Penship Autonomous Surface Vehicle pada KKCTBN
Keywords: penship, autonomous survace vehicle, kkctbn, kapal
Perkembangan teknologi maritim sangat pesat jika dilihat dari berbagai sisi, antara lain desain lambung dan sistem kontrol pada kapal. Untuk membuat kapal autonomous, kedua hal ini berperan besar pada sistem navigasi kapal. Telah banyak penelitian sebelumnya yang telah dilakukan untuk mendapatkan desain lambung kapal yang ideal, antara lain dengan bentuk cigarette[1] dan katamaran[2][3][4]. Kedua bentuk ini memiliki kelebihan dan kelemahan yang berbeda-beda. Pada[1] akan menghasilkan kecepatan yang lebih baik jika dibandingkan dengan bentuk kapal katamaran, akan tetapi bentuk katamaran akan memiliki manuver yang lebih baik.
Salah satu faktor lain yang membuat kapal autonomous menjadi cerdas adalah pada sistem kontrol dari kapal itu sendiri. Sudah banyak penelitian yang dilakukan untuk hal tersebut seperti pada [5][6][7]. Pada [5] melakukan penelitian menggunakan sistem Bluefin HUAV, sistem ini baik untuk manuver. Kemudian [6][7] juga melakukan penelitian tentang sistem kontrol pada kapal menggunakan trajectory. Pada penelitian sebelumnya menggunakan lahan penelitian yang luas sehingga Global Positioning System (GPS) dapat digunakan. Jika diterapkan pada lingkungan yang sempit, maka diperlukan tingkat kepresisian yang tinggi. Mengacu pada peraturan lomba pada Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional 2013 yang memiliki lintasan sangat sempit, maka dirancang kapal autonomous yang diberi nama Penship.
Penship adalah salah satu finalis Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional 2013 dan merupakan keikutsertaan yang kedua kali. Sebelumnya, pada Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional 2012, Penship telah dinobatkan sebagai juara pertama. Perjalanan Penship mulai dari persiapan kontes nasional tahun 2012 hingga kontes nasional tahun 2013 telah mengalami beberapa perubahan. Perubahan yang paling besar adalah pada desain lambung, sistem navigasi dan sistem vision. Kapal Penship pada Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional 2013 ditunjukkan pada gambar 1.
Lambung Penship generasi pertama pada kontes nasional 2012 berjumlah empat buah, seperti pada gambar 2(a). Dengan lambung ini, kapal dapat bergerak bebas ke depan, belakang, samping kanan dan kiri. Namun lajunya terhambat oleh air. Sedangkan pada kontes internasional 2013 di Virginia, kapal Penship diubah menjadi dua lambung seperti pada gambar 2(b). Perubahan ini bertujuan untuk mengurangi daya hambat air terhadap kapal dan menyesuaikan misi-misi pertandingan. Dalam misi pertandingan, kapal lebih sering bergerak maju dari pada ke samping. Sehingga desain lambung generasi kedua ini lebih optimal.
Sistem vision Penship pada kontes nasional 2012 hanya menggunakan sensor jarak. Penggunaan sensor jarak terbukti lebih efektif dalam menjalankan misi-misi kontes kapal autonomous tingkat nasional. Pada kontes internasional, sistem vision Penship menggunakan kamera. Image proccessing menjadi senjata utama yang efektif dalam menjalankan misi-misi. Misi-misi yang dipilih adalah sneaky sprinkler dan shoot through hoop task. Dengan kondisi lingkungan dan pencahayaan yang dinamis, kapal Penship sedikit mengalami kesulitan dalam mendeteksi bola.
Pada Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional 2013, Penship melakukan perubahan yang cukup banyak. Desain mekanik Penship generasi ketiga, tetap mempertahankan bentuk dua lambung (katamaran) berbahan fiber dengan lapisan atas dari akrilik. Gambar 3 menunjukkan desain kapal Penship. Dengan dua penggerak utama di belakang kapal, haluan belok kapan lebih lebar. Namun, kapal dapat bermanuver dengan baik pada misi manuver Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional 2013.
Kapal didesain dengan bentuk multihull, katamaran, ditunjukkan pada gambar 3, untuk menghindari masalah stabilitas pada permukaan air, baik air tenang maupun air berombak[4]. Selain itu juga dinilai lebih efektif untuk menghindari tabrakan dengan bola. Bola dapat dilewatkan pada sela diantara dua lambung. Lambung dan rangka kapal dibuat dapat dibongkar pasang dengan mudah dan cepat. Lambung Penship generasi ketiga mempunyai dimensi 80 cm x 22 cm x 18 cm berbahan fiber. Payload yang dapat diangkut kapal Penship hingga 8 kg. Lambung kapal diberi warna terang untuk menghasilkan keindahan perpaduan warna dengan air laut. Titik berat payload yang bertumpu pada kapal diletakkan di tengah. Ketinggian kapal dioptimalkan dengan memperhatikan ukuran bola dan terpaan angin yang mengganggu pergerakan kapal. Kapal mempunyai rangka berbahan aluminium dan kayu ringan. Rancangan kapal dengan rangka yang kokoh dan ukuran presisi sangat berpengaruh terhadap hasil pergerakkan kapal. Rancangan rangka sangat sederhana. Dua buah batang aluminium yang menyusun rangka utama digunakan untuk menyatukan kedua lambung. Pada rangka utama dipasang sebuah box payload tempat meletakkan perangkat elektronika. Lambung bagian atas dan box payload terbuat dari akrilik yang dipotong menggunakan laser cutter. Box payload digunakan untuk meletakkan perangkat keras.
Kapal Penship mengadopsi sistem gerak Differential Drive dengan dua motor penggerak dipasang pada bagian belakang lambung ditunjukkan pada gambar 4. Motor yang digunakan berjenis brushless dengan kecepatan 1850 KV. Dengan memberikan selisih kecepatan diantara kedua motor, akan diperoleh pergerakan belok. Rancangan algoritma kontrol yang baik, maka kapal dapat dikendalikan pergerakkanya sehingga mampu menyelesaikan misi dengan baik.
Kapal Penship dilengkapi payload di bagian atas kapal dengan daya tampung hingga 9 kg. Payload difungsikan sebagai tempat menampung hardware kapal. Terbuat dari bahan akrilik tipis berwarna hitam dengan logo PENS di atasnya. Desain payload dibuat tajam di setiap sudut sisi-sisinya dengan harapan dapat memberikan kesan tegas dan sporty. Tombol-tombol menu dan LCD dipasang di atas payload untuk memudahkan pengguna dalam melakukan setting dan tuning kapal. Payload kapal Penship ditunjukkan pada gambar 5.
A. Main Control Board
Sistem elektronika Penship berbasis AVR Embedded System, terdiri dari dua bagian penting yaitu master microcontroller dan slave microcontroller, seperti pada gambar 6. Fungsi dari dibedakan dua sistem ini agar hanya ada satu perintah sekuensial pada sistem, master microcontroller berfungsi sebagai pedoman utama atau mengatur sistem kerja dari kapal sedangkan pada slave microcontroller berfungsi sebagai pembantu dari master dan sebagai penerima data dari beberapa peripheral pada sistem kapal.
ATMega 1280 sebagai master microcontroller yang berfungsi mengolah data dari sensor-sensor hingga diketahui dimana letak bola dan heading kapal. Master microcontroller dapat mengontrol motor secara langsung. Algoritma pergerakkan kapal, speed test dan manuver, ditangani oleh master microcontroller. ATMega 162 sebagai slave microcontroller, berperan untuk mengontrol pergerakkan kapal secara manual menggunakan remote control. Slave microcontroller membaca sinyal dari receiver. Jika remote control terdeteksi tidak aktif, maka master microcontroller akan bekerja mengendalikan kapal. Sebaliknya, jika remote control aktif , maka kapal dikendalikan secara manual melalui slave micocontroller. Dengan menggunakan dua microcontroller yang bekerja terpisah, maka kapal dapat dikendalikan manual apabila sewaktu-waktu terjadi hal yang tidak diinginkan.
A. Hardware Box
Hardware box Penship menampung semua hardware kapal, yaitu baterai, microcontroller board dan receiver. Hardware box menjadi satu dengan payload. Hardware box dirancang kedap air dan efisien terhadap keperluan ruang perangkat di dalamnya agar tidak menambah berat secara keseluruhan. Pada bagian samping box, diberi ventilasi untuk menghindari panas yang berlebih pada sistem. Desain hardware box dirancang rendah dengan tujuan untuk mengurangi efek terpaan angin.
B. Sensor
Untuk menyelesaikan misi-misi pada kontes Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional 2013, Penship dilengkapi beberapa sensor pendukung seperti sensor compass, ultrasonic, dan kamera.
· Compass CMPS10
Idealnya dalam navigasi robotika yang menggunakan sensor IMU (Inertial Measurement Unit) dalam menentukan orientasi atau arahnya, Penship menggunakan sensor compass sebagai penentu orientasi kapal. Dengan harga yang sama, sensor compass lebih akurat dalam menghasilkan sudut orientasi.
· Ultrasonic SRF05
Sensor ultrasonic digunakan untuk mendeteksi adanya bola di depan maupun samping kapal. Meskipun tidak seefektif menggunakan LIDAR yang relatif jauh dan lebih mahal, akan tetapi hasil pendeteksian dari ultrasonic dirasa cukup dalam menyelesaikan misi Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional 2013. Jarak deteksi maksimal yang dapat dijangkau sensor ultrasonic sejauh 3 meter.
· Kamera Go Pro Hero 3
Kamera Go Pro digunakan untuk memonitor keadaan sekitar kapal pada saat berjalan. Lensa wide angle yang dimiliki kamera Go Pro tak hanya bisa mengambil foto atau video HD, namun juga untuk merekam video time lapse hingga slow motion. Kapal Penship dapat merekam dan mengirimkan informasi video secara langsung ke PC tentang kondisi sekitar yang terlihat kamera. Hasil perekaman video oleh Penship ditunjukkan pada gambar 7.
A. Kontrol Pergerakkan Kapal Penship
Pergerakkan kapal Penship meliputi pergerakkan maju, belok kiri, dan belok kanan. Untuk pergerakkan maju lurus sesuai dengan set point heading yang diberikan, Penship menerapkan metode kontrol Proportional Integral Derivative (PID) sederhana. Plant PID Penship di tunjukkan pada gambar 8. Kontroler PID mampu memberikan respon yang baik dalam pengendalian heading kapal. Penerapan metode PID tidak membutuhkan sistem komputasi tinggi[8]. Sehingga dapat diimplementasikan pada perangkat keras berbasis sistem embedded pada Penship.
Sistem kontrol PID menerima masukan berupa command setpoint heading dari proses kalibrasi compass. Selanjutnya, pada saat kapal berjalan, nilai heading kapal yang terbaca dari sensor kompas dibandingkan dengan setpoint. Sehingga didapatkan nilai error. Nilai error inilah yang harus diperbaiki sistem kontrol PID supaya heading kapal sesuai dengan apa yang diinginkan. Pada beberapa percobaan dilakukan, kontrol I memegang peranan penting mengingat karakteristik atau respon motor brushless yang digunakan sering berubah-ubah.
Dengan kombinasi kontor P dan I diperoleh kestabilan yang cukup baik. Pada pengembangan selanjutnya akan digunakan kontrol PID secara utuh untuk menambah kestabilan kapal dalam mempertahankan heading baik dalam kondisi steady-state maupun transient dengan respon yang cepat[9].
Kontroler PID dengan pengaturan sampling rate 50Hz, didapatkan hasil output yang responsif terhadap gangguan external seperti pada gambar 9. Gangguan external berupa ombak yang secara tiba-tiba menerjang.
B. Speed Test
Algoritma yang digunakan untuk menyelesaikan misi speed test adalah dengan menjalankan kapal maju lurus hingga mendeteksi bola di sebelah kanan, kemudian belok arah kembali ke dermaga. Hasil pengujian pergerakkan kapal Penship pada misi speed test ditunjukkan pada gambar 10.
Pergerakkan kapal Penship dari posisi START hingga bola tengah terlihat mampu mempertahankan heading sesuai dengan yang diinginkan. Tingkat kesalahan yang muncul hanya 2˚.
Setelah belok kanan dan balik arah, muncul ketidakstabilan heading kapal hingga 30˚. Namun setelah 3 detik, kapal mampu kembali ke kondisi yang seharusnya. Dari sepuluh pengujian, diperoleh waktu tempuh rata-rata sebesar 30 detik dan tingkat keberhasilan 90%.
C. Manuver Test
Hasil pengujian pergerakkan kapal Penship pada misi manuver test ditunjukkan pada gambar 11. Dari sepuluh pengujian, diperoleh waktu tempuh manuver rata-rata sebesar 42 detik dan tingkat keberhasilan 80%. Algoritma yang digunakan untuk menyelesaikan misi manuver test adalah dengan menjalankan kapal maju lurus hingga mendeteksi bola pertama di sebelah kanan, kemudian belok kanan untuk beberapa saat hingga heading lurus ke arah kanan. Setelah itu maju ke arah kanan hingga mendeteksi bola kedua. Pada posisi demikian, pergerakkan kapal diulang untuk bola ketiga dan keempat. Untuk perjalanan pulang, kapal melakukan hal yang sama dengan sedikit tambahan ketajaman belokan.
Model Algoritma manuver yang digunakan lebih baik dari pada penggunaan manuver dengan membentuk angka ‘8’. Dikarenakan dengan model manuver dengan membentuk angka ‘8’, kapal tidak memiliki kesempatan untuk memperbaiki heading. Sedangkan dengan model manuver yang dibentuk dengan seperti persegi kapal memiliki waktu untuk memperbaiki kesalahan heading dari kapal.
Acknowledgment
Terima kasih diucapkan kepada Politeknik Elektronika Negeri Surabaya atas bantuan dana yang diberikan untuk melakukan riset dan keberangkatan ke Virginia dan kepada pengelola Graha Sepuluh Nopember atas danau yang telah dipinjamkan selama hampir enam bulan.
Kesimpulan
Desain kapal Penship generasi ketiga, katamaran dengan dua penggerak, mempunyai tingkat keberhasilan dalam bermanuver sesuai dengan aturan Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional 2013 sebesar 80%. Jika dibandingkan dengan desain kapal generasi pertama Penship , generasi pertama Penship lebih stabil dan mempunyai tingkat keberhasilan lebih besar. Namun kemampuan dalam memecah ombak, kapal Penship generasi ketiga lebih baik.
Referensi
[1] J. Danielson, “ Conceptual Design of a High-Speed Superyacht Tender: Hull Form Analysis and Structural Optimization”, Independent Thesis Advance on Naval System, Sweden, 2012.
[2] N. R. Hesher Etal, “Catamaran Boat Hull Contruction”, United States Number 3.067.711, Dec, 1962.
[3] R. J. Perette, “High Speed Catamaran Hull and Boat, United States Patent Number 5.458.078, Oct, 1995.
[4] Y. Ronald, W.Hui,”Multihull and Surface-Effect Ship Configuration Design : A Framework for Powering Minimization”, Journal of Offshore Mechanics and Arctic Engineering, 2008, vol. 130.
[5] Kaess, Michael et al., “Towards Autonomous Ship Hull Inspection using the Bluefin HAUV”, in Proceedings, of the 9th International Symposium on Technology and the mine Problem series: Unmanned System, Technologies, Concepts, and Application, May 2010.
[6] T. Statheros, G. Howells, and Klaus McDonald Maier, “ Autonomous Ship Collision Avoidance Navigation Concepts, Technologies and Techniques”, Journal of Navigation Vol. 61 Issue 01, Jan 2008 pp 129–142.
[7] X. Hong, C.J. Harris, P.A. Wilson, “Autonomous Ship Collision Free Trajectory Navigation and Control Algorithms.”, Proceeding 7th IEEE International Conference on Emerging Technologies and Factory Automation,Barcelona, oct 1999.
[8] Ogata, Katsuhiko. Modern Control Engineering Third Edition. New Jersey : Prentice Hall, Upper Saddle River. 1997.
[9] Ogata, Katsuhiko. 1991.Teknik Kontrol Automatik –translation: Ir. Edi Laksono, Jakarta:Erlangga
No comments for "Penship Autonomous Surface Vehicle pada KKCTBN"
Post a Comment
Berkomentarlah yang sopan dan jangan buang waktu untuk melakukan spam. Terimakasih