13. bab iii.pdf

7/21/2019 13. BAB III.pdf

http://slidepdf.com/reader/full/13-bab-iiipdf 1/16

28

BAB III

PERANCANGAN

Kapal tanpa awak Unmanned Surface Vehicles ( USV ) adalah kendaraan

yang beroperasi di permukaan air tak berawak yang dapat dikendalikan jarak jauh

oleh user. Penggunaan cara kerja alat meliputi IMU ( Inertial Measurement Unit ),

modul GPS, Raspberry Pi, remote control , kamera dan modul. Sistem IMU ( Inertial

Measurement Unit ) sebagai parameter posisi sudut kapal, modul GPS untuk

menetukan posisi kapal terhadap posisi point yang akan dituju, Raspberry Pi pada

sistem ini yang akan digunakan untuk mengakses jalur UART kamera USB, serta

komunikasi wifi dan sensor untuk mendapatkan derajat arah, remote control

digunakan untuk mengendalikan USV secara manual, kamera yang digunakan untuk

melakukan pengambilan gambar dan modul wireless digunakan untuk mengirim

pesan /informasi dari USV atau kapal ke Ground Control Station.

3.1 Prinsip Kerja

Proses kendali kapal akan terus diamati dari Ground Control Station

yang berupa koordinat peta posisi dan visual ,seperti pada (Gambar 3.1)

7/21/2019 13. BAB III.pdf


29

ESC Servo

Raspberry Pi

GPS

Kamera

Wireless

Wireless Komputer Remote

Control

Ground Control Station

Motor

BrushlessUSB

IMU

Gambar 3.1. Diagram Blok Sistem Kapal Tanpa Awak

Perancangan untuk menetukan posisi keberadaan kapal menggunakan

modul GPS Parallax 28505 yang dapat memberikan informasi berupa koordinat

posisi kapal. Data dari GPS berupa keluaran Serial UART Rx dan Tx yang

dihubungkan langsung ke modul Raspberry PI.

Data tersebut akan diolah untuk menentukan arah kapal sesuai dengan

tujuan koordinat yang sudah ditentukan dengan fin yang dikendalikan motor

servo di stern ( bagian belakang kapal ) untuk menentukan arah kapal.

Pengambilan citra melalui kamera webcam pada kapal menggunakan

koneksi USB agar memudahkan proses pengolahan data. Kamera akan

dihubungkan ke Modul Raspberry Pi melalui jalur koneksi USB yang kemudian

akan dikirim langsung menuju GCS ( Ground Control Station ) melalui port

7/21/2019 13. BAB III.pdf


30

USB dengan komunikasi Wireless menggunakan TP-LINK TL-WN725N.

Setiap informasi akan ditampilkan pada komputer dengan menggunakan aplikasi

Visual Studio berupa GUI ( Graphical User Interface ) agar mempermudah

pengamatan. Bersamaan dengan itu kapal akan menuju titik yang sudah

ditentukan dari user di GCS dan kapal akan mengirimkan citra selama proses

pemantauan berlangsung.

Ground Control Station akan mengirimkan data berupa koordinat posisi

tujuan kapal, maka proses akan di handle oleh sistem kendali manual yang akan

menuju posisi tujuan dengan menggunakan remote control . Remote control akan

mengendalikan kecepatan ( double dot theta ) dan arah kapal ( θ ) untuk

mencapai tujuan, microprosesor akan memantau parameter yang diterima

sensor.

Parameter sudut keseimbangan kapal pada sensor IMU saat kondisi:

Sudut keseimbangan kapal ke kanan +20 derajat,

Sudut keseimbangan kapal ke kiri -20 derajat,

Keseimbangan kapal berlayar dengan toleransi 10 derajat.

Kondisi ini ditentukan untuk parameter keseimbangan kapal agar tidak

berbelok diatas 20 derajat karena pada saat kapal berbelok diatas -20 derajat

maka kapal akan terbalik. Setelah kapal mencapai sekitar titik yang sudah

ditentukan maka sistem akan diberikan perintah sesuai dengan perintah instruksi

dari user .

Dari Flow Chart Sistem kontrol kapal tanpa awak GCS membaca sudut

Yaw dan Roll untuk menentukan set point toleransinya. Jika boat melebihi set

7/21/2019 13. BAB III.pdf


31

point yang telah ditentukan maka GCS akan memerintahkan dengan remote

control , remote control akan memerintahkan boat dalam 2 control, pertama

control dalam mengatur kecepatan, jika tombol boat ditekan keatas sebanyak

25% MAKA Duty Cycle brushless akan bekerja di 64. Semakin keatas atau

mencapai 100% maka duty cyclenya mencapai 255 dalam kecepatan maksimal.

Yang kedua remote control mengatur arah dari boat, jika kita mau

mengarahkan boat ke kanan maka timing motor servo 1.25ms dan jika kita mau

mengarahkan boat untuk ke kiri maka timing motor servo 1.75ms.

MULAI

Inisialisasi

sudut yaw

dan roll

Menerima

Data

Jika command

tombol 1 25%

Servo

1.75ms

Servo

1.50ms

PWM

Brushless

64

PWM

Brushless

127

PWM

Brushless

191

PWM

Brushless

255

Baca data

sensor IMU

MPU6050

Servo

1.375ms

Servo

1.25ms

Memberi

data GPS

Posisi Kapal Sampai

tujuan?

Jika command

tombol 1 50%

Jika command

tombol 1 75%

Jika command

tombol 1 100%

Jika commandtombol 2 kiri 50%

Jika commandtombol kiri 2 100%

Jika commandtombol kanan 2

50%

Jika commandtombol kanan

100%

Command dari

Ground Control

Station

ya

tidak

ya ya ya

tidak tidak

tidak

tidak tidak tidak

tidak

ya ya ya ya

END

ya

Gambar 3.3. Flowchar Sistem Kontrol Kapal Tanpa Awak

7/21/2019 13. BAB III.pdf


32

3.2 Perangkat Keras

3.2.1 Rangkaian Mikroprosessor

Modul mikroprosesor yang digunakan adalah Raspberry Pi. Raspberry

pi merupakan komputer yang memiliki sistem operasi linux yang memiliki 2

port USB, 1 port RJ45 ( Ethernet LAN port ) dan 8 GPIO UART I2C SPI.

Pada sistem ini yang akan digunakan untuk mengakses IMU, sensor

GPS adalah jalur UART RX dan TX pada PIN.8 dan PIN.10, kamera USB akan

dihubungkan dengan PORT USB pada Raspberry pi, serta komunikasi wireless

dengan GCS ( Ground Control Station ) dengan USB serial. Untuk

mengendalikannnya hubungkan motor servo dengan Raspberry PI di PIN

regulator +5 VDC ( VCC ), GND regulator dan PIN.11 ( SIG ). Raspberry PI

menendalikan speed kapal dengan bantuan Electronic Speed Control ( ESC )

dan motor brushless, cara menghubungkan motor brushless dengan Raspberry

pi di PIN regulator +5 VDC ( VCC ), GND regulator dan PIN.12 ( SIG ) . lalu

PIN motor dihubungkan dengan +12VDC, untuk mengendalikan motor

tersebut. Pada gambar 3.3 adalah perancangan rangkaian modul dengan

Raspberry PI.

7/21/2019 13. BAB III.pdf


33

Gambar 3.4. Perancangan Rangkaian Modul raspberry pi

3.2.2 Sensor IMU dan GPS

Sensor yang dipakai dalam perancangan ini adalah sensor IMU dan

GPS. Sensor IMU ( Inertial Measurement Unit ) datanya diambil

menggunakan jalur I2C BUS yang hanya menggunakan dua pin ( SDA dan

SCL ) yang dihubungkan dengan mikroprosesor secara paralel. Rangkaian

tersebut dapat dilihat di Gambar 3.4.

Gambar 3.5. Perancangan Rangkaian Sensor

7/21/2019 13. BAB III.pdf


34

Sensor IMU dihubungkan dengan PIN Raspberry pada PIN.5 ( SCL )

dan PIN.3 ( SDA ) untuk pengiriman data. Sedangkan untuk sumber daya

sensor dapat dihubungkan pada Regulator ( VCC ) 5 Vdc dan ( GND ).

Tabel 3.1 Perancangan PIN Sensor IMU

IMU RASPBERRY PI

PIN SCL PIN 5

PIN SDA PIN 3

PIN VCC Regulator +5VDC

PIN GND Regulator GND

Cara kerja sensor IMU yaitu Accelerometer berfungsi untuk

mengukur percepatan gravitasi bumi Accelerometer dan dapat digunakan untuk

mendeteksi kemiringan pada pergerakan pitch dan roll. Untuk menghitung

kemiringan pada pitch dan roll, rumusnya adalah:

Roll = arc tan ( y

z ) × (

360

2) (1)

dimana,

x = Percepatan gravitasi di sumbu x ( dalam satuan g )

y = Percepatan gravitasi di sumbu y ( dalam satuan g )

accelerometer pada modul MPU6050 sudah memiliki output digital

ADC ( Analog to Digital ) 16 bit untuk setiap sumbunya ( x, y, z ) dan memliki

pilihan skala pengukuran 2g, 4g, 8g dan 16g. Sehingga untuk melakukan

konversi data accelerometer dari output ADC 16 bit ke percepatan gravitasi

bumi adalah:

7/21/2019 13. BAB III.pdf


35

a = OutputADC / Faktor Pembagi. (3)

dimana,

a = Percepatan gravitasi di salah satu sumbu accelerometer ( x, y atau

z ) dalam gforce.

Hubungan antara faktor pembagi dan skala yang dipilih ini dapat

dilihat pada tabel berikut:

Tabel 3.2. Hubungan skala pengukuran accelerometer dengan factor

pembaginya

NO. Skala

Faktor

Pembagi/Devider

1 2g 16384 LSB/deg/s2 4g 8192 LSB/deg/s

3 8g 4096 LSB/deg/s

4 16g 2048 LSB/deg/s

Gyroscope digunakan untuk mengukur orientasi berdasarkan prinsip

momentum sudut. Konversi data gyroscope darioutput ADC 16 bit ke satuan

derajat/detik dapat dirumuskan:

ω = OutputADC/ Faktor Pembagi (4)

dimana,

ω = Kecepatan sudut (θ /s atau deg/s )

7/21/2019 13. BAB III.pdf


36

Pada perancangan sisitem ini, GPS akan di hubungkan ke modul Raspberry pi

B+ dengan keluaran data GPS TTL UART serial. Data GPS diproses untuk

menetukan posisi kapal terhadap posisi point yang akan dituju berdasarkan perintah

dari GCS ( Ground Control Station ).

Tabel 3.3. Perancangan PIN GPS

Sensor GPS PARALLAX 28505 RASPBERRY PI

PIN RX PIN 8

PIN TX PIN 10

PIN VCC PIN regulator +5 VDC

PIN GND PIN regulator GND

3.2.3 Modul Wireless

Modul Wireless yang digunakan adalah TP-LINK TL-WN725N, Modul

wireless ini digunakan untuk mengirim pesan /informasi dari USV ke ground Station

bekerja pada frekuensi 2.4-2.48 Ghz . Modul ini memiliki kecepatan 150+ Mbps

dengan kinerja jangkauan hingga 150m. Port pada TP-LINK TL-WN725N

menggunakan USB, sehingga memudahkan untuk dintegrasikan dengan raspberry pi,

sehingga memudahkan untuk dintegrasikan dengan raspberry pi ( Gambar 3.5 ).

7/21/2019 13. BAB III.pdf


37

Gambar 3.6. TP-LINK TL-WN725N ke Raspberry PI b+

3.2.4 Modul Kamera

Kamera yang digunakan untuk melakukan pengambilan gambar adalah

jenis webcam. Webcam memiliki port USB, sehingga memudahkan untuk di

hubungkan dengan Raspberry pi. Kamera ini juga di letakkan fixed di bagian

depan kapal. Kamera ini digunakan karena mempunyai mic ( mempunyai

suara dari kamera ), VGA pixel CMOS dan kualitas 640 x 480 pixels Video

yang digunakan untuk memonitoring perairan.

3.2.5 Motor servo

Motor servo berfungsi untuk mengendalikan fin untuk mengarah laju kapal yang

berada di stern ( bagian belakang kapal ) dan untuk menyeimbangkan laju kapal pada

saat roll dan yaw. Pada saat kapal sedang berbelok kekanan dan kekiri kapal

membutuhkan range berputar sekitar 1-2 meter, ini karena kapal mempunyai

7/21/2019 13. BAB III.pdf


38

spesifikasi lambung kapal yang panjang 1 meter sehingga angle yang di dapat saat

berputar atau berbelok membutuhkan range yang jauh. Servo membutuhkan

pewaktuan yang dibutuhkan pada posisi netral dan saat berbelok, dibawah ini adalah

diagram pewaktuan servo.

Gambar 3.7. diagram pewaktuan servo motor

Tabel 3.4. Perancangan PIN Motor Servo

Motor Servo RASPBERRY PI

PIN Signal PIN 11



Untuk mengendalikannnya hubungkan motor servo dengan Regulator (+5 VDC)

dan (GND) dan PIN.11 (SIG) yang dihubungkan dengan raspberry pi untuk

mengendalikan motor servo tersebut.

7/21/2019 13. BAB III.pdf


39

Gambar 3.8. Rangkaian dari Motor Servo

3.2.6 Driver Motor dan Motor DC Brushless

Motor DC Brushless bekerja dengan controller melalui pergantian

elektronik. Dengan metode analog setiap perubahan PWM-nya sangat halus,

sedangkan menggunakan metode digital setiap perubahan PWM dipengaruhi

oleh resolusidari PWM itu sendiri. Resolusi adalah jumlah variasi perubahan

nilai dalam PWM tersebut. Misalkan suatu PWM memiliki resolusi 8 bit

berarti PWM inimemiliki variasi perubahan nilai sebanyak 28 = 256 variasi

mulai dari 0 – 255 perubahan nilai yang mewakili duty cycle 0 – 100% dari

keluaran PWM tersebut.

7/21/2019 13. BAB III.pdf


40

Gambar 3.9. Duty Cycle dan Resolusi PWM

Electronic Speed Control atau yang disebut dengan ESC adalah sirkuit

elektronik dengan tujuan untuk memvariasikan kecepatan motor listrik, arah

dan mungkin juga bertindak sebagai rem dinamis. Di alat ini motor brushless

dihubungkan dengan esc

Raspberry PI menendalikan speed kapal dengan bantuan

electronic speed

control (ESC dan motor brushless, cara menghubungkan motor brushless

dengan regulator (+5VDC) dan (GND) dan PIN.12 (SIG) di raspberry pi

untuk mengendalikan motor tersebut.

Tabel 3.5. Perancangan PIN Motor Brushless + Eletronic Speed Control

Motor Brushless + Eletronic Speed Control RASPBERRY PI

PIN RX PIN 8

PIN TX PIN 10


7/21/2019 13. BAB III.pdf


41


PIN V.Motor PIN Supply +12 VDC

PIN GND Motor PIN Supply GND

Gambar 3.10. Rangkaian dari Motor DC Brushless

3.2.7 Remote Control

USV di kendalikan dari GCS dengan menggunakan remote control .

remote control ini ada dua jenis, yaitu remote control untuk speed dan remote

control arah. remote control speed berfungsi untuk mengatur kecepatan pada

motor dc brushless. Joystick arah berfungsi untuk mengatur arah dengan

bantuan motor servo. remote control ini di hubungkan langsung ke PC melalui

USB.

7/21/2019 13. BAB III.pdf


42

Gambar 3.11. Rangkaian Remote Control

3.3 Perangkat lunak

Kendali sistem kerja monitoring yang menggunakan sebuah mikrokontroler

harus dirancang melalui kode listing atau programming . Rancangan tersebut nantinya

akan dijadikan sebagai algoritma kendali dari keseluruhan sistem kerja kapal. Seluruh

algoritma pemrograman dibuat menggunakan bahaca C dengan compiler Code Vision

AVR versi 2.03.4.Sedangkan untuk programming Raspbery Pi menggunakan software

GCC untuk mengaktifkan port USB dan komunikasi UART.

3.3.1 Pembacaan Sensor

Data dari sensor yang terdapat pada modul IMU melalui jalur I2C dan

GPS diambil melalui jalur serial Rx dan Tx. data yang diperlukan berupa

perubahan posisi serta arah tujuan kapal. Setelah data tersebut diolah,

kemudian sensor akan mengirimkan data tersebut secara serial ke Raspberry pi.

7/21/2019 13. BAB III.pdf


43

Raspberry pi akan meneruskan data tersebut bersamaan dengan data hasil citra

gambar dari kamera USB menuju GCS (Ground Control Station) menggunakan

jalur Ethernet melalui jalur nirkabel atau wifi dan data ditampilkan di interface.

3.3.2 Perancangan Tampilan I nterf ace

Data setiap sensor ,GPS dan Kamera akan di tampilkan dan dimonitoring

pada GUI (Graphical User Interface) yang menggunakan software Visual

Studio.

Gambar 3.13. Interface Kapal Tanpa Awak

13. bab iii.pdf

Documents