Pemodelan dan Analisis Sistem Kontrol Kinematik Omni Directional pada Robot

Pemodelan dan Analisis Sistem Kontrol Kinematik Omni Directional pada Robot

Riza Lukmana Putra

¹

, Hari Kurnia Safitri

²

, Indrazno Siradjuddin

³

Abstrak—Makalah ini menyajikan tentang pemodelan pergerakan mobil robot. Pada pergerakan mobil robot yang terdahulu menggunakan metode kontrol differential drive dengan menggunakan dua roda. Pada makalah ini digunakan metode kontrol differential drive dengan menggunakan empat roda yang diharapkan robot bisa berpindah posisi tanpa merubah arah hadap. Robot menggunakan sensor rotary encoder yang diolah dengan metode odometri untuk menghasilkan titik koordinat.

Robot akan bergerak dari posisi awal (0,0) menuju ke titik target (x’,y’), untuk menuju ke titik target robot ini di kontrol dengan metode odometri dengan memadukan metode PID. Hasil pengujian parameter PID didapatkan nilai Kp = 0,9, Ki = 8,04, dan Kd = 0,03. Menggunakan parameter tersebut respon robot menjadi lebih baik dan mendekati setpoint yang di inginkan.

Kata Kunci : Robot, Rotary Encoder, differential drive, PID.

I. PENDAHULUAN

obot adalah salah satu hasil teknologi modern yang sangat diminati manusia. Hal ini dikarenakan robot bisa menggantikan kegiatan yang dilakukan manusia. Bahkan suatu pekerjaan yang mempunyai resiko tinggi bisa dikerjakan oleh robot. Penulisan makalahini akan membahas pemodelan dan analisis sistem kontrol kinematik omnidirectional pada robot.Parameter penting yang berpengaruh dalam pergerakan robot beroda adalah kinematika. kinematika robot sangat penting untuk mendifinisikan arah dan kecepatan robot. Dari arah dan kecepatan masing – masing roda dihasilkan total vector gaya dengan arah pergerakan robot yang diinginkan. Selain itu, kinematika digunakan untuk menentukan arah hadap robot saat berpindah posisi.

Riza Lukmana Putra adalah Mahasiswa D4 Teknik Elektronika Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Malang.Email: rizalukmanaputra@gmail.com

Hari Kurnia Safitri adalah dosen Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Malang

Indrazno Siradjuddin adalah dosen Jurusan Teknik Elektro Politeknik Negeri Malang.

Kelemahan utama pada robot empat roda adalah dead reckoning membutuhkan effort yang besar.Dead reckoning yaitu kemampuan robot untuk menghitung posisi saat ini relatif terhadap posisi sebelumnya [1].

II. TINJAUAN PUSTAKA 2.1 Proporsional Integral Diferensial (PID)

Aspek yang sangat penting dalam desain kontroler PID adalah penentuan parameter kontroler PID agar sistem memenuhi kriteria performansi yang diinginkan. Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing kontroler P, I dan D dapat saling menutupi dengan menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi kontroler proposional plus integral plus diferensial (kontroller PID). Elemen-elemen kontroller P, I dan D masing-masing secara keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan awal yang besar[2].

Gambar 1. Blok Diagram Kontroler PID Analog

2.2 Omni Wheels

Omni wheels adalah suatu roda unik karena memiliki kemampuan bergerak bebas dua arah. Roda ini berputar seperti roda pada umumnya serta mampu bergeser kesamping menggunakan roda di sepanjang lingkar luar roda [3].Roda omni adalah rancangan roda khusus yang tidak hanya mempunyai roda tunggal, tetapi banyak roda dalam satu roda inti [4].Ada roda inti besar, dan sepanjang tepi ada

R

banyak roda kecil tambahan yang mempunyai sumbu tegaklurus terhadap sumbu roda inti.

Gambar 2. Macam-macam Omniwheels 2.3. Rotary Encoder

Rotary encoder adalah divais elektromekanik yang dapat memonitor gerakan dan posisi. Rotary encoder umumnya menggunakan sensor optik untuk menghasilkan serial pulsa yang dapat diartikan menjadi gerakan, posisi, dan arah. Sehingga posisi sudut suatu poros benda berputar dapat diolah menjadi informasi berupa kode digital oleh rotary encoder untuk diteruskan oleh rangkaian kendali.

Rotary encoder umumnya digunakan pada pengendalian robot, motor drive.

2.4 Arduino Mega

Arduino Mega2560 adalah papan mikrokontroler berbasiskan ATmega2560. Arduino Mega2560 memiliki 54 pin digital input/output, dimana 15 pin dapat digunakan sebagai output PWM, 16 pin sebagai input analog, dan 4 pin sebagai UART (port serial hardware), 16 MHz kristal osilator, koneksi USB, jack power, header ICSP, dan tombol reset.

III. METODOLOGI

Perancangan sistem pada makalah ini terdiri dari dua rancangan yaitu perancangan hardware dan perancangansoftware.Dalam perancangan hardware akan menjelaskangambaran alat, sedangkan dalam perancangan sotfware dijelaskan metode yang akan digunakan dalam merancang embedded system untuk pengontrolanrobot.

A. Perancangan Hardware

 Mekanik

Dalam perancangan mekanik mobile robot ini penempatan roda dan pembebanan motor sangat berpengaruh pada performa robot.

Penempatan beban yang secara langsung dibebankan pada motor dapat mempengaruhi life time gear box motor. Pada robot ini beban maksimal dari robot adalah 25 kg. Robot ini memiliki ukuran panjang 80 cm dan lebar 80 cm.

Konstruksi base menggunakan pipa aluminium ukuran 2 inch dan plat aluminium dengan panjang sisi 40 cm.

Gambar 4. Tampak Bawah Base Robot

Gambar 5. Tampak Atas Base Robot

Gambar 6. Ukuan Plat Base

 Elektrik

Blok Diagram System

Secara keseluruhan robot ini terbagi menjadi beberapa bagian, yaitu :

Gambar 7. Diagram Blok Robot

Prinsip kerja

Untuk menjalankan mobile robot ini diperlukan laptop untuk memasukkan data posisi (x,y) target yang di kirim ke Arduino Mega. Setelah menerima data posisi (x,y) target maka robot di start dan robot bernavigasi dari posisi awal (0,0) menuju ke posisi (x,y) target. Setelah robot di posisi (x,y) target, robot berhenti.

Driver Motor

Rangkaian driver motor ini menggunakan rangkaian driver motor H-Bridge. Pada rangkaian ini terdapat 1 buah driver BTS 7079B, 1 buah BTN 7079B, dan 1 buah optocoupler high speed A 2630 sebagai switch.

Gambar 8. Driver Motor

Regulator 5 volt

Fungsi Rangkaian regulator ini digunakan untuk menurunkan tegangan 12 Volt baterai menjadi 5 Volt sebagai cartu daya Arduino Mega, dan Arduino Promini.

D1

1N4002

1 VI VO 3

GND2

U17805

Q1TIP3055

C11000uF/25v

D21N4002

R1100 C2

10uF/25v Volts +5.02 12v

Gambar 9. Rangkaian Regulator 5v

Ketika catu daya on arus dari sumber DC 12 Volt akan mengalir menuju dioda (D1) yang berfungsi sebagai pengaman polaritas. Capasitor C1 yang berfungsi sebagai filter pertama. Setelah melalui IC 7805, tegangan akan diturunkan menjadi 5 Volt stabil. Fungsi dari R1 adalah sebagai filter kedua.

B. Perancangan Software

Perancangan software berupa penyusunan algoritma program untukpengontrolan kecepatan motor, PID motor, dan kinematika pergerakan robot.

Pada skripsi ini terdapat duatipe mikrokontroler, yaitu master dan slave, maka program dibagi menjadi dua. Pertama adalah penyusunan algoritma program pada mikrokontroler kesatu sebagai master. Fungsi master adalah memberikan koordinat target.

Kemudian data dari mikrokontroler master diteruskan ke slave menggunakan komunikasi I²C. Sehingga master hanya mengirim perintah berupa data yang diklasifikasikan sebagai nilai setpoint dan arah putar motor.

Gambar 10. Flow Chart Master

Gambar 11. Flow Chart Slave IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

Bab ini akan membahas pengujian dan analisis alat yang telah dirancang. Pengujian dilakukan pada tiap – tiap blok dengan tujuan mengamati fungsi tiap blok sesuai perencanaan. Kemudian dilanjutkan pengujian pada sistem secara keseluruhan.

4.1 Pengujian Driver Motor

Pengujian ini bertujuan untuk menguji sinyal keluaran mikrokontroler kepada motor. sinyal keluaran yang dimaksud adalah lebah pulsa PWM yang bisa diatur. Pengujian dari PWM minimum hingga maksimum. Tujuan lain adalah untuk mengetahui cara pengontrolan arah putar motor melalui pin input driver.

Tabel 1.Logika Arah Putar Motor

Dari tabel diatas menunjukkan cara mengendalikan arah putar motor dengan cara memberikan logika high atau low pada pin in1 dan in2. Jika kedua pin tersebut diberi logika low maka motor dalam keadaan free running. Namun memberikan salah satu pin berlogika high missal in1 maka motor akan berputar searah jarum jam.

Sebaliknya jika pin in2 diberi logika high maka motor berputar kekiri atau berlawan dengan kondisi awal. Ada juga cara pengereman pada motor jika diperlukan. Konfigurasinya member logika high pada seluruh pin masukkan pada driver.

4.2 Pengujian Kecepatan Motor

Gambar 12. Grafik Respon Motor

Pada gambar 12 menunjukkan bahwa bahwa semua motorbaru bisa bergerak setelah PWM mencapai 10(unsigned char).Nilai kecepatan motor depan adalah 13.1 rpm, nilai kecepatan motor belakang adalah 12.8 rpm, nilai kecepatan motor kanan adalah 12.9 rpm, dan nilai kecepatan motor kiri adalah 12.7 rpm. Disini pengukuran dilakukan untuk mengetahui keseimbangan navigasi motor.

Dimana keempat motor harus mempunyai respon yang yang sama. Dengan respon yang

samadiharapkan robot dapat berjalan lurus saat diberi PWM yang sama. Ketidak samaan respon kecepatan bisa dipengaruhi oleh factor mekanik dan umur dari motor itu sendiri. Data yang dihasilkan kecepatan motor di atur dengan sinyal pwm(pulse with modulation) dimana semakin besar nilai pwm maka semakin besar kecepatan motor(rpm). Dari keempat motor ini memiliki kesamaan respon sehingga robot bisa berjalan lurus saat di beri nilai pwm yang sama.

4.2 Pengujian Rotari Enkoder

Pengujian ini bertujuan untuk mendapatkan fungsi RPM dari enkoder motor tanpa kontrol.

Sehingga saat melakukan percobaan dengan PID perhitungan RPM sudah dalam kondisi terkalibrasi.

Cara yang dilakukan adalah membaca sensor dengan fungsi interrupt pada mikrokontroler. Kemudian Tachometer ditembakkan pada rotor. Nilai kecepatan motor bisa dilihat pada layar alat kalibrasi.

Gambar 13. Grafik Pembacaan Nilai Encoder Terhadap PWM Pada gambar 13 menunjukkan hasil pengujian terhadap sensor rotari enkoder didapat data yang diberi nama Delta Encoder dan RPM Tacho.

Delta encoder adalah nilai pembacaan sensor dengan perubahan PWM. Pengambilan data delta encoder dengan cara menghitung selisih dari kondisi pembacaan awal sensor dikurangi kondisi akhir sensor. Nilai delta enkoder akan memiliki nilai yang lebih besar saat nilai PWM dinaikkan. Data diambil dengan waktu sample sebesar 60 milisekon.

Sedangkan RPM Tacho adalah nilai pembacaan kecepatan putar motor dc dengan alat kalibrasi.

Kedua variabel yang diambil dari pengujian memiliki

nilai yang berbeda sehingga perlu persamaan agar nilai delta encoder mendekati dengan nilai kecepatan pembacaan tacho.Hasilnya berada pada kolom RPM hitungan. Persamaan RPM hitungan sama dengan ((Delta Enkoder / 3 ) / 0,06 ) * 100. Sehingga RPM dari sensor sudah terkalibrasi dengan alat yang terpercaya.

4.3 Pengujian Tuning Parameter PID

Pengujian ini bertujuan untuk mencari parameter kontrol PID dengan menggunakan metode osilasi Ziegler – Nichols. Pengujian dilakukan dengan nilai setpoint yang sama yaitu 120rpm.

Tuning PID dimulai dengan menaikkan nilai Kp sedikit demi sedikit hingga didapat grafik output yang berkesinambungan. Grafik yang dimaksud adalah kondisi grafik yang memiliki besar nilai amplitudo yang sama disetiap periodenya.

Gambar 14.Grafik Output Dengan Kp 2,0

Pada gambar 14diperoleh nilai Kcr dan Pcr.

Sehingga masing – masing nilai dimasukkan kedalam fungsi yang disarankan.

Kcr = 2,0 Pcr = 0,224

Kp = 0,6 x Kcr = 0,6 x 2,0 = 1,2 Ti = 0,5 x Pcr = 0,5 x 0,224 = 0,112 Td = 0,125 x Pcr = 0,125 x 0,224 = 0,028 Ki = Kp / Ti = 1,2 / 0,112 = 10,71 Kd = Kp x Td = 1,2 x 0,028 = 0,03

Gambar 15. Grafik Output Sistem Dengan Ziegler – Nichols Pada gambar 15 Output sistem menggunakan Ziegler – Nichols masih belum memberikan kondisi stabil pada sistem. Sehingga perlu dilakukan tuning manual. Mengubah parameter Kp, Ki, dan Kd dengan cara menambah ataupun mengurangi nilainya.

Gambar16. Grafik Output Sistem Dengan Tuning Manual Pada gambar 16 output system sudah memiliki karakteristik respon sistem lebih cepat dan output sudah bisa stabil berada pada nilai setpoint. Dari hasil pengujian sistem dengan setpoint 120 rpm didapatkan analisa sebagai berikut.

1. Waktu puncak (Tp) : adalah waktu yang dibtuhkan sistem untuk mencapai nilai puncak dari overshoot pertama kali. Dari gambar 4.6.

maka diperoleh tp sebesar 0,153 detik.

2. Waktu settling (Ts) : adalah waktu yang dibutuhkan sistem untuk mencapai nilai akhir.

Range persentase yang digunakan sebesar 5%.

Jika setpoint 120 maka nilai range yang masuk

waktu settling saat 114 dari gambar 4.6.

didapat nilai ts sebesar 0,32 detik.

3. Rata – rata error steady state (dEES) : adalah pembagian jumlah data error keseluruhan kemudian dibagi dengan jumlah data yang diambil. Satuan Mp dalam bentuk persen sehingga dari gambar 4.6. dEES = ^{鬸 �鬸큄爍} 큄� 爍.

Setelah didapat nilai parameter PID, sistem diuji coba dengan tambahan beban eksternal.

Beban berupa velg dan omniwheel yang memiliki berat 0,5 Kg yang dipasang pada rotor.

Gambar 17. Output PID dengan beban 0.5Kg

Dari hasil pengujian sistem dengan ditambahkan beban 0,5Kg didapat grafik seperti gambar 17. Sehingga parameter yang dapat dihitung :

1. Waktu puncak (Tp) : 0,158 detik 2. Waktu settling (Ts) : 1 detik

3. Rata – rata error steady state (dEES) :

鬸큄� 鬸� 爍

Dari beberapa percobaan yang telah dilakukan sistem sudah bisa stabil mempertahankan nilai setpoint. Namun nilai maksimum overshoot masih terlalu tinggi. Maka parameter PID perlu detuning lagi agar maksimum overshoot berkurang.

Gambar 17. Grafik Output Sistem Pada Motor

Hasil pengujian kontrol PID menggunakan setpoint 120 rpm dengan nilai parameter yang diubah terlihat pada gambar 17. sehingga didapat beberapa parameter yang bisa dihitung :

1. Waktupuncak (Tp) : 0,153 detik 2. Waktu settling (Ts) : 2,91 detik 3. Rata – rata error steady state :

Sedangkan ketiga motor lain memiliki karakteristik yang identik sehingga parameter yang bisa dihitung relative sama.

4.4. Pengujian Pergerakan Robot

Pada pengujian ini robot akan diberi jalur berupa beberapatitik koordinat (x,y) yang harus ditempuh. Posisi awal robotsebelum bergerak adalah (0,0). secara umum seluruh lintasan robot dapat dibagi menjadi empat kuadran yaitu kuadran satu, dua, tiga dan empat. berikut pemetaan koordinat berdasarkan kuadrannya :

TABEL 2.Pembagian Kuadran

Robot berada pada posisi start, sebelum menerima data dari server. Data yang diterima robot berupa koordinat (x,y) yang akan dijadikan sebagai target. Dimana robot harus bisa mencapai target tersebut. Disini pertama kali robot berada pada posisi start(0,0) dan di start menuju target. (150,0). Setelah robot berada pada koordinat (150,0), robot akan bergerak ke kanan menuju koordinat (150,150).

Setelah robot berada pada koordinat (150,150), robot akan bergerak ke belakang menuju koordinat (0,150).

Setelah robot berada pada koordinat (0,150), robot akan bergerak ke kiri menuju koordinat (0,0) atau kembali ke posisi awal. Jalur lintasan robot

ditunjukan dengan garis warna merah. Untuk data percobaan selanjutnya dapat dilihat dalam tabel berikut:

Tabel 3. Hasil Pengujian Pergerakan Robot

No Koordinat Target (Cm) Koordinat

finis (Cm) error (%)

X Y x’ y’ x Y

1 150 0 155 0 3.33 0

2 150 150 155 155 3.33 3.33

3 0 150 0 155 0 3.33

4 0 0 0 0 0 0

Mula-mula robot berada pada koordinat (0,0), kemudian robot dijalankan menuju koordinat(150,0). Setelah robot berada pada koordinat (150,0), robot akan bergerak ke kanan menuju koordinat (150,150). Setelah robot berada pada koordinat (150,150), robot akan bergerak ke belakang menuju koordinat (0,150). Setelah robot berada pada koordinat (0,150), robot akan bergerak ke kiri menuju koordinat (0,0) atau kembali ke posisi awal. Data yang diperoleh dapat dilihat pada table 3.

Pada kenyataanya robot hampir mendekati titik target sebenarnya, dikarenakan pada pembacaan sensor rotari encoder kurang tepat disebabkan terdapat track yang tidak rata atau track yang berkelombang dan slip pada roda robot.

V. PENUTUP

A. Kesimpulan

Setelah melakukan penelitian dan menganalisisnya, maka dapat ditarik beberapa kesimpulan yaitu :

1.

Pencapaian titik target sangat dipengaruhi oleh selip roda, semakin banyak gelombang lintasan maka semakin selip pada roda.

2.

Hasil dari pengujian sensor rotary encoder mendapatkan persamaan kalibrasi untuk menghitung RPM dengan cara (( delta enkoder / 3 ) / 0,06 ) * 100.

3.

Penentuan nilai Kp, Ki, dan Kd dengan menggunakan metode Ziegler Nichols osilasi belum cukup untuk menghasilkan sinyal keluaran yang stabil. Sehingga penentuan

dilakukan dengan merubah parameter PID yang tidak jauh dari parameter awal. Sinyal keluaran stabil untuk keempat motor saat nilai Kp = 0,9, Ki=2,25, Kd=0,03.

DAFTAR PUSTAKA

[1]Wisnu Jatmiko, dkk. 2012. Robotika Teori dan Aplikasi. Depok: Fakultas Ilmu Komputer Universitas Indonesia. (Online), (www.cs.ui.ac.id/id/staf/wisnuj/docs/book_roboti ka.pdf), diakses 30 September 2014.

[2]Asrofi, Anan. Komarudin, A. Pracoyo,A. 2014.

Navigasi Robot Mobil 3wd Omni wheeled dengan Metode Odometri. Jurnal Elektronika Otomasi Industri, 1(1), 44-50.

[3]Pambudi, Wahyu. 2011. Rancang Bangun 3 Wheels Omni-Directional Mobile Robot Menggunakan Sensor Position Sensitive Device (Psd) Serta Sensor Vision Dengan Metode Kendali Fuzzy Logic Controller (Flc) Untuk Menghindari Halangan.Makalah disajikan pada Seminar Nasional Teknologi Informasi &

Komunikasi Terapan 2011, Batam.

[4]Syam, Rafiudin. Irham. &Erlangga, Widhi. 2012.

Rancang Bangun Omni Wheels Robot Dengan Roda Penggerak Independen.Jurnal Mekanikal, 3(1), 213-220.