2020 : RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL QUADCOPTER SEBAGAI SARANA PERTANIAN (SPRAY INSEKTISIDA DAN PEMUPUKAN) BERBASIS ALGORITMA ADAPTIVE NEURAL NETWORK SLIDING MODE CONTROL (ANN-SMC)

Dr.Ir. Purwadi Agus Darwito M.Sc.
Gunawan Nugroho ST, MT., Ph.D
Detak Yan Pratama S.T., M.Sc.
Ede Mehta Wardhana S.T., M.T


Abstract

Pertanian merupakan salah satu sektor yang mempunyai peran strategis dan penting di Indonesia. Mengingat sektor pertanian sebagai sumber pendapatan utama, maka upaya pengembangan inovasi teknologi yang mampu meningkatkan produktivitas dan efisiensi biaya produksi yang akan meningkatkan kesejahteraan petani menjadi sangat penting. Selama ini petani menghabiskan sumber daya seperti pupuk untuk ke semua tanaman tanpa porsi yang dibutuhkan, pemakaian tenaga kerja yang relatif besar untuk proses penyemprotan hama area yang luas. Penyemprotan manual pump juga berpotensi merusak tanaman karena dalam proses penyemprotan banyak tanaman yang terinjak. Sehingga harus diupayakan rekayasa yang mampu melakukan kegiatan pemupukan dan penyemprotan hama secara cepat, efisien dan akurat. Quadcopter adalah satu dari beberapa teknologi Unmanned Aerial Vehicle (UAV) yang paling populer yang dapat dioperasikan dengan menggunakan remote control maupun secara autonomous. Dalam merancang Quadcopter, hal utama yang menentukan keberhasilan dalam perancangannya yaitu memiliki keseimbangan yang baik saat terbang, terutama pada gerak rotasi dan translasi yang sangat mempengaruhi terbang Quadcopter. Quadcopter merupakan jenis helikopter dengan empat buah motor yang digunakan untuk memutar propeler secara bersamaan agar dapat terbang di udara dan dipasang simetris pada ujung-ujung kerangka utama. Motor depan dan belakang bekerja dengan arah putarannya searah jarum jam (clockwise), sedangkan motor kanan dan motor kiri bekerja dengan arah putarannya berlawanan arah jarum jam (counter clockwise)[1]. Seiring dengan perkembangannya, pada saat ini sudah banyak dilakukan riset mengenai konfigurasi Quadcopter dengan berbagai macam frame pendukungnya. Pada setiap penggunaannya, Quadcopter dengan jenis frame yang digunakan pasti memiliki sistem kendali dan tingkat maneuverability yang berbeda-beda. Sitem pengendali penerbangan berfungsi untuk mengendalikan quadcopter dengan cara memberikan sinyal Pulse Width Modulation (PWM) ke ESC, selanjutnya ESC akan mengatur kecepatan keempat motor. Quadcopter dapat terbang ke arah sumbu x, y, dan z dengan pergerakan putaran ke arah sumbu x dipengaruhi oleh torsi roll, pergerakan putaran ke arah sumbu y dipengaruhi oleh torsi pitch, pergerakan secara vertikal dipengaruhi oleh gaya thrust, dan pergerakan putaran terhadap sumbu z yang dipengaruhi oleh torsi yaw[2]. Quadcopter dapat terbang dengan stabil apabila pengendali yang digunakan memiliki unjuk kerja yang baik. Quadcopter bisa menjadi teknologi yang tepat pada sektor pertanian karena dapat menjadi solusi dalam melakukan kegiatan pertanian seperti pemumpukan dan penyemprotan hama. Untuk menjadi teknologi pertanian yang cepat, efisien dan akurat maka diperlukan kontrol ketinggian, pemetaan/mapping dan kontrol jarak rintangan segala arah untuk menghindari terjadinya tumbukan dengan benda disekitar. Ketinggian quadcopter disesuaikan dengan luas area yang dijangkau oleh nozzle agar keseluruhan hasil penyemprotan dapat sesuai dengan tanamannya. Selain itu, diperlukan pemetaan/mapping luasan lahan yang terkoneksi langsung dengan satelit dengan menggunakan titik koordinat yang disesuai dengan lokasi yang diinginkan, sehingga proses pemetaan akan bekerja dengan tepat dan cepat. Sedangkan, kontrol jarak dibutuhkan sebagai langkah awal menghindari terjadinya benturan seperti tiang atau gardu PLN yang berada di lahan pertanian sehingga proses pemetaan dapat bekerja dengan baik. Selain pada pada sektor pertanian, quadcopter yang terkendali juga dapat diaplikasikan pada sektor yang lain seperti penanganan kebakaran pada hutan atau lahan gambut. Beberapa peneliti terkait kontrol ketinggian yang sebelumnya sudah dilakukan telah menerapkan beberapa pengendali seperti PID [3], fuzzy logic [4], dan LQR [5]. Penelitian dengan judul “Attitude Control of a Quadrotor with Optimized PID Controller�diambil dari jurnal Intelligent Control and Automation yang dilakukan oleh Hossein Bolandi pada tahun 2013 dari Iran. Penelitian dengan PID menggunakan modifikasi persamaan integral untuk menanggulangi gangguan (disturbance) pada quadcopter[3]. Pada penelitian tersebut, terdapat kelemahan yakni tuning parameter masih dilakukan secara manual, sehingga pengendali menjadi tidak stabil apabila besaran external disturbance pada quadcopter berubah-ubah. Permasalahan riil agar quadcopter dapat terbang stabil adalah ketidakpastian (uncertainty) dan gangguan seperti angin kencang dan adanya beban yang diberikan ke quadcopter. Angin kencang dapat membuat quadcopter tidak stabil dan akibat yang paling fatal, quadcopter dapat terjatuh. Sehingga quadcopter yang akan dirancang sangat sesuai diaplikasi pada sistem penyemprotan dengan menggunakan air sebagai beban untuk menguji kestabilan dan keandalan sistem kendali. Penelitian dengan judul “Waypoint Navigation of AR.Drone Quadrotor Using Fuzzy Logic Controller�diambil dari jurnal TELKOMNIKA yang disusun oleh Veronika Indr pada tahun 2015. Pada penelitian ini fuzzy logic control diterapkan pada setiap skema penerbangan yaitu sisi pitch (x), roll (y) dan yaw (z) untuk navigasi waypoint. Hasil pengujian ini menunjukkan bahwa skema penerbangan langsung menuju titik arah dengan FLC yang bekerja secara bersamaan (pitch,roll dan yaw) menghasilkan hasil yang baik dibandingkan dengan dua skema penerbangan lainnya (pitch dan roll). Hal tersebut diakibatkan karena perhitungan posisi (x dan y) masih rentan terhadap noise. Penelitian dengan judul “Model of Linear Quadratic Regulator (LQR) Control Method in Hovering State of Quadrotor�diambil dari Journal of Telecommunication, Electronic and Computer Engineering yang disusun oleh Kardono pada tahun 2017. Pada penelitian ini bertujuan untuk meningkatkan kestabilan hover agar quadcopter dapat bekerja secara maksimal. Metode yang digunakan dalam sistem kontrol ini adalah menggunakan kontrol jenis LQR, berdasarkan hasil pengujian menunjukkan, sudut dapat dipertahankan dalam kisaran sudut 0 derajat hingga 2 derajat. akan tetapi kelemahan dalam penelitian ini adalah apabila diberi noise maka sudut meningkat derastis. Pada penelitian pengendali quadcopter menggunakan fuzzy logic [4] dan LQR [5] faktor gangguan dari luar tidak dipertimbangkan sehingga pengendali tersebut tidak terlalu robust jika sistem quadcopter diberi external disturbance. Penelitian terkait sistem deteksi dan kendali jarak untuk menghindari rintangan pada quadcopter masih belum ada akan tetapi sistem ini telah dimiliki oleh salah satu jenis drone. Produk quadcopter yang sudah terjual dipasaran dan dilengkapi dengan sensor jarak rintangan yaitu drone DJI Phantom 4 Pro/Pro +. Phantom 4 Pro /Pro+ adalah pesawat tanpa awak pintar dengan lima arah sensor rintangan yang dilengkapi dengan sistem pengindraan dan sensor inframerah, hal ini membuat drone ini bisa terbang dengan pintar untuk menghindari rintangan dan menjadi drone tercanggih dalam penggunaan teknologi sensor. Dalam sistem kerjanya, drone akan mengurangi kecepatan ketika rintangan terdeteksi pada jarak 15 meter di depannya. Drone akan berhenti dan melayang lalu naik secara vertikal untuk menghindari rintangan. Pada akhirnya, drone akan berhenti naik apabila berada pada jarak 5 meter di atas rintangan. Dengan didukung oleh pendeteksi rintangan, drone akan sangat mungkin untuk mengerem dengan sendirinya ketika mendeteksi adanya rintangan disekitarnya. Pengereman bisa berfungsi ketika pencahayaan memadai dan rintangan mudah dideteksi dengan baik serta kecepatan terbang tidak lebih dari 50 km/jam. Drone hanya dapat mengindra dan tidak dapat menghindari rintangan yang ada diatas samping atau belakangnya. Dari uraian diatas, maka pada penelitian ini sistem dirancang dengan menggunakan metode Sliding Mode Control (SMC) yang digunakan sebagai sistem kendali quadcopter. Metode SMC merupakan pengendali nonlinear sehingga sangat tepat diaplikasikan sebagai sistem kendali pada plant yang nonlinear seperti quadcopter