PERANCANGAN SISTEM GUIDANCE UNTUK MEMBANGUN AUTOPILOT KAPAL PKR KRI KELAS SIGMA

Oleh :

Robbi HanditoNRP.2408100033

Dosen pembimbing:1. Dr. Ir. Aulia Siti Aisjah, MT2. Dr. Ir. A. A. Masroeri, M.Eng

Konsorsium Kapal Perang KRI Kelas Sigma

• Material

• Explosive & Propulsi

• Sistem Kontrol

• Mechatronics

Latar Belakang

2/3 wilayah Indonesia berupa wilayah perairan

Perlu adanya sistem keamanan guna menjaga kedaulatan NKRI

Perancangan sistem Guidance untuk

membangun autopilot

Perumusan MasalahPermasalahan dalam penyusunan Tugas Akhir ini adalah :

Bagaimana merancang sistem guidance untuk membangunautopilot pada kapal Perang Kawal Rudal KRI Kelas Sigmadengan trayektori yang ditentukan untuk memperhitungkanposisi kapal agar sesuai dengan setpoint.

Sistem Guidance

??

Batasan Masalah

Kapal yang digunakan sebagai studi kasus adalah kapal

Perang Kawal Rudal KRI Kelas Sigma.

Variabel yang dikendalikan adalah sudut yaw.

Metode kontrol yang digunakan berdasarkan peneliti

sebelumnya yaitu berbasis logika fuzzy.

Perancangan sistem guidance mengikuti kondisi riil

sebagai trayektori kapal dalam merancang autopilot.

Pengaruh eksternal hanya berupa tinggi gelombang.

Tujuan Penelitian

Tujuan Tugas Akhir ini adalah untuk merancang sistem

guidance untuk membangun autopilot kapal Perang Kawal

Rudal KRI Kelas Sigma dengan trayektori yang ditentukan

dan melakukan perhitungan posisi kapal.

Teori Penunjang

1. Pemodelan dinamika kapal

Bentuk umum persamaan kendali manuvering kapal dinyatakan dalam bentuk :

dengan ν = [u, v, r]T merupakan vektor kecepatan, yangnantinya akan diturunkan dalam bentuk pemodelan kedalamdua range frekuensi, yaitu frekuensi rendah dan frekuensitinggi, dan τL merupakan vektor kendali gaya dan momen.M dan D merupakan matrik inersia dan redaman yangdiperoleh dari linierisasi persamaan gaya dan momen padaarah surge, sway dan yaw

Lτυν =+DM &

Persamaan kecepatan dan sistem kemudi kapal akan sesuai berdasarkan beberapa asumsi, yaitu:

Distribusi massa homogen dan bidang xz simetris (Ixy = Iyz= 0)Mode heave, roll dan pitch dapat diabaikan (ω = p = q = ω = p = q = 0 )

Kemudian gunakan asumsi diatas ke dalam persamaan :

2. Fungsi Transfer dari Dinamika KapalModel plant dari dinamika manuvering kapal didapatkan

dari pendekatan yang dilakukan oleh Nomoto orde 2 :

( ) ( )( )( )sTsTs

sTKsr R

R 21

3

111

+++

=δ

( )( )NMTT

detdet

21 =

)det(1221211211222211

21 Nmnmnmnmn

TT−−+

=+

)det(211121

Nbnbn

K R−

=

)det(211121

3 NbmbmTK R

−=

Dimana elemen mij, nij dan bi ( i = 1,2 dan j = 1,2)didapatkan dari matriks berikut:

M = N= b=

det (N) = det (M)=

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−−−

rzvG

rGv

NINmxYmxYm

&&

&&

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−−−

rG

r

NumxNYmuY

0

0

υ

υ

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡

δ

δ

NY

( ) ( )muYNumxNY rvGrv −−− ( )( ) ( )( )rGvGrzv YmxNmxNIYm &&&& −−−−−

( ) ( )M

NYmxYNIb rGrz

det1δδ && −−−

=( ) ( )

MYNmxNYm

b vGv

det2δδ && −−−

=

Sedangkan untuk gaya dan momen yang diakibatkan rudder :

2

2 1.516.01)/(

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−+=

′−LB

TBC

LTY Bv

π&

2

2 0033.067.0)/(

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

′−TB

LB

LTYr

π&

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛=

′−TB

LB

LTNv 041.01.1

)/( 2π&

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−+=

′−LB

TBC

LTN Br 33.0017.0

121

)/( 2π&

TBC

LTY Bv 4.01

)/( 2 +=′−

π

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛+−=

′−TB

LB

LTYr 08.02.2

21

)/( 2π

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛+=

′−LT

LTNv 4.2

21

)/( 2π

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛−+=

′−LB

TB

LTNr 56.0039.0

41

)/( 2π

LTA

Y δδ

πρ4

= δδ YN21

−=

3. Pemodelan Gangguan SistemBerikut ini adalah fungsi tranfer yang menyatakan gangguan berupa gelombang yang dibangkitkan oleh angin (Fossen,1994) dinyatakan sebagai berikut :

200

2 2)(

ωξωω

++=

sssKsh

ωω σξω02=Kvg88.00 =ω

4. Model Dinamika RudderRudder merupakan aktuator berfungsi untuk

menentukan arah dari kapal agar sesuai denganlintasan yang diinginkan. Berikut ini adalahrepresentasi sederhana dari rudder(Fossen,1994)

5. Perancangan Kendali Logika FuzzyKendali logika fuzzy memberikan suatu metodologi untuk

merepresentasikan, memanipulasi, dan mengimplementasikan caraberfikir manusia tentang bagaimana mengontrol suatu sistem.

Secara umum kendali logika fuzzy tergabung dalam sistemkendali close loop seperti terlihat pada gambar berikut ini:

Komponen utama dari kendali logika fuzzy adalah unit fuzzifikasi,unit penalaran logika fuzzy atau inferensi fuzzy, basis pengetahuan,dan unit defuzzifikasi

a. FuzzifikasiFuzzifikasi adalah proses pemetaan dari masukan hasilobservasi ke himpunan fuzzy dalam semestapembicaraan yang bervariasi. Data hasil observasidinyatakan dalam bentuk crisp dan fuzzifikasi dibutuhkanuntuk mengubah range observasi masukan ke nilai fuzzyyang sesuai untuk variabel masukan sistem

b. Basis PengetahuanBasis pengetahuan berisi basis data dan basis aturanyang mendefinisikan himpunan fuzzy atas daerah-daerahmasukan dan keluaran yang disusun dalam perangkataturan kendali yang meliputi : Kuantisasi danNormalisasi, Pembagian Ruang Masukan dan Keluaran,Pembagian Ruang Masukan dan Keluaran

c. DefuzzifikasiDefuzzifikasi adalah langkah terakhir dalam suatusistem kendali logika fuzzy untuk mengkonversisetiap hasil dari inference engine yang diekpresikandalam bentuk fuzzy set ke satu bilangan real. Hasilkonversi tersebut merupakan aksi yang diambil olehsistem kendali logika fuzzy. Karena itu, pemilihanmetode defuzzifikasi yang sesuai juga turutmempengaruhi sistem kendali logika fuzzy dalammenghasilkan respon yang optimum. metodedefuzzifikasi yang sering digunakan adalah mean ofmaximum dan center of area

4. Way Point Antara Garis Lurus Dua Titik

Diasumsikan terdapat dua titik yaitu A dan B dengan koordinat [x(0),y(0)] dan [x(t),y(t)] dan kecepatan kapal U dan pendekatan waktu tf belum diketahui:

Sudut heading hanya dapat diubah pada tiap-tiap point. Olehkarena itu overshoot harus diamati ketika terjadi perubahantitik point.

)0()()0()(arctan

xtxytyd

−−

=Ψ

5. Sistem AutopilotDalam membangun autopilot ada 3 bagian penting yang

harus diperhatikan yaitu : Sistem kontrol, sistem navigasi, dansistem guidance. Berikut ini merupakan diagram blok dari sistemautopilot kapal KRI Kelas Sigma :

5.1 Sistem KontrolSistem kontrol merupakan sistem yang berfungsi

mengendalikan semua peralatan yang diperlukan olehkapal, baik hardware maupun software untuk memperolehsinyal kontrol untuk sistem penggerak dan kemudi kapal.Kontroller dapat berupa manusia sebagai operator atauautopilot. Berdasarkan referensi dan setpoints

5.2 Sistem NavigasiSistem navigasi didefinisikan sebagai perangkat keras

dan perangkat lunak untuk memperkirakan posisi dankecepatan yang diperlukan untuk keakuratan sistemkontrol. Peralatan yang umum untuk sistem kendali kapaladalah sebuah GPS dan gyrocompass.

5.3 Sistem GuidanceSistem guidance merupakan aksi dari sistem secara

kontinyu melakukan perhitungan referensi (setpoint)berupa posisi, kecepatan, dan percepatan (PVA) dari kapalsebagai masukan untuk sistem kontrol. Data PVA tersebutbiasanya disediakan oleh operator dan sistem navigasi.Komponen dasar dari sistem guidance meliputi Komponendasar sistem guidance adalah sensor (Compas, GPS, danGyrocompas), eksternal data seperti data cuaca(kecepatan dan arah angin, tinggi gelombang dankemiringan, kecepatan arus dan arah arus).

Dalam sistem guidance ada beberapa tahapan yangdiperlukan yaitu ; pembangkitan trayektori, data basetrayektori, dan perhitungan posisi kapal

Metodologi Penelitian

Pengambilan DataData masukan yang digunakan untuk membuat simulasi sistem guidance kapal KRI Kelas Sigma adalah panjang (L), lebar (B), kedalaman (T) dan koefisien blok (CB)

Panjang Kapal (Lpp) : 90,71 mKecepatan (U) : 14,4 m/sLebar Kapal (B) : 13,02 mKoefisien Blok (Cb) : 0,65Center of Gravity (XG) : 5,25 mRudder Area (Aδ) : 5,37 m2

Kedalaman (T) : 3.75 mMassa Kapal (m) : 1818 Kg

Pemodelan Dinamika KapalBerdasarkan persamaan model Nomoto didapat hasil sebagai berikut :

32 10,495,211664704

ssss

+++

=δψ

Pemodelan Gelombang

=2. 0,1.0,84.10=1,67ωω σξω 02=K

7,017,053,0)( 2 ++

=ssssh

168,084,0.1,0.22 0 ==ξω

84.088.00 ==vgω

Pemodelan RudderRudder yang digunakan adalah Roll-Roice dengan spesifikasi (Data Teknis Kapal) :1. Range kerja : -300 sampai 350

2. Laju Kerja Rudder : -2 0 sampai 70

2

0

Perancangan Logika FuzzyPerancangan kendali dimulai dengan pembangkitan datamasukan dan keluaran fuzzy. Pada Tugas Akhir inidigunakan 3 masukan yaitu berupa error yaw (e), yaw rate(r), error lintasan (d) dan keluaran berupa sinyal aksirudder.

Diagram Alir Perancangan Fuzzy

Perancangan Sistem GuidanceBerikut ini adalah trayektori yang digunakan untukmerancang sistem guidance di dareah Selat Malaka(perbatasan laut antara Indonesia dengan Malaysia)

Pengujian dan Analisa

Pengujian dan analisa dilakukan terhadaphasil keluaran sistem kendali yaitu error lintasan,untuk mengetahui apakah sistem guidance yangtelah dirancang mampu untuk pemenuhanlintasan kapal PKR KRI Kelas Sigma

ANALISA DATA DAN PEMBAHASAN

Uji Open Loop SistemUji open loop ini digunakan untuk mengetahui respon kapal PKRKRI Kelas Sigma apabila diberi suatu nilai masukan tertentu

Waktu

Amplitudo

Uji Close Loop sistem Tanpa GangguanUji close loop ini digunakan untuk mengetahui respon kapal ketika diberi suatu kontroller, dimana kontroller yang digunakan adalah fuzzy logic

Titik Koordinat Target Koordinat Aktual selisih

Target x (m) y (m) x (m) y (m) d (m)

1 11067973 408967,8 11067973 408967,8 1,3068E‐08

2 11283718 242488,2 11283718 242488,2 4,2842E‐08

3 11297594 245896 11297594 245896 4,4704E‐08

4 11301783 249068,9 11301783 249068,9 2,7944E‐08

5 11323833 245402,5 11323833 245402,5 6,8918E‐08

6 11345918 222396,7 11345918 222396,7 4,4704E‐08

7 11351367 197310,1 11351367 197310,1 5,0292E‐08

8 11363456 197334,5 11363456 197334,5 2,6079E‐08

9 11372880 188322,8 11372880 188322,8 3,9116E‐08

10 11380614 181375,3 11380614 181375,3 1,6771E‐08

Uji Close Loop Sistem Dengan Gangguan Gelombang setinggi 1,1 m

Titik Koordinat Target Koordinat Aktual selisih

Target x (m) y (m) x (m) y (m) d (m)

1 10849815 577303,1 10849819 577302,6 3,14

2 10851520 575987,5 10851524 575986,9 3,23

3 10863276 566916 10863280 566914,4 3,65

4 10895183 542294 10895186 542288,5 2,28

5 10934446 511995,6 10934449 511987,4 2,28

6 11103357 381650,6 11103362 381631,7 3,91

7 11123851 365835,8 11123854 365815,2 1,54

8 11267310 255132,2 11267327 255156,6 17,71

9 11296534 245577 11296494 245599 39,14

10 11353608 197374,5 11353689 197450,3 82,5

Uji close loop dengan gangguan gelombang 6 m

Titik Koordinat Target Koordinat Aktual selisih

Target x (m) y (m) x (m) y (m) d (m)

1 11072419 405524,6 11072414 405524,6 5,780840499

2 11283690 242492,2 11283674 242492,2 15,4770333

3 11291904 244465 11291891 244465 13,0514354

4 11301741 249107,5 11301760 249107,5 19,2341506

5 11327762 241361 11327766 241361 3,6471364

6 11341390 227201,6 11341433 227201,6 42,4046638

7 11353608 197374,5 11353498 197374,5 110,1071402

8 11361080 197354,6 11361044 197354,6 35,9133888

9 11374546 186824,1 11374475 186824,1 71,0625945

10 11389809 172854,4 11389709 172854,4 99,3100121

Kesimpulan

1. Perancangan sistem guidance untuk kapal KRIKelas Sigma berhasil untuk kondisi tanpagangguan dengan error mendekati nol danerror rata-rata sebesar 3,74437E-08 m.

2. Pada perancangan sistem guidance dengangangguan gelombang setinggi 1,1 mmenghasilkan nilai error rata-rata 15,938 m.

3. Perancangan pada saat ada gangguangelombang setinggi 6 m (sea stage 6)menghasilkan error rata-rata 41,59884 mdengan nilai error terbesar 110,1071402 m

4. Kapal KRI Kelas Sigma mampu untukdigunakan sampai sea stage 6.

Sekian dan...

Terima Kasih

Hardware• Microprossesors• Supporting Chips• PCB

Software• Operating System• ProgrammingLanguage

• DedicatedSoftware

Control law• Mathematical Modeling

• Algorithm• Operational Program

SISTEM KONTROL