Perancangan Sistem Kendali Otomatik UAV Menggunakan Optimal Control Linier Quadratic Regulator dengan Simulasi 3 Dimensi

ABSTRAK

UAV (Unmanned Aerial Vehicle atau Pesawat Terbang Tanpa Awak) X-1 adalah salah satu riset unggulan ITB. Perancangan UAV X-1 dilakukan oleh staf akademik dan mahasiswa Departemen Teknik Penerbangan ITB. Saat ini sedang dilakukan perancangan rinci yang salah satu bagiannya adalah analisis kestabilan dan perancangan sistem kendali. UAV X-1 adalah UAV jenis taktis (Tactical UAV) yang dirancang untuk misi surveillance dan target marking. Dalam menjalankan misi-misi tersebut diperlukan kestabilan yang dapat diandalkan Dalam tugas akhir ini, analisis kestabilan UAV X-1 meliputi analisis kestabilan longitudinal (kendali tetap) dan lateral-direksional (kendali tetap) dengan tambahan kendali optimal. Model persamaan gerak yang digunakan dalam analisis tersebut adalah model gerak linear (berupa state space). Setelah analisis kestabilan dilakukan, dilanjutkan dengan perancangan sistem kendali terbang otomatik UAV X-1. Sistem kendali terbang tersebut meliputi sistem Pitch Damper, Pitch Attitude Hold, Altitude Hold, Bank Hold, Heading Hold, dan Turn Coordinator. Metode perancangan yang digunakan adalah metode optimal control linier quadratic regulator. Hasil perancangan tersebut dinyatakan berhasil jika memenuhi kriteria perancangan yang telah ditentukan. Hasil perancangan system kendali terbang otomatik ini disimulasikan dalam moda 3 dimensi dengan Virtual Reality 4.0. Hasil perancangan sistem kendali terbang UAV X-1 ini akan menjadi dasar untuk pengembangan dan pengimplementasian sistem kendali terbang UAV X-1 selanjutnya.

Kata kunci : UAV (Unmanned Aerial Vehicle), Tactical UAV, analisis kestabilan, Altitude Hold, Pitch Attitude Hold, Pitch Damper, Airspeed Hold, Path Flight Hold, Bank Hold, Heading Hold, dan Turn Coordinator, Linier quadratic regulator.

BAB I
PENDAHULUAN

A. Latar Belakang
Teknologi penerbangan dunia berkembang pesat sampai pada masa perang dunia kedua dimana dikembangkan pesawat udara dengan kemampuan terbang jelajah dengan kecepatan supersonik. Setelah teknologi supersonik disempurnakan, para ahli mulai mencari teknologi lain karena teknologi kecepatan terbang pesawat udara sudah tidak efisien lagi untuk dikembangkan lebih tinggi. Saat ini teknologi pernerbangan difokuskan pada pengembangan pesawat udara tanpa awak dan teknologi terbang autonomus. Pesawat udara tanpa awak atau dikenal dengan nama Unmanned Aerial Vehicle disingkat UAV, merupakan suatu wahana terbang yang banyak dibutuhkan karena dapat terbang dengan kemampuan manuver tinggi tanpa menyebabkan pengendalinya mengalami kesulitan akibat beban gravitasi yang besar. Karena tidak memiliki awak, uav juga tidak memiliki risiko kehilangan nyawa manusia sehingga dapat dikorbankan dan dapat terbang diatas daerah berbahaya seperti kebakaran hutan atau daerah yang terkontaminasi bahan kimia dan nuklir. Disamping kedua hal diatas, biaya operasional UAV lebih kecil bila dibandingkan dengan pesawat berawak, tidak memerlukan lapangan udara konvensional, dan uav tidak dibatasi oleh batas batas desain seperti pada pesawat berawak.

Teknologi UAV di Indonesia sedang dikembangkan oleh beberapa lembaga penelitian, universitas dan militer, antara lain BPPT, Institut Teknologi Bandung, UAVINDO, Universitas Nurtanio, Roboaero Indonesia, Indonesia Aerospace, dan TNI Angkatan Udara. Dalam perancangan suatu pesawat udara, pesawat udara hasil rancangan tersebut diharuskan melewati tahap uji terbang. Pada tahapan ini, hasil yang diperoleh tidak selalu sesuai yang requirement. Bisa saja terjadi prestasi pesawat udara tersebut tidak sesuai dengan estimasi awal, atau kestabilan pesawat udara tidak sesuai yang diharapkan. Sehingga pihak pengembang dihadapkan dengan resiko ekonomi dan safety, yaitu harus kehilangan waktu untuk merekonstruksi rancangan pesawat, tambahan biaya kerja yang tidak sedikit, dan yang paling buruk, kehilangan prototype pesawat udara karena crash pada saat pengujian. Simulasi gerak dan pengendalian pesawat udara penting untuk dilakukan, karena pesawat udara harus mampu menstabilkan diri apabila terjadi gangguan. Proses pengendalian selain bertujuan mengatur sikap dan gerak pesawat juga diharapkan dapat meningkatkan kualitas terbang. Sesuai spesifikasi desainnya, UAV harus dapat dibawa dan dijaga agar dapat terbang pada ketinggian tertentu sehingga dapat melaksanakan misinya dengan baik. Selain itu, untuk terbang dengan sistem pengendalian jarak jauh (RPV) maupun terbang secara autonomous, diperlukan suatu sistem penjaga lintasan terbang yang memandu dan mengendalikan UAV sehingga dapat mengikuti lintasan yang diinginkan.

Dengan pertimbangan di atas maka dalam tugas akhir ini akan dikembangkan metodologi pengestimasian gerak pesawat udara dan kestabilannya jika terkena gangguan. Dengan adanya perkiraan awal ini, resiko kehilangan pesawat udara saat uji terbang dapat diminimalkan, karena dari simulasi model matematika gerak pesawat udara dapat dilihat apakah pesawat udara tersebut tidak bisa mempertahankan gerak dan kestabilannya atau bisa terbang sesuai requirementnya.