## RANCANG BANGUN QUADCOPTER DENGAN KENDALI PID
1) Agus Sehatman Saragih 2) Viktor Handrianus Pranatawijaya 3) Widiatry 4) Vincentius Abdi Gunawan
1 Teknik Informatika, Universitas Palangka Raya email: assaragih@gmail.com
2 Teknik Informatika, Universitas Palangka Raya email: viktor_hp@yahoo.com
3 Teknik Informatika, Universitas Palangka Raya email: widiatry@gmail.com
4 Teknik Informatika, Universitas Palangka Raya email: abdi_gnwn@yahoo.com

## Abstract
Quadcopter merupakan salah satu jenis perangkat terbang tanpa awak yang menggunakan 4 motor yang masing-masing dilengkapi dengan propeller yang berfungsi sebagai alat untuk terbang dan  bermanuver.  Kestabilan  terbang  quadqopter  dipengaruhi  oleh  kemampuan  kendali  dalam mempertahankan derajat kemiringan. Nilai derajat kemiringan didapatkan dari sensor IMU (inertial measurement Unit).
PID (Propotional,Integral and Derivative) merupakan kendali yang dapat meminalisasi error yang  disebabkan  ketidaksesuaian  derajat  kemiringan  yang  ditetapkan  (set  value)  dan  derajat kemiringan ketika quadcopter terbang (present value). Nilai k p , k i , dan k d didapatkan dengan mencoba beberapa kombinasi Nilai k p , k i , dan k d serta memperhatikan pergerakan quadqopter (try and error). Pengujian  kestabilan  dilakukan  dengan  menguji  pada  masing-masing  sumbu  quadcopter (roll-pitch). Berdasarkan pengujian yang dilakukan, quadqopter dapat bergerak berdasarkan derajat kemiringang yang telah ditentukan (0 dan 30 derajat kemiringan). Berdasarkan pengujian kestabilan masing-  masing  sumbu  yang  telah  dilakukan,  derajat  kemiringan  quadqopter  masih  berflutuasi hingga dengan simpangan terbesar hingga 12 derajat.

## Keywords: Quadcopter, PID

## 1. PENDAHULUAN
Perkembangan Unmanned Aerial Vehicle (UAV)  pada  masa  kini  sangat  pesat dan digunakan pada banyak aplikasi. Beberapa contoh  aplikasi  dari  UAV  adalah  pada penginderaan  jarak  jauh,  respons  terhadap bencana  yang  terjadi,  pengawasan  hukum, pencarian dan penyelamatan pada daerah yang sulit  dijangkau,  perjalanan  transportasi,  alat penghubung  komunikasi  permanen  ataupun sementara, membawa dan mengirimkan suatu muatan,  dan juga  pengambilan  gambar  untuk keperluan perfilman dan hiburan [1].
Salah  satu  tipe  dari  UAV  adalah quadcopter.  Quadcopter  juga  disebut  dengan quadrotor. Karena ukurannya yang kecil, berat ringan dan kemampuan manuver yang tinggi, quadrotor  cocok  untuk  aplikasi  di  dalam ruangan  dan  luar  ruangan  [2].  Pada  saat terbang melayang di udara, yang disebut juga dengan  istilah hover ,  kestabilan  terbang sangatlah  diperlukan  sehingga  diperlukan suatu  cara  untuk  mengontrol  quadcopter. Quadrotor  dapat hover pada  ketinggian  yang diinginkan  menggunakan  sistem  kontrol  PID
( Proportional,
Integral, Derivative [3]. Modeling dan simulasi pada quadcopter untuk altitude dan attitude menggunakan  sistem kontrol  kendali  PD,  PID  dan back - stepping memiliki performa lebih baik[4].
Sehingga beberapa permasalahan penelitian yang dapat dirumuskan adalah:
1. Bagaimana menganalisis
dan merancang prototype UAV dengan tipe quadcopter.
2. Bagaimana  merakit prototype UAV dengan tipe quadcopter.
3. Bagaimana menerapkkan Sistem Kendali  PID  pada  prototype  UAV dengan tipe quadcopter.
2. KAJIAN LITERATUR
Quadcopter merupakan kendaraan nirawak  yang  menggunakan  4  motor  sebagai alat penggeraknya. Setiap motor dipasangkan sebuah propeller (baling-baling) yang berfungsi  menghasilkan  gaya  angkat  ( thrust ).
Thrust ditentukan  besar  kecil propeller ( radius )  dan  kecepatan  putar  motor  ( rpm ).
Model  Quadcopter  ditunjukkan  pada  gambar 2.1.
Gambar 2.1 Model Quadqopter Kombinasi gerakan motor pada quadcopter  yaitu  motor  depan  dan  belakang berputar  searah  jarum  jam,  sedangkan  motor kiri dan kanan berputar berlawanan arah jarum jam.  Quadqopter  memiliki  4  gerakan  dasar, yaitu:
1. Throttle
Gerakan throttle yaitu  gerakan  untuk menaikkan dan menurukan quadqopter dengan mempercepat  atau  memperlambat  kecepatan putar dari keempat motor pada quadqopter.
2. Roll Gerakan roll merupakan gerakan quadqopter  terhadap  sumbu x .  Gerakan roll terjadi jika motor kiri dipercepat / diperlambat, sedangkan motor kanan diperlakukan sebaliknya. 3. Pitch Gerakan pitch merupakan  gerakan quadqopter  terhadap  sumbu y .  Gerakan pitch terjadi  jika  motor  depan  dipercepat  / diperlambat,  sedangkan  motor  belakang diperlakukan sebaliknya.
4. Yaw Gerakan yaw merupakan  gerakan terhadap  sumbu z. Gerakan yaw terjadi  jika gerkan  motor  kiri  dan  kanan  dipercepat  / diperlambat,  sedangkan  motor  depan  dan belakang diperlakukan sebaliknya.
Sistem kendali PID merupakan kombinasi kontrol Proporsional, Integral, dan Derivatif  yaitu  sebuah  mekanisme  umpan balik  untuk  memperkecil  kesalahan  sistem. Nilai kesalahan sistem didapatkan dari selisih present  value (nilai  keluaran  terukur)  dengan set point yang diingkan. Diagarm blok kendali PID ditunjukkan pada gambar 2.2.
Set Point   t e K p .   dt t e K t i  0
dt de K d Error + Plant - +
Gambar 2.2 Sistem Kendali Loop Tertutup dengan PID
Pada  persamaan  standar  kendali  PID dituliskan berikut;       dt de T dt t e T t e K t u d t i p . . 1 .( 0    
Dan pada fungsi alih dituliskan berikut;
𝑈(𝑠) 𝐸(𝑠) = 𝐾𝑝(1 + 1 𝑇 𝑖 𝑠 + 𝑇 𝐷 𝑠)
Sensor  derajat  kemiringan  digunakan IMU ( inertia Measurement Unit ) Razor 9 DOF ( Degrees  of  Freedom )  yang  merupakan integrasi  sensor triple axis  gyroscope  (ITG-
3200),  triple  axis  acclerometer(ADXL345), triple  axis  magnetometer  (HMC5883L) . Keluaran  dari  ketiga  sensor  diproses  dan dikolaborasi menggunakan on-board
atmega328  yang  menghasilkan  data  sumbu roll , pitch dan yaw .  Perangkat  lunak  yang digunakan merupakan firmware AHRS (Attitude  Heading  Reporting  System)  dengan alogaritma  Direction  Cosine  Matrix  (DCM) yang dikembangkan oleh William Premerlani. Sensor Razor 9 Dof pada gambar 2.3.
F1 F3 F2 F4
Gambar 2.3 Sensor Razor 9 dof Sebagai  tenaga  pendorong  quadqopter dipilih motor brushless sunnysky KV700 yang memiliki  tenaga  dorong  ( thrust )  maksimal  2 kg dengan ukuran propeller 12 x 6 inch. 4 buah motor brushless akan  menghasilkan thrust sebesar 8 kg dengan arus maksimal sebesar 26 A.  Besarnya  gaya  dorong  adalah  sebanding dengan  beban  (F  =  W),  sehingga  beban maksimal  quadqopter  secara  keseluruhan sebaiknya  setengah  dari  thrust  total  yaitu sebesar 4 kg. Brushless sunnysky KV700 pada gambar 2.4.
Gambar 2.4 Brushless sunnysky KV700 Persamakaan  kecepatan  putaran  per menitnya ;
𝑅𝑃𝑀 = 𝐾 𝑣 ∗ 𝑉 dengan:  RPM  = Rotation Per Minute
𝐾 𝑣
=Konstanta RPM/Volt
V
=Tegangan Masukan
Electronic  Speed  Control (ESC)  yang digunakan adalah tipe ZTW 30A spider yang dapat  melewatkan  arus  maksimal  sebesar  30 Ampere  untuk  memenuhi  kebutuhan  arus maksimal brushless motor dc SunnySky 700kv yaitu sebesar 27 Ampere. ESC ZTW spider 30 A OPTO ditunjukkan pada gambar 2.5.
Untuk  kendali  jarak  jauh  digunakan wireless  XBee  PRO  S2B  63  mW  dengan onboard  wire antena.  XBee  PRO  S2B menggunakan frekuensi kerja 2.4 Ghz dengan jangkauan  100m indoor dan  3200m outdoor. Xbee  PRO  S2B  menggunakan  komunikasi serial  untuk  dapat  berkomunikasi  dengan arduino  sebagai  kontroller.  Xbee  PRO  S2B dapat dilihat pada gambar 2.6.
Gambar 2.6 Wireless XBee PRO S2B Arduino  Mega2560  menjadi  pilihan sebagai  kontroller  utama  dalam  quadqopter. Arduino  Mega2560  memiliki  54  pin  I/O ( input/output ) dimana 15 pin dapat digunakan sebagai  pin  PWM  ( Pulse  With  Modulation ). Pemilihan arduino Mega2560 karena memiliki 4  jalur  komunikasi  serial  sehingga  dapat digunakan  untuk  komunikasi  serial  sensor IMU razor 9 dof dan wireless XBee. Arduino Mega2560 ditunjukkan pada gambar 2.7.
Gambar 2.7 Arduino Mega2560 Arduino uno digunakan sebagai perantara untuk wireless Zibee dan PC/Laptop untuk  mengirimkan setting kecepatan  motor brushless dan setting point orientasi kemiringan quadqopter pada  untuk  sumbu pitch dan roll .  Gambar  arduino  uno ditunjukkan pada gambar 2.8.
Gambar 2.8 Arduino Uno

## 3. METODE PENELITIAN
Penelitian yang dilakukan yaitu membuat model dan rancang bangun quadcopter,  membuat  dan  mengidentifikasi konfigurasi sistem kendali PID, dan melakukan pengujian respon posisi. Pengujian-pengujian  yang  dilakukan  tersebut dianalisis dengan metode analisis
eksperimental  untuk  menentukan  konfigurasi optimal  Kp,  Ki,  Kd.  Sebagai  tahapan  berikut adalah  membuat  model  sistem  navigasi Quadqopter. Sistem Navigasi berupa waypoint route yang dipresentasikan titik-titik koordinat ( latitude,longtitude ) yang akan dirubah menjadi  arah  (derajat)  dan  jarak  ( distance ) sebagai acuan pergerakan quadqopter.
Studi Pustaka Model Quadqopter Rancang Bangun Quadqopter Hover Koordinat roll (x), Yaw (y), pitch (z) Kendali PID Konfigurasi roll(x), yaw(y), pitch(z) Analisis dan Desain SIstem Perakitan Pengujian Perangkat Sensor, Brushless Motor, Wireless Remote Implementasi PID
Gambar 2.9 Tahapan Penelitian
Perancangan  sistem  meliputi  analisis dan rancangan perangkat keras dan perangkat lunak pada quadqopter. Rancangan perangkat keras yaitu rancangan mekanik dan rancangan elektronik. Bagian rangka quadqopter menggunakan besi allumunium yang dirancang  berbentuk  X  dan  tempat  peletakan
komponen kontroller digunakan bahan acrilic. Sedangkan  rancangan  elektronik  meliputi sensor, kontroller, driver motor dan komunikasi wireless .  Rancangan  sistem prototype  quadqopter  dapat  dilihat  pada gambar 2.10.
Gambar 2.10 Arsitektur Sistem Prototype Quadqopter
A. Pengujian Sensor Kestabilan  terbang  pada  quadqopter berdasarkan orientasi kemiringan berdasarkan pada sumbu roll dan pitch , sedangkan sumbu yaw digunakan  untuk  navigasi  berdasarkan kutub  medan  magnet  bumi.  Pengujian dilakukan  dengan  mengamati  perubahan  data roll dan pitch berdasarkan  kemiringan quadqopter.

## B. Pengujian Motor Brushless
Kendali  kecepatan  motor  brushless menggunakan  metode  PWM  ( Pulse  With Modulation )  yaitu  memberikan  sinyal on-off dengan  frekuensi  50Hz.  Pengujian  dilakukan dengan  kalibrasi  motor brussless untuk
mendapatkan  pengaturan  kondisi  motor  tidak beputar/ off dan kecepatan putar maksimal.

## C. Pengujian Kestabilan Hover
Kontrol  PID  digunakan  untuk  menjaga kestabilan pada quadqopter. Pengujian dilakukan  dengan  sistem try  and  error yaitu mencari  kombinasi Konstanta  Propotional (Kp), Konstanta Integral (Ki), dan Konstanta Derivatif  (Kd). Untuk  mendapatkan  keadaan seimbang  pengujian  dilakukan  pada  setiap sumbu roll dan pitch . Kombinasi kontrol PID terbaik  didapatkan  dengan  mencari  waktu respon  time  menuju  keadaan  stabil  ( Steady State )  berdasarkan  pemberian setting  point (SP) yang derajat kemiringan. Alur pengujian kestabilan dapat dilihat pada gambar 3.1.
START
Deklarasi Speed, Kp,Ki,Kd, SP Input Speed, Kp,Ki,Kd Read IMU Razor 9dof Stabil? Tidak Ubah SP Ya
Gambar 3.1 Diagram Alir Pengujian Kestabilan
4. HASIL DAN PEMBAHASAN
4.1   Pengujian Sensor Sensor IMU razor 9 Dof
berkomunikasi  dengan  kontroller  utama arduino ATMEGA 2560 mengunakan
komunikasi  data  serial.  Sensor  IMU  akan mengirimkan data secara kontinyu. Pengujian sesnsor  dilakukan  dengan  mengikatkan  salah satu sumbu quadqopter pada sebuah penyangga seperti ditunjukkan pada gambar 4.
Gambar 4.1 Pengujian Sensor Razor 9 Dof
Pengujian dilakukan dengan memberikan  derajat  kemiringan  pada  sumbu pitch dan roll quadqoter.  Data  pengujian sensor  pada  sumbu pitch ditunjukkan  pada
tabel 4.1 dan pengujian pada sensor sumbu roll ditunjukkan pada tabel 4.2.
Tabel 4.1 Data Pengujian Sensor pada Sumbu Pitch
Tabel 4.2 Data Pengujian Sensor pada Sumbu Roll
Data  yang  didapatkan  berdasarkan pengujian  berfluaktuasi  dengan  perkiraan error maksimal sebesar 0,5%. Perbedaan error yang terjadi antara 90 O dan -90 O atau 45 O dan - 45 O dapat disebabkan kesalahan penguji ketika memiringkan  posisi  quadqopter  dan  tingkat kesensitifan sensor razor.
4.2   Pengujian ESC dan Brushless Motor Teknik untuk mengendalikan brushless motor adalah  dengan  memberikan  sinyal
pulsa/PWM  dengan  periode  20  ms.  Untuk mengatur keceptan putarnya dengan mengubah  TON  (periode  ON) duty  cycle . Sebelumnya  ESC  perlu  dikalibrasi.  Kalibrasi ESC  dilakukan  dengan  memberikan  untuk memberikan set  point kecepatan  maksimum (2ms)  dan  kecepatan  minimum  (0,7  ms)  dari brushless  motor . Brushless  motor yang digunakan  memiliki  sfesifikasi  700  KV  dan sumber  daya  baterai  yang  digunakan  adalah jenis lippo 4S 14,8 V.
Kecepatan putar = 700 * 14,8 = 10360 RPM Pengujian  dilakukan  dengan  mengukur kecepatan putar motor dengan 3 kondisi sinyal PWM, yaitu 0,7 ms, 1,35 ms dan 2ms. Sinyal pulsa/PWM ditampikan
menggunakan oscilloscope seperti  yang  ditunjukkan  pada gambar 4.2.
Gambar 4.2 PWM dengan T-ON 0.7 ms, 1.35
ms, dan 2 ms
Data kecepatan putar brushless motor yang diukur menggunakan tachometer dapat dilihat pada tabel 4.3.
Tabel 4.3 Data ukur kecepatan putar brushless motor menggunakan tachometer PWM Pengukuran ke- Kecepatan 0.7 ms 1 0 1.35 ms  1 5176 2 5175 3 5176 2. ms 1 10348 2 10347 3 10320 4.3 Pengujian Kestabilan dengan Kendali PID Berdasarkan pengujian yang dilakukan,
didapatkan nilai k p = 0,35, k i = 0,95, dan k d = 0,225. Pengujian dilakukan dengan posisi awal dengan  kemiringan SP =  0  dan  kemudian memberikan SP = 30˚.
Gambar 4.3 Pengujian Kestabilan Quadqopter
Berdasarkan  grafik  yang  ditunjukkan pada gambar 4.3, pada SP = 10 masih terdapat osilasi  pada  quadqopter  dengan  simpangan kemiringan 12˚ sampai dengan -12˚. Pada SP =  30˚  osilasi  terjadi  dengan  kemiringan  22˚ sampai  dengan  40˚.  Respon  quadqopter terhadap  perubahan SP berkisar  0,03  detik untuk dapat mencapai kemiringan 30˚.

## 5. KESIMPULAN
Kemampuan  quadcopter  untuk  dapat bermanuver  dengan  baik  dipengaruhi  oleh tingkat kestabilan quadcopter dalam mempertahankan derajat kemiringannya.
Kendali  PID  merupakan  salah  satu  algoritma yang dapat digunakan untuk dapat -20.00 -10.00 0.00 10.00 20.00 30.00 40.00 50.00 2:06: 45 2:06: 49 2:06: 53 2:06: 56 2:07: 00 2:07: 03 2:07: 07 2:07: 10 2:
07 :1 4 2:07: 17 2:07: 21 2:07: 24 2:07: 28 2:
07 :3 1 2:07: 35 2:07: 38 2:07: 42 2:07: 45 2:07: 49 2:07: 52 2:07: 56 2:07: 59 2:08: 03 2:08: 07 2:08: 11 2:08: 14 2:08: 18 2:08: 22 2:08: 25 2:08: 29 2:08: 33
2: 08 :3 6 2:08: 40 2:08: 44 2:08: 47 PID Quadqopter Roll SP
mempertahakan  derajat  kemiringan  yang dikehendaki.
Tahapan dalam rancang bangun quadcopter meliputi analisis, perancangan dan pengujian  sistem  quadqopter  meliputi  sensor, motor  brushlesss  dan  kestabilan  terbang quadqopter menggunakan kendali PID.
Kestabilan quadcopter dipengaruhi oleh ketepatan dalam menentukan nilai dari k p , k d , dan  k i .  Nilai  derajat  kemiringan  sensor  IMU menjadi merupakan variable pada kendali PID, sehingga diharapkan getaran yang terjadi pada sensor IMU seminimal mungkin. Penggunaan peredam pada sensor dan memastikan rangka quadqopter  dalam  keadaan  solid  merupakan hal  yang  perlu  diperhatikan  untuk  dapat mempertahankan kestabilan quadcopter
dengan menggunakan kendali PID.
6.

## REFERENSI
[1] Wisnu Jadmiko, dkk. 2012. Robotika: Teori dan Aplikasi. Fakultas Ilmu
Komputer Universitas Indonesia. UIP.
[2] Razinkova, A., Gaponov, I., Hyun- Chan Cho. 2014. Adaptive Control over Quadcopter UAV under Disturbances. 2014 14th International Conference on Control, Automation and Systems (ICCAS 2014). Oct. 22- 25, 2014 in KINTEX, Gyeonggi-do,
Korea. pp. 386 – 390.
[3] Erginer, B. dan Altug E. 2007. Modeling and PD Control of a
Quadrotor VTOL Vehicle. proceedings of the 2007 IEEE [4] Patel, K. dan Barve, J. 2014. Modeling, Simulation and Control Study for The Quad-Copter UAV. Industrial and Information Systems (ICIIS), 2014 9th International Conference on. IEEE.