SISTEM PENGENDALIAN BALL-BALANCING ROBOT SECARA NIRKABEL
Oleh
Edwin Constantin Mone NIM: 612008035
Skripsi
Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik
Program Studi Teknik Elektro Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer
Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
i
INTISARI
Sistem kendali dan algoritma pengendalian robot terus mengalami perkembangan
dewasa ini, salah satunya adalah pengendalian keseimbangan balancing robot dimana
sistem ini bersifat tidak stabil. Salah satu balancing robot yang mulai dikembangkan
akhir-khir ini adalah ball-balancing robot. Ball-balancing robot sendiri merupakan
pengembangan dari two-wheel balancing robot. Ball-balancing robot memiliki tantangan
tersendiri dari pada two-wheel balancing robot dimana jika pada two-wheel balancing
robot, sistem dikendalikan keseimbangannya pada kemiringan sudut θ atau ψ saja, maka
maka pada ball balancing robot, sistem dikendalikan keseimbangannya pada kemiringan
sudut θ dan ψ sekaligus.
Sistem yang dirancang terdiri atas dua bagian, yaitu modul ball-balancing robot dan
modul pengendali gerakan. Modul ball-balancing robot adalah modul utama dari skripsi
ini dimana robot dikendalikan keseimbangannya pada titik 0° baik untuk kemiringan sudut θ maupun ψ , dengan menggunakan dua buah sistem kendali PID. Inputan data kemiringan sudut mengggunakan sensor akselerometer dan sensor giroskop. Pengolahan data dan pengendalian robot diproses oleh sebuah mikrokontroler Atmega2560. Modul pengendali
gerakan sendiri bertugas untuk menampilkan data kemiringan sudut dari ball-balancing
robot pada LCD serta bertugas untuk mengendalikan arah gerak robot. Semua tugas dari
modul ini dikerjakan oleh sebuah mikrokontroler Atmega328. Komunikasi data antar modul berlangsung secara nirkabel menggunakan modul RF Serial Transceiver.
ii ABSTRACT
Control system and robot control algorithms had been developed these days , one of them is the control of balancing robot where the system is unstable. One of the balancing robot that was developed these days is ball - balancing robot. Ball - balancing robot is a development of two-wheel balancing robot. Ball - balancing robot has its own challenges of the two-wheel balancing robot which if the two-wheel balancing robot system is controlled it balance on the slope angle θ or ψ only, then on the ball balancing robot,
system is controlled it balance on the slope angle θ and ψ at once.
Designed system consists of two parts , that are ball - balancing robot modules and motion control modules. Ball - balancing robot module is the main module of this thesis
where the robot is controlled equilibrium at point 0 ° for both θ and ψ tilt angle, by using
two PID control system. The data input of the tilt angle use accelerometer sensor and gyroscope sensors . Data processing and robotic control are processed by a ATmega2560 microcontroller . Motion controller module is responsible for displaying data tilt angle of ball - balancing robot on the LCD as well as the duty to control the direction of motion of the robot. All the tasks of this module is done by an ATmega328 microcontroller .
Communication of data between modules takes place wirelessly using RF SerialTransceiver module.
iii
KATA PENGANTAR
Segala puji syukur penulis panjatkan hanya pada Tuhan Yesus Kristus atas segala berkat dan anugerah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan perancangan serta penulisan skripsi ini dengan baik tanpa kurang suatu apapun. Hanya karena penyertaan-Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan studi di Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga dengan tepat waktu.
Segala usaha yang penulis lakukan tidak akan berarti dan berhasil tanpa bantuan, dukungan, serta bimbingan dari berbagai pihak baik. Oleh karena itu pada kesempatan ini penulis hendak mengucapkan terima kasih pada:
1. Keluargaku tercinta di Kupang, Papa C.Anton Mone, Mama Idda Yuni Astuti,
seta adik-adik Iren dan Angel. Terima kasih untuk segala doa kalian sepanjang waktu untukku. Kalianlah sumber semangatku dalam menyelesaikan skripsi ini.
2. Bapak Gunawan Dewantoro, M.Sc.Eng. dan Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M.T. dan
selaku pembimbing I dan II, terima kasih atas bimbingan, arahan, serta kesediaan waktu,tenaga, dan pikiran dalam membimbing penulis selama mengerjakan skripsi ini.
3. Seluruh dosen, karyawan, dan laboran FTEK atas segala bimbingan, ajaran, dan
dukunganya selama penulis berkuliah di fakultas tercinta ini.
4. Sahabat-sahabat terdekat selama berkuliah di fakultas tercinta ini, Andre, Henry,
Ernanda, Visi, Sukra, Reva. Terimakasih untuk segalanya.
5. Sahabat setiaku Irene Santika Vidiadari, terimakasih untuk segala dukungan dan
semangatnya selama 7 tahun ini.
6. Teman-teman sesama penghuni lab skripsi selama penulis berkarya di sana, Riyo
08, Ditya 08, Yahya 08, Yudha 08, Ricky 08, Dhika 08, Danus 06, Penda 06, Rofian 07, Evan 07, Toras 07, Roy 07, Indra 07, Putu 07, Eko 07, Handoko 09.
7. Seluruh pihak yang telah membantu pengerjaan skripsi ini, toko Gloria, Digital,
iv
Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena itu penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran yang membangun dari pembaca sekalian sehingga skripsi ini dapat lebih berguna, khususnya bagi kemajuan teknik elektronika. Akhir kata, semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan menjadi inspirasi bagi yang membacanya.
Salatiga, Januari 2014
v
1.4. Sistematika Penulisan ... 4
BAB II DASAR TEORI ... 5
2.1. Sistem Kendali PID ... 5
2.2. IMU ... 7
2.3. Sensor Akselerometer Digital ADXL345 ... 9
2.4. Sensor Giroskop Digital L3G4200D ... 13
2.5. Sensor Kompas Digital HMC5883L ... 16
2.6. Mikrokontroler AVR ... 18
2.6.1. Mikrokontroler Atmega2560 ... 19
2.6.2. Mikrokontroler ATMega328 ... 20
2.7. LCD 16x4 ... 21
2.8. Driver Motor EMS 5A H-Bridge ... 22
2.9. Motor DC ... 26
2.10. Komunikasi Nirkabel Serial RF RC Timer Radio Telemetry ... 27
2.11. Complementary Filter ... 27
2.11.1. Persamaan Low Pass Filter Waktu Diskrit ... 28
2.11.2. Persamaan High Pass Filter Waktu Diskrit ... 30
2.11.3. Persamaan Complementary Filter ... 32
vi
3.1. Gambaran Alat ... 35
3.2. Perancangan Mekanik Ball-Balancing Robot ... 36
3.3. Perancangan Elektronika Modul Ball-Balancing Robot ... 38
3.3.1. Pengendali Utama ... 38
3.3.2. Rangkaian Tachometer ... 41
3.4. Perancangan Elektronika Modul Pengendali Gerakan ... 42
3.4.1. Pengendali Utama ... 42
3.5. Perancangan Perangkat Lunak ... 44
3.5.1. Pengolahan Data Akselerometer Digital ... 44
3.5.2. Pengolahan Data Giroskop Digital ... 48
3.5.3. Pengolahan Data Kompas Digital ... 49
3.5.4. Sistem Kendali PID ... 50
3.5.5. Diagram Alir Perangkat Lunak Modul Ball-Balancing Robot ... 52
3.5.6. Diagram Alir Perangkat Lunak Modul Pengendali Gerakan ... 53
3.5.7. Komunikasi Data Serial Nirkabel ... 54
BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS ... 56
4.1. Pengujian Sensor Akselerometer ... 56
4.1.1. Pegujian Data Percepatan Gravitasi ... 56
4.1.2. Pengujian Data Kemiringan Sudut θ dan ψ Akselerometer ... 60
4.2. Pengujian Sensor Giroskop ... 64
4.2.1. Pengujian Data Kemiringan Sudut θ dan ψ Giroskop ... 64
4.3. Pengujian Data Kemiringan Sudut θ dan ψ Hasil Complementary Filter ... 67
4.4. Pengujian Sensor Kompas Digital ... 67
4.5. Pengujian PWM dan Output Tegangan Motor DC ... 72
4.6. Pengujian Tegangan Motor DC dan Output Tachometer ... 74
4.7. Pengujian Sistem Kendali PID Kecepatan Motor DC ... 74
4.8. Pengujian Sistem Kendali PID Keseimbangan Ball-Balancing Robot ... 75
4.9. Pengujian Pengendalian Gerakan Robot ... 76
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ... 78
5.1. Kesimpulan ... 78
5.2. Saran Pengembangan ... 79
vii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1. Pengaruh penalaan parameter pid terhadap unjuk kerja proses. ... 7
Tabel 2.2. Deskripsi pin ADXL345. ... 11
Tabel 2.3. Spesifikasi ADXL345. ... 12
Tabel 2.4. Deskripsi pin L3G4200D. ... 14
Tabel 2.5. Spesifikasi L3G4200D. ... 15
Tabel 2.6. Deskripsi pin HMC5883l. ... 17
Tabel 2.7. Spesifikasi HMC5883L. ... 18
Tabel 2.8. Deskripsi pin LCD 16x4. ... 21
Tabel 2.9. Deskripsi dan fungsi pin-pin Power & Motor header (J1). ... 23
Tabel 2.10. Deskripsi dan fungsi pin-pin Interface header (J2). ... 23
Tabel 2.11. Tabel Kebenaran Driver EMS 5A H-Bridge. ... 25
Tabel 3.1. Konfigurasi pin mikrokontroler AVR ATmega2560 yang digunakan ... 39
Tabel 3.2. Konfigurasi pin mikrokontroler AVR ATMega328 yang digunakan ... 43
Tabel 4.1. Data pengujian percepatan gravitasi dan kemiringan sudut sensor akslerometer sebelum dikalibrasi. ... 57
Tabel 4.2. Percepatan gravitasi dan kemiringan sudut ideal sensor akselerometer. ... 57
Tabel 4.3. Data pengujian percepatan gravitasi dan kemiringan sudut sensor akselerometer setelah dikalibrasi. ... 59
Tabel 4.4. Perbandingan data kemiringan sudut θ antara waterpass digital dengan data kemiringan sudut akselerometer digital ... 60
Tabel 4.5. Perbandingan data kemiringan sudut ψ antara waterpass digital dengan data kemiringan sudut akselerometer digital ... 61
Tabel 4.6. Data pengujian kuat medan magnet dan azimuth kompas digital sebelum dikalibrasi. ... 70
Tabel 4.7. Data pengujian kuat medan magnet dan azimuth kompas digital setelah dikalibrasi. ... 72
Tabel 4.8. Data hubungan antara PWM dan tegangan motor DC yang dihasilkan. ... 73
viii
DAFTAR GAMBAR
Gambar 1.1. BallIP. ... 2
Gambar 1.2. Kiri, Ball Bot. Kanan, Ball Balancer. ... 3
Gambar 2.1. Bagan Sistem Kendali PID. ... 6
Gambar 2.2. Six degree of freedom. ... 8
Gambar 2.3. 10DOF IMU Multi Sensor Board GY-80. ... 9
Gambar 2.4. Sumbu pengukuran akselerometer ADXL345. ... 10
Gambar 2.5. Keluaran data akslerometer ADXL345 pada berbagai orientasi posisi terhadap percepatan gravitasi. ... 10
Gambar 2.6. Konfigurasi pin ADXL345 dan posisi sumbu x, y, dan z. ... 11
Gambar 2.7. Contoh Rangkaian ADXL345 dengan komunikasi I2C ke mikroprosesor/mikrokontroler. ... 13
Gambar 2.8. Konfigurasi pin L3G4200D dan arah putaran pitc, roll, dan yaw pada sumbu x, y, dan z. ... 14
Gambar 2.9. Contoh rangkaian LG34200D dengan komunikasi I2C ke mikroprosesor/mikrokontroler. ... 16
Gambar 2.10. Konfigurasi pin HMC5883L dan arah sumbu x, y, dan z. ... 17
Gambar 2.11. Blok-diagramHMC5883L dengan contoh komunikasi I2C ke mikroprosesor/mikrokontroler. ... 18
Gambar 2.12. Konfigurasi pin ATtmega2560. ... 20
Gambar 2.13. Konfigurasi pin ATmega328. ... 21
Gambar 2.14. LCD 16x4. ... 21
Gambar 2.15. Driver EMS 5A H-Bridge. ... 22
Gambar 2.16. Konfigurasi header pin EMS 5A H-Bridge. ... 24
Gambar 2.17. Contoh koneksi EMS 5A H-Bridge dengan motor DC. ... 24
Gambar 2.18. Rangkaian Modul Driver EMS 5A H-Bridge. ... 26
Gambar 2.19. Motor DC. ... 26
Gambar 2.20. RC Timer Radio Telemetry. ... 27
Gambar 2.21. Blok diagram complementary filter. ... 28
Gambar 2.22. Rangkaian low pass filter. ... 28
Gambar 2.23. Rangkaian high pass filter. ... 30
ix
Gambar 3.2. Blok diagram modul pengendali gerakan. ... 36
Gambar 3.3. Desain modul ball-balancing robot ... 37
Gambar 3.4. Realisasi modul ball-balancing robot ... 37
Gambar 3.5. Skema perancangan elektronika modul Ball-Balancing Robot ... 40
Gambar 3.6. Realisasi elektronika modul Ball-Balancing Robot ... 40
Gambar 3.7. Perancangan dan simulasi tachometer ... 41
Gambar 3.8. Skema perancangan elektronika modul pengendali gerakan ... 43
Gambar 3.9. Realisasi Modul Pengendali Gerakan ... 44
Gambar 3.10. Berbagai posisi kemiringan sudut dari sensor akselerometer ... 45
Gambar 3.11. Posisi kemiringan sudut θ dan ψ ... 50
Gambar 3.12. Penyederhanaan model ball-balancing robot untuk sudut θ dan ψ ... 51
Gambar 3.13. Blok diagram sistem kendali PID untuk kemiringan sudut θ dan ψ ... 51
Gambar 3.14. Blok diagram sistem kendali PID keseluruhan ... 52
Gambar 3.15. Diagram alir perangkat lunak modul ball-balancing robot ... 53
Gambar 3.16. Diagram alir perangkat lunak modul pengendali gerakan ... 54
Gambar 3.17 Format pengiriman paket data ball-balancing robot ... 55
Gambar 3.18. Format pengiriman paket data ball-balancing robot ... 55
Gambar 4.1. Grafik sudut θ akselerometer saat sensor tidak digerakkan ... 62
Gambar 4.2. Grafik sudut θ akselerometer saat sensor digerakkan pada sudut θ ... 62
Gambar 4.3. Grafik sudut ψ akselerometer saat sensor tidak digerakkan ... 63
Gambar 4.4. Grafik sudut ψ akselerometer saat sensor digerakkan pada sudut ψ ... 63
Gambar 4.5. Grafik sudut θ giroskop saat sensor tidak digerakkan ... 65
Gambar 4.6. Grafik sudut θ giroskop saat sensor digerakkan pada sudut θ ... 65
Gambar 4.7. Grafik sudut ψ giroskop saat sensor tidak digerakkan ... 66
Gambar 4.8. Grafik sudut ψ giroskop saat sensor digerakkan pada sudut ψ ... 66
Gambar 4.9. Grafik perbandingan data kemiringan sudut akselerometer dan data kemiringan sudut giroskop ... 67
Gambar 4.10. Data kemiringan sudut θ hasil complementary filter ... 68
Gambar 4.11. Data kemiringan sudut ψ hasil complementary filter ... 69
Gambar 4.12. Grafik hubungan antara PWM dan tegangan motor DC yang dihasilkan. ... 73
Gambar 4.13. Grafik hubungan tegangan motor DC dan output tachometer ... 74
x
xi
DAFTAR SINGKATAN
AVR Advanced Virtual RISC/Alf and Vegard RISC Processor CPU Central Processing Unit
DC Direct Current DOF Degree of Freedom
EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory
EMS Embedded Module Series IC Integrated Circuit
IMU Inertial Measurement Unit I2C Inter-Integrated Circuit I/O Input-Output
KB Kilo Byte
LCD Liquid Crystal Display
LIPO Lithium Polymer
LSB Least Significant Byte
PID Propotional Integral Derivative PS2 Play Station 2
PWM Pulse Width Modulation
RISC Reduced Instruction Set Computer
RF Radio Frequency SCL Serial Clock SDA Serial Data
SPI Serial Peripheral Interface
SRAM Static Random Acces Memory
TTL Transistor-Transistor Logic
UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter
