Indonesia adalah negara kepulauan yang sangat luas, terpisahkan oleh laut, dan banyak memiliki wilayah topografi yang sulit. Teknologi wahana tanpa awak sangat diperlukan untuk berbagai keperluan, seperti pemantauan wilayah, pengawasan kebakaran hutan, survey data iklim, dan juga penanggulangan bencana. Untuk menjangkau wilayah-wilayah yang sulit akibat topografi, wahana Unmanned Aerial Vehicle (UAV), atau lebih sering dikenal dengan sebutan drone, memerlukan kemampuan navigasi dan sistem pengendalian yang handal dan optimal.
Dengan kemampuan terbang yang lama, UAV sayap tetap telah banyak diimplementasikan untuk pemantauan dan survei udara. Perencanaan manuver UAV sayap tetap merupakan masalah optimasi yang komplek karena memiliki banyak kendala (constraints) yang harus dipertimbangkan. Gerakan UAV harus dijaga untuk tetap di wilayah operasional UAV karena jika UAV bergerak di luar wilayah operasional penerbangan UAV dapat mengakibatkan kerusakan serius atau kecelakaan. Misalnya, UAV fixed-wing memiliki kecepatan minimum untuk menghindari kondisi stall dan kecepatan maksimum yang berasal dari limitasi aktuator.
Penerbangan pada ketinggian konstan sangat penting untuk UAV yang sering terbang di atas medan yang komplek, dan sulit. Penerbangan ini memerlukan metode motion planning yang handal agar UAV sayap tetap mampu terbang dengan lincah dan menghindari tabrakan. Penelitian yang dilakukan oleh Dr. Affiani Machmudah dan tim membahas permasalahan ini. Gerak UAV yang dibahas dalam penelitian ini adalah masalah penerbangan pada ketinggian konstan dengan mekanisme bank-turn. Kurva Bezier digunakan sebagai lintasan penerbangan karena kurva ini memiliki kelincahan dan kontinuitas lintasan yang diperlukan sebagai jalur penerbangan UAV. Perencanaan gerak dilakukan dalam dua tahap, yaitu perencanaan jalur (path planning) dan perencanaan lintasan (trajectory planning) penerbangan. Tujuan perencanaan jalur adalah untuk meminimalkan panjang jalur dengan mempertimbangkan kendala kelengkungan dan menghindari tabrakan. Berbeda dengan penelitian-penelitian sebelumnya, dalam menghasilkan lintasan lengkung penerbangan, penelitian ini tidak menggunakan teknik berbasis grid maupun algoritma Rapidly-exploring Random Tree (RRT). Kurva Bezier dihasilkan secara langsung dengan mencari titik kontrol kurva Bezier yang optimal menggunakan optimasi meta-heuristik. Langkah kedua adalah mencari waktu dan faktor beban (load faktor) yang optimal dengan mempertimbangkan kendala lintasan penerbangan.
Ada dua kemungkinan cara untuk melakukan manuver penerbangan menggunakan kurva kubik Bezier, yaitu dengan strategi kecepatan konstan atau strategi kecepatan variabel/berubah. Sebuah strategi untuk menghasilkan profil kecepatan dalam rentang kecepatan dikembangkan. Hasil penelitian menunjukkan bahwa strategi kecepatan variabel menunjukkan performa yang sangat bagus untuk mengurangi distribusi faktor beban. Particle Swarm Optimization (PSO) menunjukkan kinerja yang sangat baik dalam menemukan solusi optimal dibandingkan dengan Genetic Algorithm (GA) dan Grey Wolf Optimizer (GWO) untuk perencanaan jalur dan perencanaan lintasan penerbangan.
Strategi kecepatan variabel yang diusulkan telah berhasil mengurangi faktor beban dari strategi kecepatan konstan. Secara umum, PSO mengungguli GA dan GWO untuk langkah perencanaan jalur dan langkah perencanaan lintasan. Kecepatan variabel bermanfaat dalam mengurangi faktor beban, terutama ketika jalur manuver melibatkan radius putar yang kecil. Radius putar yang kecil ini mungkin diperlukan ketika UAV harus melakukan tugas pemantauan di lingkungan yang memiliki rintangan yang banyak dan komplek. UAV Ascent memiliki rentang kecepatan yang relatif kecil, yaitu 8 m/s sampai 12 m/s, tetapi kecepatan variabel telah berhasil mengurangi distribusi faktor beban selama manuver tikungan. Kecepatan variabel yang diusulkan telah berhasil diterapkan untuk menyelesaikan UAV secara simultan pada misi target dengan menggabungkannya dengan strategi kecepatan konstan. Selanjutnya, dapat diamati bahwa lintasan penerbangan yang dihasilkan mulus dan berada dalam zona yang diizinkan.
Ada beberapa rekomendasi yang mungkin untuk studi mendatang untuk meningkatkan perencanaan gerak UAV yang diusulkan. Faktor cakupan area survei dapat diimplementasikan dalam perhitungan. Penelitian ini menggunakan iterasi maksimum, yaitu 4000 angka iterasi, sebagai kriteria penghentian. Kriteria pemberhentian tambahan lainnya, yang dapat mewakili cakupan jalur survei UAV, dapat ditambahkan untuk memenuhi misi rute UAV dan mencapai stabilitas hasil perencanaan jalur. Keluaran perencanaan gerak akan digunakan sebagai acuan gerak pada sistem kendali UAV. Oleh karena itu, studi tentang sistem kendali UAV dengan menggunakan lintasan kecepatan variabel yang diusulkan sebagai referensi gerak merupakan penelitian yang penting untuk dilakukan.
Akhir kata, penelitian dibidang motion planning teknologi pada UAV masih sangat perlu untuk dikembangkan lebih lanjut dalam mendukung kemampuan UAV sayap tetap untuk memantau wilayah-wilayah kepulauan dengan topografi yang sulit dan komplek.
Penulis artikel: Affiani Machmudah
Publikasi: Machmudah, A.; Shanmugavel, M.; Parman, S.; Manan, T.S.A.; Dutykh, D.; Beddu, S.; Rajabi, A. Flight Trajectories Optimization of Fixed-Wing UAV by Bank-Turn Mechanism. Drones 2022, 6, 69. https://doi.org/10.3390/drones6030069
Link artikel: https://www.mdpi.com/2504-446X/6/3/69/htm
