RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL HARDWARE R

RANCANG BANGUN SISTEM KONTROL HARDWARE ROBOT CERDAS

PEMADAM API 2013 DIVISI BERKAKI

(

Studi Kasus Tim Robot Guruminda pada Kontes Robot Pemadam Api Indonesia

2013

)

Lindawani Siregar, Erik Haritman, Dadang Lukman Hakim

Departemen Pendidikan Teknik Elektro,

indonesia setiap tahunnya untuk meningkatkan kreativitas mahasiswa tentang robotika. Robot

Berkaki merupakan sebuah robot yang menggunakan kaki sebagai alat geraknya dengan misi

mencari dan memadamkan api di ruangan. Diutamakan kecepatan dan kemampuan robot berkaki

untuk mencari dan memadamkan api di dalam ruangan Suatu rancangan robot diperlukan sitem

elektronik yang stabil. Penelitian ini bertujuan merancang dan membuat sistem kontrol

hardware

sesuai dengan peraturan KRPAI 2013. Penelitan ini merealisasikan robot

firefighting

bekaki

menggunakan mikrokontroler ATMega128. ATMega 128 merupakan otak dari robot Guruminda.

Sound activation

(sensor suara) digunakan untuk memulai semua proses yang akan dilakukan oleh

robot. Robot mulai bernavigasi setelah

sound activation

diaktifkan. Sensor ultrasonic PING)))

digunakan untuk mendeteksi jarak dengan dinding,. Sensor garis berfungsi untuk mendeteksi garis

putih ketika akan memasuki ruangan dan mendeteksi juring. Untuk mendeteksi cahaya lilin

digunakan

UVTron flame detector

. Jika robot menabrak furniture digunakan

bumper

yang terbuat

dari

limit switch

, sehingga robot dapat bergerak menjauhi benda yang ditabrak. Robot harus

mematikan cahaya lilin, di sekeliling lilin akan diberikan warna putih. Alat yang digunakan untuk

mematikan api lilin adalah kipas angin (motor DC). Hasil pengujian menunjukan bahwa robot

pemadam api sudah sesuai dengan fungsi dan kerja dari berbagai sensor dan

controller

. Secara

keseluruhan sistem dapat bekerja dengan baik dan stabil.

Kata kunci : KRPAI 2013, firefighting,

ATMega128,

Sound activation, UVTron flame detector,

limit switch

ABSTRACT

Kontes Robot Pemadam Api Indonesia (KRPAI) was an event which held by the Indonesian

goverment every year to improve collage student creativity about robotics . Legged robot is a robot

that use the feet as a means of motion with a mission to finding and extinguishing a fire in a room.

It’s preferred speed and ability of legged robot to find and extinguish the fire in the room. A design

of a robot is required electronic system which is stable. This research aims to design and make a

robot control system hardware in accordance with the regulations KRPAI 2013. This research

realize a firefighting legged robot using microcontroller of ATMEGA128. ATMEGA 128 is the

brain of robot Guruminda. Sound activation (sound sensor) is used to start all the processes to be

performed by the robot. Robots start navigation after sound activation has been activated. Sensor

ultrasonic PING))) used to detect the distance to the wall. Line sensor is used to detect the white

line when robot will enter the room and detect segment. To detect light of candle it used UVTron

flame detector. If robot crashing the furniture so it’s used bumpers which is made by limit switch,

so that robot can move away from the object that was hit. Robots have to turn off the light

candles, around the candle will be given a white color. The tools used to turn off the flame is the

fan (DC motor). The results showed that firefighting robot has been function and working of the

various sensors and controllers. Overall the system can work well and stable.

PENDAHULUAN

Kontes Robot Pemadam Api Indonesia (KRPAI) setiap tahunnya diadakan oleh Direktorat

Pendidikan Jendral Pendidikan Tinggi Indonesia yang bertujuan untuk meningkatkan kreativitas

mahasiswa di bidang robotika.Salah satu divisi KRPAI yaitu divisi berkaki. Robot Berkaki

merupakan sebuah robot yang menggunakan kaki sebagai alat geraknya dengan misi mencari dan

memadamkan api pada arena lapangan.

Robot berkaki yang diutamakan adalah kecepatan dan kemampuan robot dalam bernavigasi

dan bermanuver dalam mencari dan memadamkan api di suatu arena dengan peta tertentu secara

otomatis. Sistem elektronik robot atau kontrol hardware robot memiliki peran penting dalam

sebuah rancangan robot. Sistem kontrol atau elektronik pada robot meliputi rangkaian pengendali

utama (

main controller

), rangkaian sensor, rangkaian penggerak (aktuator). Dalam suatu

rancangan robot di perlukan sitem elektronik yang terkendali dan stabil.

Rancang bangun robot pemadam api telah dijadikan kompetisi dan telah banyak dilakukan

oleh peneliti sebelummnya. Pada penelitiannya, Wahab (2010),

telah membuat rancang bangun

hardware controller

robot cerdas pemadam api divisi beroda. Pada penelitian tersebut keseluruhan

sistem dapat bekerja dengan baik dan stabil.

Mikrokontroller ATmega128

Mikrokontroller ATmega128 merupakan merupakan seri mikrokontroler buatan Atmel,

berbasis arsitektur RISC (

Reduced Instruction Set Computer

). Mikrokontroler AVR ATMega128

memiliki saluran I/O sebanyak 56 buah, ADC 10 bit sebanyak 8 saluran, dua buah

Timer/Counter

8 bit dan dua buah

Timer/Counter

16 bit, dua buah PWM 8 bit,

Watchdog Timer

dengan osilator

internal, internal SRAM sebesar 4 kbyte, memori

flash

sebesar 128 kBytes, interupsi eksternal,

port antarmuka SPI, EEPROM sebesar 4 kbyte, real time counter, dua buah Port USART untuk

komunikasi serial, enam kanal PWM, dan tegangan operasi sekitar 4,5 V sampai dengan 5,5 V.

Gambar 1. ATmega 128 dan konfigurasi pin

Sensor Ultrasonic PING)))

Gambar 2. Ilustrasi kerja sensor PING)))

Sensor Api (UVTron flame detector)

UVTron

flame detector

ini mendeteksi adanya sinar ultraviolet (yang dipancarkan oleh lilin).

UVTron

flame detector

mendeteksi gelombang ultraviolet pada range 185 – 260 nm dan memiliki

jangkauan hingga 5 meter. Sensor UVTron ini digunakan sebagai piranti masukan (input) pada

mikrokontroller. Pada penelitian ini yang digunakan adalah sensor Hamamatsu UVTron C3704

sebagai driver UVTron.

Gambar 3. Tabung UVTron flame detector dan driver

Sensor suara (sound activation)

Sound activation

terdiri dari 2 bagian yaitu pemancar dan penerima. Rangkaian pemancar

berfungsi membangkitkan sinyal suara dengan frekuensi tertentu selanjutnya disalurkan ke

buzzer

sebagai output yang berfungsi untuk mengeluarkan suara, sedangkan rangkian penerima terdiri

atas

mic condensor

sebagai input yang berfungsi sebagai penerima gelombang suara dari pemancar

kemudian sinyal tersebut dikuatkan oleh rangkaian amplifier dan masuk kedalam blok

tone

detector

sebelum keluran. Jika rangkaian

tone decoder

tersebut menerima sinyal yang ditentukan

maka outputnya akan memberikan logik 0

Gambar 4. Blok diagram sound activation

METODE

Metode yang dilakukan dalam penelitian ini terdiri dari beberapa tahap yaitu studi literatur,

perancangan sistem, perancangan

hardware

, pembuatan, Hasil dan pembahasan.

Studi Literatur

Observasi

Observasi, yaitu dengan meneliti robot pemadam api dari tim robot UPI senior dan

membandingkannnya dengan robot dari perguran tinggi lain dalam rangka mencari data-data yang

tidak diperoleh melalui kepustakaan dan laboratorium, sehingga mendukung pemecahan masalah.

Perancangan Sistem

Perancangan sistem yang dibuat harus sesuai dengan target dan peraturan Kontes robot

pemadam api 2013. Robot yang dibuat harus dapat melintas di atas struktur arena pertandingan,

kemudian mencari lilin di sebuah ruangan, mematikan lilin tersebut dalam waktu singkat, lalu

kembali ke posisi

start

.

Gambar 5. Diagram blok sistem

AVR ATMega 128 merupakan otak dari robot

hexapod

Guruminda. Semua program untuk

mengendalikan robot terdapat di AVR sebagai pusat pengendalian robot. Untuk input

mikrokontroller master, terdiri dari sensor suara (

sound activation

), sensor garis, sensor api

(UVTron), sensor ultrasonik,

limit switch

,

servo controller

. Untuk output dari mikokontroller

dihubungkan dengan driver motor kipas, sensor ultrasonik, servo kontroller dan sebuah LCD

karakter untuk menampilkan data kondisi robot. Servo kontroler ini berperan sebagai pengendali

servo-servo. Dalam hal ini mampu mengendalikan 18 buah servo sekaligus.

Perancangan Hardware

Power supply

Pada robot Guruminda menggunakan batrai jenis

Lipo

sebagai sumber tegangan. 1 buah batrai

yang memiliki tegangan 11.1 V dengan arus 2200 mAh digunakan sebagai sumber khusus untuk

memenuhi kebutuhan tegangan motor DC pada bagian penggerak roda sedangkan 1 buah batrai

dengan tegangan 11,1 V 1500 mAh yang digunakan untuk memenuhi kebutuhan tegangan

rangkaian elektronik. Batrai ketiga yaitu untuk menggerakkan motor kipas dengan spesifikasi 7,4

V 500 mAh.

Tegangan level rendah akan dibutuhkan untuk memenuhi

supply

tegangan mikrokontroller yaitu

5V. Pada rangkaian power supply digunakan power supply UBEC (

Universal Battery Elimination

Circuit

).

Gambar 7. Power supply UBEC

Rangkaian Minimum Sistem

1. Rangkaian Minimum Sistem

Sistem minimum merupakan suatu rangkaian minimalis yang dirancang / dibuat agar suatu

mikrokontroler dapat berfungsi dan bekerja dengan semestinya. Minimum sistem yang

dirancang yaitu mikrokontroler ATMega 128.

Gambar 8. Rangkaian minimum sistem ATMega 128

Catu daya mikrokontroler ATMega 128 ini sebesar 5 V melalui

power supply

UBEC. Pada

aplikasinya sekarang, digunakan XTAL 16 MHz konfigurasi pin pada ISP (

In System

Programming

) pada Mikrokontroler ATmega128 adalah mosi-RX0, miso-TX0, SCK-SCK,

dan

power supply

.

Tabel 1 Penggunaan Pin ATMega 128 di Robot Guruminda

Kebutuhan

Pin yang digunakan

LCD

Pin A0, Pin A1, Pin A2, Pin A3, Pin A4, Pin A5, Pin A6, Pin

A7

Sensor ultrasonik

Pin C0, Pin C1, Pin C2, Pin C3, Pin C4, Pin C5, Pin C6, Pin

C7

Sensor Uvtron

Pin D2

Sensor garis

Pin F1, Pin F2, Pin F4, Pin F5

Limit Switch

Pin B5, Pin B6, Pin B7

Driver motor kipas

Pin D7

Servo Kontroler

SDA terhubung pada Pin D1 ; SCL terhubung pada Pin D0

Pushbutton

Pin B0, Pin B1, Pin B2, Pin B3, Pin B4

Sound Activation

Pin E7

Rangkaian Sound Activation

Rangkaian pemancar

Pemancar dapat menghasilkan suara dari 3 KHz - 4 KHz. Adapun rangkaian yang

digunakan untuk menurunkan tegangan tersebut adalah sebagai berikut:

Gambar 9. Power supply pada pemancar

Pemancar memerlukan tegangan catu 5V DC. Output dari

power supply

ini akan di

hubungkan ke rangkaian pemancar sebagai VCC. Berikut adalah rangkaian pemancar :

Gambar 10. Rangkaian pemancar

Untuk membuat

sound generator

(pemancar) dibutuhkan IC LM 555 dan sebuah

Buzzer

.

Sesuia dengan aturan KRPAI 2013, frekuensi yang harus dipancarkan yaitu 3,8 kHZ.

Rangkaian Penerima

Penerima digunakan sebagai penerima suara dengan frekuensi tertentu

.

Di bawah ini

merupakan rangkaian penerima :

Gambar 11. Rangkaian penerima

Suara yang di pancarkan oleh rangkaian pemancar

sound activation

diterima dan di ubah

menjadi energi elektrik oleh

mic condensor

, kemudian dilewatkan sinyal tersebut ke

komponen penguat sinyal (dengan menggunakan LM358 sebagai penguat), dari penguat

sinyal ini data tersebut akan di-

filter

oleh IC

Tone decoder

LM567. IC ini akan memfilter

frekuensi antara 3-4 Khz Jika data yang masuk memiliki rentang frekuensi yang sesuai dengan

pengaturan tegangan, output dari IC tersebut akan berlogika 0 (low).

Sensor Ultrasonik PING

Gambar 12. sensor PING)))

Konfigurasi pin Sensor ping:



GND merupakan pin

ground



Vcc merupakan tegangan masukan 5 Volt



SIG ( sinyal

Input/Output

)

Sensor UVTron

Sensor pendeteksi api yang digunakan pada robot pemadam api ini adalah sensor UVTron

buatan Hamamatsu. Sensor UVTron dalam aplikasinya memerlukan driver C3704 karena tegangan

kerja dari UVTron adalah 350-400 Vdc, untuk mendapatkan tegangan sebesar itu dari sumber

tegangan dibutuhkan driver C3704.

Gambar 13. Sensor UVTron

Konfigurasi Pin Sensor UVTron adalah sebagai berikut :



GND merupakan pin Ground



VCC merupakan pin yang berfungsi untuk memasukan catu daya. Tegangan yang masuk

ke pin VCC adalah 5 V.



I/O merupakan pin Input dan Output dari sensor UVTron.

Sensor Garis

Modul ini berfungsi sebagai penanda robot saat memasuki ruang/titik Home, serta juring

keberadaan api. Dalam mengidentifikasikan pintu masuk ruangan dan juring keberadaan lilin

Robot akan menggunakan sensor garis yang diletakkan dibagian bawah robot .

Gambar 14. rangkaian sensor garis

Sensor ini terdiri dari LED infrared sebagai sumber cahaya dan

photodiode

sebagai penerima

pantulan cahaya. Sensor garis yang dirancang pada robot. Guruminda yaitu sensor garis analog.

Sehingga tidak menggunakan pengkondisi sinyal.

Servo Kontroler

Gambar 15. SD21 connection

Gambar 16.Rangkaian soket servo controller ke ATMega 128

Pembuatan Hardware

Dalam pembuatan PCB, hal pertama yang dilakukan adalah membuat rancangan skematik

elektronika. Rangkaian skematik dibuat dengan menggunakan

software

OrCAD

, berikut

tampilan

software OrCAD

dengan tampilan layout secara keseluruhan:

Gambar 17. Layout minimum sistem

Gambar 18. PCB sistem keseluruhan

HASIL DAN PEMBAHASAN

Pengujian power supply sistem

Pengujian pertama dilakukan dengan mengukur kesesuaian tegangan keluaran rangkaian

power supply

, dengan menggunakan AVO meter.

Power supply

sistem kontrol yang digunakan

berupa

power supply

UBEC 5V.

Tabel 2 hasil pengukuran tegangan pada power supply sistem

Pengukuran ke

_Seharusnya

Tegangan

Power Supply

_Terukur

1

5 V

5,27 V

Pengujian ini dilakukan dengan mengukur keluaran dari

power supply

menggunakan AVO

meter. Dari pengujian diperoleh hasil rata-rata pengukuran tegangan yaitu 5,27 V.

Pengujian arus pada power supply motor servo

Pengujian berikutnya adalah pengujian

power supply

motor servo. Motor servo yang

digunakan sebanyak 18 buah motor servo. Pengujian ini dilakukan pada keluaran arus dari 3 buah

power supply

UBEC 5 Vyang diparalel

Tabel 4 hasil pengkuran arus pada power supply motor servo

Pengukuran ke

Hasil ukur (arus yang terpakai)

1

5.03 A

Pengujian ini dilakukan dengan mengukur arus dari

power supply

menggunakan tang ampere.

Dari pengujian diperoleh hasil rata-rata pengukuran arus yaitu 5.06 A. Dalam perhitungan, arus

yang dibutuhkan oleh komponen elektronika ketika bekerja pada kondisi maksimal adalah 5,4 A.

Dalam pengukuran, hasil yang terukur dibawah arus maksimal yaitu hanya 5,06 A. Dapat

disimpulkan bahwa hasil pengukuran sesuai dengan yang direncanakan.

Pengujian Sensor PING)))

Pengujian ini berhubungan dengan tingkat keakuratan dari ultrasonik PING))) sensor yang

dipakai robot Gururminda untuk mendeteksi jarak robot dengan dinding. Pengujian ini dilakukan

dengan membandingkan nilai yang terukur pada sensor PING dengan jarak sebenarnya.

Tabel 5 Hasil pengukuran jarak dengan PING))) ultrasonic sensor

Jarak Sebenarnya

Jarak terdeteksi

Error

mendekati jarak yang sebenarnya. Selisih ini disebabkan karena adanya

delay

dalam program di

mikrokontroler atau dari tanggapan sensor itu sendiri.

Pengujian Uvtron Flame detector

Pengujian berikutnya adalah Pengujian sensor api yang dilakukan dengan bantuan

mikrokontroler dengan memakai fungsi

interrupt external

. Bila terjadi transisi naik pada pin

interrupt external

ini, maka mikrokontroler akan menampilkan hasil deteksi api berupa

counter

,

misalnya bila mendeteksi akan muncul pada LCD.

Tabel 6 hasil pengujian sensor UVtron

Jarak sensor dengan api

Kondisi Api

Respon Sensor

10 cm

Menyala

Terdeteksi

Pengujian ini dilakukan dari jarak 10 cm hingga 5,5 m. Melalui data di atas, maka UVTron

dapat mendeteksi cahaya lilin dengan baik hingga pada jarak 5,5 m.

Pengujian Sound detector

Pengujian dilakukan dengan bantuan mikrokontroler yang diprogram untuk menampilkan

“warning”

pada LCD yang terhubung ke mikrokontroler setelah

sound detector

mendeteksi suara

dari

sound generator

selama beberapa detik. Pengujian dilakukan dengan memberikan sumber

suara dari

sound generator

yang diatur frekuensinya. Setelah mendeteksi suara, robot pun mulai

berjalan dan bermanuver

Tabel 7 hasil pengujian pada sound detector

No.

Frekuensi

Respon Sound Detector

Hasil pengujian menunjukkan bahwa

sound detector

dapat mendeteksi suara dengan frekuensi

dari di atas 3 KHz sampai ±3.8 KHz. Dari hasil pengujian, bahwa sensor suara mendeteksi suara

dengan frekuensi di atas 3 kHz sampai 4 Khz. Pengujian pada bagian ini dinyatakan sesuai dengan

perancangan.

Pengujian Sensor Garis

Pengujian sensor garis dilakukan untuk mengetahui apakah sensor telah bekerja sesuai dengan

yang diharapkan yaitu hanya akan aktif apabila ada garis yang berwarna putih, dan tidak aktif

apabila mengenai warna hitam dan Abu-abu. Langkah pengujiannya yaitu memberikan garis putih,

lantai hitam, dan karpet abu-abu pada sensor garis dan melihat keluaran tegangan dari photodiode.

Pengujian sensor garis ini dilakukan saat posisi robot berdiri yaitu ketika jarak sensor garis

terhadap lantai sekitar 4 cm. Hasil pengujian sensor garis dapat dilihat pada tabel 7

3

0.24 V

2.65 V

2.74 V

4

0.24 V

2.99 V

2.99 V

Dari hasil pengujian dapat diketahui bahwa sensor garis aktif ketika mengenai garis putih dan

tidak aktif ketika menngenai karpet abu-abu dan lantai hitam. Semakin besar intensitas cahaya

yang mengenai sensor garis yang berupa photodioda maka semakin kecil resistansinya dan

tegangan pun akan semakin kecil. Hal ini terbukti dari hasil pengukuran Vphotodioda yang

menunjukkan bahwa warna putih yang dapat memantulkan cahaya lebih banyak menyebabkan

tegangan pada photodioda semakin kecil.

Pengujian Motor Servo

Motor servo yang digunakan adalah tipe HS-645MG dengan torsi maksimum 9,6 kgcm.

Pengujian ini dilakukan dengan memberikan pulsa pada servo kemudian diukur sudut pada servo.

Tabel 9 Pengujian Motor Servo

Lebar Pulsa (uS)

Sudut Servo (

o

₎

500

0

600

10

700

20

800

30

900

40

1000

50

1100

60

1200

70

1300

80

1400

90

1500

100

1600

110

1700

120

1800

130

1900

140

2000

150

2100

160

2200

170

2300

180

Robot berkaki Guruminda

Gambar 19. Robot berkaki Guruminda

KESIMPULAN

Berdasarkan pengujian dan analisis dari sistem yang telah dirancang, maka dapat diperoleh

beberapa simpulan, diantaranya :

1. Dalam pembuatan sistem kontrol

hardware

harus menetapkan strategi robot terlebih

dahulu sehingga pembuatan

hardware

dapat berfungsi seperti yang diperlukan.

2. Robot cerdas pemadam api divisi berkaki telah berhasil dirancang dan dibuat

menggunakan mikrokontroler ATMega128 dengan sistem penggerak

kaki hexapod

menggunakan motor servo dan kipas menggunakan motor DC dan dilengkapi beberapa

sensor yaitu

sound activation

, sensor garis, sensor UVTron

Flame Detector

, dan sensor

PING ultrasonik yang saling terintegrasi sehingga apabila salah satu terganggu/ eror maka

robot tidak akan berfungsi dengan baik.

3. Power supply

yang digunakan yaitu UBEC 3A. Penggunaan terhadap supply sistem dan

motor cukup efektif, karena tegangannya selalu stabil. Selain itu output tegangannya

aman untuk konsistensi servo.

4.

Penggunaan beberapa sensor seperti sensor jarak ( PING))) Ultrasonic ), sensor api

(UVTron, sensor garis. sensor suara dapat membantu robot dalam bernavigasi di lapangan

pertandingan untuk menyusuri ruangan yang terdapat titik api

hingga meniup api

5.

Penggunaan

servo controller

mempermudah pengaturan dan pengendalian 18 servo pada

kaki-kaki nya.

SARAN

Selama penulis merancang, membuat, menguji dan serta secara langsung ikut serta dalam

Kontes Robot Pemadam Api (KRPAI), penulis menemukan beberapa hal yang harus

diperhatikan dan dikaji lebih jauh sebagai berikut:

1. Dalam melakukan perancangan sistem kontrol robot harus benar-benar dihitung

kebutuhan yang diperlukan terhadap fungsi kerja robot, sehingga fungsi robot telah sesuai

dengan kebutuhan.

2. Pembuatan PCB

Hardware Controller

yang lebih rapi akan mempermudah pendeteksian

jika terjadi keruksakan

(troubleshooting)

3. Penggunaan sensor yang terlalu banyak, terkadang membuat robot bingung untuk

mendeteksi keadaan mana yang akan diproses terlebih dahulu.

4. Kualitas motor servo akan lebih baik jika menggunakan motor servo yang memiliki

mekanis yang lebih baik.

5. Diperlukan pengkajian lebih lanjut mengenai hardware

controller

untuk sistem kontrol

robot sehingga ditemukan ide-ide dan gagasan baru, sehingga robot dapat difungsikan

lebih maksimal ketika mengikuti kontes robot.

DAFTAR PUSTAKA

Budiharto, Widodo. (2006). Belajar Sendiri Membuat Robot Cerdas. Jakarta: Elex Media

Komputindo.

Budiharto, Widodo. (2008). 10 Proyek Robot Spektakuler. Jakarta: Elex Media Komputindo.

Dwi, T. (2010).

Buku Pintar Robotika

. Yogyakarta: C. V Andi Offset.

Nugroho, A. (2010).

Mekatronika

. Yogyakarta: Graha Ilmu

Pitowarno, E. (2006).

Robotika- Disain, kontrol, dan kecerdasan buatan.

Yogyakarta: C. V Andi

Offset.

Sigit, Riyanto. (2007). Robotika, Sensor & Aktuator. Surabaya: Graha Ilmu.

Tooley, Michael. (2003). Rangkaian Elektronik. Jakarta: Erlangga

Wahab F. (2011).

Rancang Bangun Hardware Controller Robot Cerdas Pemadam Api

(Studi

Kasus Tim Robot COMP-V pada Kontes Robot Cerdas Indonesia 2010)

. Bandung.

Wrdhana, Lingga Suwastono, A. (2006). Pembuatan Skematik Rangkaian Elektronik dan Layout