PENGAPLIKASIAN KALMAN FILTER DAN KENDALI PID SEBAGAI PENYEIMBANG ROBOT RODA DUA
SKRIPSI
Oleh
Dhanny Tandil
1200981844
Ivander Sharon Manuel Siahaan
1200981850
Yansen Wilyanto
1200991391
Universitas Bina Nusantara Jakarta 2012
DAFTAR ISI
Halaman Judul Luar ......................................................................................................... i Halaman Judul Dalam ..................................................................................................... ii Halaman Persetujuan Soft Cover .................................................................................... iii Abstrak ........................................................................................................................... iv Prakata ..............................................................................................................................v Daftar Isi ....................................................................................................................... viii Daftar Tabel ................................................................................................................. xiii Daftar Gambar .............................................................................................................. xiv
BAB 1 PENDAHULUAN 1.1 Latar Belakang .................................................................................................1 1.2 Ruang Lingkup ...............................................................................................2 1.3 Tujuan dan Manfaat .........................................................................................3 1.4 Metodologi ......................................................................................................3 1.4.1 Metodologi Studi kepustakaan ...............................................................3 1.4.2 Metodologi Penelitian Lab .....................................................................3 1.5 Sistematika Penulisan......................................................................................4
BAB 2 LANDASAN TEORI 2.1 Mikrokontroller AVR......................................................................................5 2.1.1 AVR Atmega8535 ..................................................................................5 2.2 Accelerometer ................................................................................................6 2.2.1 Cara kerja Accelerometer …………………………….......……...…. 7 2.2.2 Accelerometer Piezoelektrik………….…..................…………….....8 2.2.3 Spesifikasi Accelerometer …………...................……………...….....9 2.3 Gyroscope ......................................................................................................9 2.4 Sistem Kendali……………………...……………………………………...11 2.4.1 Jenis Sistem Kendali….……………………………………...... ..11 2.4.1.1 Sistem Untaian Tertutup (Closed Loop)………..…..12 2.5 Motor DC……………...…………………………………………………...12 2.6 Motor Driver.……...……………………………………………………….13 2.6.1 Cara kerja Driver .................................................................13 2.6.2 Motor Driver yang digunakan............................................... ..14 2.7 PWM (Pulse Width Modulation)……………………………...…………...15 2.8 Sistem Kendali PID………………………………………………………...16 2.9 Kalman filter………………………………...……………………………..18 BAB 3 PERANCANGAN SISTEM 3.1 Gambaran Umum Sistem ..............................................................................19 3.2 Perancangan Perangkat Keras ......................................................................20
3.2.1. Rangkaian kontroller sistem…………………………...…….....23 3.2.2. Rangkaian Antarmuka Sensor....................................................25 3.2.3. Perancangan Regulator...............................................................26 3.2.4. Modul Motor Driver...................................................................27 3.2.5. Rangkaian Skematik Keseluruhan.............................................28 3.3 Perancangan Peranti Lunak ...........................................................................29 3.4 Algorithma kalman Filter………………………………………...………...32 3.4.1 Penggabungan Sensor Menggunakan Kalman Filter………........38 3.5 Algorithma PID (Propotional Integral Derivative)………………………...43 3.5.1 Kontroller Propotional (P)…………………….………………....45 3.5.2 Kontroller Integral (I)………………………....………………....46 3.5.3 Kontroller Derivative (D)…………………….……………….....47 3.5.4 Kontroller PID…………..…………………….………………....48 3.5.5 Implementasi Kontrol PID Diskrit…………………………….....49 3.6 Rancang Bangun…………………………………………………………...51 BAB 4 IMPLEMENTASI DAN EVALUASI 4.1 Spesifikasi Sistem ........................................................................................55 4.1.1Spesifikasi Sistem Perangkat keras ......................................................55 4.1.2 Spesifikasi Sistem Perangkat Lunak ...................................................56 4.2 Daftar Komponen .........................................................................................57 4.2.1 Daftar komponen Elektronika di Modul Elektronika…………….57 4.3 Implementasi Sistem ....................................................................................58
4.3.1 Implementasi Perangkat Keras ...........................................................59 4.3.1.1 Implementasi Power Supply……...………………..........…59 4.3.1.2 Implementasi Modul Kontroller Motor DC……….........…59 4.3.1.3 Implementasi Motor DC yang Digunakan…………...........59 4.3.1.4 Implementasi Mekanika…………………………...........….60 4.3.2 Implementasi Perangkat Lunak ..........................................................61 4.3.2.1 Cara Pengambilan Data Mikrokontroller ke Komputer.......62 4.4 Data Hasil percobaan ..................................................................................63 4.4.1 Percobaan PID ....................................................................................63 4.4.1.1 Hasil Percobaan mencari Nilai Kp .......................................63 4.4.1.2 Hasil Percobaan mencari Nilai Kd .......................................66 4.4.1.3 Hasil Percobaan mencari Nilai Ki ........................................70 4.4.2 Percobaan Kalman Filter .....................................................................73 4.4.2.1 Percobaan Keakuratan Nilai Sudut Accelerometer ..............75 4.4.2.2 Percobaan dengan hanya menggunakan accelerometer pada robot yang menggunakan kontrol PID................................76 4.4.2.3 Hasil Percobaan Mencari Nilai Qaccel dan Qgyro ..............77 4.4.2.4 Hasil Percobaan Mencari Nilai R ........................................79 4.5 Evaluasi Sistem ............................................................................................81 BAB 5 SIMPULAN DAN SARAN 5.1 Simpulan ......................................................................................................84
5.2 Saran .............................................................................................................85 DAFTAR PUSTAKA ....................................................................................................86 RIWAYAT HIDUP .......................................................................................................87 LAMPIRAN - LAMPIRAN
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Konfigurasi pin ATmega8535 .......................................................................6 Gambar 2.2 Arah pengukuran kecepatan oleh gyroscope ...............................................10 Gambar 2.3 Sistem Pengendalian Untaian Tertutup ......................................................12 Gambar 2.4 Rangkaian Half-Bridge ..............................................................................14 Gambar 2.5 Pulse Width Modulation..............................................................................15 Gambar 2.6 PID controller .............................................................................................17 Gambar 2.7 Algoritma Perhitungan Kalman Filter .........................................................18 Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem ..................................................................................22 Gambar 3.2 Rangkaian Mikrokontroller .........................................................................23 Gambar 3.3 Rangkaian Antarmuka Sensor .....................................................................25 Gambar 3.4 Rangkaian Regulator ...................................................................................26 Gambar 3.5 Rangkaian Antarmuka Pengendali Motor ...................................................27 Gambar 3.6 Skematik Rangkaian Secara Keseluruhan ...................................................28 Gambar 3.7 Diagram Alir Program Utama .....................................................................31 Gambar 3.8 Pengukuran Drift Gyroscope .......................................................................40 Gambar 3.9 Pengukuran accelerometer yang terkontaminasi noise ...............................41
Gambar 3.10 Sistem Kontrol Untaian Tertutup PID.......................................................43 Gambar 3.11 Step Respon Kontroller P ..........................................................................45 Gambar 3.12 Step Respon Kontroller I dan PI ..............................................................46 Gambar 3.13 Step Respon Kontroller D dan PD ...........................................................47 Gambar 3.14 Step Respon Kontroller P, PI, dan PID ....................................................48 Gambar 3.15 Tipikal Respon Keluaran Untaian Tertutup .............................................50 Gambar 3.16 Tampak atas mekanik ...............................................................................52 Gambar 3.17 Tampak bawah mekanik ...........................................................................52 Gambar 3.18 Tampak depan mekanik ...........................................................................53 Gambar 3.19 Ukuran dimensi mekanik ..........................................................................53 Gambar 4.1 Tampilan Motor DC Yang Digunakan ........................................................59 Gambar 4.2 Tampilan Mekanika Yang Digunakan .......................................................60 Gambar 4.3 Respon Keluaran PID dengan KP=2, KI=0, KD=0 ......................................64 Gambar 4.4 Respon Keluaran PID dengan KP=3, KI=0, KD= ........................................65 Gambar 4.5 Respon Keluaran PID dengan KP=4, KI=0, KD=0 ......................................66 Gambar 4.6 Respon Keluaran PID dengan KP=3, KI=0, KD=1 ......................................67 Gambar 4.7 Respon Keluaran PID dengan KP=3, KI=0, KD=2 ......................................67
Gambar 4.8 Respon Keluaran PID dengan KP=3, KI=0, KD=3 ......................................68 Gambar 4.9 Respon Keluaran PID dengan KP=3, KI=0, KD=4 ......................................69 Gambar 4.10 Respon Keluaran PID dengan KP=3, KI=0, KD=5 ....................................68 Gambar 4.11 Respon Keluaran PID dengan KP=3, KI=0, KD=6 ....................................70 Gambar 4.12 Respon Keluaran PID KP=3, KI=0.01, KD=4 ............................................71 Gambar 4.13 Respon Keluaran PID KP=3, KI=0.1, KD=4 ..............................................72 Gambar 4.14 Respon Keluaran PID KP=3, KI=0.5, KD=4 ..............................................72 Gambar 4.15 Respon Accelerometer Tanpa Kalman Filter............................................76 Gambar 4.16 Respon keluaran QACCEL = 0.01, QGYRO = 0.000002 ................................77 Gambar 4.17 Respon keluaran QACCEL = 0.01, QGYRO = 0.2 ..........................................78 Gambar 4.17 Respon keluaran QACCEL = 0.01, QGYRO = 0.002 ......................................79 Gambar 4.13 Respon keluaran R=0.000001 ...................................................................80 Gambar 4.15 Respon keluaran R=0.001 .........................................................................80 Gambar 4.14 Respon keluaran R=0.1 .............................................................................81
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Efek dari nilai komponen PID ........................................................................17 Tabel 4.1 Komponen pada modul mikrokontroller .........................................................57 Tabel 4.2 Komponen modul motor driver.......................................................................58 Table 4.3 Keakuratan accelerometer dengan sudut busur ............................................75 Tabel 4.4 Perbandingan sistem menggunakan kalman filter vs accelerometer pada robot yang menggunakan kontrol PID......................................................................................83
PRAKATA Ucapan syukur penulis kepada Tuhan Yang Maha Esa atas selesainya skripsi yang berjudul “PENGAPLIKASIAN KALMAN FILTER DAN KENDALI PID SEBAGAI PENYEIMBANG ROBOT RODA DUA”. Atas bimbingan dan saran dari berbagai pihak, maka penulis berhasil menyelesaikan skripsi ini. Skripsi ini ditulis untuk memenuhi salah satu syarat guna memperoleh gelar sarjana computer pada jurusan Sistem Komputer Universitas Bina Nusantara. Skripsi ini membahas tentang algoritma kalman filter dan kontrol PID yang diimplementasikan pada keseimbangan robot roda dua. Penulis mengharapkan skripsi ini dapat menambah acuan bagi mahasiswa yang ingin mendalami algoritma kalman filter dan kontrol PID untuk sistem keseimbangan robot. Penulis menyadari skripsi ini masih jauh dari sempurna, oleh karena itu penulis mengharapkan kritik dan saran yang membangun. Ucapan terima kasih penulis haturkan kepada pihak-pihak yang telah membantu penulis dalam menjalani skripsi ini, yakni : 1. Orang tua tercinta yang telah memberikan semangat dan dukungan penuh kepada penulis baik secara moral maupun material. 2. Bapak Rudy Susanto, S.Kom., M.TI selaku dosen pembimbing dan Kepala Computer Engineering Laboratory yang telah memberikan bimbingan, arahan, motivasi, dan izin pemakaian laboratorium untuk keperluan penelitian kepada penulis dalam menyelesaikan skripsi ini.
3. Bapak Endra, S.Kom., MT selaku Kajur Sistem Komputer yang telah memberikan dukungan sehingga proses penulisan skripsi dapat terlaksana sebagaimana mestinya. 4. Bapak Jimmy Linggarjati, S.Kom., M.Sc. selaku Sekjur Sistem Komputer yang telah memberikan dukungan sehingga proses penulisan skripsi dapat terlaksana sebagaimana mestinya. 5. Prof. Dr. Ir. Harjanto Prabowo, M.M. selaku Rektor universitas Bina Nusantara yang telah memberikan kesempatan bagi penulis untuk dapat menimba ilmu dalam jurusan Sistem Komputer Universitas Bina Nusantara. 6. Bapak / Ibu Pimpinan dan Staff Universitas Bina Nusantara 7. Para rekan Asisten dan Staff Computer Engineering Laboratorium Universitas Bina Nusantara yang telah memberikan masukan dan dukungan. 8. Para rekan Computer Engineering Inovation and Development Unit (CIDU) yang telah banyak membantu dan memberikan masukan serta dukungan kepada penulis selama menyusun penelitian. 9. Teman – teman Jurusan Sistem Komputer yang tidak dapat kami sebutkan satu – persatu yang selalu memberikan dukungan, dorongan, masukan dan ide selama penyelesaian penelitian ini.
Penulis berharap skripsi ini dapat bermanfaat sebagaimana mestinya dan dapat memberikan tambahan pengetahuan dan wawasan yang berarti bagi pembaca. Jakarta, Maret 2012
Penulis
