KENDALI ROBOT MANUAL 4WD MECANUM WHEEL
BERBASIS PID DENGAN MENGGUNAKAN ARM –
CORTEX M4.
Toto Alfian Wahyuono1) Helmy Widyantara 2)Madha Christian Wibowo3)
Program Studi/Jurusan Sistem Komputer STMIK STIKOM Surabaya Jl. Raya Kedung Baruk 98 Surabaya, 60298
Email: 1) [email protected], 2) [email protected], 3)
[email protected]
Abstract: The Current problem to controlling robot is motion of robot that less smooth and the ability to maneuver in any direction relating to how robots can move according to been ordered by the system, even a command position, speed and acceleration of robot having beat on the wheels when the robot is running due to the absence of a system to handle feedback from the round wheel.
That wheels has a four pieces, mecanum wheel has the advantages in navigation such as used to complete the obstacles. Slighty different from omni wheel’s robot, where omni wheel mounting should be symmetrical and straight of the sight, while the installation of mecanum wheel looks like as an usual car. To deal with manual robot’s movement, this final task used PID controls algorithm in the control system. To searching the process of constant analysis of characteristic of motor can implemented using ARM Cortex-M4 from data in rotary encoder.
the manual robots can receive commands from a user perfectly, which is command of speed dan Acceleration accurately and run smoother by using constants Kp = 1, Ki = 0.0000989 & Kd = 0.00000897 that is the analysis result of a chart, with the value of characteristics of a motor kp, Ki, & kd have been tried out.
Keywords: Mobile Robot, PID, and Mecanum Wheels Masalah gerakan robot yang masih kurang halus serta kemampuan untuk pergerakan robot untuk bergerak sangat tergantung pada perintah system dalam hal ini posisi, kecepatan dan percepatan masalah yang sering terjadi adalah seringkali robot mengalami hentakan – hentakan pada putaran roda ketika robot sedang berjalan dikarenakan tidak adanya system yang menangani feedback dari putaran roda.
Pemilihan system yang kurang sesuai terhadap plant yang tidak diketahui serta ketidaktepatan serta pemodelan sistemnya. Untuk itu diperlukan metode kendali yang tepat untuk memenuhi kondisi guna mendapatkan performa yang baik dengan menambahkan PID (Proportional-Integral-Derivative). Guna
memperhalus, meningkatkan performasi kontroller untuk mendapatkan respon system yang baik pada masing-masing motor
Robot manual dapat menerima perintah dari pengguna dengan berupa perintah posisi dan kecepatan secara akurat dan berjalan lebih halus dengan menggunakan nilai konstanta Kp = 1, Ki = 0.0000989 & Kd = 0.00000897 yang merupakan hasil analisa menggunakan metode Cohen-Coon yang telah dilakukan.
JCONES Vol. 4, No. 1 (2015) 39-45
Journal of Control and Network Systems
METODE PENELITIAN
Secara keseluruhan sistem kerja dari mobile robot ini dapat dilihat seperti pada blok diagram dibawah ini.
ARM Cortex M – 4 168 Mhz
PID
DRIVER MOTOR MOTOR A Encoder A Pulsa PWM
DRIVER MOTOR MOTOR B Encoder B Pulsa PWM
DRIVER MOTOR MOTOR C Encoder C Pulsa PWM
DRIVER MOTOR MOTOR D Encoder D Pulsa PWM CONTROL + RPM Set Point RPM Error PLANT SENSOR
Gambar 1. Blok Diagram Sistem Secara Keseluruhan
Dari blok diagram pada gambar 1 dijelaskan Pada kontrol PID terdapat feedback atau yang disebut dengan PV (Pivot) dari motor DC yang telah diolah oleh sensor rotary encoder yang akan digunakan sebagai perhitungan kontrol PID. pada awalnya memberi nilai set point RPM serta melakukan setting nilai konstanta Kp, Ki, dan Kd bertujuan untuk mencapai respon sistem keseluruhan yang diinginkan pada masing - masing motor dan arah putaran roda dapat diperhatikan pada gambar 2 berikut.
(a) (b)
Gambar 2.(a) Laju robot bergerak maju kedepan.(b) Maju robot bergerak kesamping
Pada gambar 2.(a) arah putaran roda berputar bersamaan maju kedepan maka robot akan bergerak maju kedepan dengan kecepatan putaran masing masing roda yang sama. robot akan bergerak maju kedepan dengan lurus karena adanya kontrol PID yang sempurna maka robot tidak akan berbelok-belok dan berkurangnya hentakan – hentakan yang terjadi pada robot ketika robot melaju kedepan selain itu apabila robot ingin bergerak bergeser secara horisontal ke kanan maka arah putaran roda kanan depan dan roda kiri belakang harus di putar balik menjadi keadaan mundur sedangkan roda kanan belakang dan roda kiri depan tetap pada posisi maju serta nilai set point RPM tetap
sama. Pada gambar 2.(b) robot akan bergerak secara vertical ke kanan dengan lurus sehingga memudahkan robot untuk bergerak kesegala arah.
METODE PID
(Proporsional-Integral-Derivativ)
Pengendali PID (Proporsional Integral Derivatif ), merupakan gabungan dari tiga sistem kendali yang bertujuan untuk mendapatkan keluaran dengan risetime yang tinggi dan galat yang kecil. Seperti yang kita ketahui bahwa sistem kendali Proporsional memiliki keunggulan yaitu risetime yang cepat tetapi sangat rentan dengan overshot/undershot, sistem kendali integral memiliki keunggulan untuk meredam galat, sedangkan sistem kendali Derivatif 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 secara program.sinyal keluaran pengendali PID dapat dirumuskan sebagai berikut. Eror SP - Actual Ki ∑ PWM ROTARY ENCODER + -SET POINT ACTUAL Kp Kd MOTOR
Gambar 3. Blok Diagram PID (Sugiharto, 2012) Pada metode PID ini digunakan sebagai mengontrol kecepatan putar pada masing – masing putaran roda dari mobile robot yang menggunakan mecanum wheel ini dapat bergerak sesuai dengan yang diinginkann selain itu untuk controller pada robot menggunakan microcontroller ARM Cortex M-4 (STM32F4 Discovery) untuk menjalankan sebuah motor DC digunakanlah sebuah motor driver yaitu EMS 30A H-Bridge kemudian juga sebagai pengendali menggunakan SPC gamepad inteface.
HASIL DAN PEMBAHASAN
HASIL PENGUJIAN INTERRUPT
MENGGUNAKAN MICROCONTROLLER
ARM CORTEX M-4 (STM32F4
DISCOVERY)
Hasil pengujian pembacaan data rotary encoder dimana Setelah mengatur putaran motor yang dapat menghasilkan data pulsa pada rotary encoder lalu data tersebut di masukkan pada pin interrupt pada microcontroller ARM Cortex M-4 (STM32F4 Discovery) jika terjadinya interrupt rissing edge pada microcontroller ARM Cortex M-4 (STM32F4 Discovery) maka akan mengeluarkan sinyal high pada PORT microcontroller ARM Cortex M-4 (STM32F4 Discovery) pengujian interrupt dapat dilihat pada gambar 6.
Gambar 3. jika terjadinya interrupt rissing edge pada microcontroller ARM Cortex M-4 (STM32F4 Discovery)
Pada gambar 3, channel 1 gambar sinyal berwarna kuning merupakan sinyal jika terjadinya interrupt rissing edge dan channel 2 gambar sinyal berwarna biru merupakan data sinyal rotary encoder.
Pengujian penentuan nilai konstanta P, I, D. Penentuan nilai Kp, Ki, dan Kd pada penelitian ini ditentukan dengan metode Cohen-Coon sedangkan penalaan parameter kendali PID adalah sama dengan yang digunakan pada metode Ziegler-Nichols.
A. Kontrol P (Proporsional)
Penentuan konstanta nilai PID oleh metode cohen-Coon yang pertama mencari quarter
amplitude decay, pertama kali nilai yang ditunning yaitu nilai dari kontrol P hingga membentuk grafik respon quarter amplitude decay seperti gambar 4 berikut ini. Nilai dari semua pengujian ini yaitu 60 pulsa per 100 ms.
Gambar 4. Kurva respon quarter amplitude decay.
Hasil pengujian Grafik nilai P yang ditunjukan pada gambar 5 sampai dengan gambar 8 berikut ini merupakan tunning nilai Kp sebesar 1.
Gambar 5. Hasil Grafik nilai P pada motor kiri depan
Gambar 6. Hasil Grafik nilai P pada motor kiri belakang
Gambar 7. Hasil Grafik nilai P pada motor kanan belakang
Gambar 8. Hasil Grafik nilai P pada kanan depan
B. Kontrol PI (Proporsional-Integral)
Hasil pengujian tunning untuk sinyal control P dan I dapat diperlihatkan pada gambar 9 sampai dengan 12 berikut, dimana nilai yang digunakan untuk Kp = 1 dan nilai Ki = 0,08 sedangkan nilai set point yang digunakan adalah 60 pulsa per 100ms sehingga menghasilkan grafik kontrol PI sebagai berikut.
Gambar 9. Hasil Grafik nilai PI pada motor kiri depan.
Gambar 10. Hasil Grafik nilai PI pada motor kiri belakang.
Gambar 11. Hasil Grafik nilai PI pada motor kanan belakang.
Gambar 12. Hasil Grafik nilai PI pada motor kanan depan.
C. Kontrol PD (Proporsional-Derivative) Hasil pengujian tunning untuk sinyal kontrol P dan D dapat di perlihatkan pada gambar 13 sampai dengan 16 berikut, dimana nilai yang digunakan untuk Kp = 1 dan nilai Kd = 3 sedangkan nilai set point 60 pulsa per 100ms menghasilkan grafik kontrol PD sebagai berikut.
Gambar 13. Hasil Grafik nilai PI pada motor kiri depan
Gambar 14. Hasil Grafik nilai PD pada motor kiri belakang
Gambar 15. Hasil Grafik nilai PD pada motor kanan belakang
Gambar 16. Hasil Grafik nilai PD pada motor kanan depan
D. Kontrol PID (Proporsional-Integral-Derivative)
Hasil dari metode tunning nilai PID dari menggunakan metode cohen-Coon maka didapatkan hasil nilai dari Kp = 1, Kd = 0.00000897 dan Ki = 0.0000989 pada keempat buah motor DC yang digunakan pada robot. Sehingga didapatkan hasil grafik nilai PID pada masing – masing motor dapat diperlihatkan pada gambar 17 sampai dengan gambar 20.
Gambar 17. Hasil Grafik nilai PID pada motor kiri depan
Gambar 18. Hasil Grafik nilai PID pada motor kiri belakang
Gambar 19. Hasil Grafik nilai PID pada motor kanan belakang
Gambar 20. Hasil Grafik nilai PID pada motor kanan depan
Proses pengambilan data nilai PPR (Pulse Per Rotation) pada microcontroller ARM Cortex M-4 (STM32F4 Discovery) yang dikirimkan melalui USART dan di kirimkan ke PC atau laptop. Pengiriman tersebut ditujukan kepada program Visual Basic 6.0 di laptop atau PC kemudian data PPR pada microcontroller ARM Cortex M-4 (STM32F4 Discovery) dibaca oleh program Visual Basic 6.0 kemudian data PPR tersebut di olah dengan menggunakan Microsoft Excel agar dapat di ubah menjadi grafik nilai PPR dan nilai time sampling PID yang ada.
HASIL PENGUJIAN ARAH
PERGERAKAN ROBOT
Hasil dari pengujian keseluruhan sistem ini bertujuan untuk mengetahui performansi robot mecanum wheel untuk bergerak memenuhi sudut – sudut tertentu. Prosedur pengujian dilakukan dengan mengendalikan menggunakan joystick untuk bergerak ke sudut – sudut tertentu. Dapat di perlihatkan pada gambar 21.
Gambar 21. Penentuan arah pergerakan robot Hasil pengujian robot saat bergerak ke arah tertentu dapat di perlihatkan dalam tabel 1.
Tabel 1. Hasil pengujian arah pergerakan robot
Berdasarkan hasil pada tabel 1 rata – rata error kesalahan sudut gerak robot 5,50°. Pada error kesalahan sudut didapat dari target yang dituju dikurangi dengan hasil yang di tempuh sehingga mendapatkan nilai error.
KESIMPULAN
Dari penelitian ini dan dengan melihat masalah yang telah dirumuskan maka dapat diambil kesimpulan seperti berikut:
1. Dari penelitian yang telah dilakukan, robot manual dapat menerima perintah dari
pengguna dengan berupa perintah posisi dan kecepatan secara akurat dan berjalan lebih halus dengan menggunakan nilai konstanta Kp = 1, Ki = 0.0000989 & Kd = 0.00000897 yang merupakan hasil analisa metode Cohen-Coon yang telah dilakukan.
2. Pengembangan teknologi microcontroller ARM Cortex M-4 (STM32F4 DISCOVERY) untuk menggantikan microcontroller Atmega sangatlah penting di karenakan microcontroller ARM Cortex M-4 (STM32F4 DISCOVERY) memiliki banyak fitur serta mempunyai frekuensi maksimal crystal sebesar 168 Mhz daripada ATmega yang mempunyai frekuensi maksimal crystal sebesar 16Mhz. Microcontroller ARM Cortex M-4 (STM32F4 DISCOVERY) sangatlah cocok untuk control mobile robot dikarenakan untuk pembacaan data sangat cepat daripada menggunakan ATmega.
DAFTAR PUSTAKA
Braunl, Thomas. 2006. Embedded Robotics Second Edition. Perth, WA: Australia. Datasheet EMS 30A H-Bridge.
Datasheet STM32F4 DISCOVERY BOARD. Datasheet SPC GamePad Interface.
Ardila, Fernando. 2011. Path tracking pada mobile robot dengan umpan balik odometry. Electronic engineering polytechnic institute of Surabaya (PENS): Surabaya.
Fahmi.M .2012 .Kendali Pid Dan Logika Fuzzy Untuk Optimalisasipergerakan Mobile Robot.Surabaya, Sekolah Tinggi Manajemen Informatika Dan Teknik Komputer Surabaya.
Kilian. 2008. Modern Control Technology:Components and Systems 2nd Edition. Perth, WA: Australia. Mobile robot, http://id.wikipedia.org
Maulana, Fakhri. 2010. Desain Implementasi Kontroler PID pada lengan Robot dengan Tiga Derajat Kebebasan, Malang. Fakultas Teknik Universitas Brawijaya.
Sugiharto.A 2012.Kendali PID pada robot manual menggunakan komunikasi nirkabel.Surabaya, Sekolah Tinggi Manajemen Informatika Dan Teknik Komputer Surabaya.
