Jurnal Fisika dan Terapannya (2020) Vol. 7 (2): 156 -165 DOI: 10.24252/jft.v7i2.18513

## JURNAL FISIKA DAN TERAPANNYA
p-ISSN: 2302-1497, e-ISSN: 2715-2774 http://journal.uin-alauddin.ac.id/index.php/jft

## SIMULASI HARDWARE IN THE LOOP UNTUK TAKE-OFF DAN LANDING OTOMATIS PADA QUADROTOR MENGGUNAKAN PIXHAWK DAN jMAVSim

## Prasepvianto Estu Broto dan Ihsan
Jurusan Fisika, Fakultas Sains dan Teknologi, Universitas Islam Negeri Alauddin Makassar
email: prasepvianto@uin-alauddin.ac.id

## INFO ARTIKEL
Status artikel: Diterima: 28 Desember 2020 Disetujui: 13 Jannuari 2021 Tersedia online:
Keywords: Hardware  in  The  Loop Simulation,  Quadrotor,  jMAVSim, Pixhawk, Ground Control Station.

## ABSTRACT
The  use  of  quadrotors  in  various  applications  has  made development  and  research  in  the  field  of  drones  grow rapidly.  In  the  research  and  development  process,  a testing phase is needed to determine the flying attitude of the quadrotor. Live testing can be risky if something goes wrong. With Hardware in The Loop Simulation, it can be used as a way to minimize the occurrence of these errors. Hardware  in  The  Loop  Simulation  is  a  combination  of software  and  hardware  simulation.  The  jMAVSim simulation  software  is  connected  to  the  Pixhawk autopilot  and  ground  control  station.  The  simulation results that have been  obtained  make  it possible to  carry out  direct  testing  on  the  Pixhawk  autopilot.  From  this study,  the  results  of  the  quadrotor  flying  attitude  during take-off and landing simulations show that the quadrotor is still in a stable condition with changes in pitch and roll angles of less than 1 degree.

## 1. PENDAHULUAN
Penggunaan drone dalam berbagai aplikasi, membuat pengembangan dan penelitian di bidang pesawat tanpa awak ini semakin berkembang pesat. Drone banyak digunakan di bidang  pertahanan  dan  keamanan,  pemantauan,  pertanian,  transportasi  dan  bidang  lainnya (Al  Ghafar  &  Adiprawita,  2018). Drone jenis  multirotor  lebih  banyak  digunakan  karena kemudahan  dalam  melakukan take-off dan landing yang  tidak  perlu  membutuhkan  lahan yang luas. Quadrotor merupakan jenis multirotor yang paling populer dengan empat motor sebagai penggeraknya. Quadrotor diterbangkan menggunakan autopilot sebagai pengendali
terbang  dan ground  control  station untuk  mengirimkan  perintah  dan  menerima  data  dari quadrotor tersebut. Dalam pengembangan quadrotor ini, proses yang paling beresiko adalah bagian pengujian.
Uji  terbang  quadrotor  dapat  dilakukan  secara  langsung  dan  simulasi.  Dengan melakukan uji terbang, dapat diperoleh data sikap terbang quadrotor dari pembacaan sensor yang terdapat pada autopilot. Respon kontrol autopilot saat dilakukan uji terbang juga dapat dianalisa  untuk  meningkatkan  kestabilan  dalam  mengendalikan  quadrotor  tersebut. Pengujian  langsung  memungkinkan  terjadinya crash yang  menyebabkan  quadrotor  rusak yang memerlukan waktu untuk melakukan perbaikan dan biaya yang tidak sedikit. Resiko terjadinya  kesalahan  dari  pengujian  langsung  tersebut  dapat  dikurangi  dengan  melakukan simulasi terlebih dahulu,
Simulasi bertujuan untuk mengetahui karakteristik dan sikap terbang dari quadrotor tersebut. Saat ini  sudah  banyak software simulasi  yang dapat digunakan untuk  melakukan pengujian  quadrotor  (Ma  et  al.,  2020).  Salah  satu  jenis  software  yang  digunakan  untuk simulasi  quadrotor  adalah  jMAVSim.  jMAVsim  dapat  digunakan  sebagai  visualisasi  dari sikap  terbang  quadrotor  yang  dapat  digunakan  untuk  membantu  pengaturan  kontrol  dan navigasi pada  saat simulasi  ( jMAVSim  with SITL , 2020). Simulasi Hardware in  The Loop merupakan jenis simulasi yang menggabungkan hardware dan software dalam loop tertutup (Garcia  &  Molina,  2019).  Pixhawk  merupakan  jenisi autopilot yang  dapat  dihubungkan dengan jMAVSim dan ground control station untuk melakukan simulasi Hardware in The Loop.

## 2. METODE PENELITIAN
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  metode Hardware  in  The  Loop untuk  melakukan simulasi  terbang  pada  quadrotor  dengan  Pixhawk  sebagai autopilot dengan  diagram  alir penelitian  ditunjukkan  Gambar  2 ( Hardware  in  the  Loop  Simulation  (HITL) ,  2020). Pixhawk  digunakan  sebagai  pengendali  terbang  model  quadrotor  yang  ada  di  jMAVSim terhubung  dengan  komunikasi  serial. Ground  control  station yang  digunakan  dalam penelitian ini adalah QGroundControl  yang kompatibel dengan Pixhawk ( QGroundControl Quick  Start ,  2020).  Data  terbang  dan  pengendalian  autopilot  ditampilkan  di QGroundControl  yang  terhubung  dengan  komunikasi  UDP  ke  jMAVSim  (Hentati  et  al., 2018).  Perintah take-off , landing dan  jalur  terbang  dapat  dibuat  di  QGroundControl  dan dimasukkan ke Pixhawk selama simulasi berlangsung (Rodriguez-Ramos et al., 2017).
Pixhawk Autopilot jMAVSim Komunikasi Serial QGroundControl Komunikasi UDP Gambar 2 . Diagram alir penelitian
( Hardware in the Loop Simulation (HITL) , 2020)
Mulai Inisialisasi Pixhawk Inisialisasi jMAVSim Koneksi ke QGroundControl Memasukkan Perintah Takeoff, Landing dan Jalur
Terbang ke Pixhawk
Simulasi Terbang Data Sikap Terbang Selesai Gambar 3 . Diagram alir proses simulasi
Prasepvianto Estu Broto dan Ihsan / Jurnal Fisika dan Terapannya (2020) Vol. 7 (2): 156 -165
Gambar  3  menunjukkan  diagram  alir  proses  simulasi Hardware  in  The  Loop . Pixhawk disambungkan  menggunakan USB  melalui komunikasi  serial dengan 57600  bps. Pixhawk  yang  sudah  terhubung  ke  komputer  kemudian  akan  berkomunikasi  dengan software  simulasi  jMAVSim.  Pixhawk  mengontrol  quadrotor  yang  terdapat  di  jMAVSim. jMAVSim  akan  terhubung  ke  QGroundControl  yang  berfungsi  sebagai ground  control station untuk  memberikan  perintah take-off  landing serta  jalur  terbang  ke  quadrotor  yang ditampilkan  jMAVSim.  Data  selama  simulasi  tersimpan  di  memori  Pixhawk  yang  dapat diunduh  dan  dianalisis  setelah  simulasi  selesai  (Jang  et  al.,  2020).  Data  tersebut  dapat digunakan  untuk  analisis  data  dari  sensor  IMU,  barometer,  magnetometer  dan  juga  data respon  quadrotor  terhadap  kontrol  PID  yang  sudah  diatur  pada  saat  simulasi  berlangsung (de Sousa Barros et al., 2016).

## 3. HASIL DAN PEMBAHASAN
Penelitian  ini  dilakukan  dengan  tujuan  untuk  melakukan  simulasi take-off dan landing otomatis  pada  quadrotor  dengan  autopilot  Pixhawk  untuk  mengurangi  terjadinya kesalahan  saat  dilakukan  pengujian  lapangan.  Gambar  4  merupakan  proses  setting  antara Pixhawk dengan Laptop. Dilakukan dua kali simulasi, yang pertama adalah simulasi take- off dan landing otomatis  untuk  melakukan  pengujian  apakah  quadrotor  dapat  melakukan misi take-off dan landing dengan  aman  serta  melihat  sikap  terbang  quadrotor  tersebut selama  proses take-off dan landing otomatis  berlangsung.  Simulasi  yang  kedua  dilakukan penambahan jalur terbang untuk mengetahui sikap terbang dari quadrotor tersebut tehadap kontrol  autopilot  dan  kesesuaian  jalur  terbang  quadrotor  dengan  rencana  terbang  yang sudah diberikan melalui QGroundControl.
Gambar 5 . Simulasi 1, Take-off dan landing otomatis dengan bagian kiri merupakan software jMAVSim dan bagian kanan adalah QGroundControl
Gambar 6 . Simulasi jalur terbang
Gambar 5 merupakan simulasi take-off dan landing otomatis dengan koordinat peta berada di koordinat longitude dan latitude -5.205888, 119.498174 dengan altitude 9,1 meter diatas  permukaan  air  laut  (MSL).  Quadrotor  akan take-off sampai  ketinggian  100  meter, setelah mencapai ketinggian, quadrotor turun menuju home . Gambar 6 merupakan simulasi jalur terbang berbentuk segi 4 dengan ketinggian terbang 10 meter dari home .
Gambar 7 . Grafik sudut roll, pitch yaw quadrotor selama simulasi pertama
Waktu (menit) Sudut (derajat) Waktu (menit) Waktu (menit) Sudut (derajat) Sudut (derajat)
Gambar 8 . Grafik sudut roll, pitch yaw quadrotor selama simulasi kedua
Waktu (menit) Waktu (menit) Waktu (menit) Sudut (derajat) Sudut (derajat) Sudut (derajat)
Gambar 9 . Grafik perubahan ketinggian terhadap waktu selama simulasi pertama
Gambar 10 . Grafik perubahan ketinggian terhadap waktu selama simulasi kedua
Pada Gambar 7 terlihat bahwa osilasi yang terjadi pada sudut rol dan picth kurang dari 1 derajat yang menandakan bahwa quadrotor dalam keadaan stabil. Pada grafik sudut yaw, terjadi perubahan arah heading quadrotor pada saat quadrotor sudah mencapai target ketinggian 100  meter. Gambar 8  menunjukkan grafik perubahan sudut roll, pitch dan  yaw selama  simulasi  kedua.  Quadrotor  terbang  sesuai  jalur  yang  sudah  dibuat  membentuk
Ketinggian (meter) Waktu (menit) Waktu (menit) Ketinggian (meter)
Prasepvianto Estu Broto dan Ihsan / Jurnal Fisika dan Terapannya (2020) Vol. 7 (2): 156 -165
persegi  empat.  Dari  grafik  dapat  disimpulkan  pada  saat  quadrotor  mengalami  perubahan heading,  yang  dapat  dilihat  dari  grafik  sudut  yaw,  maka  mempengaruhi  perubahan  sudut roll  dan  pith  nya.  Hal  ini  dikarenakan  pada  saat  quadrotor  berbelok,  maka  sikap  terbang dari quadrotor cenderung tidak  level dan  membentuk sudut agar mempermudah  mencapai titik  jalur  terbang  yang  sudah  ditentukan.  Besarnya  perubahan  sudut  pada  saat  kondisi berbelok ini ditentukan oleh respon PID dari autopilot Pixhawk.
Gambar  9  menunjukkan  data  simulasi take-off  landing pada  quadrotor  dengan ketinggian  100  meter  dari  home  atau  109  meter  MSL.  Kecepatan  vertikal  quadrotor  pada saat  naik  lebih  cepat  dari  pada  pada  saat  turun.  Hal  ini  dikarenakan  pada  saat  turun, quadrotor  menjaga  Trusht  untuk  menjaga  daya  angkat  sehingga  tidak  terjadi stall .  Grafik perubahan ketinggian pada simulasi kedua ditunjukkan pada Gambar 10. Quadrotor terbang dengan  ketinggian  10  meter  dari  home  atau  19  meter  MSL.  Dari  grafik,  terlihat  bahwa quadrotor  dapat  mempertahankan  ketinggian  selama  terbang  sesuai  jalur  yang  telah dirancang sebelumnya.

## 4. SIMPULAN
Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, dapat disimpulkan  simulasi take-off dan landing otomatis dapat dilakukan dengan memperhatikan altitude pada saat merencanakan jalur terbang di ground control station . Kestabilan quadrotor tetap terjaga selama simulasi pertama  berjalan.  Dari  hasil  simulasi  tersebut  memungkinkan  untuk  dilakukan  pengujian take-off dan landing otomatis  secara  langsung.  Simulasi  kedua  memperlihatkan  perilaku terbang  quadrotor  pada  saat  menyelesaikan  jalur  terbang  yang  sudah  dirancang.  Hasil simulasi  menunjukkan  ketika  quadrotor  berbelok  maka  akan  mempengaruhi  sudut  roll, pitch  dan  yaw.  Kecepatan  quadrotor  untuk  kembali  ke  kondisi  stabil  sangat  dipengaruhi pengaturan gain dari kontrol PID.

## 5. DAFTAR PUSTAKA
Al Ghafar, M. R., & Adiprawita, W. (2018). Simulasi Hardware in the Loop Untuk Redundansi Tiga Modul Autopilot. Jurnal Inovasi Pertahanan Dan Keamanan , 1 (1),
29–37. https://doi.org/10.5614/jipk.2018.1.1.4
de Sousa Barros, J., Oliveira, T., Nigam, V., & Brito, A. V. (2016). A Framework for the Analysis of UAV Strategies Using Co-simulation. 2016 VI Brazilian Symposium on Computing Systems Engineering (SBESC) , 0 , 9–15.
https://doi.org/10.1109/SBESC.2016.011
Garcia, J., & Molina, J. M. (2019). Simulation in Real Conditions of Navigation and Obstacle Avoidance with PIXHAWK/Gazebo Platform. 2019 IEEE International Conference on Pervasive Computing and Communications Workshops (PerCom Workshops) , 979–984. https://doi.org/10.1109/PERCOMW.2019.8730764
Hardware in the Loop Simulation (HITL) . (2020). https://dev.Pixhawk.io/v1.8.2/en/simulation/hitl.html
Hentati, A. I., Krichen, L., Fourati, M., & Fourati, L. C. (2018). Simulation Tools,
Environments and Frameworks for UAV Systems Performance Analysis. 2018 14th International Wireless Communications & Mobile Computing Conference (IWCMC) , 1495–1500. https://doi.org/10.1109/IWCMC.2018.8450505
Jang, J. T., Santamaria-Navarro, A., Lopez, B. T., & Agha-mohammadi, A. (2020). Analysis of State Estimation Drift on a MAV Using PIXHAWK Autopilot and MEMS IMU During Dead-reckoning. 2020 IEEE Aerospace Conference , 1–11.
https://doi.org/10.1109/AERO47225.2020.9172736
jMAVSim with SITL . (2020). https://dev.Pixhawk.io/master/en/simulation/jmavsim.html
Ma, C., Zhou, Y., & Li, Z. (2020). A New Simulation Environment Based on Airsim, ROS, and PIXHAWK for Quadcopter Aircrafts. 2020 6th International Conference on Control, Automation and Robotics (ICCAR) , 486–490.
https://doi.org/10.1109/ICCAR49639.2020.9108103
QGroundControl Quick Start . (2020). https://docs.qgroundcontrol.com/master/en/getting_started/quick_start.html
Rodriguez-Ramos, A., Sampedro, C., Bavle, H., Milosevic, Z., Garcia-Vaquero, A., &
Campoy, P. (2017). Towards fully autonomous landing on moving platforms for rotary Unmanned Aerial Vehicles. 2017 International Conference on Unmanned Aircraft Systems (ICUAS) , 170–178. https://doi.org/10.1109/ICUAS.2017.7991438