Sistem Kontrol Manual dan Otomatis Robot

Endra Pitowarno © 2007

Sistem Kontrol Manual dan Otomatis Robot

Endra Pitowarno PENS ©2007


Low-level & High Level Control

Sensor Internal: sensor posisi, sensor kecepatan, dan sensor percepatan,

Sensor Eksternal: sensor taktil (tactile), berbasis sentuhan: misalnya limit switch pada bemper robot, sensor force dan sensor torsi (torque sensor), sensor proksimiti, sensor jarak (sonar, PSD, dll), sensor vision (kamera), gyro, kompas digital, detektor api, dan sebagainya.


Low-level & High Level Control Low-level Control Perintah Gerak

Aktuator

Kontroler Sensor Internal

Sensor Eksternal High-level Control

Lingkungan Robot


Kontrol Posisi Referensi posisi yg selalu berubah

Posisi aktual tiap derajat aktuator Low-level Control

Perintah Gerak

Aktuator

Kontroler Sensor Internal


Lingkungan Robot


Kontrol Posisi Referensi posisi yg selalu berubah

Posisi aktual tiap derajat aktuator Low-level Control

Algoritma program (ex: IF-THENELSE)

Kontroler PID + Aktuator

Kontroler Sensor posisi (rotary encoder)

Proximity sensor (ex: line sensor)

High-level Control

Lingkungan Robot


Kontrol Posisi & Kecepatan Referensi posisi & kecepatan yg selalu berubah

Posisi & kecepatan aktual tiap derajat aktuator

Low-level Control Perintah Gerak (posisi) & Kecepatan

Kontroler PID

Aktuator

Kontroler Sensor Internal (posisi & kecepatan)


Lingkungan Robot


Kontrol ON/OFF


Kontrol ON/OFF


Driver Kontrol ON/OFF


Rangkaian Sistem Kontrol ON/OFF


Program Kontrol ON/OFF: PIC16F87 // Nama Program : RR_16F84A1.c Author: epit - Date : 2002/04/24 #pragma PROC_CODE_WORD_VAL 0x3ff2 #pragma PROC_ID_VAL 0x01 0x02 0x03 0x04 #pragma PCLATH_LOC 0xa #include "16F84.h" # define TRUE 1 # define FALSE 0 // Definisi alamat I/O Port A & B int porta @ 0x5; int portb @ 0x6; int trisa @ 0x85; int trisb @ 0x86; int dataIN; int count;


Program Kontrol ON/OFF: PIC16F87 pause(t) long t; { unsigned int d; while( t ) { for(d = 0 ; d < 255 ; d++ ); t--; } } // end pause main() { trisa = 0; trisb = 0; start_position(); pause(10); run(); for(;;){portb = 0x00;} }


Program Kontrol ON/OFF: PIC16F87 void start_position() { portb = 0xcf; for(;;) { dataIN = porta & 0x03; if (dataIN != 0x03) return; } } void run() { count = 0; for(;;) { dataIN = porta & 0x80; // cek untuk bumper limit swtich if (dataIN == 0x00) {portb = 0x00; pause(100); return;} dataIN = porta & 0x83; // cek untuk x-----xxB Port A if (dataIN == 0x80) portb = 0x00; if (dataIN == 0x81) portb = 0x02; if (dataIN == 0x82) portb = 0x01; if (dataIN == 0x83) portb = 0x03; } }


Kontrol Linier: Kecepatan (kontrol Proportional)


Kontrol Linier: Kecepatan (kontrol Proportional-Integral)


Kontrol Linier: Kecepatan (kontrol Proportional-Integral-Derivative)


Skema ekivalen Motor DC Servo dengan kontrol kecepatan


Motor DC Servo dengan kontrol kecepatan


Studi Kasus: kontrol posisi & kecepatan


Fungsi Aktuator • Penghasil gerakan (torsi) • Gerakan rotasi (motor based) dan translasi (solenoid, hidrolik & pneumatik) • Mayoritas aktuator > (DC) motor based • Aktuator dalam simulasi cenderung dibuat linier • Aktuator riil cenderung non-linier


Aktuator dalam perspektif Kontrol • Aktuator: pintu kendali ke sistem • Aktuator: pengubah sinyal listrik (arus, I) menjadi besaran mekanik (torsi) >> Torsi = I x Ktn; Ktn = konstanta motor/aktuator • Batasan aktuator riil: sinyal kemudi terkecil (mulai bergerak), saturasi (arus membesar namun torsi tetap)


Berbagai macam Aktuator: VEXTA MOTOR


Berbagai macam Aktuator: Geared DC Motor


Berbagai macam Aktuator: Servo Motor


Artificial Muscle


Aplikasi (RC) Servo Motor


Sistem Robot dan orientasi fungsi

Sistem Robot

Sistem Kontroler

Aktuator

Mekanik Robot

Sensor

Sistem Aktuator Mata Kamera

Real world

Sistem Roda

Sistem Kaki

Untuk Navigasi (gerak berpindah)

• Mengikuti jalur • Berdasarkan obyek statik atau bergerak (menuju obyek, menghindari obyek/halangan) berbasis vision, proximity, dll. • Berdasarkan urutan perintah (referensi trajektori)

Sistem Tangan

Mata Kamera

Untuk Manipulasi (gerak penanganan) Ujung tangan (posisi TIP): • Mengikuti referensi trajektori • Mengikuti obyek (berbasis vision, proximity, dll.) • Memegang, mengambil, mengangkat, memindah atau mengolah obyek


Sistem Robot dengan kontroler berbasis prosesor

Analog dan atau Digital

Aktuator

Rangkaian prosesor (CPU)

Robot

Analog dan atau Digital

Sensor


Kontroler berbasis prosesor dengan user interface

Keypad/ keyboard

Monitor (LCD, CRT, etc.)

1/0

1/0 analog

Rangkaian prosesor (CPU)

sistem bus (shaft encoder, vision) Wireless communications (blue tooth, Wi-Fi, etc.)

analog


Sistem Kontrol Robotik (kontrol robot loop terbuka/tertutup) Referensi Gerak

Kontroler

Robot

Hasil Gerak sesungguhnya (dibaca oleh sensor)

Error = Gerak referensi – Gerak aktual Referensi Gerak

+

Kontroler -

Gerak aktual

Robot


Teori Dasar: Penggunaan Transformasi Laplace ∞

L{ f (t )} = ∫ f (t )e − st dt 0

jika

L{x(t )} = X ( s )

maka

L{x& (t )} = sX ( s )

percepatan/akselerasi

&x&(t ) s(s X(s))

1 s

L{&x&(t )} = s( sX ( s))

kecepatan

x& (t ) s X(s)

posisi

1 s

x(t ) X(s)


Contoh: Robot Tangan Satu Sendi Sensor posisi (potensiometer)

Y

θ&

∆θ = ∆t

θ&&

∆θ& = ∆t

act

Robot (lengan tunggal)

act

θ Aktuator (Motor DC)

Error =

X

θ ref – θ act

Sistem Robot

Sistem Kontroler

θ ref

+

Kontrol -

Amplifier

Ktn

I

Motor DC

τ

Sendi Robot

θ&&act

1 s

θ&act

1 s

θ act


Metoda Kontrol Klasik (P) r

e

+

Kp

u

-

u = Kp ⋅ e

H(s)

y


Metoda Kontrol Klasik (I) r

e

+ -

Ki s

u

H(s)

t ⎡ u (t ) = ∫ e(T )dT ⎤ Ki ⎢⎣ 0 ⎥⎦

y


Metoda Kontrol Klasik (P-I) Kp r

+

e

+ -

Ki s

u

+

Ki G ( s ) = Kp + s

H(s)

y


Metoda Kontrol Klasik (D) r

e

+

s ⋅ Kd

u

H(s)

-

u = Kd ⋅ e&

∆e u = Kd ⋅ ∆t

y


Metoda Kontrol Klasik (P-I-D)

Kp r

e

+ -

+

Ki s

+ +

s ⋅ Kd

u

H(s)

y


Penggunaan Kontrol Cerdas r

e

+ -

• • • • • •

Kontroler berbasis AI

u

Sistem Robot

y

AI & Terminologi:orang pertama > Alan Turing (1937) Neural Network: Warren McCulloch (1943) Teori Fuzzy: Lukacewick (1930an) Fuzzy Sets: Lotfi Zadeh (1965) Genetic Algorithm: Teori Darwin Konsep GA dalam Evolutionary Computation (EC): Holland (1975)


Motor DC magnet permanen R

L

τ , ω ,θ

Ia Va

dI Va = L a + RI a + K b ω dt

Vb

θ L (s) Va ( s )

=

s[ sR J eff

nK tn + R f eff + K tn K b ]


Fungsi transfer open loop Motor DC magnet permanen sθ(s)

(s) Va(s)

+ -

1 sL + R

1 s

1 sJ eff + f eff

Ktn

Kb

θ L (s) Va ( s ) Ia(s)

=

s[ sR J eff

nK tn + R f eff + K tn K b ]

(s) Ktn

H ( s)

−1

sθ(s)

1 s

θ(s)

θ(s)


Motor DC Servo Motor DC Servo dengan kontrol kecepatan Kecepatan Referensi,

Kecepatan

θ&ref +

Kontrol PID

Motor DC-MP

aktual,

-

Skema ekivalen Motor DC Servo dengan kontrol kecepatan

θ&act


Motor DC Servo dengan kontrol kecepatan θ&act Tegangan Supply DC (misal 0÷24V)

+

Rangkaian Driver

-

θ&ref -

+

Vref(-)

Vref(+)


RC Servo Sinyal Tegangan Input PWM

Arah piringan Servo

-120º s/d +120º

RC Servo

Prinsip kerja RC Servo

0º


Teknik Pulse Width Modulation Tegangan PWM

V

Tegangan ekivalen linier

Vsat

=

0V

=

= t

Prinsip kerja PWM

t


Sebuah rangkaian pembangkit PWM lengkap dengan driver H-bridge untuk motor DC-MP/DC-SV ¼ LM324 74HCT245

¼ LM324

+12V

1K2

+12V

1K2

-

+(12÷24)V

BD643

BD643

1K2

+

+

74HCT04

¼ LM324

74HCT04 74HCT245

1/0

CW/CCW

1K2

+

¼ LM324

2SD1314

2SD1314

+12V

1K2

-

+12V

M

BD643

BD643

1K2

+

¼ LM324 2SD1314

20K

74HCT245 1K2

LM555 1 Gnd Vcc 8 2 Dis 7

Trg

3

Out Thr 6

4

Rst Ctl 5

(0÷5)V

θ&ref .01

+5V 20K

.01

+12V 2K2

+12V

2SD1314 BD643

1K2 BD643

+

H-bridge

2SD1314

¼ LM324

Arah (1/0)

Kecepatan (0÷5)V

Driver Motor DC Berbasis PWM

M (ep)


Wassalam

Sistem Kontrol Manual dan Otomatis Robot

Recommend Documents