TA : Perancangan dan Pembuatan Ackerman Mobile Robot dengan Kendali PID untuk Menghindari Halangan Berbasis Hybrid System.

(1)

PERANCANGAN DAN PEMBUATAN ACKERMANMOBILE ROBOT DENGAN KENDALI PID UNTUK MENGHINDARI HALANGAN

BERBASIS HYBRID SYSTEM

TUGAS AKHIR

Nama : RatihKesumaDewi Nim : 08410200031 Program : S1 (Strata Satu) Jurusan : SistemKomputer

SEKOLAH TINGGI

MANAJEMENINFORMATIKA & TEKNIK KOMPUTER SURABAYA

2012

STIKOM

(2)

vii

Robot merupakan pendorong utama industri modern dan merupakan lambang kemajuan teknologi di abad ke-21. Dengan adanya robot bisa meringankan pekerjaan manusia. Hal ini 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 berapi dan 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. Agar robot dapat berjalan dengan halus diperlukan sebuah pengendali, untuk sistem kendali yang digunakan adalah kendali PID dengan parameter input menggunakan sensor jarak (position sensitive device).

Sensor jarak merupakan jenis sensor yang output-nya berupa tegangan analog. Untuk itu diperlukan pemroses yang analog, salah satu adalah FPAA. FPAA adalah sebuah rangkaian terintegrasi yang dapat dikonfigurasi untuk membuat beberapa fungsi analog menggunakan beberapa CAB (Configurable Analog Blocks) dan interconection network untuk menghubungkan antara CAB satu dengan yang lainnya dan dilengkapi dengan input – output (I/O) block dan media penyimpan memory jenis RAM (Random Access Memory). Pada penelitian

ini output sensor digunakan FPAA dengan kendali PID untuk mengatur kecepatan

motor. Agar tidak menabrak halangan ditambahkan sensor jarak di sebelah kiri dan kanan depan. Kendali PID dapat memperbaiki respon kecepatan dengan Nilai KP=4, KI=3.6, KD=3 pada plant Tugas Akhir ini.

STIKOM

(3)

x

Halaman

ABSTRAK ... vii

KATA PENGANTAR ... viii

DAFTAR ISI ... x

DAFTAR TABEL ... xv

DAFTAR GAMBAR ... xvi

BAB I PENDAHULUAN ... 1

1.1 Latar Belakang Masalah ... 1

1.2 Perumusan Masalah ... 2

1.3 Pembatasan Masalah ... 3

1.4 Tujuan ... 3

1.5 Sistematika Penulisan... 4

BAB II LANDASAN TEORI ... 5

2.1 Definisi Robot ... 5

2.1.1 Klasifikasi Robot ... 6

2.1.2 Robot Beroda ... 6

2.1.3 Ackerman Steering ... 7

2.2 Sensor Sharp GP2D120... 7

2.3 Driver Motor L298 ... 9

2.3.1 Fungsi-fungsi Kaki (Pin) L298 ... 9

2.4 PWM ... 11

2.5 Comparator LM339 ... 12

STIKOM

(4)

2.6 Sistem Kendali Mobile Robot ... 13

2.6.1 PID ... 13

2.6.2 Tuning PID ... 15

2.7 Motor DC ... 18

2.8 Motor Servo ... 24

2.8.1 Jenis-jenis Motor Servo ... 25

2.9 Hybrid System ... 26

2.9.1 FPAA (Field Programmable Analog Array) ... 26

2.9.2 Microcontroller ATTiny2313 ... 30

BAB III METODE PENELITIAN DAN PERANCANGAN SISTEM ... 33

3.1 Metode Penelitian ... 33

3.2 Rancangan Penelitian ... 33

3.3 Perancangan Perangkat Keras ... 35

3.3.1 Rangkaian Set point ... 35

3.3.2 Rangkaian Driver Motor ... 35

3.3.3 Rangkaian Minimum system ATTiny 2313 ... 37

3.3.4 Modul Anadigm AN221K04 ... 41

3.3.5 Rangkaian Comparator ... 46

3.4 Perancangan Arsitektur Sistem ... 47

3.5 Perancangan Perangkat Lunak ... 49

3.5.1 Perancangan Program pada Anadigm AN221K04 ... 49

3.5.2 Flow Chart Program pada Microcontroller ... 50

3.6 Metode Pengujian dan Evaluasi Sistem ... 51

3.6.1 Pengujian PORT Input dan Output Modul FPAA AN221K04-V4 ... 51

STIKOM

(5)

3.6.2 Pengujian Driver Motor ... 52

3.6.3 Pengujian Microcontroller ... 52

3.6.4 Pengujian Sensor SHARP GP2D120 ... 53

3.6.5 Pengujian Pergerakan Robot ... 53

3.6.6 Pengujian Pergerakan Kemudi ... 53

3.6.7 Evaluasi Sistem Keseluruhan ... 53

BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS SISTEM ... 55

4.1 Pengujian PORT Input dan Output Modul FPAA AN221K04-V4 ... 55

4.1.1 Tujuan Pengujian ... 55

4.1.2 Alat yang dibutuhkan ... 55

4.1.3 Prosedur Pengujian ... 55

4.1.4 Hasil Pengujian ... 56

4.2 Pengujian Driver Motor ... 57

4.2.2 Alat yang Dibutuhkan ... 57

4.3 Pengujian Microcontroller ... 57

4.4 Pengujian Sensor Sharp GP2D120 ... 59

STIKOM

(6)

4.5 Pengujian Kendali PID ... 62

4.6 Pengujian Pergerakan Kemudi ... 63

4.7 Evaluasi Sistem Keseluruhan ... 65

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 67

5.1 Kesimpulan ... 67

5.2 Saran ... 67

DAFTAR PUSTAKA ... 69

Lampiran 1. Program Microcontroller ... 70

Lampiran 2. Program Anadigm Designer 2 ... 74

STIKOM

(7)

Lampiran 3. Biodata Penulis ... 75

STIKOM

(8)

DAFTAR TABEL

Halaman

Tabel 2.1 Penalaan parameter PID dengan metode grafik respon ... 16

Tabel 2.2 Penalaan parameter PID dengan metode Cohen-Coon ... 17

Tabel 3.1 Tabel fungsi PIN ... 38

Tabel 3.2 Alokasi port I/O modul 1 ... 42

Tabel 4.1 Hasil pengujian Port I/O ... 56

Tabel 4.2 Pegujian driver motor ... 57

Tabel 4.1 Tabel pengukuran output sensor ... 61

Tabel 4.2 Pengujian kemudi ... 64

STIKOM

(9)

x

DAFTAR GAMBAR

Halaman

Gambar 2.1 Robot beroda ... 6

Gambar 2.2 Ackerman steering ... 7

Gambar 2.3 Parallel steering ... 7

Gambar 2.4 Blok diagram GP2D120 ... 8

Gambar 2.5 Pinout GP2D120 ... 8

Gambar 2.6 Pin connection L298... 9

Gambar 2.7 Sinyal PWM ... 11

Gambar 2.8 Sinyal terhadap waktu ... 12

Gambar 2.9 Comparator sederhana ... 12

Gambar 2.10 Pin connection LM339 ... 13

Gambar 2.11 Grafik respon berbentuk S ... 16

Gambar 2.12 Grafik respon quarter amplitude decay ... 17

Gambar 2.13 Motor DC sederhana ... 19

Gambar 2.14 Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor ... 20

Gambar 2.15 Konduktor berbentuk U ... 20

Gambar 2.16 Reaksi garis fluks ... 21

Gambar 2.17 Prinsip kerja motor DC ... 22

Gambar 2.18 Sinyal motor Servo ... 24

Gambar 2.19 Diagram Generic FPAA ... 26

Gambar 2.20 Arsitektur FPAA AN221E04 ... 27

Gambar 2.21 AN221K04-V4 –AnadigmVortex Development Board ... 29

STIKOM

(10)

Gambar 2.22 Layout board ... 30

Gambar 2.23 Pin konfigurasi ATTiny 2313 ... 31

Gambar 3.1 Blok diagram sistem keseluruhan ... 34

Gambar 3.2 Rangkaian set point ... 35

Gambar 3.3 Rangkaian dari driver motor ... 36

Gambar 3.4 Minimum systemmicrocontroller ATTiny 2313 ... 37

Gambar 3.5 AVR USB ISP ... 38

Gambar 3.6 PINOUT connection ... 38

Gambar 3.7 Rangkaian reset ... 39

Gambar 3.8 Rangkaian osilator ... 40

Gambar 3.9 Rangkaian regulator ... 41

Gambar 3.10 Rangkaian modul Anadigm AN221K04 (Part a) ... 41

Gambar 3.11 Rangkaian modul Anadigm AN221K04 (Part b) ... 42

Gambar 3.12 Konfigurasi jumper serial RS232 dan USB ... 43

Gambar 3.13 Software Anadigm designer ... 45

Gambar 3.14 Tampilan setting COM Port pada Anadigm designer. ... 46

Gambar 3.15 Tampilan setting COM Port pada Device Manager. ... 46

Gambar 3.16 Rangkaian comparator ... 47

Gambar 3.17 Robot tampak depan ... 48

Gambar 3.18 Robot tampak samping ... 48

Gambar 3.19 Perancangan kontroler PID dan PWM ... 49

Gambar 3.20 Flowchart microcontroller ... 50

Gambar 3.21 Pengujian PIN I/O FPAA ... 52

Gambar 4.1 Tampilan chip signature ... 59

STIKOM

(11)

Gambar 4.2 Grafik pengukuran sensor ... 61 Gambar 4.3 Pengujian PWM ... 63 Gambar 4.4 PID pada saat jarak 45 cm ... 63

STIKOM

(12)

1 1.1 Latar Belakang Masalah

Robot merupakan pendorong utama industri modern dan merupakan lambang kemajuan teknologi di abad ke-21. Di satu 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 berapi dan membersihkan tumpahan bahan radio aktif. Untuk itu diperlukan sebuah robot yang mempunyai kemampuan untuk menghindari halangan (obstacle avoidance) agar misi dari robot tersebut tercapai.

Demikian halnya dengan kemajuan yang terjadi pada pengatur kemudi

mobile robot, diantaranya adalah ackerman steering. Prinsip ackerman steering

sama dengan kemudi pada mobil. Di mana salah satu kelebihan dari ackerman steering adalah 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

STIKOM

(13)

ditempuh robot. Untuk menghindari halangan tentu saja diperlukan sebuah sistem

steering dimana yang digunakan dalam penelitian ini adalah ackerman steering. 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 merah adalah Sharp GP2D120. Sensor ini menghasilkan output tegangan analog. Untuk itu agar lebih mudah dalam memproses data output-nya digunakan suatu pemroses yang analog, salah satunya adalah FPAA. Pemroses yang digunakan adalah hybrid system, dimana perangkat analog seperti FPAA dan pemroses digital seperti

microcontroller bergabung.

Dalam penelitian ini mobile robot bernavigasi secara mandiri. Agar dapat mengenali lingkungannnya digunakan sensor PSD yang menggunakan infra merah. Unit pemroses yang digunakan merupakan kombinasi antara FPAA dengan microcontroller. Metode kendali PID digunakan sebagai pendukung untuk mengatasi kondisi lingkungan. Mekanisme kemudi robot menggunakan ackerman

steering, sehingga dapat diaplikasikan pada kondisi yang sebenarnya.

1.2 Perumusan Masalah

Dari latar belakang di atas didapatkan rumusan masalah yaitu sebagai berikut:

1. Bagaimana merancang dan membuat ackerman mobile robot dengan kendali PID untuk menghindari halangan berbasis hybrid system.

STIKOM

(14)

2. Bagaimana kendali PID dapat memperbaiki respon kecepatan yang digunakan sebagai penggerak mobile robot.

3. Bagaimana menggabungkan FPAA dengan microcontroller sehingga dapat membentuk hybrid system.

4. Bagaimana mendesain kendali PID menggunakan FPAA.

1.3 Pembatasan Masalah

Batasan masalah dari penelitian ini adalah:

1. Sensor pengukur jarak menggunakan sensor sharp GP2D120

2. Pengatur kecepatan maju akan dikendalikan oleh FPAA dengan kendali PID

3. Microcontroller membantu dalam pengendalian motor kemudi

1.4 Tujuan

Tujuan dari penelitian ini adalah:

1. Bagaimana merancang dan membuat ackerman mobile robot dengan kendali PID untuk menghindari halangan.

2. Bagaimana kendali PID dapat memperbaiki respon kecepatan yang digunakan sebagai penggerak mobile robot.

3. Bagaimana menggabungkan FPAA dengan microcontroller sehingga dapat membentuk hybrid system.

4. Bagaimana mendesain kendali PID menggunakan FPAA.

STIKOM

(15)

1.5 Sistematika Penulisan

Laporan Tugas Akhir ini ditulis dengan sistematika penulisan sebagai berikut:

BAB I : PENDAHULUAN

Bab satu membahas tentang latar belakang masalah, perumusan masalah, pembatasan masalah, tujuan penulisan laporan Tugas Akhir, dan sistematika penulisan Tugas Akhir.

BAB II : LANDASAN TEORI

Bab dua membahas tentang berbagai teori yang mendukung Tugas Akhir ini. Hal tersebut meliputi sensor GP2D120, FPAA, Anadigm, Motor DC BAB III : METODE PENELITIAN

Dalam bab tiga dijelaskan tentang metode penelitian serta alasan penggunaan metode tersebut dalam penelitian. Pada bab ini dijelaskan pula tentang pembuatan perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software) yang digunakan pada sistem.

BAB IV : PENGUJIAN DAN ANALISIS SISTEM

Bab empat berisi tentang percobaan yang telah dilakukan dan hasil dari penelitian.

BAB V : PENUTUP

Bab lima berisi tentang kesimpulan penelitian serta saran untuk pengembangan penelitian berikutnya

STIKOM

(16)

5 BAB II

LANDASAN TEORI

2.1 Definisi Robot

Keunggulan dalam teknologi robotik telah lama dijadikan ikon kebanggaan negara-negara maju dunia. Kecanggihan teknologi yang dimiliki, gedung-gedung tinggi yang mencakar langit, tingkat kesejahteraan yang tinggi, kota-kota yang modern, belum terasa lengkap tanpa popularitas kepiawaian dalam dunia robotic.

Istilah “robot” berasal dari kata “robota” (bahasa Czech) yang berarti pekerja, mulai populer ketika seorang penulis berbangsa Czech (Ceko), Karl Capek, membuat pertunjukan dari lakon komedi yang ditulisnya pada tahun 1921 yang berjudul RUR (Rossum’s Universal Robot). Namun menurut kamus besar

Webster memberikan definisi mengenai robot, yaitu “sebuah peralatan otomatis

yang melakukan pekerjaan seperti yang dilakukan oleh manusia”. Lain halnya

dengan Institute of America, menurut Institute of America definisi robot adalah

“manipulator dengan fungsi ganda dan dapat diprogram kembali, didesain untuk dapat memindahkan komponen, peralatan-peralaan khusus melalui pergerakan

yang diprogram agar dapat melakukan berbagai kegiatan”.

Robot biasanya digunakan untuk tugas yang berat, berbahaya, pekerjaan yang berulang dan kotor. Biasanya kebanyakan robot industri digunakan dalam bidang produksi. Penggunaan robot lainnya termasuk untuk pembersihan limbah

beracun, penjelajahan bawah air, luar angkasa, pertambangan, dan pencarian

kebocoran gas.

STIKOM

(17)

2.1.1 Klasifikasi Robot

Menurut stabilitasnya robot dibagi menjadi 2, yaitu:

a. Fixed robot, robot yang memiliki ruang kerja (spatial space) yang

terbatas, dimana bagian dasarnya dilekatkan pada sebuah benda tetap seperti panel atau meja.

b. Mobile robot, robot yang memiliki ruang kerja yang luas, di mana bagian dasarnya pada sebuah alat gerak seperti roda atau kaki. Beberapa macam mobile robot antara lain robot beroda, robot yang bergerak dengan menggunakan roda. Robot berkaki, robot yang bergerak menggunakan kaki dalam perpindahannya. Pembahasan lebih lanjut akan berfokus pada jenis mobile robot dengan alat gerak roda, khususnya tipe ackerman drive. Untuk tipe fixed robot dan robot berkaki tidak akan dibahas lebih lanjut.

2.1.2 Robot Beroda

Robot beroda dalam pergerakannya menggunakan roda atau ban, sehingga dapat berpindah dari titik satu ke titik yang lain. Jenis-jenis robot beroda adalah differential drive, skid steering, synchro drive, omni wheel, tricycle steering, ackerman steering, dan articulated drive. Jenis robot beroda di atas diklasifikasikan menurut pengendalian roda robot. Seperti Gambar 2.1 merupakan gambar robot beroda.

Gambar 2.1 Robot beroda (Lehrbaum,2008)

STIKOM

(18)

2.1.3 Ackerman Steering

Ackerman steering merupakan pengendalian arah gerak robot dengan

menggerakkan sudut putar roda depan. Kinematika ackerman sangat mirip dengan mobil yang dikenal umum, sehingga dinamakan car-like steering seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.2. Kinematika ackerman pada dasarnya hampir sama dengan kinematika tricycle steering dengan dua roda penentu arah di bagian depan. Penggunaan dua roda depan akan mempermudah pengendalian posisi.

Sebelum prinsip ackerman steering ini ditemukan, sebelumnya masih menggunakan prinsip parallel steering. Seperti yang ditunjukkan Gambar 2.3 yang merupakan gambar parallel steering. Parallel steering lebih kaku dan sudut putar yang bisa diatur dangat terbatas.

Gambar 2.2 Ackerman steering (Burnhill, 2009)

Gambar 2.3 Parallel steering (Burnhill, 2009)

2.2 Sensor Sharp GP2D120

Sensor sharp GP2D120 merupakan sebuah sensor deteksi jarak dengan menggunakan cahaya infra merah yang output-nya berupa tegangan analog. Blok diagram dari sharp GP2D120 berisi LED pemancar dan penerima yang memiliki

STIKOM

(19)

rangkaian pemroses, driver, dan rangkaian osilasi serta rangkaian output analog seperti Gambar 2.4.

Gambar 2.4 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. Output-nya berupa tegangan analog yang sesuai dengan jarak yang diukur. Berikut pada Gambar 2.5 adalah gambar pinout

GP2D120. (SHARP, 2006)

Gambar 2.5 Pinout GP2D120 (SHARP, 2006) 1

2 ₃

STIKOM

(20)

2.3 Driver Motor L298

L298 merupakan sebuah integrated circuit (IC) yang dapat menggerakan 2 motor DC. Arus maksimal yang bisa diatur sampai dengan 4A. Driver motor

L298 tidak hanya digunakan untuk mengatur motor DC tetapi juga bisa mengatur seperti relay, solenoid, dan juga motor stepper. (STMicroelectronics, 2000)

Untuk mengetahui pin connection dari L298 ini dapat dilihat pada Gambar 2.6.

Gambar 2.6 Pin connection L298 (STMicroelectronics, 2000)

2.3.1 Fungsi-fungsi Kaki (Pin) L298

a. Current sensing A

Pin yang berfungsi sebagai untuk mengontrol keluaran arus yang mengalir pada H-bridge A.

b. Output 1

Pin yang digunakan sebagai keluaran H-bridge A, dan keluaran arus yang mengalir pada pin ini dikontrol oleh pin current sensing A.

c. Output 2

Pin yang digunakan sebagai keluaran H-bridge A, dan keluaran arus yang mengalir pada pin ini dikontrol pin current sensing A.

STIKOM

(21)

d. Supply Voltage (Vs)

Tegangan yang digunakan sebagai tegangan output H- bridge A maupun H-bridge B.

e. Input 1

Pin ini digunakan sebagai input H-bridge A dan pin ini mampu menerima sinyal TTL.

f. Enable A

Pin enable A digunakan untuk mengaktifkan dan menonaktifkan H-bridge.

g. Input 2

Pin ini digunakan sebagai input H-bridge A dan pin ini mampu menerima sinyal TTL.

h. GND

Ground (GND)pada power supply dihubungkan dengan pin ini.

i. VSS

Pin logic supply voltage digunakan sebagai input power supply untuk logic block.

j. Input 3

Pin ini digunakan sebagai input H-bridge B dan pin ini mampu menerima sinyal TTL.

k. Enable B

Pin enable B digunakan untuk mengaktifkan dan menonaktifkan H-bridge.

l. Input 4

Pin ini digunakan sebagai input H-bridge B dan pin ini mampu menerima sinyal TTL.

STIKOM

(22)

m. Output 4

Pin yang digunakan sebagai keluaran H-bridge B, dan keluaran arus yang mengalir pada pin ini dikontrol pin current sensing B.

n. Current sensing B

Pin yang berfungsi sebagai untuk mengontrol keluaran arus yang mengalir pada H-bridge B.

2.4 PWM

Pulse Width Modulation (PWM) adalah suatu teknik manipulasi dalam

pengendalian kecepatan motor dengan menggunakan prinsip cut-off dan saturasi.

Driver penggerak motor didesain bekerja dengan karakteristik mirip ‘linier’

namun sebenarnya menggunakan teknik on-off. Gambar 2.7 mengilustrasikan sinyal PWM.

Gambar 2.7 Sinyal PWM

Pada prinsipnya PWM menggunakan sinyal kotak yang dimodulasikan dan diatur lebar datanya, dengan frekuensi f(t) untuk nilai rendah ymin dan nilai tinggi ymax

STIKOM

(23)

dan dengan duty cycle D, dapat kita tampilkan korelasi bentuk sinyalnya dalam Gambar 2.8.

Gambar 2.8 Sinyal terhadap waktu

2.5 Comparator LM339

Comparator adalah sebuah rangkaian yang dapat membandingkan

besarnya tegangan input. Comparator tegangan biasanya menggunakan op-amp

sebagai piranti utama dalam rangkaian.

Ada dua jenis comparator tegangan, yaitu comparator tegangan sederhana, dan comparator tegangan dengan histerisis. Untuk comparator sederhana dapat dilihat pada Gambar 2.9. Comparator yang digunakan adalah jenis LM339. Gambar pinout IC LM339 bisa dilihat pada Gambar 2.10

Gambar 2.9 Comparator sederhana (STMicroelectronics, 2003)

STIKOM

(24)

Gambar 2.10 Pin connection LM339 (STMicroelectronics, 2003)

2.6 Sistem Kendali Mobile Robot 2.6.1 PID

PID (dari singkatan bahasa proportional–integral–derivative) controller

merupakan pengendali untuk menentukan presisi suatu sistem instrumentasi dengan karakteristik adanya umpan balik pada sistem tesebut. Pengendali PID merupakan gabungan dari tiga sistem kendali yang bertujuan untuk mendapatkan keluaran dengan rise time yang tinggi dan galat yang kecil. Seperti yang kita ketahui bahwa sistem kendali proporsional memiliki keunggulan yaitu rise time

yang cepat tetapi sangat rentan dengan overshot/undershot, sistem kendali

integral memiliki keunggulan untuk meredam galat, sedangkan sistem kendali

diverensial memiliki keunggulan untuk memperkecil delta error atau meredam

overshot/undershot. PID berdasarkan implementasinya dibedakan menjadi analog

dan digital. PID analog diimplementasikan dengan komponen elektronika resistor,

capacitor, dan operational amplifier, sedangkan PID digital diimplementasikan dengan menggunakan program.

STIKOM

(25)

a. Pengendali Proporsional (P) Pengaruh pada sistem :

1. Menambah atau mengurangi kestabilan dengan menambah atau mengurangi nilai konstanta KP (Kontrol Proporsional).

2. Dapat memperbaiki respon transien khususnya : rise time, settling time 3. Mengurangi error steady state (ESS)

Untuk mengurangi ESS dibutuhkan KP besar, yang akan membuat sistem lebih tidak stabil. Kendali proporsional memberi pengaruh langsung (sebanding) pada error. Semakin besar error, semakin besar sinyal kendali yang dihasilkan pengendali.

b. Pengendali Integral (I) Pengaruh pada sistem :

1. Mengurangi error steady state (ESS)

2. Respon lebih lambat (dibandingkan dengan P)

3. Dapat menambah ketidakstabilan (karena menambah orde pada sistem) Perubahan sinyal kontrol sebanding dengan perubahan error. Semakin besar

error, semakin cepat sinyal kontrol bertambah atau berubah.

c. Pengendali Derivatif (D) Pengaruh pada sistem :

1. Memberikan efek redaman pada sistem yang berosilasi sehingga bisa memperbesar pemberian nilai Kp.

2. Memperbaiki respon transien, karena memberikan aksi saat ada perubahan

error.

STIKOM

(26)

3. D hanya berubah saat ada perubahan error, sehingga saat ada error statis D tidak beraksi. Sehingga D tidak boleh digunakan sendiri

Besarnya sinyal kontrol sebanding dengan perubahan error (e). Semakin cepat

error berubah, semakin besar aksi kontrol yang ditimbulkan.

2.6.2 Tuning PID

Aspek yang sangat penting dalam desain kendali PID ialah penentuan parameter kendali PID supaya sistem kalang tertutup memenuhi kriteria performansi yang diinginkan (Wicaksono, 2004). Adapun metode Tuning

parameter PID yang sudah banyak dan sering digunakan adalah Ziegler-Nichols

dan Cohen-Coon.

a. Metode Ziegler-Nichols

Ziegler-Nichols pertama kali memperkenalkan metodenya pada tahun

1942. Metode ini memiliki dua cara yaitu metode osilasi dan grafik respon. Kedua metode ditujukan untuk menghasilkan respon sistem dengan lonjakan maksimum sebesar 25%. Metode grafik respon didasarkan terhadap respon sistem open loop.

Plant sebagai open loop dikenai sinyal step function. Kalau plant minimal tidak mengandung unsur integrator ataupun pole-pole kompleks, respon sistem akan berbentuk S. Gambar 2.11 menunjukkan grafik berbentuk S tersebut. Kelemahan metode ini terletak pada ketidakmampuannya untuk menangani plant integrator

maupun plant yang memiliki pole kompleks. Grafik berbentuk S mempunyai dua konstanta, waktu mati (dead time) L dan waktu tunda T. Dari Gambar 2.11 terlihat bahwa grafik respon berubah naik setelah selang waktu L.

STIKOM

(27)

Gambar 2.11 Grafik respon berbentuk S

Sedangkan waktu tunda menggambarkan perubahan grafik setelah mencapai 66% dari keadaan mantapnya. Pada grafik dibuat suatu garis yang bersinggungan dengan garis grafik. Garis singgung itu akan memotong dengan sumbu absis dan garis maksimum (K). Perpotongan garis singgung dengan sumbu absis merupakan ukuran waktu mati, dan perpotongan dengan garis maksimum merupakan waktu tunda yang diukur dari titik waktu L. Tabel 2.1 merupakan rumusan penalaan parameter PID berdasarkan cara grafik respon.

Tabel 2.1 Penalaan parameter PID dengan metode grafik respon Tipe

Kendali Kp Ti Td

P T/L ~ 0

PI 0,9 T/L L/0,3 0

PD

PID 1,2 T/L 2L 0,5L

b. Metode Cohen-Coon

Karena tidak semua proses dapat menoleransi keadaan osilasi dengan amplitudo tetap, Cohen-Coon berupaya memperbaiki metode osilasi dengan

STIKOM

(28)

menggunakan metode quarter amplitude decay. Respon sistem close loop, pada metode ini, dibuat sehingga respon berbentuk quarter amplitude decay. Quarter amplitude decay didefinisikan sebagai respon transien yang amplitudonya dalam periode pertama memiliki perbandingan sebesar seperempat (1/4). Untuk lebih jelasnya dapat dilihat pada Gambar 2.12.

Gambar 2.12 Grafik respon quarter amplitude decay

Pada kendali proporsional Kp di-tuning hingga diperoleh respon quarter

amplitude decay. Periode pada saat respon ini disebut Tp dan parameter Ti dan Td

dihitung dari hubungan KP dengan TP. Sedangkan penalaan parameter kendali PID adalah sama dengan yang digunakan pada metode Ziegler-Nichols. Selain cara tersebut, metode Cohen-Coon ini bisa dihitung dengan aturan praktis yang parameter-parameter plant-nya diambil dari grafik respon yang terdapat pada Tabel 2.2.

STIKOM

(29)

Tabel 2.2 Penalaan parameter PID dengan metode Cohen-Coon

Tipe Kendali Kp Ti Td

P                    T L L T K 3 1 1

1 - -

PI                    T L L T K 12 1 9 , 0 1                           T L T L L 20 9 3 30 - PD                    T L L T K 6 1 4 5 1 -                           T L T L L 3 22 2 6 PID                    T L L T K 4 1 3 4 1                           T L T L L 8 13 6 32                    T L L 2 11 4

2.7 Motor DC

Motor DC merupakan motor arus searah yang berfungsi mengubah tenaga listrik arus searah (lisrik DC) menjadi tenaga gerak atau mekanik (Sumanto, 1984). Motor DC banyak ditemukan pada peralatan rumah tangga seperti mixer, blender, pemutar tape,dll. Selain itu motor DC juga digunakan dalam industri misalkan untuk mengaduk adonan, memutar konveyor, dll.

Motor DC memerlukan suplai tegangan yang searah pada kumparan medan untuk diubah menjadi energi mekanik. Kumparan medan pada motor DC disebut stator (bagian yang tidak berputar) dan kumparan jangkar disebut rotor

(bagian yang berputar). Jika terjadi putaran pada kumparan jangkar dalam pada medan magnet, maka akan timbul tegangan gaya gerak listrik (GGL) yang berubah-ubah arah pada setiap setengah putaran, sehingga merupakan tegangan bolak-balik. Prinsip kerja dari arus searah adalah membalik fase tegangan dari

STIKOM

(30)

gelombang yang mempunyai nilai positif dengan menggunakan komutator, dengan demikian arus yang berbalik arah dengan kumparan jangkar yang berputar dalam medan magnet. Bentuk motor paling sederhana memiliki kumparan satu lilitan yang bisa berputar bebas di antara kutub-kutub magnet permanen seperti pada Gambar 2.13.

Gambar 2.13 Motor DC sederhana (Sumanto, 1994)

Catu tegangan DC dari baterai menuju ke lilitan melalui sikat yang menyentuh komutator, dua segmen yang terhubung dengan dua ujung lilitan. Kumparan satu lilitan pada gambar di atas disebut rotor dinamo. Rotor dinamo adalah sebutan untuk komponen yang berputar di antara medan magnet.

Jika arus lewat pada suatu konduktor, timbul medan magnet di sekitar konduktor seperti pada Gambar 2.14. Arah medan magnet ditentukan oleh arah aliran arus pada konduktor.

STIKOM

(31)

Gambar 2.14 Medan magnet yang membawa arus mengelilingi konduktor (Djati, 2010)

Aturan genggaman tangan kanan bisa dipakai untuk menentukan arah garis fluks di sekitar konduktor. Bila konduktor digenggam dengan tangan kanan dengan jempol mengarah pada arah aliran arus, maka jari-jari akan menunjukkan arah garis fluks. Gambar 2.15 menunjukkan medan magnet yang terbentuk di sekitar konduktor berubah arah karena bentuk U. Pada motor listrik konduktor berbentuk U disebut angker dinamo.

Gambar 2.15 Konduktor berbentuk U (Djati, 2010)

Jika konduktor berbentuk U (angker dinamo) diletakkan di antara kutub uatara dan selatan yang kuat medan magnet konduktor akan berinteraksi dengan medan magnet kutub seperti yang ditunjukkan pada Gambar 2.16.

STIKOM

(32)

Gambar 2.16 Reaksi garis Fluks (Djati, 2010)

Lingkaran bertanda A dan B pada Gambar 2.16 merupakan ujung konduktor yang dilengkungkan (looped conductor). Arus mengalir masuk melalui ujung A dan keluar melalui ujung B. Medan konduktor A yang searah jarum jam akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan medan yang kuat di bawah konduktor. Konduktor akan berusaha bergerak ke atas untuk keluar dari medan kuat ini. Medan konduktor B yang berlawanan arah jarum jam akan menambah medan pada kutub dan menimbulkan medan yang kuat di atas konduktor. Konduktor akan berusaha untuk bergerak turun agar keluar dari medan yang kuat tersebut. Gaya-gaya tersebut akan membuat angker dinamo berputar searah jarum jam.

Mekanisme kerja untuk seluruh jenis motor secara umum : a. Arus listrik dalam medan magnet akan memberikan gaya.

b. Jika kawat yang membawa arus dibengkokkan menjadi sebuah lingkaran/loop, maka kedua sisi loop, yaitu pada sudut kanan medan magnet, akan mendapatkan gaya pada arah yang berlawanan.

c. Pasangan gaya menghasilkan tenaga putar/torque untuk memutar kumparan.

STIKOM

(33)

d. Motor-motor memiliki beberapa loop pada dinamonya untuk memberikan tenaga putaran yang lebih seragam dan medan magnetnya dihasilkan oleh susunan elektromagnetik yang disebut kumparan medan.

Pada motor DC, daerah kumparan medan yang dialiri arus listrik akan menghasilkan medan magnet yang melingkupi kumparan jangkar dengan arah tertentu. Konversi dari energi listrik menjadi energi mekanik (motor) maupun sebaliknya berlangsung melalui medan magnet, dengan demikian medan magnet disini selain berfungsi sebagai tempat untuk menyimpan energi, sekaligus sebagai tempat berlangsungnya proses perubahan energi, daerah tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.17.

Gambar 2.17 Prinsip kerja motor DC (Djati, 2010)

Agar proses perubahan energi mekanik dapat berlangsung secara sempurna, maka tegangan sumber harus lebih besar daripada tegangan gerak yang disebabkan reaksi lawan. Dengan memberi arus pada kumparan jangkar yang dilindungi oleh medan maka menimbulkan perputaran pada motor.

Dalam memahami sebuah motor, penting untuk mengerti apa yang dimaksud dengan beban motor. Beban dalam hal ini mengacu kepada keluaran

STIKOM

(34)

tenaga putar/torque sesuai dengan kecepatan yang diperlukan. Beban umumnya dapat dikategorikan ke dalam tiga kelompok :

a. Beban torque konstan adalah beban dimana permintaan keluaran energinya bervariasi dengan kecepatan operasinya namun torquenya tidak bervariasi. Contoh beban dengan torque konstan adalah conveyors, rotary kilns, dan pompa displacement konstan.

b. Beban dengan variabel torque adalah beban dengan torque yang bervariasi dengan kecepatn operasi. Contoh beban dengan variabel torque adalah pompa sentrifugal dan fan (torque bervariasi sebagai kuadrat kecepatan). c. Beban dengan energi konstan adalah beban dengan permintaan torque yang

berubah dan berbanding terbalik dengan kecepatan. Contoh untuk beban dengan daya konstan adalah peralatan-peralatan mesin.

Untuk menentukan arah putaran motor digunakan kaedah Flamming tangan kiri. Kutub-kutub magnet akan menghasilkan medan magnet dengan arah dari kutub utara ke kutub selatan. Jika medan magnet memotong sebuah kawat penghantar yang dialiri arus searah dengan empat jari, maka akan timbul gerak searah ibu jari. Gaya ini disebut gaya Lorentz, yang besarnya sama dengan F.

Prinsip motor adalah aliran arus di dalam penghantar yang berada di dalam pengaruh medan magnet akan menghasilkan gerakan. Besarnya gaya pada penghantar akan bertambah besar jika arus yang melalui penghantar bertambah besar.

STIKOM

(35)

2.8 Motor Servo

Motor servo adalah sebuah motor dengan sistem closed feedback di mana posisi dari motor akan diinformasikan kembali ke rangkaian kontrol yang ada di dalam motor servo. Motor ini terdiri dari sebuah motor, serangkaian gear, potensiometer dan rangkaian kontrol. Potensiometer berfungsi untuk menentukan batas sudut dari putaran servo. Sedangkan sudut dari sumbu motor servo diatur berdasarkan lebar pulsa yang dikirim melalui kaki sinyal dari kabel motor. Tampak pada Gambar 2.18 dengan pulsa 1 ms sumbu motor akan bergerak berlawanan jarum jam, dengan pulsa 1.5 ms sumbu motor akan berada pada posisi tengah dan pada periode selebar 2 ms maka sudut dari sumbu motor akan bergerak searah jarum jam. Semakin lebar pulsa OFF maka akan semakin besar gerakan sumbu ke arah jarum jam dan semakin kecil pulsa OFF maka akan semakin besar gerakan sumbu ke arah yang berlawanan dengan jarum jam.

Gambar 2.18 Sinyal motor servo

Motor servo biasanya hanya bergerak mencapai sudut tertentu saja dan tidak continue seperti motor DC maupun motor stepper. Walau demikian, untuk beberapa keperluan tertentu, motor servo dapat dimodifikasi agar bergerak

continue. Pada robot, motor ini sering digunakan untuk bagian kaki, lengan atau

STIKOM

(36)

bagian-bagian lain yang mempunyai gerakan terbatas dan membutuhkan torsi cukup besar.

Motor servo adalah motor yang mampu bekerja dua arah (CW dan CCW) dimana arah dan sudut pergerakan rotor-nya dapat dikendalikan hanya dengan memberikan pengaturan duty cycle sinyal PWM pada bagian pin kontrolnya.

Motor servo merupakan sebuah motor DC yang memiliki rangkaian

control elektronik dan internal gear untuk mengendalikan pergerakan dan sudut angularnya. Motor servo adalah motor yang berputar lambat, dimana biasanya ditunjukkan oleh rate putarannya yang lambat, namun demikian memiliki torsi yang kuat karena internal gear-nya. Lebih dalam dapat digambarkan bahwa sebuah motor servo memiliki :

a. Jalur kabel : power, ground, dan control. b. Sinyal control mengendalikan posisi.

c. Operasional dari motor servo dikendalikan oleh sebuah pulsa selebar ± 20 ms, di mana lebar pulsa antara 0.5 ms dan 2 ms menyatakan akhir dari range sudut maksimum. Konstruksi di dalamnya meliputi internal gear, potensiometer, dan feedbackcontrol.

2.8.1 Jenis-jenis Motor Servo a. Motor Servo Standar 180°

Motor servo jenis ini hanya mampu bergerak dua arah (CW dan CCW) dengan defleksi masing-masing sudut mencapai 90° sehingga total defleksi sudut dari kanan – tengah – kiri adalah 180°.

STIKOM

(37)

b. Motor Servo Continuous

Motor servo jenis ini mampu bergerak dua arah (CW dan CCW) tanpa batasan defleksi sudut putar (dapat berputar secara kontinyu).

2.9 Hybrid System

Hybrid system merupakan gabungan antara pemroses analog dengan

pemroses digital. Pada tugas akhir ini menggunakan FPAA sebagai pemroses analog dan microcontroller sebagai pemroses digital

2.9.1 FPAA (Field Programmable Analog Array)

FPAA (Field Programmable Analog Array) adalah sebuah rangkaian terintegrasi yang dapat dikonfigurasi untuk membuat beberapa fungsi analog menggunakan beberapa CAB (Configurable Analog Blocks) dan interconection

network untuk menghubungkan antara CAB satu dengan yang lainnya dan

dilengkapi dengan input – output (I/O) block dan media penyimpan (memory) jenis RAM (Random Access Memory). Konseptual FPAA ditunjukkan pada Gambar 2.19.

Gambar 2.19 Diagram generic FPAA (Anadigm, 2003)

Teknologi dasar FPAA menggunakan switched capasitor technology

yaitu suatu teknik design yang mengimplementasikan suatu hambatan setara

STIKOM

(38)

dengan mengalihkan masukan suatu kapasitor secara berurutan (Anadigm,2003). Dalam diagram umum FPAA terdapat beberapa bit data yang dapat digunakan untuk memprogram masing-masing CAB.

Modul FPAA yang digunakan dalam penelitian ini adalah AN221E04, arsitekturnya adalah seperti pada Gambar 2.20.

Gambar 2.20 Arsitektur FPAA AN221E04 (Anadigm, 2003)

Fitur AN221E04 mempunyai fitur struktur input/output canggih yang memungkinkan FPAA untuk diprogram sampai dengan enam output yang dimiliki oleh perangkat ANx20E04. FPAA AN221E04 mempunyai empat sel konfigurasi I/O dan dua sel output yang bisa dipilih.

Selain itu FPAA AN221E04 memudahkan programmer untuk mengimplementasikan 8 bit analog-to-digital converter (ADC) yang terintegrasi dalam FPAA dan mengurangi kebutuhan akan external converter. Dengan

STIKOM

(39)

menggunakan FPAA seorang designer dapat membuat jalur digital output dari chip ADC menggunakan salah satu dedicated output (Anadigm, 2003).

a. AN221K04-V4 – AnadigmVortex Development Board

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

AnadigmVortexdevelopment 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 men-download file-file sirkuit dari

Anadigm Designer ®2.

6) Osilator modul 16-MHz pada board.

7) Kemampuan untuk menulis dan kemudian boot dari EEPROM, tetapi menggunakan external EEPROM.

Gambar 2.20 berikut adalah perangkat dari AN221K04 - developmen Board AnadigmApex Development Board.

STIKOM

(40)

Gambar 2.21 AN221K04-V4 –AnadigmVortex Development Board

(Anadigm, 2003)

b. Layout Board

Gambar 2.22 menunjukkan layout dari semua komponen, konektor catu daya dan jumper.

STIKOM

(41)

Gambar 2.22 Layout board (Anadigm, 2003)

2.9.2 Microcontroller ATTiny2313

ATTiny 2313 merupakan microcontroller 8-bit AVR dengan kapasitas

memory maksimum sebesar 2 Kbytes yang tersimpan di dalam memoryflash-nya.

ATTiny 2313 merupakan chip IC produksi ATMEL yang termasuk golongan

single chip microcontroller, di mana semua rangkaian termasuk memory dan I/O

tergabung dalam satu paket IC. Dalam pemrogramannya controller ini dapat dijalankan menggunakan 2 bahasa yaitu bahasa assembly atau bahasa C. Sehingga memungkinkan pengguna dapat mengoptimalkan kinerja sistem yang dibuat secara fleksibel.

STIKOM

(42)

Konfigurasi pin IC ATTiny 2313 ada 2 jenis yaitu jenis PDIP/SOIC (berbentuk prisma segi empat) dan jenis VQFN/MLF (berbentuk kotak) yang pada dasarnya memiliki fungsi yang sama, hanya saja memiliki bentuk yang berbeda.

Gambar 2.23 Pin konfigurasi ATTiny 2313 (Atmel, 2010)

Dari Gambar 2.23 merupakan konfigurasi pin dari ATTiny 2313. Secara keseluruhan memiliki total 20 pin. Berikut adalah penjelasan secara garis besar dari konfigurasi pin-pin tersebut :

a. VCC

Tegangan masukan digital sebesar 5 Volt. b. GND

Dihubungkan pada ground (GND). Referensi nol suplai tegangan digital. c. PORT A (PA0...PA2)

Pada PORT A hanya terdapat tiga buah pin saja atau 3 bit pin I/O. Dimana PORT A ini, ketiga pin-nya (seluruh pin PORT A) digunakan untuk keperluan membuat minimum system. Yaitu PA.0 dan PA.1 untuk input clock

(nama komponen adalah kristal), dan PA.2 untuk input tombol RESET.

STIKOM

(43)

d. PORT B (PB0...PB7)

Pada PORT B terdapat delapan buah pin atau 8 bit pin I/O. Dan juga pada PORT B ini terdapat port SPI (Serial Peripheral Interface), yaitu pin komunikasi untuk men-download program secara serial syncronous dari komputer ke microcontroller, pin-pin tersebut adalah MOSI (PORT B.5), MISO (PORT B.6), SCK (PORT B.7).

e. PORT D (PD0...PD6)

Pada PORT D terdapat tujuh buah pin atau 7 bit pin I/O. f. RESET

Reset berfungsi untuk menyusun ulang routine program dari awal. Biasanya reset bersifat active low, yaitu aktif saat logika bernilai nol “0”. Sinyal LOW

pada pin ini dengan lebar minimum 1,5 mikrodetik akan membawa

microcontroller ke kondisi reset, meskipun clock tidak running. Sinyal dengan lebar kurang dari 1,5 mikrodetik tidak menjamin terjadinya kondisi reset.

g. XTAL 1

XTAL1 adalah masukan ke inverting oscillator amplifier dan input ke internal clock operating circuit.

h. XTAL 2

XTAL2 adalah output dari inverting oscillator amplifier.

STIKOM

(44)

33 BAB III

METODE PENELITIAN DAN PERANCANGAN SISTEM

3.1 Metode Penelitian

Metode penelitian yang digunakan adalah studi kepustakaan dan penelitian laboratorium. Studi kepustakaan dilakukan sebagai penunjang yang berupa data-data literatur dari masing-masing komponen, informasi dari internet dan konsep-konsep teoretis dari buku-buku penunjang.

Penelitian laboratorium berupa perancangan perangkat keras, perancangan perangkat lunak, uji coba, dan pengambilan data laboratorium. Perancangan perangkat keras dan perangkat lunak akan dibahas detil pada Sub Bab 3.3 dan 3.4. Sedangkan uji coba akan dilakukan terhadap AN221K04-V4 –

AnadigmVortex Development Board, minimum system ATTiny 2313, driver motor

LM339, comparator, dan sensor sharp GP2D120. Untuk uji coba sensor sharp GP2D120 akan diperoleh data berupa tegangan analog yang tidak linier terhadap jarak yang diukur. Data ini akan dikalibrasi yang kemudian akan digunakan dalam PID controller.

3.2 Rancangan Penelitian

Pada Gambar 3.1 menggambarkan blok diagram dari sistem keseluruhan. Hasil pembacaan sensor tengah akan dibaca oleh FPAA untuk kontrol PID dan

microcontroller untuk kendali kemudi. Setelah dari FPAA akan menghasilkan

sinyal PWM yang kemudian digunakan driver motor untuk mengatur kecepatan

STIKOM

(45)

motor. Ketika terdapat halangan pada jarak yang di set pada set point maka kecepatan laju motor akan berhenti.

Gambar 3.1 Blok Diagram Sistem keseluruhan

Sensor kanan, kiri, dan tengah digunakan untuk mendeteksi adanya halangan disebelah kanan, kiri, dan depan yang kemudian hasil pembacaannya digunakan oleh microcontroller untuk menggerakkan motor stir yang berupa motor servo ke kiri atau ke kanan. Sensor kanan, kiri, dan tengah 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 comparator terlebih dahulu.

Data digital sensor kanan dan kiri Data Analog Data Analog Sensor SHARP GP2D120 TENGAH Sensor SHARP GP2D120 kiri Sensor SHARP GP2D120 kanan Sensor SHARP GP2D120 tengah Set Point

FPAA (control PID) Difference

amplifier Driver motor

Motor DC Comparator

microcontroller Motor Servo kemudi

STIKOM

(46)

3.3 Perancangan Perangkat Keras

Perancangan perangkat keras dalam penelitian ini berdasarkan diagram sistem meliputi rangkaian set point, modul FPAA, modul ,microcontroller, modul

comparator, dan modul driver motor. 3.3.1 Rangkaian Set point

Rangkaian set point ini berfungsi untuk menentukan jarak yang diinginkan untuk berhenti. Gambar 3.2 adalah gambar rangkaian set point. 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.

Gambar 3.2 Rangkaian set point

3.3.2 Rangkaian Driver Motor

Rangkaian driver motor merupakan komponen sangat penting untuk pengendalian motor DC. Pengendalian motor DC bisa berupa gerakan searah jarum jam atau berlawanan jarum jam. Selain itu dari driver motor dapat mengendalikan kecepatan motor yaitu dengan mengatur PWM (Pulse Width Modulation).

VCC

R4

RESISTOR VAR

output

STIKOM

(47)

Driver motor yang digunakan adalah IC L298N yang mampu memberi suplai 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. Rangkaian dari driver motor L298N ditunjukkan pada Gambar

3.3.

Gambar 3.3 Rangkaian dari driver motor

Untuk menjalankan motor DC yang penulis pakai, penulis membutuhkan arus sebesar 4 A guna menstabilkan performa robot. Maka solusi yang tepat adalah memparalel dua channel output dari driver motor tersebut menjadi satu untuk mendapatkan arus sebesar 4 A seperti yang terlihat pada Gambar 3.3.

(48)

3.3.3 Rangkaian Minimum system ATTiny 2313

Rangkaian minimum system ATTiny2313 digunakan sebagai pengatur belok kiri dan kanan mobile robot seperti pada Gambar 3.4.

Gambar 3.4 Minimum systemMicrocontroller ATTiny 2313

a. Program Downloader

Untuk melakukan proses download program, yaitu file dengan ekstensi “.hex” digunakan perangkat bantu AVR USB ISP seperti pada Gambar 3.5 yang akan dihubungkan dengan port USB (Universal Serial Bus) pada komputer. Sebelum downloader dapat digunakan perlu dilakukan instalasi driver terlebih dahulu. Konfigurasi pinout dan keterangan dari downloader terdapat pada Tabel 3.1 dan Gambar 3.6.

C2 CAP C4

30pf Y 1 8mhz J1 PORT3 1 2 3 4 5 6 7 U1

ATTINY 2313

(49)

Gambar 3.5 AVR USB ISP (innovativeelectronics, 2010)

Tabel 3.1 Tabel Fungsi PIN

NAMA NO.PIN I/O KETERANGAN

VTG 2 - Catu daya dari project board (2.7 – 5.5 V)

GND 4, 6, 8,10 - Titik referensi

LED 3 Output Sinyal control untuk LED atau

multiplexer (opsional)

MOSI 1 Output Command dan data dari AVR USB ISP

mkII ke target AVR

MISO 9 Input Data dari target AVR ke AVR USB ISP

mkII

SCK 7 Output Serial clock, dikendalikan oleh AVR

USB ISP mkII

RESET 5 Output Reset, dikendalikan oleh AVR USB ISP

mkII

Gambar 3.6 Pinoutconnection (innovativeelectronics, 2010)

STIKOM

(50)

b. Rangkaian Reset

Pin reset pada microcontroller adalah pin (kaki) 1. Reset dapat dilakukan secara manual atau otomatis saat power dihidupkan (power reset ON)

Gambar 3.7 Rangkaian Reset

Pada Gambar 3.7 merupakan gambar rangkaian reset. Reset terjadi dengan adanya logika 1 selama minimal 2 machine cycle yang diterima pin reset dan akan bernilai low. Pada saat reset bernilai low, microcontroller akan melakukan reset program yang ada di dalam microcontroller dan mengakhiri semua aktivitas pada microcontroller.

c. Rangkaian Osilator

Osilator di dalam microcontroller seperti pada Gambar 3.8 digunakan sebagai pembangkit pulsa clock, atau detak, karena mikcrocontroller merupakan mesin sinkron, yang semua derap mesinnya dikomandani oleh pulsa clock. Osilator yang rangkaiannya ada di dalam microcontroller ini memerlukan tank-circuit atau rangkaian resonator yang ditempatkan di luar chip. Microcontroller

model lama harus ada sebuah osilator beserta tank-circuit-nya. Pada

reset

SW1 C1

10uF/16v R1 10k

R2

100

5 V

STIKOM

(51)

microcontroller modern rangkaian osilator ada di dalam chip, resonator di luar, berupa kristal atau rangkaian LC saja.

Gambar 3.8 Rangkaian osilator

d. Rangkaian Regulator

Catu daya merupakan pendukung utama bekerjanya suatu sistem. Catu daya yang biasa digunakan untuk menyuplai tegangan sebesar 5 volt adalah catu daya DC yang memiliki keluaran +5 volt. Catu daya ini digunakan untuk memberi suplai tegangan sebesar 5 volt. IC 7805 (IC regulator) digunakan untuk menstabilkan tegangan searah. Kapasitor digunakan untuk mengurangi tegangan kejut saat pertama kali saklar catu daya dihidupkan. Sehingga keluaran IC regulator 7805 stabil sebesar 5 volt DC. Rangkaian regulator terlihat pada Gambar 3.9.

C4

30pf

C3

30pf

Y 1 8mhz

STIKOM

(52)

Gambar 3.9 Rangkaian Regulator

3.3.4 Modul Anadigm AN221K04

Pada Gambar 3.10 dan Gambar 3.11 berikut ini adalah rangkaian modul FPAA yang digunakan dalam Tugas Akhir.

Gambar 3.10 Rangkaian modul Anadigm AN221K04 (part a) (Anadigm, 2003)

2200uF/25v

U8 LM7805

1

2

3

VI

GN

D VO

100uF/25v

5 V 12 V

STIKOM

(53)

Pada penelitian ini menggunakan 1 buah modul Anadigm AN221K04, Di dalam modul tersebut terdapat control PID dan penghasil sinyal PWM. Adapun untuk alokasi port I/O bisa dilihat dari Tabel 3.2.

Tabel 3.2 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

Gambar 3.11 Rangkaian modul Anadigm AN221K04 (part b) (Anadigm, 2003)

STIKOM

(54)

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.

Untuk melakukan proses download 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. Gambar 3.12 merupakan jumper yang dipasang untuk mengaktifkan

Interface serial RS232.

Gambar 3. 12 Konfigurasi jumper Serial RS232 dan USB (Anadigm, 2003)

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 2004 dengan versi 2.2.7 (Anadigm

inc, 2004:56). Dan yang akan digunakan adalah Anadigm designer Ver. 2.7.0.1. Perangkat lunak ini mempunyai kelebihan antara lain :

Jumper

STIKOM

(55)

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 melakukan simulasi keluaran rangkaian analog yang telah dibuat, sehingga program yang akan di transfer ke device FPAA benar-benar sesuai dengan yang dirancang.

4. Mampu membuat sistem filter dan PID (Proportional Integrator dan

Differensiator) dengan mudah dan cepat. Tampilan awal Anadigm

ditunjukkan pada Gambar 3.13.

Selain merancang, program Anadigm designer juga dapat disimulasikan sebelum di-download ke dalam hardware FPAA dengan cara klik menu Simulate,

Begin Simulation, atau tekan F5. Kemudian sebelum download program, pastikan

FPAA sudah terhubung dengan interface komputer. Dan samakan konfigurasi COM port pada Anadigm designer dengan COM port pada Device Manager.

STIKOM

(56)

Gambar 3.13 Software Anadigm designer

Untuk Anadigm designer dengan cara klik menu Setting kemudian

Preferences Port. Gambar 3.14 adalah tampilan pada Anadigm designer dan

Gambar 3.15 pada Device Manager komputer.

STIKOM

(57)

Gambar 3.14 Tampilan setting COM Port pada Anadigm designer.

Gambar 3.15 Tampilan setting COM Port pada device manager.

3.3.5 Rangkaian Comparator

Comparator merupakan sebuah op-amp. Op-amp tersebut akan

membandingkan nilai tegangan pada kedua masukannya, apabila masukan (-) lebih besar dari masukan (+) maka, keluaran op-amp 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

STIKOM

(58)

akan menjadi +Vsupply. Untuk op-amp yang sesuai untuk dipakai pada rangkaian

op-amp untuk comparator biasanya menggunakan op-amp dengan tipe LM339

yang banyak di pasaran. Gambar 3.16 merupakan gambar rangkaian comparator. Pada penelitian ini penulis menggunakan tegangan referensi sebesar 0,322. Hal ini karena sensor sharp GP2D120 mendeteksi jarak 45 cm pada tegangan 0,322. Jika tegangan dari sensor lebih besar daripada tegangan referensi maka output-nya adalah +Vsupply, dan jika tegangan sensor lebih kecil daripada tegangan refrensi maka output-nya –Vsupply.

Gambar 3.16 Rangkaian comparator

3.4 Perancangan Arsitektur Sistem

Perancangan arsitekturnya dapat dilihat seperti Gambar 3.17. Gambar 3.17 adalah gambar robot tampak depan. Sensor Sharp GP2D120 diletakkan di bagian depan (bemper). Untuk yang sebelah kiri dan kanan letaknya agak menyerong. Pada Gambar 3.18 merupakan gambar robot tampak samping.

output

-+

U9A

LM339 7

6

1

3

12

J5

1 2

5 V

sensor gp2d120

tegangan refrensi

STIKOM

(59)

Gambar 3.17 Robot tampak depan

Gambar 3.18 Robot tampak samping

STIKOM

(60)

3.5 Perancangan Perangkat Lunak

Selain hardware yang diperlukan pada perancangan dan pembuatan pada penelitian ini juga diperlukan program pada microcontroller, komputer dan juga FPAA untuk dapat bekerja sesuai dengan fungsinya.

3.5.1 Perancangan Program pada Anadigm AN221K04

Perancangan program Anadigm dapat dilihat pada Gambar 3.19.

Gambar 3.19 Perancangan kontroler PID dan PWM

STIKOM

(61)

3.5.2 Flow Chart Program pada Microcontroller START Inisialisasi variabel IF SNSR_DEPAN==1 SNSR_DEPAN==1&&SNSR_ KIRI==0&&SNSR_KANAN==0 Belok_kiri

IF (SNSR_DEPAN==1 && SNSR_KIRI==1) ||

SNSR_KIRI==1 Kemudi_lurus

Belok_kanan

IF (SNSR_DEPAN==1 && SNSR_KANAN==1) | |

SNSR_KANAN==1

IF SNSR_DEPAN==1| | SNSR_KANAN==1 | |

SNSR_KIRI==1

IF SNSR_DEPAN==0| | SNSR_KANAN==0 | |

SNSR_KANAN==0 Lurus Belok Kanan Belok Kiri Belok Kanan SNSR_DEPAN==1&&SNSR_ KIRI==1&&SNSR_KANAN==0 Y Y T T Y T T Y T Y T Y Y T

Gambar 3.20 Flowchart microcontroller

STIKOM

[image:61.595.46.541.107.735.2]

(62)

Dari Gambar 3.20 merupakan diagram alir microcontroller dengan penjelasan sebagai berikut sensor kiri, kanan, dan depan akan terus secara kontinyu mendeteksi jarak. Sensor kiri, kanan den depan terlebih dahulu masuk ke dalam comparator untuk mendapatkan nilai digital. Pada saat sensor kiri, kanan, dan depan tidak mendeteksi adanya halangan maka motor kemudi akan bergerak tepat di tengah-tengah. Pada saat sensor kanan tidak terdapat halangan, sensor kiri dan depan ada halangan maka akan belok kanan yaitu dengan motor kemudi berputar ke kiri. Pada saat sensor kanan dan depan terdapat halangan dan sensor kiri tidak ada halangan maka akan belok kiri yaitu dengan motor kemudi berputar ke kanan. Jika ketiga sensor mendeteksi adanya halangan maka akan belok ke kanan yaitu dengan motor kemudi berputar ke kiri.

3.6 Metode Pengujian dan Evaluasi Sistem

Untuk mengetahui apakah aplikasi yang dibuat dapat berjalan sesuai dengan yang diharapkan, maka akan dilakukan pengujian dan evaluasi sistem untuk setiap tahapan-tahapan dalam pembuatan aplikasi. Dimulai dari pengujian pin I/O FPAA, pengujian driver motor, pengujian microcontroller, pengujian

comparator, menggerakkan robot dengan menggunakan FPAA, menggerakkan

kemudi menggunakan microcontroller, dan yang terakhir adalah pengujian sistem secara keseluruhan.

3.6.1 Pengujian PORT Input dan Output Modul FPAA AN221K04-V4

Pengujian pin I/O dilakukan untuk melihat apakah pin I/O dari FPAA berfungsi dengan baik. Cara pengujian untuk melihat pin I/O FPAA telah berfungsi dengan baik adalah dengan menghubungkan input dengan output seperti

STIKOM

(63)

[image:63.595.48.552.162.656.2]

Gambar 3.21. Kemudian ukur tegangan output menggunakan multimeter dan lihat apakah tegangan output sama dengan tegangan input, jika sama maka pin I/O bisa digunakan.

Gambar 3.21 Pengujian PIN I/O FPAA

3.6.2 Pengujian Driver Motor

Untuk pengujian driver motor dilakukan dengan cara menghubungkan

input 1 dengan tegangan high (5V) dan menghubungkan input 2 dengan tegangan

low (0V).

3.6.3 Pengujian Microcontroller

Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui microcontroller telah berfungsi dengan baik. Pengujian dilakukan dengan cara men-download program untuk menghidupkan LED untuk setiap PORT I/O.

STIKOM

(64)

3.6.4 Pengujian Sensor SHARP GP2D120

Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui sensor dapat berfungsi dengan baik. Pengujian yang dilakukan adalah dengan memberikan tegangan VCC pada pin 1 dan ground (GND) pada pin 2. Ukur pin 3 dengan menggunakan multimeter.

3.6.5 Pengujian Pergerakan Robot

Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui pergerakan robot apakah sesuai dengan yang diharapkan. Pengujian ini dilakukan dengan men-download

program dari FPAA untuk pengujian ini. Jika robot berhenti jika terdapat halangan berarti program telah berhasil.

3.6.6 Pengujian Pergerakan Kemudi

Pengujian ini dilakukan untuk melihat apakah kemudi berhasil berjalan sesuai dengan program yang di-download, kendali kemudi menggunakan motor

servo. Pengujian ini dilakukan dengan menghubungkan sensor SHARP GP2D120

kiri, kanan, dan tengah dengan comparator. Hasil output dari comparator akan masuk ke PORT input microcontroller. Hubungkan motor servo ke pin I/O

microcontroller. Download program untuk mengatur kendali kemudi dan lihat

hasilnya.

3.6.7 Evaluasi Sistem Keseluruhan

Setelah melalui seluruh proses pengujian di atas maka perlu dilakukan pengujian sistem secara keseluruhan. Dimulai dari mengintegrasikan sensor PSD tengah dan setpoint dengan FPAA. Dari pembacaan sensor PSD tersebut akan menghasilkan sinyal PWM pada PORT output FPAA. Sinyal PWM yang dihasilkan FPAA akan dimanfaatkan oleh driver motor untuk mengatur kecepatan

STIKOM

(65)

motor. Pengaturan set point akan berpengaruh pada jarak yang diinginkan user untuk memperlambat motor pada jarak yang diinginkan user. Ketika sensor depan mendeteksi adanya halangan maka motor akan melambat dan akan berhenti pada jarak yang diatur pada set point. Sensor kiri, kanan, dan tengah diintegrasikan dengan comparator. Dari comparator akan menghasilkan tegangan digital. Tegangan digital ini yang digunakan microcontroller untuk mengatur motor servo

kemudi. Motor kemudi akan bergerak ke kiri jika sensor kanan mendeteksi adanya halangan, dan bergerak ke kanan jika sensor kiri mendeteksi adanya halangan. Apabila sistem berjalan sesuai dengan langkah-langkah pengujian di atas, maka sistem yang dibuat sudah baik.

STIKOM

(66)

55 BAB IV

PENGUJIAN DAN ANALISIS SISTEM

Pada bab ini akan dibahas hasil analisis pengujian telah dilakukan, pengujian dilakukan dalam beberapa bagian yang disusun dalam urutan dari yang sederhana menuju sistem yang lengkap.

Dari penggabungan perangkat keras dan perangkat lunak diharapkan didapat suatu sistem yang dapat mengendalikan mobile robot dengan pengendali PID yang bekerja dengan baik dan optimal.