SKRIPSI
Kontrol Keseimbangan Robot Mobil Beroda Dua Dengan Metode Logika Fuzzy Laporan ini disusun guna memenuhi salah satu persyaratan untuk menyelesaikan program S-1 Teknik Elektro Fakultas Teknik Universitas Muria Kudus
Disusun Oleh: Nama
: Budi Cahyo Wibowo
NIM
: 201052015
Program Studi
: Teknik Elektro
Fakultas
: Teknik
UNIVERSITAS MURIA KUDUS KUDUS 2013
HALAMAN PERSETUJUAN Nama
: Budi Cahyo Wibowo
NIM
: 201052015
Judul Skripsi
: Kontrol Keseimbangan Robot Mobil Beroda Dua Dengan Metode Logika Fuzzy
Pembimbing I
: Mohammad Iqbal, ST, MT
Pembimbing II
: Mohammad Dahlan, ST, MT
Dilaksanakan
: Semester Gasal Tahun Akademik 2012/2013
Kudus, Yang mengusulkan
Budi Cahyo Wibowo
Menyetujui, Pembimbing I
Pembimbing II
Mohammad Iqbal, ST, MT
Mohammad Dahlan, ST, MT
ii
HALAMAN PENGESAHAN Nama
: Budi Cahyo Wibowo
NIM
: 201052015
Judul Skripsi
: Kontrol keseimbangan robot mobil beroda dua dengan metode logika Fuzzy
Pembimbing I : Mohammad Iqbal, ST, MT Pembimbing II : Mohammad Dahlan, ST, MT Dilaksanakan
: semester gasal tahun akademik 2012/2013
Telah diujikan pada ujian sarjana, tanggal 09 september 2013 Dan dinyatakan LULUS
Kudus, 09 September 2013
Penguji Utama
Penguji I
Penguji II
(Ir. Untung Udayana, MKom)
Budi Gunawan ST, MT
Mohammad Iqbal, ST, MT
Mengetahui, Dekan Fakultas Teknik
(Rochmad Winarso, ST, MT)
iii
KATA PENGANTAR
Bismillahirrohmanirrohim Assalamu ‘alaikum Warahmatullahi Wabarakatuh Syukur Alhamdulillah penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah melimpahkan rahmat, taufiq serta hidayahNya kepada penulis, sehingga penulis dapat menyelesaikan penulisan laporan skripsi dengan “KONTROL KESEIMBANGAN ROBOT MOBIL BERODA DUA DENGAN METODE LOGIKA FUZZY” Penulisan laporan skripsi ini disusun untuk melengkapi salah satu syarat untuk mencapai gelar sarjana S-1 Program Studi Teknik Elektro Universitas Muria Kudus. Atas tersusunnya Laporan Skripsi ini, penulis mengucapkan terima kasih yang sebesar-besarnya kepada: 1. Bapak Prof. Dr. dr. Sarjadi, Sp.PA, Selaku Rektor Universitas Muria Kudus 2. Bapak Rochmad Winarso, ST, MT, Selaku Dekan Fakultas Teknik Universitas Muria Kudus 3. Bapak Ir. Untung Udayana, M.Kom, Selaku Ketua Program Studi Teknik Elektro Universitas Muria Kudus 4. Bapak Mohammad Iqbal, ST, MT, Selaku Pembimbing I yang telah memberikan bimbingan untuk terselesainya penulisan laporan skripsi ini 5. Bapak Mohammad Dahlan, ST, MT, Selaku Pembimbing II yang telah memberikan bimbingan untuk terselesainya penulisan laporan skripsi ini 6. Bapak Dosen dan Staf Karyawan dilingkungan Fakultas Teknik khususnya Program Studi Teknik Elektro Universitas Muria Kudus iv
7. Untuk istriku tercinta Ivana Dwi Tiya dan kedua buah hatiku yang selalu memberikan motivasi untuk terselesainya skripsi ini 8. Untuk seluruh rekan – rekan mahasiswa yang telah memberikan kontribusi baik berupa saran dan masukan 9. Dan semua pihak yang tidak bisa penulis sebutkan satu persatu. Sebagai manusia biasa penulis menyadari sepenuhnya bahwa dalam penulisan Laporan Skripsi ini terdapat banyak kekurangan, namun penulis berharap semoga laporan skripsi ini dapat bermanfaat bagi semua pihak dan penulis mengharap kritik dan saran yang bersifat membangun dari pembaca demi kesempurnaan laporan skrispsi ini. Semoga Allah SWT membalas jasa serta budi baik mereka yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan laporan ini. Amin………. Wassalamu ‘alaikum Warahmatullahi Wabarakatuh
Kudus, Penulis
v
DAFTAR ISI
HALAMAN PERSETUJUAN ................................................................................ ii HALAMAN PENGESAHAN................................................................................ iii KATA PENGANTAR ........................................................................................... iv DAFTAR ISI .......................................................................................................... vi DAFTAR GAMBAR .............................................................................................. x DAFTAR TABEL ................................................................................................ xiv RINGKASAN ...................................................................................................... xvi BAB I PENDAHULUAN ...................................................................................... 1 1.1. Latar Belakang Masalah .............................................................................. 1 1.2. Perumusan Masalah ..................................................................................... 2 1.3. Batasan Masalah .......................................................................................... 2 1.4. Tujuan Skripsi ............................................................................................. 2 1.5. Manfaat Skripsi ........................................................................................... 3 1.6. Sistematika Penulisan .................................................................................. 3 BAB II LANDASAN TEORI ................................................................................ 5 2.1.
Sejarah Robot ........................................................................................... 5
2.1.1. Karakteristik Robot ................................................................................. 5 2.1.2. Tipe Robot .............................................................................................. 6 2.1.3. Robot Bawah Air (Underwater Robot) .................................................. 6 2.2.
Balancing Robot Beroda Dua dan Pendulum Terbalik ............................ 7
2.3.
Fuzzy Logic............................................................................................... 8
2.3.1. Notasi Himpunan Fuzzy ......................................................................... 8 vi
2.3.2. Fungsi Keanggotaan ............................................................................... 9 2.3.3. Operasi Himpunan Fuzzy ..................................................................... 12 2.3.4. Pengendali Fuzzy Logic ........................................................................ 13 2.3.4.1. Fuzzifikasi ..................................................................................... 14 2.3.4.2. Basis Aturan (Rule Base)............................................................... 14 2.3.4.3. Evaluasi Aturan (Inference) .......................................................... 14 2.3.4.4. Defuzzifikasi.................................................................................. 16 2.4.
Mikrokontroler AVR Atmega8535 ........................................................ 19
2.4.1. Konstruksi AVR Atmega8535 ............................................................. 20 2.4.2. Peta Memori ......................................................................................... 25 2.4.3. Status Register (SREG) ........................................................................ 26 2.5.
Accelerometer ......................................................................................... 27
2.5.1. Accelerometer MMA7455L ................................................................. 28 2.5.1.1. Prinsip Kerja Accelerometer MMA7455L .................................... 28 2.5.1.2. Pin – Pin Modul Accelerometer MMA7455L ............................... 30 2.5.1.3. Nilai Pengukuran Akselerasi Pada Modul MMA7455L ............... 31 2.5.1.4. Petunjuk Dasar Penggunaan Accelerometer MMA7455L ............ 33 2.5.1.5. Mode Operasi Pada Modul Accelerometer MMA7455L .............. 34 2.5.1.5.1. Mode Standby ......................................................................... 34 2.5.1.5.2. Mode Pengukuran ................................................................... 35 2.5.1.5.3. Mode Deteksi Level................................................................ 35 2.5.1.5.4. Mode Deteksi Pulsa ................................................................ 35 2.5.1.6. Antarmuka accelerometer MMA7455L Dengan Mikrokontroler . 35 2.5.1.6.1. Antarmuka Dengan I2C (Inter-Integrated Circuit) ................ 36 2.5.1.6.2. Antarmuka SPI (Serial Peripheral Interface) ........................ 40
vii
2.6.
IC L293D ................................................................................................ 42
2.7.
Motor DC ............................................................................................... 44
2.7.1. Teori Dasar Motor DC .......................................................................... 45 2.7.2. Rangkaian Pengontrol Motor DC ......................................................... 47 2.7.2.1. Pengaturan Motor DC Menggunakan Penggerak Analog ............. 48 2.7.2.2. Pengaturan Motor DC Menggunakan Pulse-Width Modulation ... 49 2.8.
Respon Waktu Sistem Data Kontinyu .................................................... 50
2.8.1. Definisi dan Spesifikasi Respon Transien Sistem ................................ 50 BAB III METODOLOGI PENELITIAN ............................................................ 53 3.1. Perancangan dan Pembuatan Perangkat Keras ........................................... 53 3.1.1. Perancangan Perangkat Keras .............................................................. 53 3.1.1.1. Modul Accelerometer MMA7455L ............................................. 56 3.1.1.2. Rangkaian Sistem Minimum Mikrokontroler Atmega8535 ......... 57 3.1.1.3. Rangkaian Driver Motor DC ......................................................... 58 3.1.1.4. Rangkaian Interface RS232 .......................................................... 58 3.1.1.5. Perancangan Layout PCB dan Desain Mekanik ........................... 59 3.1.2. Pembuatan Perangkat Keras ................................................................ 60 3.2. Perancangan Perangkat Lunak .................................................................. 61 3.2.1. Perancangan Fuzzy Logic Controller................................................... 63 3.2.2. Perancangan Software Mikrokontroler ................................................ 70 3.2.3. Perancangan Software Komputer......................................................... 76 BAB IV HASIL DAN ANALISIS ....................................................................... 78 4.1.
Pengujian Sistem .................................................................................... 78
4.1.1. Pengujian Sensor Accelerometer MMA7455L .................................... 78
viii
4.1.2. Pengujian Dan Analisis Respon Waktu Kontrol Keseimbangan Robot Mobil Beroda Dua ................................................................................ 81 4.1.2.1. Pengujian dan analisis kontrol keseimbangan robot mobil dengan kondisi tanpa beban pada gangguan antara 5o – 40o...................... 81 4.1.2.2. Pengujian dan analisis kontrol keseimbangan robot mobil dengan beban antara 40gr – 80gr dengan sudut gangguan 5o – 40o ........... 91 4.1.2.2.1 Menentukan spesifikasi sistem kontrol keseimbangan robot mobil beroda dua .................................................................... 93 BAB V PENUTUP ............................................................................................... 97 5.1
Kesimpulan ............................................................................................. 97
5.2
Saran ....................................................................................................... 98
DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................... 99 LAMPIRAN - LAMPIRAN................................................................................ 100
ix
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Pendulum terbalik di atas kereta beroda[1] ......................................... 7 Gambar 2.2 Balancing robot beroda dua menyeimbangkan diri[1] ........................ 7 Gambar 2.3 Representasi Linear naik[4] ................................................................ 9 Gambar 2.4 Represantasi Linear Turun[4]............................................................ 10 Gambar 2.5 Kurva Segitiga[4] .............................................................................. 10 Gambar 2.6 Kurva Trapesium[4] .......................................................................... 10 Gambar 2.7 Kurva – S PERTUMBUHAN[4]....................................................... 11 Gambar 2. 8 Kurva – S PENYUSUTAN[4] ......................................................... 11 Gambar 2.9 Kurva Bentuk Lonceng[4] ................................................................. 12 Gambar 2.10 Struktur Dasar Pengendali Fuzzy[5] ................................................ 13 Gambar 2.11 Metode Max-Min[5]........................................................................ 15 Gambar 2.12 Metode Max-Dot[5] ........................................................................ 16 Gambar 2.13 Metode Centroid Metode Bisektor[5] ............................................. 17 Gambar 2.14 Metode Bisektor[5] .......................................................................... 17 Gambar 2.15 Metode MOM (Mean Of Maximum)[5] .......................................... 18 Gambar 2.16 Metode LOM (Largest Of Maximum)[5] ........................................ 18 Gambar 2.17 Metode SOM (Smallest Of Minimum)[5] ........................................ 18 Gambar 2.18 Konfigurasi Pin Atmega8535[6] ..................................................... 22 Gambar 2.19 Konfigurasi Memori Data AVR Atmega8535[6]............................ 25 Gambar 2.20 Memori Program Atmega8535[6] ................................................... 26 Gambar 2.21 Status Register Atmega8535[6] ...................................................... 26 Gambar 2.22 Prinsip Kerja Accelerometer MMA7455L[9] ................................. 29 Gambar 2.23 (a) Konfigurasi Pin – pin dan (b) bentuk fisik modul Accelerometer MMA7455L[9] .............................................................................. 30 Gambar 2.24 Gambar Skematik Dari Modul Accelerometer MMA7455L[9] ...... 31 Gambar 2.25 (a) Dasar Koneksi dengan SPI (b) Dasar Koneksi dengan I2C[9].. 33 Gambar 2.26 Konfigurasi Sistem I2C[10] ............................................................. 36
x
Gambar 2.27 Timing Diagram Pada Komunikasi Dengan I2C[10] ...................... 36 Gambar 2.28 Timing Diagram Untuk Instruksi Master ke Slave[10]................... 37 Gambar 2.29 Format data pada komunikasi antarmuka I2C[10]........................... 37 Gambar 2.30 Timing Diagram untuk Single Byte Read MMA7455L[9] ............. 38 Gambar 2.31 Timing Diagram untuk Multiple Byte Read MMA7455L[9] .......... 38 Gambar 2.32 Timing Diagram untuk Single Byte Write MMA7455L[9] ............. 39 Gambar 2.33 Timing Diagram untuk Multiple Byte Write MMA7455L[9] ......... 39 Gambar 2.34 Timing diagram untuk pembacaan 8-bit data dengan mode 4 ........ 41 Gambar 2.35 Timing diagram untuk pembacaan 8-bit data dengan mode 3 ........ 41 Gambar 2.36 Timing diagram SPI untuk menulis 8-bit register dengan .............. 41 Gambar 2.37 Konfigurasi pin IC L293D[11] ........................................................ 42 Gambar 2.38 Skema Penerapan IC L293D Sebagai Driver Motor DC[11] ......... 43 Gambar 2.39 Skema Pengontrol Arah Putar Motor DC[11] ................................. 43 Gambar 2.40 Bentuk fisik motor DC .................................................................... 45 Gambar 2.41 Prinsip kerja motor DC (a) Pengaturan Percobaan (b) arah I, F dan B saling tegak lurus [12]...................................................................... 45 Gambar 2.42 Prinsip putaran pada motor DC konvensional[12] .......................... 46 Gambar 2.43 Armatur Motor DC (a) bentuk konstruksi dari sebuah armatur (b) bentuk fisik dari sebuah armatur[12] ............................................... 47 Gambar 2.44 Metode pengontrol motor DC (a) Analog Drive dan (b) Pulse-Width Modulation Drive[12] ...................................................................... 48 Gambar 2.45 Konfigurasi Penggerak Analog untuk Motor DC[12] ..................... 48 Gambar 2.46 Bentuk Gelombang PWM[12] ........................................................ 49 Gambar 2.47 Kurva respon transien menunjukkan td, tr, tp, Mp dan ts[13] ........... 52 Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem Robot Mobil Beroda Dua .............................. 54 Gambar 3.2 Skema Rangkaian Robot Mobil Beroda Dua .................................... 55 Gambar 3.3 Skema Modul Accelerometer MMA7455L....................................... 56 Gambar 3.4 Skema Rangkaian Mikrokontroler Atmega8535............................... 57 Gambar 3.5 Skema Rangkaian Driver Motor DC dengan IC L293D ................... 58 Gambar 3.6 Skema Rangkaian RS232 .................................................................. 59
xi
Gambar 3.7 Desain Layout PCB (a) Layout PCB tampak bawah (b) Layout PCB tampak atas ......................................................................................... 59 Gambar 3.8 Desain Mekanik Robot Mobil Beroda Dua (a) Tampak Samping (b) Tampak Bawah ................................................................................... 60 Gambar 3.9 Flow Chart Kontrol Keseimbangan Robot Mobil Beroda Dua ....... 62 Gambar 3.10 Himpunan Fuzzy untuk Input Error ................................................ 65 Gambar 3.11 Himpunan Fuzzy untuk Input Del_error_prev ................................ 67 Gambar 3.12 Himpunan Fuzzy untuk output kecepatan motor DC............................ 70 Gambar 3.13 Tampilan Program Akuisisi Data Respon Kontrol Keseimbangan Robot Mobil Beroda Dua ................................................................. 76 Gambar 4.1 Grafik hubungan antara sudut kemiringan positif body robot dengan data keluaran sensor MMA7455L ...................................................... 80 Gambar 4.2 Grafik hubungan antara sudut kemiringan negatif body robot dengan data keluaran sensor MMA7455L ...................................................... 80 Gambar 4.3 Grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban untuk gangguan 5o ............................................................................................................ 82 Gambar 4.4 Grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban untuk gangguan 10o ............................................................................................................ 83 Gambar 4.5 Grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban untuk gangguan 15o ............................................................................................................ 84 Gambar 4.6 Grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 20o....................................................................................................... 85 Gambar 4.7 Grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 25o .................................................................................................... 86 Gambar 4.8 Grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 30o....................................................................................................... 87 Gambar 4.9 Grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 35o....................................................................................................... 88 Gambar 4.10 Grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 40o....................................................................................................... 89
xii
Gambar 4.11 Grafik respon kontrol keseimbangan terhadap waktu untuk sudut gangguan 5o – 40o tanpa beban .......................................................... 91
xiii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Fungsi Khusus Port B[7] ...................................................................... 23 Tabel 2.2 Fungsi Khusus Port C[7] ...................................................................... 23 Tabel 2.3 Fungsi Khusus Port D[7] ...................................................................... 24 Tabel 2.4 Nilai Output Akselerasi Pada Mode 8-Bit data[9] ................................ 32 Tabel 2.5 Konfigurasi Mode Operasi Pada Register $16 MMA7455L[9] ............ 34 Tabel 2.6 Konfigurasi pengaturan arah putar motor DC dengan IC L293D[11] .. 44 Tabel 3.1 Fuzzy Logic Rule..................................................................................... 68 Tabel
4.1
Hasil
Pengukuran
Keluaran
Data
Sensor
Accelorometer
MMA7455L Terhadap Posisi Kemiringan Robot ................................ 79 Tabel 4.2 Nilai rata – rata data pengujian untuk grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 5o .................................. 82 Tabel 4.3 Nilai rata – rata data pengujian untuk grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 10o ................................ 83 Tabel 4.4 Nilai rata – rata data pengujian untuk grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 15o ................................ 84 Tabel 4.5 Nilai rata – rata data pengujian untuk grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 20o ................................ 85 Tabel 4.6
Nilai rata – rata data pengujian untuk grafik respon kontrol
keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 25o ................................ 86 Tabel 4.7
Nilai rata – rata data pengujian untuk grafik respon kontrol
keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 30o ................................ 87 Tabel 4.8 Nilai rata – rata data pengujian untuk grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 35o ................................ 89 Tabel 4.9 Nilai rata – rata data pengujian untuk grafik respon kontrol keseimbangan tanpa beban dengan gangguan 40o ................................ 90 Tabel 4.10 Parameter respon transient kontrol keseimbangan dari hasil pengujian dengan sudut gangguan 5o – 40o tanpa beban...................................... 90
xiv
Tabel 4.11 Hasil pengujian respon kontrol keseimbangan robot mobil terhadap waktu pada sudut gangguan 5o – 40o dengan pembebanan antara 40gr – 80gr ....................................................................................................... 92 Tabel 4.12 Hasil analisis data pengujian dengan pembebanan dan sudut gangguan robot mobil beroda dua dengan tool SPSS 12.0 ................................. 94 Tabel 4.13 Nilai rata – rata untuk variasi nilai sudut kemiringan dan beban........ 94 Tabel 4.14 Hasil analisis data SPSS untuk nilai rata – rata variasi sudut terhadap beban dan nilai rata-rata variasi beban terhadap sudut ......................... 95 Tabel 4.15 Spesifikasi robot mobil beroda dua dengan logika fuzzy .................... 96
xv
