ROBOTIKA 8 - Quadcopter Altitude using Simulink on MATLAB

BAB I. Pendahuluan

1.1. Latar Belakang

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) atau pesawat tanpa awak telah menjadi salah satu objek yang paling banyak diteliti dalam dekade terakhir ini. Penelitian mengenai UAV ini banyak menarik perhatian karena kelebihan-kelebihan yang dimiliki robot terbang tersebut, salah satunya adalah dapat diaplikasikan dalam lingkungan atau kondisi berbahaya yang tidak memungkinkan manusia menjangkaunya. Penggunaan pesawat tanpa awak ini dapat mengurangi risiko keterlibatan manusia.

Pesawat tanpa awak terdiri dari beberapa jenis, di antaranya pesawat tanpa awak yang memiliki sayap tetap dan pesawat tanpa awak berbasis rotor. Saat ini, banyak peneliti menggunakan pesawat tanpa awak berbasis rotor, terutama quadrotor, karena memiliki banyak kelebihan dibandingkan dengan UAV jenis sayap tetap. Beberapa keunggulan quadrotor adalah ukurannya yang kecil dan tangkas, kemampuan untuk melayang (hover), dapat lepas landas dan mendarat secara vertikal (Vertical Take-Off and Landing, VTOL) yang tidak membutuhkan banyak lahan, serta mampu melakukan berbagai manuver. Quadrotor dapat diaplikasikan dalam ruangan tertutup dan sangat mudah dikendalikan. Selain itu, sistem pada quadrotor memiliki kompleksitas mekanik yang rendah, sehingga biaya pembuatan, operasional, dan pemeliharaannya cukup murah.

Quadrotor adalah pesawat udara yang dinamisasi pergerakannya berdasarkan pengaturan rotornya. Quadrotor memiliki 4 rotor, masing-masing terdiri dari dua pasang rotor yang bergerak searah. Rotor 1 dan 3 berputar searah jarum jam, sedangkan rotor 2 dan 4 berputar berlawanan arah jarum jam. Perputaran sepasang rotor serta perubahan kecepatan masing-masing rotor mempengaruhi arah gerak quadrotor. Saat mengubah kecepatan rotor 2 dan 4, perubahan kecepatan menghasilkan pergerakan roll, yaitu pergerakan memutar ke samping berdasarkan sumbu x, sedangkan perubahan kecepatan rotor 1 dan 3 mengakibatkan perubahan pergerakan pitch, yaitu perubahan arah berdasarkan sumbu y. Pergerakan quadrotor pada sumbu z, yaitu yaw, dihasilkan dari perbedaan torsi pada masing-masing pasangan rotor.

1.2. Contoh Penerapan Quadcopter

Quadcopter dapat digunakan dalam berbagai aplikasi, termasuk pemantauan lingkungan, pertanian presisi, dan inspeksi infrastruktur. Di bidang pertanian, quadcopter dapat membantu dalam penyemprotan pestisida dan pemantauan kondisi tanaman. Di bidang keamanan, quadcopter dapat digunakan untuk pemantauan daerah berbahaya atau sulit dijangkau.

1.3. Pemodelan pada MATLAB dengan Simulink

Pemodelan quadcopter pada MATLAB menggunakan Simulink memungkinkan analisis dan simulasi yang mendalam terhadap dinamika penerbangan. Model simulasi dapat mencakup berbagai loop kontrol seperti kontrol posisi, kontrol sikap, dan kontrol kecepatan.

1.4 Teori Pergerakan

Teori pergerakan quadcopter melibatkan prinsip aerodinamika dan kontrol elektronik untuk mencapai stabilitas dan manuver yang diinginkan. Quadcopter memiliki empat rotor yang disusun dalam konfigurasi "X" atau "+" dan dikendalikan oleh sebuah flight controller. Berikut adalah penjelasan tentang teori dasar pergerakan quadcopter: Lift dan Gravitasi Setiap rotor menghasilkan lift yang mengangkat quadcopter ke udara. Lift dihasilkan dengan memutar baling-baling yang menciptakan tekanan rendah di atas baling-baling dan tekanan tinggi di bawahnya. Agar quadcopter dapat melayang (hover), total lift yang dihasilkan oleh keempat rotor harus sama dengan berat quadcopter. Kontrol Pitch, Roll, dan Yaw: Pitch

Pergerakan maju dan mundur. Untuk menggerakkan quadcopter ke depan, rotor belakang dipercepat dan rotor depan diperlambat, menyebabkan bagian depan quadcopter miring ke bawah. Roll

Pergerakan ke kiri dan kanan. Untuk menggerakkan quadcopter ke kiri, rotor kanan dipercepat dan rotor kiri diperlambat, menyebabkan sisi kanan quadcopter miring ke bawah. Yaw: Rotasi searah jarum jam atau berlawanan. Untuk membuat quadcopter berputar ke kanan, rotor yang berputar berlawanan arah jarum jam dipercepat dan rotor yang berputar searah jarum jam diperlambat, atau sebaliknya.

Stabilitas Flight controller menggunakan sensor seperti giroskop dan akselerometer untuk mendeteksi orientasi dan gerakan quadcopter. Flight controller secara terus-menerus menyesuaikan kecepatan masing-masing rotor untuk mempertahankan keseimbangan dan stabilitas.

Thrust dan Torsi Setiap rotor menghasilkan thrust (gaya dorong) ke bawah dan torsi (momen) yang dapat menyebabkan quadcopter berputar. Dengan mengatur thrust dan torsi dari masing-masing rotor, flight controller dapat mengontrol orientasi dan posisi quadcopter.

Proporsional, Integral, Derivatif (PID) Controller Sistem kontrol PID digunakan untuk mengatur kecepatan rotor berdasarkan perbedaan antara orientasi yang diinginkan dan orientasi saat ini.

• Komponen proporsional mengoreksi kesalahan berdasarkan besar kesalahan saat ini.
• Komponen integral mengoreksi kesalahan berdasarkan akumulasi kesalahan masa lalu.
• Komponen derivatif mengoreksi kesalahan berdasarkan laju perubahan kesalahan.

Dengan memahami dan mengontrol parameter-parameter ini, quadcopter dapat melakukan berbagai manuver dan tetap stabil selama penerbangan.

II. Analisis

Pembahasan Blok Diagram

Blok diagram di Gambar 1(modul) menunjukkan skema kontrol quadcopter yang terdiri dari beberapa loop kontrol. Pada bagian atas diagram, terdapat kontrol posisi yang menerima input dari posisi x dan y, serta menghasilkan keluaran berupa pitch/roll demand. Keluaran ini kemudian digunakan dalam loop kontrol sikap dan loop kontrol kecepatan sikap untuk mengontrol pergerakan quadcopter.

Pada bagian tengah diagram, terdapat kontrol yaw yang mengendalikan pergerakan rotasional quadcopter berdasarkan input yaw. Kontrol ketinggian di bagian bawah diagram mengatur ketinggian quadcopter berdasarkan input z. Semua keluaran dari loop kontrol ini dikombinasikan dalam Control Mixer, yang mengatur kecepatan putar rotor quadcopter untuk menghasilkan gerakan yang diinginkan.

III. PENUTUP

Kesimpulan

Pemodelan dan simulasi quadcopter pada MATLAB dan Simulink memungkinkan analisis yang mendalam terhadap kontrol dan dinamika penerbangan quadcopter. Dengan menggunakan pengendali PID, quadcopter dapat dikendalikan dengan presisi dalam berbagai kondisi penerbangan.

Daftar Pustaka

1. Corke, P. (2017). Robotics, Vision and Control: Fundamental Algorithms in MATLAB. Springer.

2. Bouabdallah, S., Murrieri, P., & Siegwart, R. (2004). Design and control of an indoor micro quadrotor. Proceedings of the 2004 IEEE International Conference on Robotics and Automation, 5, 4393-4398.

3. Mahony, R., Kumar, V., & Corke, P. (2012). Multirotor aerial vehicles: Modeling, estimation, and control of quadrotor. IEEE Robotics & Automation Magazine, 19(3), 20-32.