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
U9A
3
Rangkaian Minimum System ATTiny2313 Rangkaian minimum system ATTiny2313 digunakan sebagai pengatur belok kiri dan kanan mobile robot.
J5
sensor gp2d120 7 2 1 6
+
1 output
-
tegangan refrensi
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
J14
motor1 U2 VOUT
U1 1 3
C2 CAP
C1 LM7805/TO CAP
5 dir1 7 5v J7
D1
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 J5
10 dir2 12v
12
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
downloader
IN4
2
1 2 3
12v control2
4 pwm1
6
D3
mtr1 8
J6 10 direct2
1 2
12v
12
motor2
14
1 2 3 4 5 6
GND
ATTINY 2313
sck miso mosi reset
GND
P3.0/RXD P3.1/TXD P3.2/INT0 P3.3/INT1 P3.4/T0 P3.5/T1 P3.7
5V sck miso mosi
3
PORT3
XTAL1
10
1 2 3 4 5 6 7
XTAL2
20 19 18 17 16 15 14 13 12
+
5 2 3 6 7 8 9 11
VCC P1.7 P1.6 P1.5 P1.4 P1.3 P1.2 P1.1/AIN1 P1.0/AIN0
-
4 30pf
RST/VPP
+
reset 1
J1
Gambar 12. Rangkaian Komparator
U1
Y1 8mhz
-
30pf C3
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
