Kajian Eksperimen Teknik Kontrol Penerbangan Posisi Tinggal Landas Drone Bikopter dengan Metode PID
1 Jalu A. Prakosa*, Edi Kurniawan, Hendra Adinanta, Suryadi, M. Imam Afandi Puslit Fisika, Lembaga Ilmu Pengetahuan Indonesia (LIPI)
1 jalu.ahmad.prakosa@lipi.go.id

## Abstrak
Pengembangan  teknik  kontrol  penerbangan  ( flight  control) untuk  drone  tidaklah  sederhana disebabkan  oleh  nonlinearitas,  ketidakpastian,  dan  karakteristik  dinamis  udara.  Bahkan,  ini  lebih rumit  dari  sistem  kontrol  yang  memiliki  hanya  satu  input  dan  satu  output,  diakibatkan  kendali penerbangan drone dapat memiliki lebih dari satu input dan output. Fasilitas 3 degree of freedom (DOF)  helikopter  dapat  mengimplementasikan  teknik  penerbangan  drone  jenis  bikopter  yang memiliki  dua  rotor  secara  eksperimen.  Posisi  tinggal  landas  ( take  off )  drone  sangatlah  penting berkaitan  dengan  keselamatan  awal  penerbangan.  Metode  kontrol Proportional  Integral  Derivatif (PID)  merupakan  teknik  populer  yang  tidak  hanya  dipelajari  di  dunia  pendidikan  tetapi  juga  telah diterapkan oleh industri untuk mengontrol plant -nya. Tujuan penelitian ini adalah untuk mempelajari teknik  kontrol  penerbangan  posisi take  off drone  bikopter  dengan  menerapkan  metode  PID  baik kajian  teori  maupun  eksperimennya.  Hasil  eksperimen  menunjukkan  bahwa  koefisien  penguatan (gain) berpengaruh terhadap kesalahan dan lineraritas posisi drone. Variasi komponen gain kendali proportional integral lebih buruk dari proportional derivatif. Untuk mendapatkan respon posisi yang paling  akurat  dan  linear,  seluruh  koefisien  PID  harus  diaplikasi  pada  teknik  kontrol  penerbangan posisi tinggal landas drone bikopter.
Keywords:kontrol penerbangan; take off; drone bikopter; PID kontrol ; eksperimen

## 1 Pendahuluan
Sistem  kontrol  untuk  menerbangkan  pesawat  tanpa  awak  (drone)  sangat  kompleks disebabkan  oleh  sifat  non  linear  dan  ketidakpastian  akibat  karakteristik  rotor  untuk mengangkatnya [1]. Motor yang digunakan cenderung tidak linear antara kecepatan putar dengan  power  supply  yang  digunakan  [2].  Bahkan  gaya  gravitasi  membuat  gaya  angkat drone  menjadi  rumit  berkaitan  dengan  bentuk  drone  terhadap  titik  beratnya[3].  Sifat aerodinamis  menambah  teknik  penerbangan  drone  menjadi  tidak  sederhana. Permasalahan  ini  membuat  kajian  baik  teori  dan  eksperimen  pada  teknik  penerbangan drone  menjadi  sangat  menantang  dalam  dunia  penelitian.  Bahkan,  teknologi  drone banyak  dimanfaatkan  di  berbagai  bidang  seperti  penginderaan  jauh,  militer,  pertanian, seni dan sebagainya.
Helikopter  merupakan  jenis  satu  tipe  drone  yang  memiliki  kemampuan  manuver  yang sangat  baik.  Tidak  memerlukan  landasan  yang  cukup  panjang,  helikopter  dapat  tinggal landas tegak lurus sehingga dapat menghemat  area tinggal landas. 3 DOF helikopter [4] merupakan  fasilitas  pengembangan  teori  kontrol  dan  pengujian  eksperimen  teknik penerbangan  drone  bikopter  dalam  3  sudut  manuver  pergerakannya.  Dua  rotor  pada kedua sisi helikopter untuk memberikan gaya angkat agar dapat melayang melawan gaya gravitasi.  Chinook  helikopter    merupakan  salah  satu  bikopter  yang  populer  di  dunia. Sensor sudut terpasang sebagai  umpan balik pengukur posisi drone. Personal Computer (PC)  terhubung  ke  amplifier  untuk  menggerakan  kedua  rotor  dengan  pemberian  energi listrik.  Software  Matlab  dan  Simulink  terinstal  pada  PC  untuk  merancang  teknik  kontrol penerbangan  bikopter  tersebut.  Oleh  karena  itu  3  DOF  helikopter  menawarkan  sarana pembelajaran yang baik untuk pengembangan teknik kontrol penerbangan drone bikopter [5].
Gambar 1 Fasilitas belajar dan penelitian teknik penerbangan drone bikopter dengan 3 DOF helikopter
Salah  satu  keberhasilan  awal  posisi  terkontrol  pada  penerbangan  drone  adalah  posisi tinggal landas yang stabil dan akurat karena berkaitan dengan keselamatan. Jika pesawat tanpa  awak  gagal  melakukan take  off maka  akan  jatuh  dan  berakibat  fatal.  Metode kontrol yang populer yang dipelajari adalah teknik kendali PID [6]. Bahkan, dunia industri banyak  yang  menerapkan  metode  kontrol  PID  untuk  menjalankan  proses  bisnisnya dengan  berhasil.  Tujuan  penelitian  ini  adalah  untuk  mengkaji  teori  dan  penerapan eksperimen  teknik  kontrol  PID  dalam  menerbangkan  drone  bikopter  pada  posisi  tinggal landas.  Variasi  koefisien  PID  (K P ,  K I ,  K D )  akan  diinvestigasi  terhadap  masing-masing akurasi  respon  sinyal  step  hasil  eksperimen  3  DOF  helikopter.  Tidak  hanya  dasar  teori tetapi juga  metode eksperimen akan  dijabarkan  pada  bagian  artikel ini. Performa  teknik kontrol PID dalam menerbangkan posisi tinggal landas drone bikopter akan dianalisa pada pembahasan makalah ini.

## 2 Dasar Teori dan Metode Eksperimen
Teknik  kontrol  PID  yang  telah  banyak  diaplikasikan  di  dunia  industri,  memiliki  3 kemampuan perhitungan dalam aksi pengendalian suatu sistem yaitu proportional, integral and  derivatif.  Output  dari  metode  PID  yaitu  mengkoreksi  kesalahan plant sehingga pengendalian  optimal  untuk  mendapatkan  hasil  yang  akurat  sesuai  karakteristik  yang diinginkan. Perhitungan teknik  kontrol PID [7] dapat dilihat pada persamaan (1) di bawah ini :
 + + = t D I p dt t de K dt t e K t e K t u 0 ) ( ' ) ' ( ) ( . ) ( (1)
Sedangkan fungsi transfer metode PID dalam domain frekuensi (laplace) dapat ditulis berikut ini :
s K s K K s L D I p + + = . ) ( (2)
Keterangan: u(t) = output pengendali PID e(t) = kesalahan, perbedaan antara nilai yang diinginkan dan yang terukur. Kp  = koefisien gain proportional K I = koefisien gain integral K D = koefisien gain derivative t      = waktu s      = frekuensi kompleks
Berikut  ini  blok  diagram  teknik  kontrol  PID  pada  kalang  tertutup  yang  menghitung  nilai kesalahan dan memperbaikinya sesuai koefisien gain PID (Kp, K I and K D ) secara automatis dan kontinyu,

## Gambar 2 Diagram teknik kontrol PID
Pada  diagram  Gambar  2  metode  PID  berusaha  meminimalkan  kesalahan  setiap  waktu dengan  pengaturan  output  pengendali  u(t)  dengan  penjumlahan  tiap  koefisien  gain  PID. Proses pengaturan dari gain PID untuk mendapatkan nilai optimal yang diharapkan. Teknik kontrol  PID  ini  dapat  diuji  performanya  terhadap  plant  yang  memiliki  karakter  yang kompleks dan tidak linear seperti kendali penerbangan drone.
Gambar 3 Posisi tinggal landas bikopter pada simulator 3 DOF helikopter
Eksperimen  simulasi  teknik  kendali  penerbangan  drone  bikopter  dapat  menggunakan fasilitas 3 DOF helikopter sesuai Gambar 3 di atas. Terdapat 2 rotor yang menganalogikan 2  baling-baling  bikopter  yaitu  bagian  depan  dan  belakang.  Motor  depan  digerakkan  oleh tegangan  depan  (VF)  dan  tegangan  belakang  untuk  menggerakan  motor  belakang  (VB). Personal  Computer  (PC)  mengirimkan  sinyal  perintah  melalui  amplifier  untuk  mensuplai tegangan  dan  arus  dalam  memutar  baling-baling  pada  kedua  rotornya.  Sensor  [8]  posisi sudut digunakan sebagai elemen umpan balik dalam mengukur posisi tinggal landas drone. Posisi  tinggal  landas  yang  sempurna  ketika  sudut  tegak  lurus  dengan  badan  drone  dan tiang ( ɵ °=90) atau sudutnya 0° terhadap sumbu badan pesawat.
Gambar 4 Aplikasi metode PID pada eksperimen simulator bikopter
Karena  eksperimen  di  lakukan  di  ruangan  tertutup    sehingga  gangguan  yang  signifikan dipengaruhi  oleh  gaya  gravitasi  (g)  terhadap  massa  (m)  dan  titik  berat  drone.  Bentuk bikopter mempengaruhi  lokasi titip berat sehingga  kecepatan  kedua  rotor dikontrol untuk mengendalikan  gaya  angkatnya.  Kondisi  saat  drone  melayang  setelah  berhasil  take  off memenuhi hukum pertama newton yaitu resultan gaya ( ∑F) relatif nol sesuai persamaan (3) karena kecepatan drone relatif diam atau gergerak dengan kecepatan tetap saat melayang. Gaya angkat dari perputaran rotor (F T ) akan relatif sama besarnya dengan gaya berat akibat gravitasi (W) pada persamaan (4).
 = 0 F (3)
W F T = (4) g m F F TB TF . = + (5)
Terlihat  pada  persamaan  (5)  masing-masing  gaya  angkat  baik  dari  motor  depan  (F TF ) maupun  motor  belakang  (F TB )  berusaha  menyeimbangkan  terhadap  gaya  berat  drone tersebut.  Oleh  karena  itu,  nilai  koefisien  gain  PID  (K P ,  K I ,  K D )  pada  persamaan  (1)  antara motor depan dan belakang pun akan saling menyeimbangkan agar dapat melayang stabil dan tinggal landas dengan berhasil.

## 3 Hasil dan Pembahasan
Perhitungan  nilai  koefisien  gain  PID  menyesuaikan  bentuk  dan  massa  drone  dengan optimalisasi  menggunakan  algoritma  linear  quadratic  regulator  (LQR)  untuk  mencapai posisi melayang dengan  stabil,  berikut nilai  K P , K I , K D merujuk  datasheet fasilitas 3 DOF helikopter [5].
Tabel 1 Nilai default koefisien PID K P K I K D V F 37.67 13.21 -11.49 V B 37.67 -13.21 11.49
Terlihat  pada  Tabel  1  nilai  tanda  proportional  sama  antara  motor  depan  dan  belakang. Namun  pada  integral  dan  derivative  berlainan  tanda  untuk  menyeimbangkan  masing- masing kedua rotor. Nilai koefisien gain PI (K P dan K I ) divariasikan naik dan turun sebesar 1 untuk menginvestigasikan pengaruh pengontrolan PI terhadap kestabilan posisi tinggal landas drone.
Tabel 2 Variasi nilai koefisien PI PI1 PI2 PI3 PI4 PI5 K P K I K P K I K P K I K P K I K P K I
35.67  11.21  36.67  12.21  37.67  13.21  38.67  14.21  39.67  15.21
Gambar 5 Hasil eksperimen kontrol posisi take off dengan variasi gain PI
Pada  Gambar  5,  terlihat  variasi  koefisien  gain  PI  mempengaruhi  akurasi  posisi  tinggal landas  drone.  Semakin  besar  gain  PI  maka  cenderung  besar  kesalahannya  pada  hasil pengukuran. Untuk performa variasi koefisien gain PD dapat dilihat di bawah ini :
Tabel 3 Variasi nilai koefisien PD PD1 PD2 PD3 PD4 PD5 K P K D K P K D K P K D K P K D K P K D 35.67  -9.49  36.67  -10.49  37.67 -11.49  38.67 -12.49  39.67 -13.49
Gambar 6 Hasil eksperimen kontrol posisi take off dengan variasi gain PD
Variasi koefisien gain PD pun mempengaruhi keakuratan dalam pengendalian posisi take off drone bikopter pada Gambar 6. Untuk analisa semua koefisien PID maka nilai  (K P , K I , K D ) dapat divariasikan  mengikuti Tabel 2 dan  3 kemudian  diukur respon  plant nya  pada eksperimen.
Tabel 4 Variasi seluruh komponen gain PD PID1 PID2 PID3 K P K I K D K P K I K D K P K I K D 35.67 11.21 -9.49 36.67  12.21 -10.49  37.67  13.21  -11.49 PID4 PID5 K P K I K D K P K I K D 38.67 14.21 -12.49 39.67  15.21 -13.49
Gambar 7 Hasil eksperimen kontrol posisi take off dengan variasi gain PID
Walaupun respons posisi sedikit berbeda untuk ketiga grafik tersebut namun waktu untuk mencapai kestabilan posisi tinggal landas (posisi diinginkan pada 0°) sekitar 4 detik. Untuk analisa perbandingan kinerja terutama akurasi [8] antara variasi teknik kontrol PI, PD dan PID  dapat  diinvestigasi  kesalahan  maksimum  ( overshot )  posisi  yang  ditimbulkannya  pada hasil eksperimen.
Tabel 5 Kesalahan maksimum posisi dengan berbagai variasi kontrol PID
Variasi e(t)-PI e(t)-PD e(t)-PID 1 10.73 10.82 10.73 2 11.08 11.26 11.00 3 11.61 11.52 11.52 4 11.88 11.79 11.79 5 12.75 12.23 12.23
Gambar 8 Perbandingan kesalahan posisi terukur dengan variasi gain PID
Teknik  kontrol  dengan  variasi  koefisien  gain  PI  memiliki  akurasi  paling  buruk  dan  tidak linear  sesuai  Gambar  8.  Variasi  metode  PD  memiliki  akurasi  dan  linearitas  lebih  baik daripada teknik kontrol PI. Di sisi lain, variasi seluruh komponen gain PID (K P , K I , K D ) tidak hanya  memiliki  hasil  kontrol  posisi take  off drone  bikopter  paling  akurat  tetapi  juga linearitas  respon  terbaik.  Oleh  karena  itu  seluruh  koefisien  proporsionl,  integral  dan derivative  pada  formula  (1)  perlu  diaplikasikan  untuk  mendapatkan  hasil  kontrol  posisi drone yang optimal.

## 4 Kesimpulan dan Saran
Metode  kontrol  PID  telah  berhasil  dalam  mengontrol  posisi  tinggal  landas  drone  bikopter dalam  waktu  sekitar  4  sekon.  Semakin  besar  gain  maka  cenderung  mengakibatkan semakin besar kesalahan. Variasi komponen gain PID memiliki pengaruh terhadap respon kesalahan plant tidak benar-benar linear khususnya variasi PI yang cenderung tidak linear. Teknik kontrol PD lebih baik daripada PI dalam pengendalian posisi take off drone. Seluruh koefisien  gain  proportional,  integral  dan  derivatif  sebaiknya  digunakan  karena  memiliki akurasi dan linearitas terbaik.
Jurnal Otomasi, Kontrol & Instrumentasi

## 5 Ucapan Terima Kasih
Terima  kasih  kepada  manajemen  Puslit  Fisika  LIPI  yang  telah  menfasilitasi  kegiatan  ini. Kami  juga  mengucapkan  terima  kasih  kepada  Kemenristek-BRIN  melalui  program  Insinas Riset Pratama yang mendukung penelitian ini.

## 6 Daftar Pustaka
[1] H.  Liu,  G.  Lu  and  Y.  Zhong, Robust  LQR  Attitude  Control  of  a  3-DOF  Laboratory Helicopter for Aggressive Maneuvers , IEEE Transactions on Industrial Electronics, vol. 60, no. 10, pp. 4627-4636, 2013.
[2] J. A. Prakosa, D. V. Samokhvalov, G. R. V. Ponce and F. Sh. Al-Mahturi, Speed Control of Brushless  DC  Motor  for  Quad  Copter  Drone  Ground  Test ,  2019  IEEE  Conference  of Russian Young Researchers in Electrical and Electronic  Engineering (EIConRus), Saint Petersburg and Moscow, Russia, pp. 644-648, 2019.
[3] J. A. Prakosa and V.B. Vtorov, Experimental studies of adaptive control to stabilize the automatic  unmanned  mini  quad  rotor  helicopter  position ,  Journal  of  Advanced Research in Dynamical and Control Systems, vol. 11, no. 04, pp. 1983-1994, 2019.
[4] E.  Kurniawan,  S.  Suryadi  and  I.  Affandi, Discrete-time  Sliding  Mode  Controller  for Multivariable  System  of  3  DOF  Laboratory  Helicopter ,  2019  International  Conference on Computer, Control, Informatics and its Applications (IC3INA), Tangerang, Indonesia, pp. 151-155,  2019.
[5] Quanser  Inc., laboratory  guide  3  DOF  Helicopter  Experiment  for  MATLAB  /Simulink Users , 2012
[6] M. Zibny, E. Joelianto, S. Hadisupadmo, Perancangan Sistem Kontrol Ketinggian Baja Cair  pada  Proses  Continuous  Casting  dengan  Pengo ntrol  PID  Robas  Hâˆž .  Jurnal Otomasi, Kontrol, dan Instrumentasi, Jan 13;7(2):103, 2017.
[7] K.J.  Åström,  T.  Hägglund,  K.J.  Astrom, Advanced  PID  control .  Research  Triangle  Park, NC: ISA-The Instrumentation, Systems, and Automation Society, 2006
[8] V. Firmansyah, S. Hadisupadmo, F. Elviya, S.R. Jannah, Pemanfaatan Sensor Ultrasonik Sebagai  Alat  Bantu  Pembacaan  Skala  Volume  Pada  Bell  Prover .  Jurnal  Otomasi, Kontrol, dan Instrumentasi. 12(1):1-8, 2020.
[9] J.A.  Prakosa,  A.V.  Putov,  A.D.  Stotckaia. Measurement  Uncertainty  of  Closed  Loop Control  System  for  Water  Flow  Rate .  In2019  XXII  International  Conference  on  Soft Computing and Measurements (SCM), pp. 60-63, 2019.