rancang bangun telemetri kualitas udara - PPTA

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ACKERMAN MOBILE ROBOT DENGAN
KENDALI PID UNTUK MENGHINDARI HALANGAN BERBASIS HYBRID
SYSTEM
Ratih Kesuma Dewi1)
1) Program Studi S1 Sistem Komputer, STIKOM Surabaya, email: [email protected]
Abstract: Robot is a key driver of modern industry, it is a symbol of technological
progress in the 21st century. With the robots can alleviate human work because robots have
the advantage over men, among others, in terms of speed, accuracy, and most importantly, are
able to perform dangerous work that humans can not be done directly, for example, data
collection in the area of the volcano and clean up spills radioactive. It required a robot that has
the ability to avoid obstacles (obstacle avoidance) in order to achieve the mission of a robot.
So that the robot can walk with subtle needed a controller, which is used to control system
with PID control parameters are input using proximity sensors (position sensitive device).
The proximity sensor is a sensor types in the form of an analog voltage output. It
required an analog processor, one is the FPAA. FPAA is an integrated circuit that can be
configured to create multiple analog functions using multiple CAB (Configurable Analog
Blocks) and interconection CAB network to connect between each other and are equipped
with input - output (I / O) block and memory storage media type of RAM (Read Access
Memory). In this study, the sensor output is used FPAA with PID control to adjust the speed
of the motor. To avoid bumping into obstacles added a proximity sensor on the left and right
front. However, in this study the PID controller as expected yet.
Keyword: Robot, PID, dan FPAA
Robot merupakan pendorong utama
industri modern, ia merupakan lambang
kemajuan teknologi di abad ke 21. Disatu
sisi robot dipandang sebagai mesin yang
potensial untuk menyaingi keberadaan
manusia. Dengan adanya robot bisa
meringankan pekerjaan manusia karena
robot mempunyai kelebihan dibandingkan
manusia, antara lain dari segi kecepatan,
ketelitian, dan yang terpenting adalah bisa
melakukan pekerjaan yang berbahaya yang
tidak mungkin dilakukan manusia secara
langsung misalnya, pengambilan data di
daerah gunung merapi, membersihkan
tumpahan bahan radio aktif.
Untuk itu diperlukan sebuah robot
yang mempunyai kemampuan untuk
menghindari
halangan
(obstacle
avoidance) agar tercapai misi dari sebuah
robot tersebut. Tidak hanya dalam control
yang telah berkembang demikian halnya
dengan kemajuan yang terjadi pada
pengatur
steering
mobile
robot,
diantaranya adalah ackerman steering.
Prinsip ackerman steering sama dengan
steering pada mobil. Dimana salah satu
kelebihan dari ackerman steering tidak
terjadi slip pada saat berbelok. Hal ini
cocok untuk digunakan untuk kehidupan
nyata yang kondisi jalannya tidak rata. Jika
menggunakan differential steering dalam
kondisi seperti itu, sangat dimungkinkan
terjadi slip pada saat berbelok.
Penelitian kali ini akan dikhususkan
pada sistem kendali PID. Sistem kendali
ini digunakan untuk mengendalikan robot
agar dapat menghindar dari benturan
dengan halangan yang terdapat pada
lingkungan sekitar jalan yang ditempuh
robot. Untuk menghindari halangan tentu
saja diperlukan sebuah sistem steering
dimana yang digunakan dalam penelitian
ini adalah ackerman steering. Untuk sistem
kendali yang digunakan adalah kendali
PID dengan parameter input menggunakan
sensor jarak (position sensitive device).
Position sensitive device (PSD)
merupakan sensor jarak yang digunakan
agar mobile robot dapat mengenali
lingkungannya. Jenis sensor PSD adalah
sonar, laser, dan infra merah. Salah satu
sensor PSD yang menggunakan infra
1
merah adalah Sharp GP2D12. Sensor ini
menghasilkan output tegangan analog.
Untuk itu agar lebih mudah dalam
memproses data outputnya diperlukan
suatu pemroses yang analog, salah satu
adalah FPAA.
Dalam penelitian ini mobile robot
bernavigasi secara mandiri. Agar dapat
mengenali lingkungannnya digunakan
sensor
PSD
yang
menggunakan
inframerah, unit pemroses yang digunakan
merupakan kombinasi antara FPAA
dengan
microcontroller.
Metode
pendukung untuk mengatasi kondisi
lingkungan menggunakan kendali PID.
Mekanisme steering robot menggunakan
ackerman steering, dengan harapan bahwa
dapat diaplikasinya ke kondisi yang riil.
Metode
Dalam perancangan dan pembuatan
Ackerman Mobile Robot Dengan Kendali
PID Untuk Menghindari Halangan
Berbasis Hybrid System ini digunakan blok
diagram secara keseluruhan seperti pada
Gambar 1.
mikrokontroler untuk menggerakkan motor
stir yang berupa motor servo ke kiri atau
ke kanan. Namun sensor kanan, dan kiri
merupakan sensor yang bersifat analog.
Artinya hasil pembacaan sensor berupa
tegangan (volt) yang range nilainya 0-3
volt.
Microcontroller
tidak
dapat
menggunakan secara langsung hasil
pembacaan sensor yang analog, oleh
karena itu harus diubah menjadi data
digital. Untuk mengubah data analog
menjadi data digital, hasil pembacaan
sensor harus melalui komparator terlebih
dahulu.
Sensor belakang digunakan untuk
mendeteksi adanya halangan di bagian
belakang. Jika sensor tengah, kirai,dan
kanan mendeteksi halangan yang begitu
dekat maka motor DC akan bergerak
mundur. Jika dideteksi adanya halangan
maka motor akan bergerak maju.
Perancangan Perangkat Keras
Sensor Sharp GP2D120
Sensor sharp GP2D120 merupakan
sebuah sensor deteksi jarak dengan
menggunakan cahaya infra merah yang
outputnya berupa tegangan analog. Blok
diagram dari sharp GP2D120 berisi LED
pemancar dan penerima yang memiliki
rangkaian pemroses, driver, dan rangkaian
osilasi serta rangkaian output analog seperti
Gambar 2.
Gambar 1. Blok Diagram Keseluruhan
Sistem.
Hasil pembacaan sensor tengah akan
dibaca oleh FPAA untuk kontrol PID.
Setelah dari FPAA akan menghasilkan
sinyal PWM yang kemudian digunakan
motor driver untuk mengatur kecepatan
motor. Ketika terdapat halangan pada jarak
yang di set pada set point maka kecepatan
laju motor akan berhenti.
Sensor kanan dan kiri digunakan
untuk mendeteksi adanya halangan
disebelah kanan dan kiri yang kemudian
hasil pembacaannya digunakan oleh
Gambar 2. Blok Diagram GP2D120
(SHARP, 2006).
Sensor ini mempunyai 3 pin yang
terdiri atas tegangan output Vo (pin 1),
ground (pin 2), dan Vcc (pin 3). GP2D120
mendeteksi jarak secara terus-menerus
ketika diberi daya. Outputnya berupa
2
tegangan analog yang sesuai dengan jarak
yang diukur.
Gambar 3. Pinout GP2D120 (SHARP,
2006).
Modul Anadigm AN221K04
AnadigmVortex development board
adalah
suatu
alat
yang
dapat
mempermudah dalam implementasi dan
pengujian desain analog yang dibuat pada
AnadigmVortex dpASP dan FPAA
Silikon. Fitur utama yang dimiliki
AnadigmVortex delelopment board adalah
sebagai berikut:
1) Minimalis footprint – 4.7 x 3.6 inci
persegi.
2) Breadboard area yang luas pada area
perangkat AN221E04.
3) Pin header untuk semua I/O perangkat
FPAA.
4) Daisy chain yaitu kemampuan yang
memungkinkan beberapa Board dapat
dihubungkan
menjadi
multi-chip
sistem.
5) Standart USB serial interface untuk
mendownload file-file sirkuit dari
AnadigmDesigner ®2.
6) Osilator modul 16-MHz pada Board.
7) Kemampuan untuk menulis dan
kemudian boot dari EEPROM, tetapi
menggunakan external EEPROM.
Gambar 4. AN221K04-V4 –
AnadigmVortex Development Board
(Anadigm, 2003)
Pada penelitian ini menggunakan 1
buah modul Anadigm AN221K04, Di
dalam modul tersebut terdapat control PID
dan penghasil sinyal PWM.
Tabel 1. Alokasi Port I/O Modul 1
Port
Alokasi
I2P
Jalur Input rangkaian Set
Point
I3P
Jalur Input dari sensor
SHARP GP2D yang di
tengah
O2P
Jalur output PWM
Pin VCC diberi masukan tegangan
minimal
4
Volt sampai
dengan
maksimal 12.5 Volt dan tegangan optimal
sekitar 5 Volt. Pin RESET berfungsi
untuk masukan reset program secara
otomatis atau manual.
Gambar 5. Rangkaian Modul Anadigm
AN221K04 (Anadigm, 2003).
Gambar 6. Rangkaian Modul Anadigm
AN221K04 (Anadigm, 2003).
3
Downloader Modul Anadigm AN221K04
Untuk
melakukan
proses
downloading program dari komputer ke
dalam memory program internal FPAA,
dapat memilih antara interface USB dan
Serial
RS232.
Caranya
dengan
menghubungkan jumper atas dengan yang
tengah jika menggunakan serial RS232 dan
jumper tengah dan bawah untuk
menggunakan serial RS232 , pada Gambar
5 berikut merupakan jumper yang dipasang
untuk mengaktifkan interface serial
RS232.
4. Mampu membuat sistem filter dan PID
(proportional,
integrator,
dan
differensiator)
dengan mudah dan
cepat. Tampilan Awal Anadigm
ditunjukkan pada Gambar 8.
Gambar 8. Software Anadigm Designer
Jumper
Gambar 7. Konfigurasi Jumper Serial
RS232 dan USB
Program bantu yang terintegrasi
untuk merancang rangkaian sekaligus
melakukan download program adalah
Anadigm Designer. Merupakan perangkat
lunak khusus yang digunakan untuk
membuat rangkaian analog seperti
amplifier,
integrator,
differensiator,
comparator dan adder dalam suatu chip
IC. Anadigm Designer dibuat oleh
Anadigm Inc pada tahun 2003 dengan
versi 2.2.7 (Anadigm inc, 2003:56). Dan
yang akan digunakan adalah Anadigm
Designer Ver. 2.7.0.1. Perangkat lunak ini
mempunyai kelebihan antara lain :
1. Mampu membuat beberapa rangkaian
analog yang kompleks dengan cepat
dan mudah.
2. Mampu untuk mengkonversi program
menjadi bahasa C yang akhirnya dapat
digunakan untuk keperluan program
pada microprocessor.
3. Mampu mensimulasikan keluaran
rangkaian analog yang telah dibuat,
sehingga program yang akan di transfer
ke device FPAA benar-benar sesuai
dengan yang dirancang.
Selain merancang, program Anadigm
Designer juga dapat disimulasikan
sebelum didownload kedalam Hardware
FPAA. dengan cara klik menu Simulate
=> Begin Simulation, atau tekan F5.
Kemudian sebelum download program,
pastikan FPAA sudah terhubung dengan
Interface PC/Laptop. Dan samakan
settingan COM Port pada Anadigm
Designer dengan COM Port pada Device
Manager. Untuk Anadigm Designer
dengan cara klik menu Setting =>
Preferences => Port. Pada Gambar 9
adalah tampilannya pada Anadigm
Designer dan Gambar 10 pada device
manager PC/Laptop.
Gambar 9. Tampilan setting COM Port
pada Anadigm Designer.
4
5V
J5
sensor gp2d120
2
7
+
1
6
-
tegangan refrensi
U9A
3
Rangkaian
Minimum
System
ATTiny2313
Rangkaian
minimum
system
ATTiny2313 digunakan sebagai pengatur
belok kiri dan kanan mobile robot.
1
output
12
Gambar 10. Tampilan Setting COM Port
pada Device Manager.
GP2D120 mendeteksi jarak 45 cm pada
tegangan 0,322. Jika tegangan dari sensor
lebih besar daripada tegangan refrensi
maka outputnya adalah +VSupply, dan jika
tegangan sensor lebih kecil daripada
tegangan refrensi maka outputnya –
Vsupply.
LM339
5V
C4
C2
CAP
motor1
U2
VOUT
U1
1
C1 LM7805/TO
CAP
C2
CAP
3
5
dir1
7
5v
D1
J7
9
12v
1
2
11
13
DIODE
dir1
dir2
pwm
15
VIN
2
ISENA
ISENB
1
J4
5v
12v
OUT1
OUT2
VS
IN1
ENA
IN2
GND
VSS
IN3
ENB
OUT4
Rangkaian Komparator
Op-amp
tersebut
akan
membandingkan nilai tegangan pada kedua
masukannya, apabila masukan (-) lebih
besar dari masukan (+) maka, keluaran opamp akan menjadi sama dengan –
Vsupply, apabila tegangan masukan (-)
lebih kecil dari masukan (+) maka keluaran
op-amp akan menjadi sama dengan +
Vsupply.
Jadi dalam hal ini jika Vinput lebih
besar dari V maka keluarannya akan
menjadi – Vsupply, jika sebaliknya,
Vinput lebih besar dari V maka
keluarannya akan menjadi + Vsupply.
Untuk op-amp yang sesuai untuk di
pakai pada rangkaian op-amp untuk
komparator biasanya menggunakan opamp dengan tipe LM339 yang banyak di
pasaran.
Pada
penelitian
ini
penulis
menggunakan tegangan referensi sebesar
0,322. Hal ini karena sensor sharp
OUT3
power
IN4
2
1
2
3
12v
4
control1
pwm
6
motor1
8
D2
10
J5
dir2
12
12v
1
2
14
Gambar 11. Minimum System
Mikrokontroler ATTiny 2313.
l298
motor2
motor1
motor2
DIODE BRIDGE
mtr1
U2
1
3
5
direct1
7
5v
9
11
13
ISENA
OUT1
OUT2
VS
IN1
ENA
IN2
GND
VSS
IN3
ENB
OUT3
l298
mtr2
J3
direct1
direct2
pwm1
15
PORT1
ISENB
J2
1
2
3
4
5
Rangkaian Motor Driver
Rangkaian motor driver merupakan
komponen
sangat
penting
untuk
pengendalian motor DC. Pengendalian
motor DC bisa berupa gerakan searah
jarum jam atau berlawanan jarum jam.
Selain itu dari motor drver dapat
mengendalikan kecepatan motor driver
yaitu dengan mengatur PWM (Pulse Width
Modulation).
Motor driver yang digunakan adalah
IC L298N yang mampu meyuplai arus
sampai 2 ampere pada tiap kanal. Power
utama yang digunakan adalah 12 volt,
sedangkan input L298 menerima tegangan
TTL (0 sampai 5 VDC) dari minimum
system.
OUT4
ATTINY 2313
downloader
IN4
2
1
2
3
12v
control2
4
pwm1
6
D3
mtr1
8
J6
10
direct2
12v
1
2
12
motor2
14
P3.0/RXD
P3.1/TXD
P3.2/INT0
P3.3/INT1
P3.4/T0
P3.5/T1
P3.7
sck
miso
mosi
reset
J14
1
2
3
4
5
6
GND
XTAL1
5V
sck
miso
mosi
3
PORT3
2
3
6
7
8
9
11
XTAL2
20
19
18
17
16
15
14
13
12
GND
1
2
3
4
5
6
7
VCC
P1.7
P1.6
P1.5
P1.4
P1.3
P1.2
P1.1/AIN1
P1.0/AIN0
10
5
RST/VPP
+
4
30pf
J1
Gambar 12. Rangkaian Komparator
U1
reset 1
-
Y1
8mhz
+
C3
-
30pf
DIODE BRIDGE
mtr2
Gambar 13. Rangkaian dari Motor Driver
5
Untuk menjalankan motor DC yang
penulis pakai, penulis membutuhkan arus
yang lebih besar guna menstabilkan
performa robot. Maka solusi yang tepat
adalah memparalel dua channel output
driver motor tersebut agar menjadi satu
untuk mendapatkan arus sebesar 4A seperti
yang terlihat Pada Gambar 13.
Rangkaian Set Point
Rangkaian set point ini berfungsi
untuk menentukan jarak yang diinginkan
untuk berhenti. Rangkaian set point ini
menggunakan potensiometer 10 MΩ.
Rangkaian set point merupakan rangkaian
pembagi
tegangan,
yang
range
tegangannya dari 0-9 volt. Tegangan
sumber (VCC) yang digunakan adalah 9
volt.
Perangkat Lunak Pada Microcontroller
Gambar 16. Flowchart Microcontroller.
VCC
R4
RESISTOR VAR
output
Gambar 14. Rangkaian Set Point
Perangkat
AN221K04
Lunak
Pada
Anadigm
Gambar 15. Perancangan Kontroler PID
dan PWM
Dari gambar digram alir di atas dapat
dijelaskan bahwa sensor kiri dan kanan
akan terus secara kontinyu mendeteksi
jarak. Sensor kiri dan kanan terlebih
dahulu masuk ke dalam komparator untuk
mendapatkan nilai digital. Pada saat sensor
kanan dan kiri tidak mendeteksi adanya
halangan maka motor kemudi akan
bergerak tepat ditengah-tengah. Pada saat
sensor kanan tidak terdapat halangan dan
sensor kiri ada halangan maka akan belok
kanan yaitu dengan motor kemudi berputar
ke kiri. Pada saat sensor kanan terdapat
halangan dan sensor kiri tidak ada
halangan maka akan belok kiri yaitu
dengan motor kemudi berputar ke kanan.
Jika kedua sensor mendeteksi adanya
halangan maka akan belok ke kanan yaitu
dengan motor kemudi berputar ke kiri.
Pengujian Keseluruhan Sistem
Tujuan dari pengujian keseluruhan
sistem ini yaitu untuk mengetahui system
pada aplikasi apakah dapat berjalan sesuai
dengan yang diharapkan. Dimulai dari
mendeteksi halangan, berhenti perlahan,
dan kemudian berbelok.
Hasil dari pengujian ini diperoleh
hasil ketika terdapat obstacle, robot akan
6
langsung berhenti. Dan tidak bisa berbelok
karena telah berhenti terlebih dahulu.
Kesimpulan
Dari penelitian ini dan dengan melihat
masalah yang telah dirumuskan maka
dapat diambil kesimpulan seperti berikut :
1. Untuk merancang dan membuat
ackerman mobile robot dengan kendali
PID untuk menghindari halangan.
2. Respon kecepatan stabil pada saat 6µS
3. Pembacaan
sensor
PSD
dapat
langsung dibaca oleh FPAA karena
FPAA bersifat Analog.
4. Dalam
mendesain
Bagaimana
mendesain kendali PID menggunakan
FPAA.
SHARP Corporation. 2006. GP2D120
Optoelectronic
device.
(Online).
(www.sharpsma.com/webfm_send/12
05). Diakses pada tanggal 9 Juli 2012.
Widyantara, Helmy. 2008. Sistem Kendali
Kecepatan Motor Searah dengan
Algoritma Proportional Differential
Digital Berbasis Field Programmable
Gate Array, (Jurnal). Surabaya:
STIKOM Surabaya.
Saran
Saran yang diajukan dari Tugas Akhir ini
untuk penelitian selanjutnya adalah :
Penelitian ini menggunakan control PID
dengan try and error. Diharapkan pada
penelitian
selanjutnya
menggunakan
metode yang lebih baik.
Daftar Pustaka
Alit Aryanti, Ni Ketut. Perencanaan dan
Pembuatan Alat Kontrol PH pada
Kolam
Pembenihan
Ikan
Menggunakan FPAA.
Surabaya:
Institut Teknologi Sepuluh November
Surabaya.
Anadigm Inc. 2003. AN221E04 Datasheet.
(online).
(www.anadigm.com/_doc/DS030100U006.pdf). Diakses pada tanggal 17
Juni 2012.
ATMEL
Corporation.
2010.
8-bit
Microcontroller with 2K Bytes InSystem Programmable Flash ATtiny
2313.
(Online).
(http://www.atmel.com/Images/doc25
43.pdf). Diakses pada tanggal 23 Juli
2012.
7