IES 2005 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS

Penggunaan Kombinasi Array Sensor Depan dan Belakang pada Robot Pengikut Garis

( Kasus Robot Otomatis ASKAF-i )

Eko Henfri Binugroho, Kristian Ari Prasetyo, Sigit Hardhiyono Jurusan Teknik Elektronika

Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Kampus ITS Keputih Sukolilo Surabaya 60111

Telp. ( +62 ) 31- 5947280 Fax ( +62 ) 31- 5946114 E-mail: dev_art@yahoo.com

Abstrak

Robot otomatis ASKAF-i merupakan suatu robot yang bergerak secara otomatis dengan mengikuti garis dalam kontes robot yang diselenggarakan oleh ABU (Asia Pacific Broadcasting Union). Robot dirancang untuk meletakkan bola dari titik start ke target yang ada di lapangan pertandingan dengan panduan dari garis yang ada di lantai. Garis pemandu yang ada di lapangan adalah jalur lurus dengan banyak perempatan, dan robot harus dapat mengikuti garis dan melewati jalur sesuai yang telah ditentukan sebelumnya. Kecepatan dan ketepatan gerak dari robot merupakan target utama dari perancangan robot ini. Sensor yang digunakan adalah sensor photodiode yang mendeteksi perbedaan intensitas cahaya yang dipantulkan oleh lantai dan garis putih. Output sensor dimasukkan ke dalam rangkaian komparator untuk menghasilkan data untuk dimasukkan ke dalam kontroler. Rangkaian kontroler yang digunakan dibuat dengan menggunakan mikrokontroler AT89S51. Supaya robot dapat bergerak lurus mengikuti garis, digunakan 8 buah sensor photodiode. Lima buah sensor dipasang di bagian depan robot, sedangkan tiga lainnya dibagian tangah dari robot. Kombinasi dari kedelapan sensor tersebut diolah pada kontroler untuk menentukan nilai kecepatan dari motor kiri dan kanan sebagai penggerak utama robot. Metode penentuan kecepatan adalah dengan metode look up table berdasarkan kombinasi kondisi sensor depan dan sensor belakang. Selain itu rangkaian kontroler juga mengolah kecepatan perubahan posisi robot terhadap garis pemandu untuk memperbaiki performa dari gerakan robot. Sedangkan sebagai penggerak utama digunakan 2 buah motor masing-masing untuk roda kiri dan kanan. Kata kunci : sensor photodiode, komparator, look up table 1. Pendahuluan

Latar belakang dari pembuatan robot ini adalah untuk mengikuti Kontes Robot Indonesia 2005 dan ABU Robocon 2005 di Beijing, serta perkembangan teknologi

robot yang berkembang dengan sangat pesat akhir-akhir ini. Pada kontes robot tersebut, peserta dituntut untuk dapat membuat suatu robot yang dapat bergerak secara otomatis dengan mengikuti garis pandu yang ada di lapangan.

Gambar 1. Lapangan pertandingan

Robot otomatis ASKAF-i merupakan salah satu robot otomatis yang bertugas memasukkan bola ke dalam keranjang bagian luar (Outer Torch). Untuk itu diperlukan sistem sensor yang baik untuk membedakan lantai dengan garis supaya robot dapat berjalan menuju tiang dan memasukkan bola. Berdasarkan sensor tersebut maka dapat diatur kecepatan dan arah dari motor penggerak robot.

Dalam paper ini akan dijelaskan perencanaan sistem sensor garis pada robot otomatis ASKAF-i yang dapat memandu gerakan robot dengan mengikuti garis pandu pada lapangan untuk mencapai tujuan. Mikrokontroler yang digunakan untuk mengontrol robot ini adalah AT89S51 dari ATMEL yang mana merupakan keluarga MCS 51. Mikrokontroler ini merupakan mikrokontroler 8 bit yang merupakan single chip microcontroller, dimana semua rangkaian termasuk memori dan I/O tergabung dalam satu pak IC. Mikrokontroler dilengkapi dengan 2 buah timer yang digunakan membangkitkan pulsa PWM untuk kontrol kecepatan dari motor serta untuk mensampling perubahan posisi dari setiap gerak robot terhadap garis yang ada dilapangan guna memperhalus gerakannya.

6

IES 2005 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS

Proses kontrol yang digunakan relatif sederhana yaitu menggunakan kontrol proporsional dan kontrol derivative. Kombinasi dari sensor menentukan gain dari motor. Dengan hanya menggunakan pengaturan gain dari motor ini sudah cukup baik dalam pengontrolan robot dengan gerakan yang relatif pelan. Tetapi jika robot yang dikontrol relatif cepat maka masalah akan muncul terutama disebabkan oleh momentum dari robot saat bergerak akan naik seiring dengan naiknya kecepatan robot. Untuk mengatasi hal tersebut maka kecepatan perubahan sensor juga perlu dikalkulasi untuk menentukan gerakan robot. Hasil kalkulasi yang dilakukan berupa variabel PWM dan arah putaran roda kiri dan kanan. Variasi nilai PWM ini dengan menggunakan fasilitas timer yang ada pada mikrokontroler digunakan untuk mengatur kecepatan dari motor penggerak.

Dengan adanya paper ini diharapkan adanya proses alih teknologi serta penguasaan dan pengalaman terhadap ilmu yang diperoleh dan akhirnya robot ini dapat berguna dan dapat diaplikasikan dimasa mendatang, terutama dapat dijadikan referensi untuk mengikuti kontes robot pada tahun-tahun berikutnya.

2. Perancangan Sensor Sensor photodiode jenis silikon digunakan untuk

mendeteksi garis pada lapangan.. Tegangan bias yang diberikan pada photodioda adalah pada kondisi reverse dimana pada bias ini arus reverse akan meningkat secara ekponensial sesuai dengan intesitas cahaya yang diterimanya.

Gambar 2. Kurva I-V photodioda

.. (1) dimana: Isat = Arus saturasi dioda

k , B = 1.38 . 10-23 J/K

T = 273 K VA = Tegangan bias photo dioda q = muatan elektron yang masuk Semakin besar intensitas cahaya yang diterima,

maka arus yang melewati dioda semakin besar. Garis dan lantai akan memantulkan cahaya dengan intensitas yang berbeda. Cahaya yang dipantulkan berasal dari LED sebagai pemancar cahaya. Pantulan cahaya oleh

lantai dan garis tersebut selanjutnya akan diterima oleh photodiode. Dengan mendeteksi perbedaan intensitas cahaya yang diterima, photodiode dapat membedakan antara garis dan lantai.

2.1 Penempatan Sensor Lima buah sensor digunakan untuk mendeteksi garis pada robot di bagian depan, sedangkan tiga sensor lagi dipasang dibagian belakang. Berikut ditunjukkan pemasangan sensor pada badan robot:

2

1= sudut minimal yang didiperbolehkan bagi robot saat melewati perempatan.

2= sudut penyimpangan maksimal yang dapat diakomodasi oleh sensor

380mm

1

410 mm

Gambar 3. Peletakan sensor pada badan robot

Jalur pemandu yang ada di lapangan mempunyai lebar 3cm, oleh karena itu jarak antar sensor secara horisontal diset pada jarak 2cm. Dengan memberikan jarak ini maka didapatkan kombinasi pembacaan sensor yang lebih banyak, yaitu ada kemungkinan satu atau dua sensor sekaligus yang membaca garis. Titik tengah sensor depan dan titik tengah kedua roda belakang disusun dalam bentuk segitiga sama sisi, dengan alasan supaya didapatkan nilai optimal antara toleransi penyimpangan badan robot, kecepatan yang diinginkan dan juga dimensi total dari robot.

2.2. Pemetaan Data Sensor dan Kecepatan Motor Data sensor depan dan belakang diubah menjadi

informasi index pembacaan rule kecapatan dari motor kiri dan kanan

7

IES 2005 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS

Fungsi sensor belakang adalah menggesar nilai variabel kecepatan tersebut ke kiri atau ke kanan sesuai dengan nilai penyimpangannya. Nilai positif akan mengeser prorporsional kontrol ke kiri dan sebaliknya nilai penyimpangan negatif akan menggeser kontrol ke kanan. Grafik yang ditunjukkan pada gambar 5 adalah saat sensor belakang pada kondisi di tengah ( penyimpangan sensor=0 ). Dari fungsi di atas digenerate tabel yang berisi nilai kecepatan dan arah dari motor.

Sensor belakang

Sensor depan

5

64

3

2

1

0

11

10

8

9

4

76

5

3

2

1

0 3. Pengabilan Data Kecepatan Motor

(a) Pemetaan index pembacaan rule Metode yang digunakan untuk mendapatkan kecepatan motor penggerak adalah dengan loop up table, karena dengan metode ini pengambilan data lebih cepat, karena nilai pada masing-masing tabelnya sudah ditentukan dahulu. Terdapat dua buah aturan (rule) seting kecepatan yang diberikan yaitu rule lambat dan cepat. Pada masing-masing rule mempunyai 7 buah tabel (sesuai dengan jumlah indek sensor belakang). Sedangkan pada setiap tabel mempunyai 12 kombinasi kecepatan dan arah putaran motor kiri dan kanan.

Sensor belakang

Sensor depan

-3 -1

-5

-4

-3

-2

-1

5

4

2

3

0

-1

0

-3 2

31

0

Pertama kali yang dilakukan adalah membaca seting

rule yang mau diambil, yaitu rule cepat atau lambat. Selanjutnya dilakukan pembacaan index sensor belakang guna mencari tabel yang dituju. Index rule dicari sesuai dengan pemetaan data sensor seperti yang ditunjukkan pada gambar 4.a. Setelah tabel ditemukan selanjutnya index sensor depan dibaca intuk mendapatkan nilai kecepatan proporsional motor kiri dan kanan serta arah putarannya.

(b) Pemetaan penyimpangan sensor

Gambar 4. Pemetaan data sensor depan dan belakang

Kombinasi nilai sensor depan akan mempengaruhi gain motor penggerak kiri dan kanan. Pada robot ASKAF-i digunakan perhitungan kontrol proporsional motor sbb:

V Mka = 0.133x + 1.26 ; x -2

V Mka = 1 ; -2 < x 0 V Mka = -0.25x + 1 ; x > 0 .................(2)

Variabel x menunjukkan hasil pemetaan penyimpangan pembacaan sensor depan terhadap garis. Gain kontrol diatas hanya mengacu pada kondisi sensor depan saja. Kecepatan motor kiri merupakan pencerminan Variabel kecepatan motor kanan terhadap sumbu y (x=0). Harga kecepatan positif menunjukkan arah putaran motor maju dan sebalinya untuk putaran mundur.

Gambar 5. Grafik proporsional kontrol roda kiri dan

kanan terhadap sensor depan Gambar 6. Flowchart kalkulasi kecepatan roda

8

IES 2005 Politeknik Elektronika Negeri Surabaya - ITS

9

Kecepatan dari motor didapatkan dengan mengalikan hasil kontrol proporsional motor dengan seting masing-masing motor ditambahkan dengan hasil kalkulasi perubahan error (penyimpangan sensor) yang terjadi. Hasilnya adalah berupa data PWM yang di gunakan untuk mengatur prosentase duty cycle dari motor.

4. Pengujian Gambar 8. Grafik respon gerakan robot

Dengan penambahan kontrol derivatif didapatkan respon yang relatif cepat mencapai konsi stabil dibandingkan hanya dengan kontrol proposional saja. Pengaturan Gain dengan menggunakan kombinsi sensor depan respon lebih cepat dan overshoot jua dapat dikuarangi.

Tabel 1. Hasil pengujian sensor photodiode Tegangan Output Sensor (V)

Sensor Lantai Garis

Sensor depan kiri luar 24 20

Sensor depan kiri 24,5 19,5

Sensor depan tengah 24,5 19

Sensor depan kanan 23 17

Sensor depan kanan luar 22 14,5

Sensor belakang kiri 24,5 20,5

Sensor belakang tengah 24 17

Sensor belakang kanan 23,5 19

5. Kesimpulan

Dari percobaan yang telah lami lakukan didapatkan beberapa kesimpulan antara lain: 1. Penempatan posisi sensor sangat berpengaruh pada

gerakan robot, maka disusaikan dengan dimensi robot dan jenis jalur yang akan dilewati.

2. Penggunaan kombinasi sensor depan dan belakang hanya memberikan perbaikan yang signifikan pada jalur (garis pemandu) yang berbentuk lurus.

Nilai tegangan output dari sensor saat menerima

pantulan cahaya dari garis dan lantai tidak sama. Nilai rata-rata selisih output sensor antara garis dan lantai sebesar 0,54 volt. Nilai yang dihasilkan dari masing-masing sensor tidak sama dikarenakan adanya perbedaan cahaya yang dipancarkan oleh LED dari masing-masing sensor dan perbedaan pada photodiode itu sendiri. Output sensor saat mendeteksi garis lebih kecil daripada saat sensor mendeteksi lantai. Ini berarti bahwa garis memantulkan cahaya kembali dengan intensitas yang lebih besar daripada lantai. Semakin terang/cerah warna dari media pemantul cahaya, maka intensitas cahaya yang dipantulkan akan semakin besar.

3. Pentabelan data motor diatur dengan mencari harga perhitungan gain motor pada kontrol proporsionalnya.

4. Semakin besar gain yang diberikan justru membuat gerakan robot berosilasi terlalu besar, hal ini dapat dikurangi dengan penggeseran gain sesuai dengan kondisi sensor belakang.

5. Kecepatan perubahan posisi robot dapat diumpan balikkan diumpanbalikkan ke kontroler untuk mengurangi osilasi tracking garis dari robot.

Daftar Pustaka

0

5

10

15

20

25

30

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Lantai

Garis

Gambar 7. Grafik pengujian jarak sensor dengan lantai

1. Johnson, Curtis, Process Control Instrumentation Technology, Englewood Cliffs, New Jersey, 1988

2. Ogata, Katsuhiko, Teknik Kontrol Automatik, terjemahan Ir. Edi Laksono, Erlangga, Jakarta, 1991

3. ..., Teknik interface dan pemprograman mikrokontroller AT89C51 , PT.Elekmedia komputindo, Jakarta, 2001

4. ............, Photodiode Characteristics, www.udt.com

5. , Photodiode Theory, www.centronics.co.uk

Jika tanpa sensor belakang dibutuhkan seting gain yang besar untuk mengejar kondisi stabil saat tracking ke garis. Respon gerak robot dengan bebagai kombinasi sensor dan kontrol dapat dilihat pada grafik berikut:

AbstrakKata kunci : sensor photodiode, komparator, look up table1. Pendahuluan