Sistem Kontrol Manual dan Otomatis Robot

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

Perintah

Gerak Aktuator Lingkungan

Robot

Sensor Internal

Sensor Eksternal

Low-level Control

High-level Control

Kontroler

Kontrol Posisi

Perintah

Gerak Aktuator Lingkungan

Robot

Sensor Internal

Sensor Eksternal

Low-level Control

High-level Control

Referensi posisi yg selalu

berubah Posisi aktual tiap derajat

aktuator

Kontroler

Kontrol Posisi

Algoritma program (ex:

IF-THEN- ELSE)

Kontroler PID + Aktuator

Lingkungan Robot

Sensor posisi (rotary encoder)

Proximity sensor (ex: line

sensor)

Low-level Control

High-level Control

Referensi posisi yg selalu

berubah Posisi aktual tiap derajat

aktuator

Kontroler

Kontrol Posisi & Kecepatan

Perintah Gerak (posisi) &

Kecepatan

Lingkungan Robot

Sensor Internal (posisi &

kecepatan)

Sensor Eksternal

Low-level Control

High-level Control Kontroler

PID ^Aktuator

Referensi posisi &

kecepatan yg selalu berubah Posisi & kecepatan aktual tiap derajat aktuator

Kontroler

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 Kontroler

Sistem Aktuator

Mekanik Robot

Sistem

Roda Sistem

Kaki Sistem Tangan

Untuk Navigasi

(gerak berpindah) Untuk Manipulasi (gerak penanganan)

• Mengikuti jalur

• Berdasarkan obyek statik atau bergerak (menuju obyek, menghindari obyek/halangan) berbasis vision, proximity, dll.

• Berdasarkan urutan perintah (referensi trajektori)

Ujung tangan (posisi TIP):

• Mengikuti referensi trajektori

• Mengikuti obyek (berbasis vision, proximity, dll.)

• Memegang, mengambil, mengangkat, memindah atau mengolah obyek

Sensor Aktuator

Real world

Mata Kamera Mata

Kamera

Sistem Robot

Sistem Robot

dan orientasi

fungsi

Sistem Robot dengan kontroler berbasis prosesor

Rangkaian prosesor

(CPU)

Robot _Sensor

Aktuator Analog dan atau Digital

Analog dan

atau Digital

Kontroler berbasis prosesor dengan user interface

Rangkaian prosesor

(CPU) 1/0

analog

sistem bus (shaft encoder,

vision)

1/0

analog Keypad/

keyboard

Monitor (LCD, CRT, etc.)

Wireless communications (blue tooth, Wi-Fi, etc.)

Sistem Kontrol Robotik

(kontrol robot loop terbuka/tertutup)

Kontroler Robot

Referensi Gerak

Robot

Referensi Gerak

Kontroler

Hasil Gerak sesungguhnya

(dibaca oleh sensor)

Gerak aktual +

-

Error = Gerak referensi – Gerak aktual

Teori Dasar:

Penggunaan Transformasi Laplace

∫

^{∞ −}

=

0

( ) )}

(

{ f t f t e dt

L

^st

jika L

{

x

(

t

)} =

X

(

s

)

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

percepatan/akselerasi

s 1 s

1

kecepatan posisi

) (t

x && x & (t ) ^{x (t )}

s(s X(s)) s X(s) X(s)

Contoh: Robot Tangan Satu Sendi

Robot (lengan tunggal)

Aktuator (Motor DC)

Sensor posisi (potensiometer)

θ

X Y

+ -

Error = θref ^– θ_act

Amplifier

s 1 s

Sendi 1 Robot

Motor DC θ^&&act θ^&act θact

θref

Sistem Robot

τ

I

Ktn Kontrol

Sistem Kontroler

act

∆ t

= ∆ θ θ ^&

act

∆ t

= ∆ θ

θ ^{&& &}

Metoda Kontrol Klasik (P)

H(s)

r ₊ Kp y

-

e u

e Kp

u = ⋅

Metoda Kontrol Klasik (I)

H(s) r

s

Ki

^y

+

-

e u

Ki dT

T e t

u

^t

⎥⎦ ⎤

⎢⎣ ⎡

= ∫ ₀ ^{( )}

)

(

Metoda Kontrol Klasik (P-I)

H(s) r

s Ki

+ y

-

e u

Kp

+

+

s Kp Ki

s

G ( ) = +

Metoda Kontrol Klasik (D)

H(s)

r ⁺ s ⋅Kd ^y

-

e u

e Kd

u = ⋅ &

t Kd e

u ∆

⋅ ∆

=

Metoda Kontrol Klasik (P-I-D)

H(s) r

Kd s ⋅

+ y

-

e ⁺ u

+

Kp

s

Ki ⁺

Penggunaan Kontrol Cerdas

Sistem Robot

r Kontroler

berbasis AI

+ y

-

e u

• 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

V

_a

I

a

V

_b

θ ω τ , ,

bω

a a

a RI K

dt L dI

V = + +

] [

) (

) (

b tn eff

eff

tn a

L

K K f

R J

sR s

nK s

V s

+

= +

θ

Fungsi transfer open loop Motor DC magnet permanen

Va(s)

+

- sL+R

1

eff

eff f

sJ + K_tn 1

s 1

K_b

θ(s) sθ(s)

(s)

] [

) (

) (

b tn eff

eff

tn a

L

K K

f R J

sR s

nK s

V

s

+

= + θ

Ia(s) ₁

) (s ⁻ K_tn H

s

1 ^θ(s) sθ(s)

(s)

Motor DC Servo

Motor DC-MP Kecepatan

Referensi, θ^&ref

Kontrol PID +

-

Kecepatan aktual, θ^&act Motor DC Servo dengan kontrol kecepatan

Skema ekivalen Motor DC Servo dengan kontrol kecepatan

Motor DC Servo dengan kontrol kecepatan

Tegangan Supply DC (misal 0÷24V)

θ ^&

ref

Rangkaian Driver

θ ^&

act

+ -

- +

Vref(+) Vref(-)

RC Servo

Arah piringan

Servo -120º s/d +120º 0º

RC Servo Sinyal Tegangan Input PWM

Prinsip kerja RC Servo

Teknik Pulse Width Modulation

Tegangan PWM Tegangan ekivalen linier

V

t t

=

=

=

0V Vsat

Prinsip kerja PWM

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

+5V

1K2

74HCT245

.01 Gnd

Trg Out Rst Ctl

Thr Dis Vcc

20K

+

-

+

-

+

-

+

- ⁺

- 74HCT245

74HCT245

74HCT04

¼ LM324

¼ LM324

¼ LM324 ¼ LM324

¼ LM324

¼ LM324

+12V +12V +12V

+12V +12V

1K2 1K2

1K2 1K2

1K2

2K2

2SD1314 BD643 BD643

BD643 BD643

BD643

BD643

2SD1314 2SD1314

2SD1314 2SD1314

1K2

LM555

.01

+(12÷24)V

M

1K2

+12V 20K

(0÷5)V

θ^&ref

CW/CCW

1 2 3 4

8 7 6 5 1/0

M

Arah (1/0)

Kecepatan (0÷5)V

Driver Motor DC Berbasis

PWM (ep)

H-bridge

74HCT04

Wassalam