40
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Implementasi Sistem Otomatis pada Robot Kapal Berbasis Komputer Vision Untuk Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional Implementation of Autonomous System in Computer Vision-Based Robotic Boat to Contest Nasional Unmanned Speedboat Yogi Adi Nugraha Teknik Elektro, Fakultas Teknik dan Ilmu Komputer, UNIKOM Jl. Dipati ukur No 112, Bandung Email :
[email protected]
Abstrak Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional (KKCTBN) merupakan kontes yang diselenggarakan oleh Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat (DitLitabmas), kontes acara tahunan ini di ikuti peserta dari berbagai universitas yang ada di Indonesia. Kontes ini terdiri dari 3 kategori yang diperlombakan, yaitu : kategori sistem otomatis (autonomous), kategori manual (remote control), dan kategori mesin (fuel engine). Dengan mengikuti kategori otomatis (autonomous), perancangan kapal diharuskan dapat berdiri sendiri tanpa adanya bantuan operasi manual. Sistem kapal menggunakan sistem pengolahan citra, dengan menggunakan software LabVIEW 2012, perangkat kamera dan mikrokontroler. Tujuan dari perlombaan ini yaitu, merancang sistem kapal agar dapat melewati rintangan bola. Kata Kunci : KKCTBN, pengolahan citra, LabVIEW 2012 Abstract “Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional” (KKCTBN) is a contest organized by the Directorate of Research and Community Service “ Direktorat Penelitian dan Pengabdian Kepada Masyarakat” (DitLitabmas), the contest is an annual event in the follow participants from various universities in Indonesia. This contest consists of 3 category that is, namely: the category of automated systems (autonomous), the category of manual (remote control), and the category of the engine (engine fuel). By following categories of automatically (autonomous), the design of the vessel is required to be able to stand alone without the help of manual operation. Ship system uses image processing system, using the LabVIEW 2012 software, camera and microcontroller devices. The purpose of this race is, design the system so that ships can pass through obstacles ball. Keywords : KKCTBN, image processing, LabVIEW 2012
I.
PENDAHULUAN
Fungsi dari sebuah kapal tak berawak ini sudah banyak dikembangkan oleh negara-negara maju. Kapal tersebut di fungsikan sebagai alat pertahanan militer dengan tujuan untuk mengurangi korban jiwa saat perang. Kapal yang akan dirancang ini difungsikan berbeda, yaitu merancang sistem kapal yang bersifat otomatis yang bertujuan agar kapal dapat melewati rintangan bola warna, sebagai navigasi sistem kapal dilengkapi sensor kompas sebagai nilai referensi untuk masukan pengontrol proportional dan derivatif (PD). Pengontrol PD tersebut difungsikan untuk menstabilkan posisi kapal ketika lintasan lurus. Untuk mendeteksi bola warna, terpasang perangkat kamera yang
terhubung dengan software LabVIEW 2012 sebagai navigasi ketika kapal akan belok. Di LabVIEW tersebut terinstal toolkit vision dari produk National Instrument (NI), dengan toolkit tersebut untuk mempermudah pengguna untuk mengolah data gambar yang akan diproses.
II.
DASAR TEORI
A. Model Warna Hue Saturation Value (HSV) Model warna HSV merupakan kepanjangan dari Hue Saturation dan Value. Dari pengertian tersebut memiliki fungsi masing-masing yang berbeda. Hue merupakan suatu ukuran panjang gelombang dari warna utama, hue mempunyai
41
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014 ukuran berkisar antara 0-255. 0 mewakili warna merah hingga melalui suatu spektrum kembali bernilai 256. Saturation merupakan suatu proses untuk meningkatkan kecerahan warna yang di dasari dari jumlah hue murni pada warna akhir. Value merupakan sebuah ukuran seberapa besar kecerahan dari suatu warna. Apabila warna itu memiliki ukuran 100% maka akan terlihat sangat cerah, dan ketika 0% maka akan terlihat gelap. Berikut ilustrasi dari model warna HSV terlihat pada Gambar 1.
f(x,y) T disebut object point
C. Pengontrol Proportional dan Derivative Pengontrol PD merupakan pengontrol sistem umpan balik yang banyak digunakan di sistem kontrol. Tujuannya untuk mengurangi nilai error dan menghasilkan nilai output sesuai dengan set point. Berikut blok diagram pengontrol PD yang diperlihatkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Blok diagram pengontrol PD
Gambar 1. Model Warna HSV Untuk mendapatkan nilai HSV ini dapat di konversi dari nilai RGB HSV dengan persamaan sebagai berikut : (
{
)
(
)
(
)
{
dan
(1)
Blok diagram di atas merupakan sistem pengontrol Proportional dan Derivative (PD) yang menggunakan sistem close loop artinya saat nilai error muncul sistem akan memperkecil nilai error tersebut, kemudian menjalankan penggerak aktuator, dan mengeluarkan hasil output proses. Dari hasil output tersebut di umpan balikan ke sensor yang akan diproses kembali untuk mencapai nilai set point yang telah ditentukan. Sehingga persamaan pengontrol PD adalah sebagai berikut : (3) Keterangan : : output dari pengontrol PD : gain proportional dan derivative : gain derivative e(t) : nilai error
(2)
B. Metode Threshold Threshold merupakan salah satu metode proses pemisahan citra dari nilai derajat keabuan menjadi nilai biner (hitam putih), sehingga akan memudahkan proses identifikasi. Citra yang di threshold g(x,y) dapat didefinisikan sebagai berikut :
Pout u(t)= Kp.e(t)
(3)
(4)
dan Dout u(t)= Kd.
{ T = Threshold
Persamaan (3) apabila didiskritisasi maka akan menjadi :
–
Pada dasarnya aksi kontrol P dan D bertujuan untuk menggabungkan kelebihan komponenkomponen dasar P dan D, komponen dasar tersebut antara lain:
(5)
42
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Gambar 3. Blok diagram sistem 1. Kontrol Proportional (KP), berfungsi sebagai kontrol untuk mempercepat respons mencapainya set point. 2. Kontrol Derivative (KD), berfungsi sebagai kontrol untuk mengurangi nilai overshot.
III.
PERANCANGAN
cepat. Untuk ukuran maksimal panjang kapal keseluruhan LOA (Length Over All) = 130 cm, Lebar kapal maksimal = 70 cm, dan tinggi kapal maksimal = 90 cm. Sedangkan untuk berat kapal dibatasi sebesar 30 kg. Gambar dari kapal yang akan dirancang ditunjukan pada Gambar 4 dan Gambar 5.
Perancangan ini akan terbagi menjadi lima bagian utama, yaitu : blok diagram sistem, pemilihan komponen, anggaran rincian biaya, perancangan mekanik, perancangan hardware dan perancangan software.
D. Blok Diagram Sistem Gambaran dari blok diagram sistem yang akan dirancang ditunjukkan pada Gambar 3. Berdasarkan blok diagram tersebut untuk input sistem digunakan perangkat kamera webcam yang berfungsi untuk mendeteksi adanya bola, kamera tersebut terhubung dengan laptop yang berfungsi sebagai pemrosesan untuk pengolahan data gambar. Dari laptop tersebut akan mengirimkan karakter ke mikrokontroer untuk memberikan pulsa ke Electronic Speed Control (ESC) dan selanjutnya akan menjalankan motor brushless. Sebagai nevigasi kapal digunakan perangkat sensor kompas untuk mengetahui posisi kapal. Licuid Crystal Diode (LCD) berfungsi untuk menampilkan karakter keluaran dari mikrokontroler.
Gambar 4. Ukuran kapal yang akan dirancang
E. Perancangan Mekanik Kapal Jenis dari kapal yang akan dirancang yaitu berjenis monohull, dimana jenis monohull kapal memiliki kelebihan dalam bermaneuver yang
Gambar 5. Tampak atas keseluruhan kapal
43
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Gambar 6. Skematik rangkaian modul arduino uno
F. Perancangan Hardware Pada perancangan perangkat keras (hardware) ini meliputi pembahasan mengenai: mikrokontroler, sensor, aktuator, ESC, kamera webcam, catu daya dan LCD 2X16. 1) Mikrokontroler Arduino uno Mikrokontroler arduino uno merupakan modul kontroler dalam perancangan sistem kapal. Mikrokontroler arduino uno memiliki fasilitas USB sebagai jalur komunikasi antara perangkat PC/Laptop dengan mikrokontroler dengan eksekusi data sebesar 16000 instruksi/detik dan memiliki pin ADC. Gambar 6 menunjukkan skematik rangkaian dari modul arduino uno rev 3.
Gambar 7. Skematik rangkaian HMC5883L 3) Kamera Webcam C310 Modul kamera yang digunakan di perancangan ini adalah webcam C310 untuk mengambil data berupa gambar/citra analog yang diolah menjadi citra digital. Berikut konfigurasi dari kamera webcam C310.
2) Modul sensor kompas (HMC5883L) Pada perancangan ini sensor kompas HMC5883L digunakan untuk mengetahui posisi sudut, dengan tujuan sebagai navigator untuk pergerakan kapal. Berikut skematik dari rangkaian HMC5883L : Gambar 8. Skematik konektor webcam
44
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
G. Perancangan Software 4) Electronic Speed Control (ESC) ESC yang digunakan di perancangan ini adalah ESC Brushless Pro 30A. ESC ini digunakan sebagai penguat sinyal pulsa dari mikrokontroler dan mengeluarkan arus yang besar digunakan untuk menjalankan motor brushless.
Aplikasi komputer vision sendiri dibuat menggunakan software LabVIEW dengan bantuan toolkit image processing yang sudah tersedia di National Instrument. Gambar 12 menunjukkan tampilan front panel navigasi control. Gambar 13 dan Gambar 14 menunjukkan alir program LabVIEW yang disajikan dalam bentuk flowchart.
IV.
PENGUJIAN
A. Pengujian Tuning Pengontrol PD
Gambar 9. Skematik konektor ESC 5) Motor Brushless BL 2212/13B Motor Brushless yang digunakan di perancangan ini adalah motor brushless BL 2212/13B. Motor ini digunakan sebagai aktuator (penggerak) kapal agar kapal bisa melaju dengan baik,
Tuning ini bertujuan untuk menentukan konstanta parameter aksi kontrol proportional dan derivative. Proses tuning yang dilakukan menggunakan metode tuning trial and error artinya melakukan percobaan pengulangan berkali-kali dengan memberikan nilai konstanta proportional dan derivative hingga diperoleh hasil yang diinginkan. Tabel 1 menunjukkan hasil uji coba tuning kontrol P dan D.
B. Pengujian Kamera
Gambar 10. Skematik konektor motor brushless 6) Licuid Crystal Diode (LCD) 2x16 LCD ini digunakan sebagai indikator keluaran dari mikrokontroler yang menampilkan data kompas dan data pulsa motor. Berikut skematik rangkaian dari LCD 2x16.
Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui seberapa sensitif kamera saat menangkap objek bola berwarna dalam keadaan kondisi tertentu, dengan mengacu pada nilai particle yang ditangkap yang diolah dengan software LabVIEW 2012. Gambar 15 menunjukkan hasil uji coba threshold dan Tabel 2 menunjukkan pengujian threshold di segala kondisi pencahayan. Sedangkan Tabel 3 menunjukkan hasil pengujian kamera dan LabVIEW.
C. Pengujian Speed Test Speed test ini bertujuan agar kapal dapat melewati batas bola tengah yang sudah ditentukan dengan jarak panjang kolam sebesar 8 meter. Gambar 16 menunjukkan ilustrasi lintasan uji speed test, bola yang dideteksi yaitu menggunakan bola berwarna hijau. Gambar 17 menunjukkan hasil pengujian speed test. Dan Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian speed test.
Gambar 11. Skematik rangkaian LCD 2x16
45
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Gambar 12. Front panel navigasi kontrol
Start
Inisialisasi nilai HSV
Inisialisasi I/O
Apakah Speed Test
T
T Apakah Maneuver Test Y
Y Speed test
Maneuver test
Selesai
Gambar 13. Flowchart utama Labview
46
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
mulai Prosedur Speed test
mulai Prosedur Maneuver test
Cam R ON
T
T
Cam L ON
Cam R ON
Y
Grab Cam R RGB
Y
Grab Cam L RGB
Grab Cam R RGB
Skala di perkecil
Skala di perkecil
Threshold mode HSV
Threshold mode HSV
Filter objek
Filter objek
Skala di perkecil
Threshold mode HSV
Filter objek
Apakah Cam R deteksi Hijau?
T
Apakah Cam L deteksi Hijau?
Y
Indikator 2 Menyala Kirim karakter 2
Apakah Cam R deteksi Hijau?
T
Y
Y
Indikator 1 Menyala Kirim karakter 1a
Indikator 2 Menyala Kirim karakter 1b
Tunggu 3 detik
Return
T
Return
Gambar 14 Flowchart prosedur LabVIEW speed test dan maneuver test
47
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014 Tabel 1. Hasil uji coba tuning kontrl P dan D No 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20
Parameter Kontrol Kp Kd 1 0 1 1 2 0 2 1 2 2 3 0 3 1 3 2 3 3 4 0 4 1 4 2 4 3 4 4 5 0 5 1 5 2 5 3 5 4 5 5
Error Kanan 43 47 11 4 14 17 6 26 11 21 11 7 13 9 15 7 4 3 4 11
Kiri -2 -5 -29 -12 -35 -25 -8 -40 -20 -43 -18 -14 -23 -13 -21 -6 -4 -3 -2 -12
Waktu
Keterangan
11,08 12,84 10,85 10,63 10,16 10,18 10,79 11,36 10,56 11,44 12,45 10,38 11,18 10,59 12,22 10,51 11,01 11,2 10,53 11,16
Tidak Stabil Tidak Stabil Tidak Stabil Tidak Stabil Tidak Stabil Tidak Stabil Stabil Tidak Stabil Tidak Stabil Tidak Stabil Tidak Stabil Tidak Stabil Tidak Stabil Tidak Stabil Tidak Stabil Stabil Stabil Stabil Stabil Tidak Stabil
Gambar 15 Hasil uji coba threshold
Gambar 16. Ilustrasi lintasan uji speed test
48
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014 Tabel 2. Pengujian threshold di segala kondisi pencahayaan No
Kondisi Penerangan
Batas Particle
Nilai Particle Analisis
Gambar Asli
Hasil Threshold
Keterangan Malam Hari
1
Lampu Menyala
10
10 Jam (21.04) WIB
Malam Hari 2
Lampu Menyala
16
18 Jam (23.00) WIB
Pagi Hari 3
Lampu Menyala
27
29 Jam (06.25) WIB
Pagi Hari 4
Lampu Padam
20
23 Jam (08.00) WIB
Siang Hari 5
Lampu Menyala
25
25 Jam (13.50) WIB
Siang Hari 6
Lampu Padam
21
23 Jam(14.00)WIB
Sore Hari 6
Lampu Padam
20
21 Jam (15.00) WIB
Sore Hari 7
Lampu Menyala
18
19 Jam (16.15)WIB
49
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014 Tabel 3. Hasil pengujian kamera dan LabVIEW
Kondisi Malam Hari (lampu hidup) Pagi Hari (lampu hidup) Pagi Hari (lampu mati) Siang Hari (lampu hidup) Siang Hari (lampu mati) Sore Hari (lampu hidup) Sore Hari (lampu mati) Total
Jumlah
Keberhasilan
Persentase Keberhasilan
10
9
90%
10
10
100%
10
9
90%
10
9
90%
10
9
90%
10
9
90%
10
7
70%
70
52
88,50%
Gambar 17. Pengujian speed test
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Tabel 4. Hasil pengujian Speed test
Gambar 18. Ilustrasi lintasan uji maneuver test
50
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Gambar 19. Pengujian maneuver test
51
52
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014 Tabel 5. Hasil pengujian maneuver test
D. Pengujian Maneuver test Pengujian maneuver test ini bertujuan agar kapal dapat bermaneuver melewati bola-bola yang tersusun dengan susunan jarak bola sekitar -/+ 1,5 meter, bola warna yang akan di deteksi yaitu menggunakan bola warna hijau dengan jumlah susunan 3 buah bola. Gambar 18 menunjukkan ilustrasi lintasan maneuver test dengan 4 bola warna yang tersusun. Gambar 19 menunjukkan contoh hasil pengujian maneuver test. Tabel 5 menunjukkan hasil pengujian maneuver test.
V.
KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan Berikut ini merupakan kesimpulan dari penelitian ini yang telah dilaksanakan beberapa pengujian. 1. Sistem robot kapal sudah berhasil untuk dikendalikan secara otomatis, dengan tingkat keberhasilan untuk speed test sebesar 80% dan maneuver test sebesar ?%.
2. Hasil data uji speed test, didapatkan kondisi kapal lebih stabil saat nilai pulsa motor diberi nilai 1200, serta tingkat persentase yang didapat lebih baik sebesar 80%. 3. Hasil data uji software LabVIEW telah berhasil dilakukan, dengan mengatur nilai Hue Saturation Value (HSV) secara tetap. Di dapatkan persentasi keberhasilan 88,5%, dari tingkat pencahayaan yang berbedabeda. 4. Hasil dari data pengujian tuning kontrol P dan D, hasil data menunjukan nilai overshot membesar ketika diberi nilai konstanta kecil, sehingga membuat kondisi kapal tidak stabil. Dengan memberi nilai Kp =5 dan Kd=3, overshot yang didapat bisa diredam.
B. Saran Adapun saran bagi pengembangan penelitian ini adalah sebagai berikut. 1. Merubah masukan nilai referensi dari sensor kompas menggunakan Global Positioning System (GPS), sehingga arah
53
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014 dan pergerakan kapal dapat diposisi yang tepat. 2. Merubah aktuator motor brushless out runner dengan aktuator brushless in runner karena torsi rpm yang dihasilkan brushless in runner lebih besar sehingga untuk pengontrolan kapal lebih mudah dikendalikan saat maneuver test.
DAFTAR PUSTAKA [1]
Darma Putra.(2010). Pengolahan Yogyakarta : Penerbit Andi Offset.
Citra
Digital.
[2]
Shapiro, Linda & Stockman, George.(2000). Computer Vision, paper 13. [3] https://lecturer.eepisits.edu/~nana/indexfiles/referensi/computervision/Comput e%20Vision.pdf diakses pada 18-04-2014. [4] National Instruments, NI-IMAQ for USB Cameras User Guide, Januari 2005 [5] National Instruments, NI-Vision for LabVIEW User Manual, November 2005 [6] Syahrul.(2014).Pemrograman Mikrokontroler AVR. Penerbit Informatika. [7] Kadir, Abdul. (2012). Panduan Praktis Mempelajari Aplikasi Mikrokontroler dan Pemrograman menggunakan Arduino. Andi Offset [8] Panduan Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional 2013
