Abstrak —Saat  ini,  pesawat  tanpa  awak  adalah  sarana  yang potensial untuk tujuan eksplorasi. Salah satu jenis pesawat tanpa awak  adaah  balon  udara.  Balon  udara  sangat  cocok  digunakan untuk eksporasi pada kecepatan dan ketinggian yang rendah.  Hal yang  penting  dalam  pengembangan  balon  udara  sebagai  sarana eksplorasi  adalah  sistem  navigasi.  Sistem  navigasi  dapat mengarahkan  balon  udara  ke  tujuan  yang  ditentukan  secara otomatis.  Parameter  yang  diperlukan  dalam  sistem  navigasi adalah  informasi  posisi  dan  arah  objek  yang  akan  dikontrol. Terdapat  banyak  metode sistem  navigasi.  Salah satunya  adalah metode  sistem  navigasi  dengan  menggunakan  GNSS  ( Global Navigation Satellite System ) dan kompas. Metode ini menggunakan  sensor  GNSS  mengetahui  posisi,  sedangkan kompas  digunakan  untuk  mengetahui  arah.  Di  dalam  sistem  ini digunakan  filter  kuarternion  berbasis  AHRS  ( Attitude  and Heading  Reference  System )  untuk  mengkompensasi  pembacaan data  kompas  tehadap  kemiringan  sensor.  Dari  data  posisi  dan arah  yang  didapatkan  akan  diolah  menjadi  informasi  jarak  dan derajat arah balon terhadap waypoint . Kemudian, informasi jarak dan  derajat  arah  tersebut  diolah  untuk  menggerakkan  motor pada  balon  dan  megarahkan  balon  pada waypoint . Sistem  ini menggunakan  sensor  GPS  berbasis  GNSS  ( Global  Navigation Satellite System ) untuk mengetahui posisi, sensor kompas berbasis IMU  ( Inertial  Measurement  Unit )  untuk  mengetahui  arah,  dan kontrol  logika fuzzy sebagai  pengatur  kecepatan  motor  kemudi untuk  pergerakan  balon.  Pada  metode  ini,  akurasi  dari  sensor GNSS berkisar antara 9,5 sampai 20 meter. Galat maksimum dari kompas  dengan  kompensasi  kemiringan  adalah  7%.  Terjadi osilasi pada arah Utara dengan simpangan berkisar antara 50-90 derajat dan arah Barat dengan simpangan sebesar 20-50 derajat.
Kata Kunci — Navigasi, Balon udara, Waypoint .

## I. PENDAHULUAN
ENGEMBANGAN  sistem  navigasi Unmanned  Aerial Vehicle (UAV) untuk keperluan pemantauan dan eksplorasi semakin  meningkat.  Jenis  UAV  yang  sering  digunakan  untuk keperluan  ini  adalah quadcopter dan  pesawat fixed  wing . Quadcopter memiliki  bentuk  yang  ringkas  sehingga  dapat terbang  di  tempat  yang  sempit  dan  kecil.  Pesawat fixed  wing sering  digunakan  untuk  pemetaan  area  yang  luas  karena strukturnya  yang  aerodinamis  sehingga  dapat  terbang  lebih lama daripada quadcopter .
Namun  penggunaan  kedua  wahana  tersebut  kurang  cocok untuk  keperluan  pemantauan  dan  eksplorasi.  Q uadcopter memiliki jangka terbang dan jarak tempuh yang pendek karena menggunakan  perputaran  rotor  sebagai  gaya  angkatnya sehingga  boros  dalam  penggunaan  daya.  Pesawat fixed  wing jangka  terbang  dan  jarak  tempuh  yang  panjang,  namun mempunyai kecepatan terbang yang tinggi. Selain itu, pesawat
fixed wing membutuhkan landasan pacu untuk lepas landas dan mendarat.  Pesawat fixed  wing juga  memerlukan  angin  yang berlawanan  arah  agar  pesawat  dapat  terangkat  sehingga menjadikan  pesawat  ini  harus  tetap  bergerak  untuk  dapat terbang.
Salah  satu  pilihan  UAV  alternatif  untuk  keperluan pemantauan  dan  eksplorasi  adalah  balon  udara.  Balon  udara sangat  cocok  digunakan  untuk  aplikasi  ekplorasi  dalam kecepatan dan ketinggian yang rendah [1]. Gaya angkat balon udara  menggunakan  gas  helium,  sehingga  balon  udara  dapat terbang  lebih  lama  dan  dengan  jarak  yang  jauh.  Balon  udara juga  tidak  memerlukan  landasan  pacu  untuk  dapat  terbang. Oleh  karena  itu  pada  tugas  akhir  ini  merancang  dan merealisasikan sistem navigasi balon udara menggunakan GPS ( Global Posistioning System ) dan kompas sehingga balon udara dapat  melakukan  navigasi  secara  otomatis  menuju waypoint . Dengan sistem navigasi otomatis, balon udara dapat melakukan monitoring dan eksplorasi tanpa bantuan operator.
Harapan dari teknologi ini adalah balon udara dapat bergerak dengan  sistem  navigasi  berbasis waypoint secara  otomatis untuk untuk keperluan pemantauan dan eksplorasi.

## II. DASAR TEORI
A. Sensor IMU (Inertial Measurement Unit)
IMU  adalah  singkatan  dari Inertial  Measurement  Unit , adalah  sebuah  sensor  yang  digunakan  untuk  mengukur  sudut roll ,  sudut pitch dan  sudut yaw .  Ketiga  sudut  ini  menentukan orientasi  dari  sebuah  pesawat  udara  pada  saat  terbang  relatif terhadap bumi. Dalam mengukur sudut orientasi pesawat udara, IMU  memerlukan  tiga  sensor  pendukung  yaitu gyroscope , accelerometer , magnetometer .  Sensor  IMU  adalah  sensor gabungan  yang  terdiri  dari  sensor gyro 3  sumbu,  sensor accelerometer 3 sumbu, sensor magnetometer 3 sumbu.

## B. Akselerometer
Akselerometer  adalah  sensor  yang  digunakan  untuk mengukur  percepatan  suatu  objek.  Akselerometer  dapat mengukur  percepatan  dinamis  dan  statis  [2].  Pengukuran

## Sistem Navigasi Pada Balon Udara Menggunakan GPS dan Kontrol Logika Fuzzy
Dimas Arief Rahman K., Muhammad Rivai, dan Rudy Dikairono Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111
e-mail : muhammad_rivai@ee.its.ac.id
P
percepatan dinamis adalah pengukuran percepatan pada objek yang bergerak, sedangkan pengukuran percepatan statis adalah pengukuran  percepatan  gravitasi  bumi.  Akselerometer  dapat digunakan untuk mengukur sudut kemiringan ( tilt ).
Data yang diperoleh modul sensor akselerometer adalah data mentah  percepatan  gravitasi  yang  direpresentasikan  dalam signed integer 16 bit. Pada perancangan tugas akhir ini, skala penuh  yang  dipilih  adalah  8g  artinya  data  mentah  sejumlah 65536  mewakili  kecepatan  sudut  mulai  0g  hingga  8g. Sensitifitas modul sensor saat skala penuh ini adalah 4 mg/digit.

## C. Magnetometer
Magnetometer  pada  sensor  IMU  dapat  mendeteksi  medan magnet  bumi  sehingga  dapat  dijadikan  acuan  pada  kompas digital.  Sensor  kompas  digital  dan  sensor  magnetometer  pada hakikatnya  memiliki prinsip kerja yang sama. Sensor kompas digital  merupakan  modul  sensor  magnetometer  dengan keluaran berupa sudut yang menyatakan arah hadap. Sedangkan sensor magnetometer keluarannya berupa besar medan magnet bumi  yang  diukur  dalam  tiga  sumbu  yang  dapat  digunakan untuk  menentukan sudut arah hadap dengan rumusan tertentu [3].
Data yang diperoleh modul sensor magnetometer adalah data mentah gaya medan magnet bumi yang direpresentasikan dalam signed integer 16 bit. Di perancangan, skala penuh yang dipilih adalah 8,1 gauss artinya data mentah sejumlah 65536 mewakili gaya medan magnet bumi mulai 0 gauss hingga 8,1 gauss .
D. Giroskop
Giroskop digunakan untuk  mengukur orientasi berdasarkan prinsip momentum sudut. Giroskop mengukur kecepatan sudut kerangka acuan inersia. Sudut orientasi berupa gerak roll , pitch , dan yaw didapatkan dengan mengintegrasikan kecepatan sudut. Sehingga hasil giroskop adalah percepatan sudut.
Giroskop berbeda  dengan  akselerometer  dan  kompas. Akselerometer  mengukur  gerakan  linear  acuan  gravitasi. Akselerometer dapat memberikan pengukuran sudut kemiringan ( tilt ) akurat ketika suatu sistem dalam keadaan diam (statis). Saat sistem berotasi atau bergerak, akselerometer tidak dapat mengikuti pergerakan yang cepat dikarenakan responnya lambat  dan  memiliki noise ,  sehingga  tidak  dapat  digunakan untuk pengukuran sudut orientasi dalam kendaraan udara.
Sedangkan kompas mengukur gerakan  linear dengan acuan medan magnet bumi. Kompas dapat mengukur gerak yaw atau arah  mata  angin  namun  tidak  dapat  mengukur  gerak roll dan pitch . Keluaran giroskop berupa data kecepatan sudut. Kecepatan sudut adalah besaran vektor yang menyatakan frekuensi sudut suatu benda terhadap sumbu putarnya. Satuan untuk kecepatan sudut adalah radian per detik.

## E. Algoritma Magdwick AHRS
Madgwick AHRS adalah metode untuk proses orientasi dari sensor  IMU dengan  mengunakan  alogaritma gradient  descent untuk mengestimasi nilai orientasi dari ketiga sumbu yang ada pada giroskop ,  akselerometer  dan  magnetometer.  Dimana diketahui  bahwa giroskop dan  magnetometer  pada  IMU mempunyai nilai drift . Drift adalah pergeseran nilai derajat dari sumbu awal. Pada metode ini sudut-sudut euler diubah menjadi Kuaternion [4].
Konsep  dasar  dari Magwick  AHRS adalah  mencari  antara relatife frame atau  yang  biasa  disebut  perpindahan frame . Contoh  dapat  dilihat  pada  gambar  di  atas frame A  relatife terhadap frame B. Dimana nilai perpindahan frame A ke frame B  dapat  direpresentasikan  dalam  bentuk kuaternion seperti persamaan 1.
𝑞̂ 𝐵 𝐴 = [𝑞0 𝑞1 𝑞2 𝑞3]
=   [cos 𝜃 2 – 𝑟𝑥 sin 𝜃 2 – 𝑟𝑦 sin 𝜃 2 – 𝑟𝑧 sin 𝜃 2 ] (1) 𝑞̂ 𝐵 𝐴 ∗=   𝑞̂ 𝐴 𝐵 = [𝑞0 − 𝑞1 − 𝑞2 − 𝑞3] (2)
Bahwa untuk  mencari nilai matrik yang baru, kedua matrik tersebut dikalikan dengan aturan cross product dimana dengan mengunakan aturan Hamilton . Seperti persamaan 3. 𝑎 ⊗ 𝑏 = [𝑎0 𝑎1 𝑎2 𝑎3] ⊗ [𝑏0 𝑏1 𝑏2 𝑏3]
= [ 𝑎 0 𝑏 0 𝑎 0 𝑏 1 𝑎 0 𝑏 2 𝑎 0 𝑏 3 −𝑎 1 𝑏 1 +𝑎 1 𝑏 0 −𝑎 1 𝑏 3 +𝑎 1 𝑏 2 −𝑎 2 𝑏 2 +𝑎 2 𝑏 3 +𝑎 2 𝑏 0 −𝑎 2 𝑏 1 −𝑎 3 𝑏 3 −𝑎 3 𝑏 2 +𝑎 3 𝑏 1 +𝑎 3 𝑏 0 ] 𝑇 (3)
Pada gambar 2 dijelaskan alur dari metode madgwick . Untuk mengetahui representasi pergeserah frame berdasarkan sumbu garis normal gravitasi bumi menggunakan persamaan gradient decent . Dimana alogaritma gradient decent mempunyai fungsi seperti  persamaan  (4).  Dengan  demikian  apabila  di- cross product ketiga quaternion tersebut akan  menghasilkan  matrik baru (8).
𝑓( 𝑞̂ 𝐸 𝑆 , 𝐸 𝑑̂ , 𝑆 𝑠̂ ) = 𝑞̂ 𝐸 𝑆 ∗⊗ 𝐸 𝑑̂ ⊗ 𝑞̂ 𝐸 𝑆 −𝑆 𝑠̂ (4) 𝑞̂ 𝐸 𝑆 = [𝑞1 − 𝑞2 − 𝑞3 − 𝑞4] (5) 𝐸 𝑔̂ = [0   0   0   1] (6) 𝑆 𝑎̂ = [0𝑎𝑥𝑎𝑦𝑎𝑧] (7)
f g ( 𝑞̂ 𝐸 𝑆 , 𝑆 𝑎̂ ) = [ 2(𝑞2𝑞4 − 𝑞1𝑞3)   − 𝑎𝑥 2(𝑞1𝑞2  +  𝑞3𝑞4)   − 𝑎𝑦
2( 1 2 − 𝑞 2 2 − 𝑞 3 2 ) − 𝑎𝑧 ] (8)
Setelah  proses  untuk  mencari  nilai f ,  kemudian  dicari  hasil dari matrik jacobi sesuai degan persamaan (9).
J g ( 𝑞̂ 𝐸 𝑆 ) = [ −2𝑞3 2𝑞2 0 2𝑞4 2𝑞1 −4𝑞2 −2𝑞1 2𝑞4 −4𝑞3 2𝑞2 2𝑞3 0 ] (9)
Kemudian  setelah  kedua  matrik  f  dan  J  telah  didapatkan hasil.Untuk  mencari  nilai  dari  matrik gradient  decent adalah sesuai dengan persamaan (10).
∇f = j T × f (10)
Untuk  mencari  nilai  estimasi  dari kuaternion , kuaternion pada giroskop dikurangkan  dengan  hasil kuaternion pada proses  alogaritma gradient  decent yang  sudah  dibagi  dengan
Gambar 2. Blok Diagram Magwick AHRS
nilai normalisasi dan dikalikan dengan nilai pembobotan (beta), sesuai dengan persamaan (11).
q̇ E S est, t =   q̇
E S ω, t − β ∇f ‖∇f‖
(11)
Untuk mencari nilai β atau pembobotan dapat menggunakan persamaan (12).
β = ‖ 1 2 𝑞̂ ⊗ [0 𝜔 ̅ 𝑚𝑎𝑥 𝜔 ̅ 𝑚𝑎𝑥 𝜔 ̅ 𝑚𝑎𝑥 ]‖ √ 3 4 𝜔 ̅ 𝑚𝑎𝑥 (12)

## F. Kuarternion
Dalam  matematika, Kuaternion merupakan  perluasan  dari bilangan-bilangan  kompleks  yang  tidak  komutatif,  dan diterapkan  dalam  mekanika  tiga  dimensi. Kuaternion ditemukan  oleh  ahli  matematika  dan  astronomi  Inggris, William  Rowan  Hamilton,  yang  menurunkan  aritmatika kompleks ke kuaternion [5].
Sebagai  himpunan, kuaternion berlambang H (dinotasikan sesuai orang yang menemukannya Hamilton ), sama dengan R 4 yang  merupakan  ruang  vektor  bilangan  riil  empat dimensi. H memiliki  tiga  macam  operasi:  pertambahan, perkalian  skalar  dan  perkalian kuaternion .  Elemen-elemen kuaternion ditandakan  sebagai 1 , i , j dan k ( i , j dan k adalah komponen imaginer ),  dan  dapat  ditulis  sebagai  kombinasi linear, a + bi + cj + dk ( a , b , c , dan d adalah bilangan riil).
G. Sudut Euler
Sudut Euler merepresentasikan  orientasi  tiga  dimensi  dari suatu  objek  menggunakan  kombinasi  tiga  rotasi  sumbu  yang berbeda.  Informasi  orientasi  menggunakan  sudut Euler lebih sederhana  daripada kuarternion .  Rotasi  sudut Euler pada sumbu  x,  y, dan z dilambangkan dengan nama roll (Φ), pitch (θ), dan yaw (ψ).
Keluaran  dari  Algoritma Magwick AHRS  adalah  berupa sudut Euler . Algoritma tersebut memproses data mentah sensor IMU  dalam  representasi kuarternion .  Berikut  ini  adalah persamaan  untuk  mengkonversi  satuan  kuarternion  menjadi sudut Euler [6]:
[ 𝛷 𝜃 𝜓 ] = [ atan2(2(𝑞 0 𝑞 1 + 𝑞 2 𝑞 3 ), 1 − 2(𝑞 1 2 + 𝑞 2 2 ))
arcsin(2(𝑞 0 𝑞 1 − 𝑞 2 𝑞 3 )) atan2(2(𝑞 0 𝑞 3 + 𝑞 1 𝑞 2 ), 1 − 2(𝑞 2 2 + 𝑞 3 2 )) ] (13)

## H. Sensor GNSS (Global Navigation Satellite System)
GNSS ( Global Navigation Satellite System ) merupakan suatu metode  pengoperasian  satelit  yang  terdiri  dari  gabungan beberapa  sistem  satelit  navigasi  seperti  GPS  (Amerika), GLONASS  (Rusia), Galileo (Uni-Eropa),  dan Beidou (Cina). GNSS  disediakan  untuk  kepentingan  sipil  maupun  militer  di seluruh  dunia.  GNSS  menyediakan  informasi  posisi, ketinggian,  kecepatan,  dan  waktu  dari receiver ,  sehingga memungkinkan  pengguna  untuk  mengetahui  lokasi  tepat dimanapun di permukaan bumi.
Pada  sistem  navigasi  satelit  GPS,  hanya  satelit-satelit  GPS saja  yang  dapat  menyediakan  informasi  mengenai  posisi, ketinggian,  kecepatan,  dan  waktu  dari receiver .  Sedangkan pada  GNSS,  ia  akan  menggabungkan  sistem  navigasi  satelit yang  ada  (misalnya  GPS  dan  GLONASS)  sehingga  sinyal satelit  yang  diterima  oleh  suatu receiver semakin  banyak. Semakin  banyak  sinyal  satelit  yang  ditangkap  oleh receiver , semakin banyak pula data yang didapat, sehingga mempengaruhi tingkat ketelitian informasi yang dibutuhkan.
Informasi  posisi  didapatkan  sensor  GNSS  dengan  metode trilaterasi.  Metode  trilaterasi  akan  menghitung  jarak  objek  ke setiap  satelit  (minimal  3  satelit).  Dari  penghitungan  jarak tersebut  akan  didapatkan  posisi  dari  objek  berupa  koordinat latitude dan longitude .

## I. Logika Fuzzy
Logika  fuzzy adalah  metodologi sistem kontrol pemecahan masalah,  yang  cocok  untuk  diimplementasikan  pada  sistem, mulai  dari  sistem  yang  sederhana,  sistem  kecil, embedded system ,  jaringan  PC, multi-channel atau workstation berbasis akuisisi  data,  dan  sistem  kontrol.  Metodologi  ini  dapat diterapkan  pada  perangkat  keras,  perangkat  lunak,  atau kombinasi keduanya [7].
J. Operasi Himpunan Fuzzy
Operasi  himpunan fuzzy diperlukan  untuk  proses inferensi atau penalaran. Dalam hal ini yang dioperasikan adalah derajat keanggotaanya. Derajat keanggotaan sebagai hasil dari operasi dua buah himpunan fuzzy disebut sebagai fire strength atau α- predikat.
Ada  beberapa  hal  yang  perlu  diketahui  dalam  memahami sistem fuzzy ,  yaitu  variabel fuzzy ,  himpunan,  dan  semesta pembicaraan.  Domain himpunan fuzzy adalah keseluruhan nilai yang  diizinkan  dalam  semesta  pembicaraan  dan  boleh dioperasikan dalam suatu himpunan fuzzy [8] [9].
Gambar 3. Rotasi sudut Euler
Gambar 4. Metode trilaterasi

## III. PERANCANGAN SISTEM

## A. Blok Diagram Sistem
Pada  sistem  navigasi  yang  dirancang  (Gambar  5),  sensor GNSS  dan  kompas  digunakan  untuk  mengetahui  posisi  balon dan  arah  hadap  balon  terhadap waypoint .  Informasi  tersebut kemudian  dimasukkan  pada  mikrokontroller  (Arduino  Mega) sehingga  data  dapat  diproses  pada  kontrol  logika fuzzy untuk menggerakkan motor balon. Motor tersebut akan mengarahkan balon ke koordinat waypoint . Pada sistem ini, waypoint dapat diinputkan  dari  antarmuka user dengan mikrokontroller menggunakan komunikasi serial.

## B. Kalibrasi Magnetometer
Ketika  mengakuisisi  data  magnetometer  untuk  dikonversi menjadi heading ,  perlu  diketahui  jenis  kesalahan  yang mempengaruhi pembacaan sensor.
Heading dapat ditentukan melalui penggunaan magnetometer  dan  akselerometer  tiga  sumbu  yang  tersedia  di sensor  IMU.  Namun  sistem  kompas  harus  diterapkan  dengan benar  dan  dapat  mngkompensasi  pengaruh  elevasi  dan kemiringan sudut.
Tanpa kalibrasi, data magnetometer akan terdistorsi sehingga pembacaan  menjadi  tidak  tepat.  Untuk  melakukan  kalibrasi dilakukan penghitungan offset yaitu dengan persamaan:
𝛼 = 𝑥𝑚𝑎𝑥+𝑥𝑚𝑖𝑛
2 (14)
𝛽 = 𝑦𝑚𝑎𝑥+𝑦𝑚𝑖𝑛 2 (15)
𝛾 = 𝑧𝑚𝑎𝑥+𝑧𝑚𝑖𝑛 2 (16)
Hasil dari persamaan di atas adala besar offset pada sumbu x, y,  dan  z.  Kemudian  pembacaan  setiap  sumbu  magnetometer dikurangkan dengan hasil tersebut.
𝑀𝑥 = 𝑀𝑥 − 𝛼 (17) 𝑀𝑦 = 𝑀𝑦 − 𝛽 (18) 𝑀𝑧 = 𝑀𝑧 − 𝛾 (19)

## C. Metode Pengukuran Geodistance
Geodesic  Distance adalah  jarak  antara  dua  titik  koordinat pada permukaan bumi. Gambar diatas merupakan ilustrasi dari pengukuran jarak pada permukaan bola. Permukaan bumi tidak planar/datar  melainkan  berbentuk  bola,  sehingga  pengukuran jarak  antara  dua  titik  koordinat  tidak  dapat  dilakukan  dengan metode  planar.  Untuk  mengukur  jarak  pada  permukaan  elips bumi  digunakan  persamaan Haversine .  Persamaan  tersebut menghitung  jarak  terpendek  antara  dua  titik  koordinat  pada permukaan  bumi.  Persamaan Haversine dinyatakan  melalui persamaan berikut:
𝑎 = 𝑠𝑖𝑛 2 ( ∆𝜑 2 ) + 𝑐𝑜𝑠 𝜑 1 ∙ 𝑐𝑜𝑠 𝜑 2 ∙ 𝑠𝑖𝑛 2 ( ∆𝜆 2 ) (20)
𝑐 = 2 ∙ 𝑎𝑡𝑎𝑛2(√𝑎, √1 − 𝑎) (21) 𝑑 = 𝑅 ∙ 𝑐 (22)
Dimana :
𝜑 = 𝐿𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛 𝜆 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛
𝑐 = 𝐽𝑎𝑟𝑎𝑘 𝑎𝑛𝑔𝑢𝑙𝑎𝑟
𝑅 = 𝐽𝑎𝑟𝑖 − 𝑗𝑎𝑟𝑖 𝑏𝑢𝑚𝑖 (6371 𝑘𝑚)
𝑑 = 𝐽𝑎𝑟𝑎𝑘 𝑝𝑎𝑑𝑎 𝑝𝑒𝑟𝑚𝑢𝑘𝑎𝑎𝑛 𝑏𝑢𝑚𝑖
D. Metode Pengukuran Geobearing
Secara  umum, relative bearing adalah  sudut  antara  arah hadap  objek  ( heading) dengan  target.  Sedangkan magnetic bearing adalah sudut antara arah utara dengan target.
Persamaan  dibawah  ini  adalah  persamaan  yang  diperlukan untuk menghitung magnetic bearing jika ditarik garis lurus dari posisi awal menuju target sepanjang busur bumi:
Gambar 5. Blok Diagram Sistem yang Dirancang
Gambar 6. Jarak pada permukaan bola
Gambar 7. Geodetic Bearing
𝜃 = 𝑎𝑡𝑎𝑛2(sin ∆𝜆 ∙ cos 𝜑 2 , cos 𝜑 1 ∙ sin 𝜑 2 − sin 𝜑 1 ∙ cos 𝜑 2 ∙
cos ∆𝜆) (23) Dimana : 𝜑 = 𝐿𝑎𝑡𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛
𝜆 = 𝐿𝑜𝑛𝑔𝑖𝑡𝑢𝑑𝑒 𝑑𝑎𝑙𝑎𝑚 𝑟𝑎𝑑𝑖𝑎𝑛
𝜃 = 𝐵𝑒𝑎𝑟𝑖𝑛𝑔

## E. Sistem Navigasi
Langkah awal yang dilakukan oleh sistem adalah inisialisasi sensor. Sensor yang digunakan adalah sensor GNSS dan sensor kompas. Kemudian setelah itu dilakukan inisialisasi motor. Ada 2 motor yang digunakan sebagai motor kemudi yang berada di samping balon. Setelah inisialisasi sensor dam motor, dilakukan pengambilan  data waypoint yang  dilakukan  oleh user pada antarmuka.  Data waypoint disimpan  pada  memori,  kemudian balon udara tetap standby sampai tombol start ditekan. Ketika  tombol start ditekan,  maka  balon  udara  akan melakukan perhitungan geodistance (jarak posisi sekarang dan posisi target) dan geobearing (sudut antara posisi sekarang dan posisi  target  relatif  tehadap  arah  utara). Geobearing akan dibandingkan  dengan heading (sudut  arah  hadap  balon  udara relatif tehadap arah utara) yang terdeteksi dari sensor kompas. Balon  udara  akan  mengetahui  berapa  galat  sudut heading terhadap geobearing .  Nilai  galat  tersebut  dimasukkan  pada kontrol logika fuzzy .  Kemudian balon udara akan mengaktifkan motor kemudi yang kecepatannya diatur dari keluaran kontrol logika fuzzy untuk  bergerak  ke  arah  tujuan  berdasarkan  galat sudut heading terhadap geobearing .  Pergerakan  tadi  akan mempertahankan  nilai  galat heading terhadap geobearing bernilai nol sehingga track yang akan dilalui oleh balon terarah menuju  ke waypoint .  Hal  tersebut  akan  dilakukan  berulang selama geodistance kurang dari niai toleransi jarak tujuan yang ditentukan oleh user . Jika nilai geodistance lebih dari nilai toleransi jarak tujuan, balon  udara  akan  berhenti  karena  posisi  yang  terdeteksi  oleh balon  udara  dianggap  sudah  mencapai  area waypoint .  Proses navigasi oleh balon udara dinyatakan selesai.
F. Logika Fuzzy
Perhitungan kecepatan motor dilakukan dengan menggunakan  bantuan  logika fuzzy untuk  mempermudah proses  penentuan.  Pada  sistem  yang  dirancang  digunakan sebuah Fuzzy  Interference  System (FIS),  yaitu  FIS  untuk kontrol  motor  samping.  Untuk  FIS  motor  samping  dirancang fuzzy 2 input 2 output. Input FIS berupa derajat sudut arah dari heading dan bearing , sedangkan keluaran berupa sinyal PWM ( Pulse Width Modulation ) untuk motor kanan dan kiri.

## IV. HASIL DAN ANALISA

## A. Realisasi Desain Balon Udara
Pada  tugas  akhir  ini  digunakan  dua  balon  udara air swimmer yang diisi dengan helium dengan ukuran panjang 110 cm, lebar 60 cm, dan tinggi 60 cm.. Volume dari balon udara ini adalah 0,1274 m 3 . Dua balon udara air swimmer mempunyai volume untuk diisi helium sebesar 0,2548 m 3 . Sehingga balon udara air  swimmer dengan  volume  0.2548  m 3 dapat mengangkat  beban  sekitar  240  gram  jika  diisi  penuh  gas helium.
Setelah  dilakukan  pengujian,  Beban  maksimal  balon  udara adalah 233 gram dan titik tengah gravitasi balon pada pada jarak 30 cm dari depan balon, 24 cm dari kanan balon, dan 36 cm dari kiri balon.

## B. Pengujian GNSS
Gambar 8. Sistem fuzzy untuk motor samping
Gambar 9. Keseimbangan Balon
Gambar 10. Posisi sensor dan motor
Gambar 11. Deviasi sensor GNSS
Gambar 11 menunjukkan hasil pengujian pengukuran posisi sensor GNSS. Hasil yang didapatkan menunjukkan posisi yang terdeteksi rata-rata berada pada rentang 9,5-20 meter dari posisi sebenarnya.  Hal  ini  normal  karena  sensor  GNSS  yang digunakan memiliki spesifikasi akurasi 10-25 meter.

## C. Pengujian AHRS
Gambar  12  menunjukkan  bahwa  kompensasi  kemiringan menggunakan filter kuarternion berbasis AHRS menghasilkan error permbacaan derajat arah yang relatif kecil. Error tertinggi adalah 6,41%.

## D. Pengujian Sistem Navigasi
Pada  gambar  13  terlihat  bahwa  respon  sistem  masih berosilasi  untuk  mempertahankan  arah  Utara  dan  Barat. Simpangan  osilasi  arah  Utara  berkisar  antara  50-90  derajat. Sedangkan simpangan osilasi arah barat sebesar 20-50 derajat. Namun  untuk  arah  Timur  dan  Selatan,  sistem  tidak menghasilkan galat yang terlalu besar.

## V. KESIMPULAN
Telah dibuat dan dirancang sistem navigasi pada balon udara menggunakan  GPS  dan  kontrol  logika fuzzy .  GPS  digunakan untuk  mendeteksi  posisi  didukung  dengan  kompas  untuk mendeteksi  arah  hadap.  Kontrol  logika fuzzy digunakan  pada sistem  pengaturan  motor  kemudi  untuk  pergerakan  balon. Berdasarkan  pengujian  beban  yang  telah  dilakukakan didapatkan titik tengah gravitasi balon pada pada jarak 40 cm dari depan balon, 24 cm dari kanan balon, dan 36 cm dari kiri balon. Berat maksimum yang dapat diangkat oleh balon adalah
233 gram. Akuisisi data sensor IMU untuk mengetahui derajat arah hadap menggunakan algoritma AHRS dapat menghasilkan kesalahan  pengukuran  kurang  dari  7%.  Pengukuran  posisi objek menggunakan sensor GNSS menghasilkan posisi berada pada rentang 9,5-20 meter dari posisi sebenarnya. Penggunaan logika fuzzy dapat diterapkan pada sistem kontrol motor kemudi untuk  pergerakan  balon  dengan variable yang  digunakan berupa  galat  derajat  arah  hadap  balon  udara  terhadap  derajat bearing .  Terjadi  osilasi  untuk  mempertahankan  arah  Utara dengan simpangan berkisar antara 50-90 derajat dan arah Barat dengan simpangan sebesar 20-50 derajat.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] J. Rao, Z. Gong, J. Luo and S. Xie, "A flight control and navigation system of a small size unmanned airship," in IEEE Int. Conf. Mechatronics and Automation , Canada, 2005.
[2] P. Chaklos, "RC Blimp, Remote Control Airship, Inflatables," Above & Beyond Inc, 15 Januari 2010. [Online]. Available: http://www.advertisingballoons.com/remote-control-blimps.htm. [Accessed 15 Juni 2016].
[3] W. Storr, "Hall Effect Sensor and How Magnets Make It Works," Electronics-tutorials.ws, 14 April 2016. [Online]. Available: http://www.electronics-tutorials.ws/electromagnetism/hall-effect.html. [Accessed 15 Juni 2016].
[4] S. O. H. Madgwick , A. J. L. Harrison and R. Vaidyanathan, "Estimation of IMU and MARG orientation using a gradient descent algorithm," in 2011 IEEE International Conference on Rehabilitation Robotics , Zurich, 2011.
[5] W. R. Hamilton , Elements of Quaternion s, Longmans: Green & Company, 1866.
[6] L. Brits, "Conversion between quaternion s and Euler angles," Wikimedia Foundation, Inc, 11 November 2007. [Online]. Available: https://en.wikipedia.org/wiki/Conversion_between_ quaternion s_and_ E uler _angles. [Accessed 15 Juni 2016].
[7] F. Dai, W. Gao, N. Kushida and L. Shang, "Fuzzy control for the autonomous airship," in 6th IEEE Conference on Industrial Electronics and Applications , Beijing, 2011.
[8] S. Kusumadewi, Artificial Intelligence (Teknik dan Aplikasinya), Yogyakarta: Graha Ilmu, 2003.
[9] T. Sutojo, E. Mulyanto and V. Suhartono, Kecerdasan Buatan, Yogyakarta: Andi Offset, 2011.
Gambar 12. Galat AHRS 0,00 2,00 4,00 6,00 8,00 1 15 29 43 57 71 85 99 113 127 141 155 169 183 197 G ala t (% ) Waktu (s) Galat AHRS Gambar 13. Grafik Arah Balon