Analisa Respon Sistem Kendali PID-LQR Sebagai Pengendali Kesetimbangan Rolling Pada Prototipe Sepeda Roda Dua

Teknologi yang sedang berkembang pesat pada dunia otomotif adalah kendaraan autonomous. Salah satu tantangan pada kendaraan autonomous adalah stabilitas kendaraan atau self-balancing. Pada kendaraan beroda empat kontrol stabilitas elektronik sudah diterapkan pada kendaraan guna meningkatkan keamanan dari sisi pengendalian mobil, namun pada kendaraan beroda dua teknologi self-balancing atau two-wheel balancing belum banyak diterapkan. Teknologi self-balancing pada kendaraan roda dua telah dilakukan dengan menerapkan metode kontrol penyeimbangan seperti metode steering control, stabilisasi giroskop, dan reaction wheel. Metode reaction wheel memiliki konsep dasar yang sama dengan Inertia Wheel Pendulum (IWP) yang merupakan salah satu tipe dari sistem inverted pendulum . Inverted pendulum adalah sebuah sistem dinamis yang memiliki pusat massa pada poros dengan massa yang bebas berputar. Sistem ini memiliki sifat non linear dan tidak stabil oleh karena itu banyak digunakan sebagai model penelitian sistem kontrol dengan memantau sudut pendulum dan mengatur besar torsi pada massa berputar. Meskipun terdapat metode lain untuk menyeimbangkan inverted pendulum, seperti pendulum dengan sistem kereta bergerak (cart) dan inverted pendulum beroda, IWP memiliki kelebihan dikarenakan tidak memerlukan sebuah platform atau kereta yang membuatnya lebih sederhana dan rigid selain itu IWP hanya membutuhkan satu input berupa torsi dari motor yang akan memutar roda inersia. Penelitian yang telah dilakukan banyak berfokus pada aspek kontrol yang diterapkan pada IWP. Oleh karena itu penulis memutuskan untuk melakukan pemodelan inertia wheel yang diterapkan pada prototipe kendaraan beroda dua menggunakan model Arduino Engineering Kits dan hasil penurunan persamaan gerak model akan digunakan untuk pengendalian menggunakan LQR, PID, dan LQR-PID untuk menstabilkan prototipe kendaraan. Hasil simulasi pengontrolan LQR, PID, dan LQR-PID juga akan dibandingkan untuk mengetahui sistem kendali yang paling baik untuk digunakan sebagai penstabil prototipe kendaraan dengan inertia wheel. Sistem kendali disimulasikan pada model nonlinear menggunakan Simscape Multibody. Hasil penelitian menunjukan bahwa dengan sudut awal 5.2º sistem kendali LQR, PID, dan LQR-PID mampu mempertahankan model prototipe sepeda roda dua ke posisi tegak. Sistem kendali LQR-PID menghasilkan respon paling bagus dengan settling time lebih cepat dari PID dan %OS lebih kecil dibandingkan dengan LQR pada kondisi input tidak dibatasi dan dengan penambahan noise. Pada analisa kasus penambahan saturasi 12 V juga dapat disimpulkan LQR-PID memberikan respon terbaik di bandingkan kedua sistem kendali lainnya. Simulasi juga menunjukan bahwa ketiga sistem kendali memiliki region of attraction (ROA) untuk sudut awal sebesar 5.3232422º. ===================================================================================================== Autonomous vehicles are a rapidly growing technology in the otomotif world. One of the challenges faced by autonomous vehicles is self-balancing. In a four wheel vehicle, electronic stability control has been applied to increase control safety in cars but two wheel vehicles rarely use the self balancing technology. The self balancing technology has been used in two wheel vehicles by applying the stability control methods such as steering control method, gyroscopic stability, and reaction wheel. The reaction wheel method has the same basic concept as the Inertia Wheel Pendulum (IWP) which is a type of the inverted pendulum system. Inverted pendulum is a dynamic system which has a mass center on an axis of mass that is free to rotate. This system has nonlinear and unstable properties, which is why it is widely used as a control system research model by monitoring the pendulum angle and adjusting the torque on the rotating mass. Though there are other methods for balancing an inverted pendulum, such as a pendulum with cart system and inverted pendulum on wheels, IWP has the advantage of not requiring a platform or cart which makes it simpler and more rigid. Aside from that, IWP only requires one input in the form of torque from the motor which will rotate the inertial wheel. Most research mainly focuses on the control aspect applied by IWP. Therefore the author has decided to carry out wheel inertia modeling applied to the prototype of a two wheel vehicle using the Arduino Engineering Kits model and the derivation in the equation of motion of the model would be used for control using LQR, PID, and LQR-PID to stabilize the prototype. Simulation results of the LQR, PID, and LQR-PID control simulations will also be compared to determine the best control system to be used as a vehicle prototype stabilizer with an inertia wheel. The analysis done shows that with a starting angle of 5.2º, LQR, PID, and LQR-PID are able to maintain the prototype of a two-wheel bike to an upright position. LQR-PID manage to give the best response out of the three control systessm used in the simulation, delivering faster settling time than PID and smaller %OS than LQR in an unsaturated condition and with added noise. When saturation of 12 V is given to the system, LQR-PID also deliver the best response. Through simulation can also be known that all three control system have the same region of attraction with a starting angle of 5.3232422