DESAIN DAN IMPLEMENTASI MOBILE-ROBOT MENGGUNAKAN STIR DIFERENSIAL DAN KONTROL PROPORSIONAL INTEGRAL DERIVATIF (PID)

DESAIN DAN IMPLEMENTASI MOBILE-ROBOT MENGGUNAKAN

STIR DIFERENSIAL DAN KONTROL PROPORSIONAL INTEGRAL

DERIVATIF (PID)

TUGAS AKHIR

Diajukan sebagai syarat untuk menyelesaikan studi tingkat sarjana di Program Studi Fisika

Institut Teknologi Bandung

Oleh :

Ferdi Perdana Kusumah

10203023

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

BANDUNG

2007

DESAIN DAN IMPLEMENTASI MOBILE-ROBOT MENGGUNAKAN

STIR DIFERENSIAL DAN KONTROL PROPORSIONAL INTEGRAL

DERIVATIF (PID)

TUGAS AKHIR

Diajukan sebagai syarat untuk menyelesaikan studi tingkat sarjana di Program Studi Fisika

Institut Teknologi Bandung

Oleh :

Ferdi Perdana Kusumah

10203023

Telah Diperiksa dan Disetujui Oleh: Pembimbing Tugas Akhir

Dr.-Ing. Mitra Djamal NIP : 131417335

PROGRAM STUDI FISIKA

FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM

INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG

BANDUNG

2007

iii

Untuk keluargaku tercinta:

Ibunda Cicih Sunarsih dan Ayahanda Yayan Sutaryan

serta Ade Ferni Erdina

Yang selama ini menjadi sumber inspirasi terbesar.

Thanks a lot for ur support.

iv

ABSTRAK

Pada umumnya sistem kontrol merupakan hal yang sangat penting apabila kita akan membuat suatu mobile-robot. Salah satu sistem kontrol yang terkenal adalah Proporsional Integral Derivatif (PID) dan merupakan sistem kontrol yang digunakan pada bidang industri. Sistem ini mempunyai keluaran dengan respon yang cepat, tidak ada offset dan tidak berosilasi dan sangat cocok diterapkan untuk plant dengan gangguan yang tidak terlalu besar. Penggunaan mikrokontroler pada bidang sistem kontrol sudah sangat banyak dan salah satunya adalah ATMEL ATMEGA16 yang dapat diaplikasikan untuk sistem kontrol PID dengan modul Pulse Width Modulation (PWM) terintegrasi untuk mengendalikan suatu plant. Algoritma PID akan dimasukan dalam memori mikrokontroler ini. Dengan menggunakan kontrol PID diharapkan mobile-robot yang dibuat dapat bergerak dengan baik pada jalur lurus maupun berbelok. Respon dari plant yang dibuat sangat bergantung pada pemodelan plant karena model tersebut digunakan untuk mengeset parameter sistem kontrol yang akan dibuat.

v

ABSTRACT

Generally, control system is the most important thing when we deal with mobile-robot making. One of the most well-known control systems is Proportional Integral Derivative (PID) and widely used in industrial field. This control system has fast response, no offset and no oscillation and very suitable for plant with low disturbance. There are plenty of microcontroller applications in control system. ATMEL ATMEGA16 is a microcontroller which has integrated pulse width modulation (PWM) module to control a plant. PID algorithm will be injected to this microcontroller memory. With PID control, the mobile-robot is expected to reach stability in moving on a straight and curve line. The plant output response is closely related to plant modeling because the model is used to tune controller parameters.

vi

KATA PENGANTAR

Alhamdulillah…

Puji syukur penulis ucapkan ke Hadirat Allah SWT, karena hanya dengan ridho-Nya lah penulis dapat menyesesaikan laporan tugas akhir dengan judul “Desain Dan Implementasi Mobile-Robot Menggunakan Stir Diferensial Dan Kontrol Proporsional Integral Derivatif (PID).” Shalawat dan salam penulis panjatkan ke Junjungan kita, Muhammad SAW serta para sahabat dan pengikutnya sampai akhir zaman. Laporan ini ditujukan untuk memenuhi persyaratan dalam menyesaikan tahap sarjana di Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung.

Laporan ini menyajikan pengembangan suatu sistem kontrol pada suatu robot. Robot yang akan dibuat merupakan robot bergerak (mobile-robot) yang menggunakan roda dengan sistem stir differensial. Studi ini diharapkan dapat membantu semua orang yang akan membuat robot dengan spesifikasi yang telah diberkan di atas. Robot yang telah dibuat dapat dikembangkan lebih lanjut dengan menambahkan fitur-fitur yang lain, seperti manipulator (tangan robot).

Penulis menyadari bahwa laporan ini serta proses pengerjaannya masih banyak kekurangan dan kesalahan. Kesulitan yang paling utama adalah pada proses pembuatan perangkat kerasnya. Solusi yang digunakan adalah dengan menyerahkan pengerjaan tugas tersebut pada orang yang lebih ahli. Penulis menerima segala saran dan kritik yang bersifat membangun yang berkaitan

vii

dengan laporan yang penulis buat. Semoga tugas akhir ini dapat berguna bagi kita semua.

Ucapan terima kasih penulis tujukan kepada Orang tua penulis yaitu Bapak Yayan Sutaryan dan Ibu Cicih Sunarsih dan juga adiku tersayang Ferni Erdina yang selalu menyemangati sampai pembuatan laporan ini selesai. Terima kasih juga kepada dosen pembimbing yaitu Bapak Mitra Djamal dan teman-teman penulis yang diantaranya adalah Hindra, Hari, Yusuf, Heri, Yanuar, Aah dan semua anak-anak Lab Elektronika dan Instrumentasi Fisika yang tidak disebutkan atas saran dan bantuan ilmu yang telah diberikan. Selain itu terima kasih penulis ucapkan kepada anak-anak Boxer terutama Kang Jum yang selalu menemani penulis saat latihan dan sparing, sehingga penulis menjadi mahir dalam bela diri. Untuk terakhir kalinya, saya ucapkan banyak terima kasih kepada orang-orang sukses di sekitar penulis dan semua cewe yang pernah penulis sukai baik cewe asli maupun dalam khayalan (he..he..he), karena anda semua saya bisa termotivasi dan menjadi orang sukses.

Bandung, September 2007

Penulis

viii

DAFTAR ISI

ABSTRAK ………... ABSTRACT ………. KATA PENGANTAR ………. DAFTAR ISI ……… DAFTAR GAMBAR ………... DAFTAR TABEL ……… DAFTAR LAMPIRAN ……… iv v vi viii xi xv xvi BAB I PENDAHULUAN

1.1. Latar Belakang dan Rumusan Masalah ……….. 1.1.1. Latar belakang ……….. 1.1.2. Rumusan masalah ……… 1.2. Ruang Lingkup Kajian ………... 1.3. Tujuan Penulisan ……… 1.4. Anggapan Dasar ………. 1.5. Hipotesis ………. 1.6. Metode dan Teknik Pengumpulan Data ………. 1.6.1. Metode ………. 1.6.2. Teknik pengumpulan data ……… 1.7. Sistematika Penulisan ………. 1 1 1 2 2 2 3 3 3 3 4 4

ix

BAB II

BAB III

TEORI DASAR MOBILE-ROBOT DAN SISTEM PENUNJANGNYA

2.1. Komponen Utama Mobile-Robot ……… 2.1.1. Sistem stir mobile-robot beroda ………... 2.1.2. Motor penggerak mobile-robot ……… 2.2. Perhitungan Fungsi Transfer Sistem Penggerak Mobile-Robot ……….. 2.3. Teori Sensor Kecepatan Menggunakan Encoder Optik ……. 2.4. Teori Sistem Kontrol Proporsional Integral Derivatif (PID) . 2.4.1. Persamaan kontrol PID dalam bentuk kontinu …..……….. 2.4.2. Persamaan kontrol PID dalam bentuk diskrit ……….. 2.4.3. Tuning sistem kontrol PID dengan Metode Ziegler-Nichols 2.5. Mikrokontroler ATMEL ATMEGA16 ………... 2.5.1. Pulse Width Modulation (PWM) 16-bit ……….. 2.5.2. Timer 8-bit ………... 2.5.3. Interupsi eksternal ……… 2.5.4. Universal Synchronous and Asynchronous Serial Receiver and Transmitter (USART) ………. 2.5.5. Analog to Digital Converter (ADC) 10-bit ………..

PERANCANGAN PERANGKAT KERAS MOBILE-ROBOT 3.1. Perancangan Sistem Secara Umum ……… 3.2. Perancangan Plant (Mobile-Robot) ……….

6 6 6 8 11 14 16 16 18 18 19 20 22 22 22 23 25 25 25

x

BAB IV

BAB V

3.3. Desain Rangkaian Encoder ………. 3.4. Desain Pengontrol PID ………... 3.4.1. Rangkaian mikrokontroler ………... 3.4.2. Rangkaian driver motor L298 ………. 3.4.3. Rangkaian MAX232 ……… 3.4.4. Rangkaian buffer ……….. 3.5. Konstruksi Sistem Secara Keseluruhan ………..

PENGUJIAN SISTEM

4.1. Parameter Mobile-Robot ………. 4.2. Fungsi Transfer Sistem Penggerak Mobile-Robot ………….. 4.3. Pengambilan Data Kecepatan ………. 4.4. Analisis Hasil Percobaan ………

KESIMPULAN DAN SARAN

5.1. Kesimpulan ………. 5.2. Saran ………... 27 30 32 38 41 42 43 45 45 51 53 70 53 53 DAFTAR PUSTAKA ……….. LAMPIRAN ………. 54 55

xi

DAFTAR GAMBAR

Halaman GAMBAR 2.1 Jenis-jenis mobile-robot. (a) mobile-robot beroda; (b)

mobile-robot berkaki………... 2.2 Sistem stir diferensial………... 2.3 Bentuk motor DC beserta komponen pendukungnya 2.4 Gambar pemodelan motor DC yang menggunakan

brush ………... 2.5 Blok diagram persamaan motor DC …...……… 2.6 Diagram blok sistem penggerak mobile-robot ……… 2.7 Diagram blok sistem penggerak mobile-robot ……… 2.8 Skema encoder optik ……….. 2.9 Skema rangkaian fototransistor dengan R sebagai

hambatan dan I sebagai arus yang mengalir ………... 2.10 Ilustrasi proses pembentukan PWM ………. 2.11 Skema rangkaian Successive-approximation ADC .. 3.1 Diagram blok sistem kontrol PID pada mobile robot 3.2 Konstruksi dasar badan mobile-robot ………. 3.3 Komponen opto-interrupter ……… 3.4 Skema rangkaian encoder secara keseluruhan ……… 3.5 Bentuk piringan encoder ………. 3.6 Perangkat keras pengontrol PID ………. 3.7 Perangkat keras sistem kontrol cadangan …………...

6 7 8 9 11 11 14 14 15 21 23 25 26 28 28 30 31 32

xii

3.8 Penggunaan pin mikrokontroler untuk pengontrol PID ……….. 3.9 Diagram alir program kontrol PID pada

mikrokontroler ……… 3.10 Skema penggunaan pin pada mikrokontroler

pertama sistem kontrol cadangan ……… 3.11 Skema penggunaan pin pada mikrokontroler kedua

sistem kontrol cadangan ……….. 3.12 Diagram alir sistem kontrol cadangan. (a) Diagram

alir mikrokontroler pertama; (b) diagram alir mikrokontroler kedua ………... 3.13 Skema komponen dual full bridge driver L298 …… 3.14 Konfigurasi L298 untuk motor berarus besar ……... 3.15 Skema rangkaian driver motor secara keseluruhan .. 3.16 Skema rangkaian MAX232 ……….. 3.17 Skema rangkaian buffer SN74LS04 ………. 3.18 Bentuk fisik mobile-robot secara keseluruhan ……. 4.1 Bagian depan mobile-robot ……… 4.2 Grafik performa motor apabila diberi tegangan 1,5

Volt ………. 4.3 Grafik kecepatan 1 roda kiri sebelum dikontrol ……. 4.4 Grafik kecepatan 2 roda kiri sebelum dikontrol ……. 4.5 Grafik kecepatan 3 roda kiri sebelum dikontrol …….

33 34 35 36 38 39 40 41 42 43 44 46 49 54 54 55

xiii

4.6 Grafik kecepatan 1 roda kanan sebelum dikontrol …. 4.7 Grafik kecepatan 2 roda kanan sebelum dikontrol …. 4.8 Grafik kecepatan 3 roda kanan sebelum dikontrol …. 4.9 Grafik kecepatan roda kiri setelah dikontrol ………... 4.10 Grafik kecepatan roda kanan setelah dikontrol ……. 4.11 Grafik kecepatan 1 roda kiri sesudah dikontrol …… 4.12 Grafik kecepatan 2 roda kiri sesudah dikontrol …… 4.13 Grafik kecepatan 1 roda kanan setelah dikontrol ….. 4.14 Grafik kecepatan 2 roda kanan setelah dikontrol ….. 4.15 Grafik kecepatan motor dengan nilai Kp = 1 ……….

4.16 Grafik kecepatan motor dengan nilai Kp = 10 ……...

4.17 Grafik kecepatan motor dengan nilai Kp = 100 …….

4.18 Grafik kecepatan motor dengan nilai Kp = 1000 …...

4.19 Grafik kecepatan motor dengan nilai Kp = 10000 ….

4.20 Grafik kecepatan motor 1 dalam cacahan …………. 4.21 Grafik kecepatan motor 2 dalam cacahan …………. 4.22 Grafik kecepatan motor 3 dalam cacahan …………. 4.23 Grafik kecepatan motor 1 dalam radian/detik …….. 4.24 Grafik kecepatan motor 2 dalam radian/detik …….. 4.25 Grafik kecepatan motor 3 dalam radian/detik …….. 4.26 Grafik kecepatan motor dengan mempersingkat

start-up time mikrokontroler ………

55 56 56 57 58 59 59 60 60 62 62 63 63 64 65 65 66 66 67 67 68

xiv

4.27 Grafik kecepatan motor 1 apabila set point diubah setelah start-up time ……… 4.28 Grafik kecepatan motor 2 apabila set point diubah

setelah start-up time ……….

69

xv

DAFTAR TABEL

Halaman TABEL 2.1 Tabel penentuan nilai konstanta-konstanta pengontrol

PID dengan menggunakan metode Ziegler-Nichols ...…. 4.1 Data hambatan motor DC ...……… 4.2 Data induktansi motor DC ...………...

19 47 47

xvi

DAFTAR LAMPIRAN

Halaman LAMPIRAN A. FITUR-FITUR MIKROKONTROLER ATMEL

ATMEGA16 ……… B. SPESIFIKASI OPTO INTERRUPTER

FAIRCHILD H21A1 ……… C. DATASHEET MOTOR YANG DIGUNAKAN

MOBILE ROBOT ………

75

77