BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
4.1 Desain Sistem Sistem yang dibangun pada tugas akhir ini bertujuan untuk membangun robot beroda yang dapat menaiki tangga dengan metode pengangkatan beban pada roda depan dengan memanfaatkan R/C Servo. Desain sistem yang dibangun secara umum bisa dilihat dari diagram konteks dibawah ini Input Jarak RobotTangga
Robot Bergerak Maju Badan Robot
Sistem Kontrol Sensor Jarak Inframera h
Tegangan Referensi
Aplikasi Metode Katrol Aplikasi Komparator Analog Aplikasi Penyangg a
Roda Depan Naik-Turun
Roda Tengah Naik-Turun
Gambar 4.1 Diagram Konteks Sistem
26
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
Diagram di atas terdiri atas tiga tahap, yaitu tahap input, tahap proses (sistem kontrol robot), dan tahap aktuator. Input sistem berupa jarak antara posisi tangga dan robot, tahapan ini dijalankan oleh sensor IR yang dipasang dengan metode pemantulan. Aplikasi komparator analog berperan sebagai pengambil keputusan pengiriman perintah berdasarkan jarak robot dan tangga.
Metode yang digunakan adalah
mengkomparasi output sensor dan tegangan referensi. Selanjutnya, mekanisme naik tangga dijalankan dengan aplikasi metode katrol dan penyangga. Kedua aplikasi ini memiliki fungsi yang berlainan, aplikasi metode katrol berfungsi menggerakkan roda depan naik-turun, sedangkan aplikasi penyangga berfungsi menggerakkan roda tengah ke atas dan ke bawah. Desain sistem diatas tidak membahas mekanisme roda belakang dikarenakan roda belakang beroperasi dengan sistem kontrol terbuka. 4.1.1 Proses Pada Sistem Kontrol Pada sistem kontrol terdapat tiga buah proses yaitu proses komparasi, pengaturan PWM, dan pengaturan motor dc. Ketiga proses ini terjadi di dalam mikrokontroler. Proses komparasi akan dijelaskan pada subbab ”Sistem Kontrol Robot”
27
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA Input Jarak RobotTangga
Robot Bergerak Maju Sistem Kontrol
PWM Sensor Jarak Inframera h
Aplikasi Komparator Analog
Tegangan Referensi
perintah
Motor Servo
Aplikasi Metode Katrol
Aplikasi Penyan gga
Badan Robot Roda Depan Naik-Turun
Roda Tengah Naik-Turun
Delay perintah
Motor DC
Logika Input High-Low
Gambar 4.2 Proses Pada Blok Sistem Kontrol Pada blok PWM dilakukan pengaturan lebar PWM yang akan diberikan ke motor servo untuk memutar ke kanan-kiri. Aksi ini mengakibatkan roda depan naik-turun dengan bantuan katrol. Pada blok pengaturan delay dan motor DC dilakukan penundaan waktu eksekusi pengiriman sinyal logika High-Low ke motor dc. Hal ini bertujuan agar motor dc mengeksekusi perintah beberapa detik setelah motor servo mengeksekusi perintah. Aksi ini mengakibatkan roda tengah naik-turun. 4.2 Desain Perangkat Keras Desain perangkat keras yang membangun robot pada tugas akhir ini mencakup desain rangkaian dan desain mekanik badan robot. Diagram blok dibawah ini menggambarkan rute penerimaan sinyal input yang diterima oleh perangkat keras.
28
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
ATMEGA 16
Sensor Jarak Inframerah
Komparator Analog
Timer/Counter
Roda Depan Naik/Turun Roda Tengah Naik-Turun
RC Servo
H-Bridge Driver
Motor DC
Jarak Robot-Anak Tangga
Gambar 4.3 Diagram Blok Perangkat Keras
Berdasarkan diagram blok diatas desain perangkat keras terdiri atas blok sensor, blok proses (ATmega16), blok aktuator (servo) dan motor dc, dan blok feedback (jarak robot- tangga). 1. Blok Sensor Robot yang dibangun pada tugas akhir ini merupakan jenis robot aktif, dimana sistem navigasinya dikendalikan oleh lingkungan, walaupun terbatas. Sistem navigasi tersebut bertujuan untuk mengarahkan robot dan memberikan trigger untuk menaiki tangga. Untuk tujuan tersebut digunakanlah sensor jarak inframerah. Sensor inframerah ini terdiri atas fotodioda (receiver) dan led inframerah (transmitter). Rangkaian transmitter menggunakan NE555 sebagai osilator supaya sinyal yang dihasilkan cukup kuat untuk jarak tertentu. Pada rangkaian transmitter dibawah ini, NE555 berfungsi sebagai multivibrator astabil.
29
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
+12V
4
R
VCC
8
U1 Q DC
5
3
R2
7
470ohm CV
R1
0.01U TR
1
2
GND
10k
C2
TH
6
LED-IR LED
NE555
RV1 50k C1 0.047u
Gambar 4.4 Rangkaian Transmitter
Sinyal output dari pin 3 merupakan sinyal square wave yang frekuensinya dapat diatur dengan merubah hambatan pada potentiometer 50K, dengan formulasi sebagai berikut,
f =
1.443 (R1 + RV 1)C1
dengan duty cycle =
R1 + RV 1 R1 + 2 RV 1
30
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
Gambar 4.5 Output Astabil NE555 Berbentuk Square Wave Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan, frekuensi keluaran NE555 yang paling sesuai dan dapat diterapkan pada sistem navigasi robot ini yaitu berkisar
+15V
1.25-1.282 kHz. dengan nilai hambatan pada potentiometer sebesar 15K. +12V
R3 +15V
C3
7 1
U1 6 2
100
22k
3 6
R2
2
470 4 5
0.47u
D1
3
R1
U2
R4
4 5
C2
0.047u
7 1
2k
LM741a -15V
LM741b -15V
220P
RV2 50k
100n
RV1 100k
Gambar 4.6 Rangkaian Receiver
Rangkaian receiver menggunakan fotodioda yang dipasang pembiasan balik (reverse-bias). Sinyal yang diterima oleh fotodioda kemudian diproses oleh rangkaian filter aktif (filter lolos tengah) yang dibangun oleh IC LM741a. Sedangkan LM741b berfungsi sebagai penguat inverting karena sinyal tegangan yang diloloskan dioda berupa tegangan negatif kemudian sinyal keluaran yang didapatkan diperkuat dan fasanya dibalikkan.
31
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
2. Blok Sistem Kontrol Blok ini dijalankan oleh
dua buah mikrokontroler ATmega 16,
pembahasan mekanisme proses yang terjadi pada blok ini dibahas pada bagian perangkat lunak. Berikut ini desain rangkaian ATmega 16,
32
33
Gambar 4.7 Desain Rangkaian ATmega16
Rangkaian ini digunakan untuk melakukan pengontrolan gerak servo dan aplikasi komparator analog. Poin1 merupakan rangkaian pembagi tegangan untuk menghasilkan tegangan referensi pada komparator analog, sedangkan poin 2 adalah rangkaian pengontrol gerak R/C Servo. Pada desain diatas terlihat bahwa pengontrolan servo langsung melalui pin-pin ATmega16.
3. Blok Aktuator Blok ini terdiri atas rangkaian H-bridge motor dc dan R/C Servo, karena pengontrolan R/C Servo ditangani oleh ATmega16 maka tidak diperlukan rangkaian lain. Rangkaian pengontrol motor DC terdiri atas H-Bridge yaitu L293D.
34
35
Gambar 4.8 Desain Rangkaian Pengontrol Motor DC
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
Pemberian logika pada pin DIRA dan DIRB dilakukan melalui pin 22 dan 23 ATmega16.
ENABLE
DIRA
DIRB
Fungsi
H
H
L
Berputar CW
H
L
H
Berputar CCW
H
L/H
L/H
Berhenti
Tabel 4.1 Logika Input Driver L293D Berikut ini bentuk asli rangkaian dan desain rangkaian keseluruhan sistem kontrol robot Sensor Jarak IR Power Supply
Power Supply
Rangkaian Pengontrol Motor Servo dan Motor DC
Gambar 4.9 Foto Rangkaian Sistem
36
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
4.2.1 Desain Mekanik
Jenis robot yang akan dibuat pada tugas akhir ini adalah mobile robot beroda dengan kemampuan
menaiki tangga, dalam hal ini tangga tiruan.
Fokus tugas akhir ini menitikberatkan pada keberhasilan metode ini pada bagain roda depan robot. Robot ini terdiri atas,
Mechanical device yaitu roda dan tiang penyangga
Sensor jarak inframerah yang berfungsi mengindera lingkungan (anak tangga/undakan) dan memberikan feedback kepada sistem
Sistem yang memproses input dari sensor dan melakukan aksi sebagai respon dari keadaan lingkungan.
Oleh karena itu, desain mekanik sistem meliputi rancangan badan robot, konfigurasi katrol, konfigurasi sensor. Supaya robot dapat menaiki tangga dengan metode katrol dan rasio diameter roda belakang-anak tangga/undakan, maka konfigurasi hardware yang dibangun harus memiliki spesifikasi sebagai berikut,
1. Badan Robot Berlandaskan metode yang digunakan, maka spesifikasi yang harus dipenuhi dalam perancangan badan robot meliputi:
37
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
Berat badan robot harus cukup ringan (terutama bagian depan), hal ini berkaitan dengan torka maksimum R/C Servo
Berdasarkan perhitungan, direkomendasikan jari-jari roda belakang lebih besar dari anak tangga/undakan.
Bentuk roda belakang radial untuk memudahkan menaiki anak tangga/undakan
Diperlukan penahan badan robot saat roda depan terangkat
Penggerak robot (motor DC) harus memiliki torka yang besar untuk mendorong roda belakang menaiki anak tangga/undakan
Beberapa spesifikasi yang harus dipenuhi konfigurasi katrol, diantaranya
Diameter katrol tidak lebih dari 2 cm, hal ini berkaitan dengan torka maksimum R/C Servo
Pemasangan katrol sesuai kaidah meminimalisir gaya tarik servo
Pemilihan tali dengan koefisien gesek kecil
Berikut ini prototype robot tangga yang dibuat dengan mengacu pada aspek-aspek diatas
38
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
12cm
11cm
8.8cm
6.5 cm
(a)
25 cm
(c)
(b)
Gambar 4.10 (a) Robot Tampak Samping, (b) Robot Tampak Atas, (c) Robot Tampak Depan
Gambar diatas menampilkan konstruksi robot bagian samping, atas, dan depan. Ukuran komponen-komponen robot tertera pada gambar. Di bawah ini adalah konstruksi akhir robot yang sudah dilengkapi rangkaian elektronika.
39
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
Gambar 4.11 Konstruksi Lengkap Robot
2. Konfigurasi Sensor Sensor
jarak
inframerah
diaplikasikan
dengan
metode
pemantulan
menggunakan reflektor bewarna putih. Fotodioda dan IR Led terpisah sejauh 1 cm dan dipasang pada bagian depan robot.
Sensor IR
Gambar 4.12 Konfigurasi Sensor Pada Robot
40
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
4.3 Sistem Kontrol Robot Sistem kontrol robot merupakan bagian utama pada pembangunan robot naik tangga ini, urutan proses yang terjadi dapat digambarkan secara detil melalui diagram alir di bawah ini START
Robot Berjalan
Sensor IR Aktif
Output > Vref
Tidak
Ya
ACO=1
Servo Putar ke Kanan
ACO=0
Delay 4 detik Servo Putar ke Kiri
Motor DC(1) Putar ke Kanan
Delay 4 detik
Roda Depan Naik Penahan Turun
Motor DC(1) Putar ke Kiri
Roda Depan Turun Penahan Naik
END
Gambar 4.13 Diagram Alir Sistem
41
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
Tahap pertama yaitu sensor mendeteksi keberadaan tangga. Sebelumnya sensor di-setting agar memiliki daerah pengukuran meliputi 0-20 cm. Output sensor akan memasuki bagian komparator analog sehingga menghasilkan pembacaan bit (0 atau 1) pada register ACSR ATmega16. Tegangan referensi yang digunakan sebesar 1.58-1.61 volt. Untuk tegangan keluaran sensor lebih besar dari 1.58-1.61 volt mengindikasikan jarak robot-tangga sebesar 0-7 cm, sedangkan untuk tegangan keluaran sensor lebih kecil dari 1.58-1.61 volt mengindikasikan jarak robot-tangga sebesar 8-20. Komparator analog yang digunakan pada tugas akhir ini merupakan komparator analog yang disediakan oleh
ATmega16. Input komparator analog
diterima melalui pin AIN1 ( Input Analog 1) yang berasal dari output sensor, sedangkan tegangan referensi dihubungkan ke pin AIN0 (input Analog 0). Apabila AIN0 lebih besar dari AIN1 maka output komparator akan berlogika tinggi, dan sebaliknya. Akibatnya output komparator akan memberi logika ke bit Flag Interupsi (ACI) dan Flag Comparator Analog (ACO) yang berada pada register ACSR, untuk melakukan trigger pada main program pengontrolan R/C Servo, output komparator analog dapat dibaca melalui logika pada bit ACO ( Analog Comparator Output).
Bit Read/Write Initial Value
7
6
5
4
3
2
1
0
ACD
ACBG
ACO
ACI
ACIE
ACIC
ACIS1
ACIS0
R/W 0
R/W 0
R N/A
R/W 0
R/W 0
R/W 0
R/W 0
R/W 0
ACSR
Gambar 4.14 Susunan Bit Pada Register ACSR
42
BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA
Tahap kedua, kondisi bit ACO akan menentukan perintah yang dikirimkan ke R/C Servo berupa lebar pulsa dan menyalakan timer yang menghasilkan delay 4 detik untuk memberi perintah ke motor dc pada roda tengah. Tahap ketiga merupakan pengiriman pulsa ke R/C Servo dengan memanfaatkan fitur PWM pada Atmega16, dan pengiriman logika ke input H-Bridge motor dc yang menggerakkan penyangga. PWM (Pulse Width Modulation) atau modulasi lebar pulsa adalah salah satu keunggulan Timer/Counter yang terdapat pada ATmega16. Atmega16 hanya memiliki 3 buah timer yaitu Timer/Counter 0 with PWM yang berukuran 8 bit,
Timer/Counter1 yang berukuaran 16 bit, dan
Timer/Counter 2 PWM dan Asynchronous
Operation yang berukuran 8 bit.
Pengontrolan ketepatan waktu pada motor dc membutuhkan cacahan hingga 65535 yang hanya bisa dipenuhi oleh timer/counter berukuran di atas 8 bit. Oleh karena itu, pada tugas akhir ini digunakan dua buah Atmega16 untuk pengontrolan R/C Servo dan ketepatan waktu motor DC.
43
