugas akhir ini adalah berbahan plastik
dengan ukuran 1045, yakni memiliki panjang 10 inch dan memiliki nilai
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
52/87
36
pitch4,5 inch. Nilai 4,5 inch berarti pada saat satu putaran,propellermampu
bergerak maju sepanjang 4,5 inch. Pemilihan ini berdasarkan spesifikasi dari
motor brushless dan jumlah sel baterai yang digunakan. Propeller ini
memiliki arah Clock Wise(CW) /Reversedan Counter Clock Wise(CCW),
masing-masing satu pasang.
Variasi propelleryang berdasarkan spesifikasi motor adalah 1045 dan
0845. Karena menggunakan baterai 3 sel maka lebih baik menggunakan
ukuranpropeller1045, sedangkan 0845 lebih baik menggunakan baterai 4
sel. Hal tersebut dikarenakan daya yang dibutuhkan lebih banyak 0845
dibandingkan 1045 karena panjangpropellerlebih pendek dengan nilaipitch
yang sama. Selain itu 0845 lebih cocok digunakan pada motor dengan nilai
KV di atas 1000, untuk mengimbangi kecepatan rotasi motor. Pemilihan
ukuran propeller sangat mempengaruhi agresifitas, kecepatan, dan konsumsi
daya quadcopter.
3.4.5 Flight ControllerFlight controllermerupakan kompenen inti dalam mengtur sistem kerja
quadcopter. Rangkaian dan skematik yang menyusun flight controller lebih
lengkap terlampir pada lampiran B. Berikut ini adalah blok penyusun
rangkaianflight controller.
3.4.5.1 Mikrokontroller ATmega2560Pada blok mikrokontroller ini berfungsi sebagai pengolah proses utama,
yakni pengolah PWM dari receiver Remote Control (RC). Selian itu,
mikrokontroller ini mengolah nilai yang didapat dari sensor-sensor dan
sinyal NMEA dari GPS. Selain itu, nilai yang didapat dari sensor dan modul
GPS akan ditulisa dalamFlash Card(FCd), sehingga data lebih mudah untuk
didapat dan dianalisis, baik sistem kestabilan, koordinat GPS dan nilai-nilai
yang didapat dari sensor.
Pemilihan mikrokontroller ini dikarenakan ATmega2560 memiliki 15
channelPWM, 4 port UART, 15 channel ADC, serta memiliki fiture I2C
untuk berhubungan dengan mikrokontroller ATmega32U2. Berdasarkan
spesifikasi sistem, mikrokontroller ini dapat memenuhi kebutuhan
7/14/2019 PERANCANGAN DAN ANALISIS OTOMASI SISTEM KENDALI QUADCOPTER MELALUI KOORDINAT DENGAN GLOBAL POSI
53/87
37
keseluruhan sistem. Selain itu clock yang dimiliki, yakni 16 MHz, dapat
memproses data secara cepat.
3.4.5.2 Mikrokontroller ATmega32U2Pada blok sistem mikrokontroller ATmega32U2 merupakan pengolah
sinyal (Pulse Pause Modulation) PPM, atau berfungsi sebagai PPM encoder.
Selain itu, blok ini berfungsi pula sebagai interface perangkat flight
controllerke komunikasi USB melauliportmicroUSB. Sehingga data yang
didapat dapat diteruskan secara cepat ke perangkat komputer melalui
komunikasi serial.
Pemilihan mikrokontroler ini dikarenakan memilikiportkomunikasifull
speedUSB,portserial, serta clock yang tinggi yakni 16 MHz. Hal tersebut
cukup untuk membantu mengirimkan informasi data serial yang diterima
ATmega2560 yang kemudian diteruskan ke ATmega32U2. Informasi
tersebut kemudian diolah dan dikirim komputer melalui komunikasi serial.
3.4.5.3 Flash CardPada kartu flash ini dipasang IC AT45DB yang berfungsi sebagai
memori penyimpan data dengan maksimal kapsitas 4Mbyte. Tipe penyimpan
ini berupa dataflash, yang tersimpan pada memoriflashIC AT45DB. IC ini
mampu mencapai kecepatan 66 MHz, sehingga penyimpadanan data pada IC
ini tergolong cepat.
Jika ditinjau secara sistem, proses penyimpanan data pada flash card