15

BAB III

PERANCANGAN SISTEM

Pada bab ini membahas tentang perancangan yang merupakan realisasi

dasar teori yang telah dijelaskan pada bab 2. Bab ini merupakan inti dari tugas akhir

ini. Pembahasan perancangan meliputi gambaran sistem, rancang bangun perangkat

keras robot, tipe gerakan pada robot, pembacaan kecepatan motor, sistem kontrol

PID motor.

3.1. Gambaran Sistem

Arduino akan menerima nilai parameter motion, speed, heading dari

kontroler utama yang akan digunakan untuk menentukan gerakan yang akan

dilakukan oleh robot. Ketiga nilai parameter tersebut akan digunakan untuk

menentukan kecepatan, arah putar robot, dan mode gerakan sehingga robot akan

bergerak sesuai yang di inginkan. Pada kontrol penggerak utama, digunakan sistem

kontrol PID agar kecepatan putar motor sesuai dengan yang diharapkan. Sistem

kontrol PID membutuhkan feedback berupa pembacaan sensor encoder dari tiap –

tiap motor.

Sensor inframerah E18-D80NK memiliki dua fungsi, yang pertama

digunakan untuk mendeteksi adanya bola lambung bila terdeteksi adanya bola

lambung maka output dari sensor inframerah ini akan digunakan sebagai pemicu

untuk meng-aktif-kan relay yang terhubung ke solenoid valve. Solenoid valve

berfungsi sebagai penghubung antara kompresor dan cylinder double acting.

Kompresor yang dimaksud adalah berupa dua buah botol minuman bersoda yang

memiliki ukuran 1,5 L dan 3,1 L. Kedua botol tersebut dihubungkan menggunakan

selang khusus pneumatic. Botol yang telah di dihubunngkan dengan selang

pneumatic akan diisi angin menggunakan kompresor luar sampai batas yang

diharapkan. Dan yang kedua untuk mendeteksi kanan dan kiri dari gawang sehingga

robot tidak menabrak bagian kanan dan kiri gawang terlalu keras.

16

Gambar 3.1. Diagram blok perangkat keras robot

3.2. Rancang Bangun Perangkat Keras Robot

Gambar 3.2. Rancangan bangun dimensi

pneumatic off

Gambar 3.3. Rancangan bangun dimensi

pneumatic on

17

Gambar 3.4. Rancang bangun robot tampak atas

Gambar 3.5. Realisasi perangkat keras

Robot yang telah direalisasikan memiliki dimensi 51 × 51 𝑐𝑚, tinggi

80 𝑐𝑚 saat pneumatic tidak diaktifkan dan 90 𝑐𝑚 saat pneumatic diaktifkan

dengan berat ±19 𝐾𝑔. Konstruksi robot menggunakan bahan alumunium dengan

tebal 2 mm untuk rangka dan aluminium dengan tebal 3 mm untuk bagian dasar.

Kemudian menggunakan motor PG 36 dengan roda mecanum berdiameter 100 mm

digunakan sebagai penggerak utama robot, serta menggunakan cylinder double

acting berdimensi 20 × 300 𝑚𝑚 untuk digunakan sebagai penghalang bola

18

lambung. Kontroler utama robot kiper menggunakan INTEL NUC, sedangkan

subkontrolernya menggunakan Arduino Mega 2560.

Untuk peletakan komponen – komponen yang digunakan pada robot kiper

terdapat pada (Gambar 3.6) sampai (Gambar 3.12)

Gambar 3.6. Peletakan komponen bagian 1

Keterangan :

1. INTEL NUC yang berfungsi sebagai otak dari robot kiper.

2. Arduino Mega 2560 yang berfungsi untuk memproses sensor – sensor

yang digunakan.

3. IR untuk pendekteksi bagian kanan gawang.

4. IR untuk pendekteksi bagian kiri gawang.

5. Motor A.

6. Motor C.

7. Roda mecanum A.

8. Roda mecanum C.

9. Tempat battre.

19

Gambar 3.7. Peletakan komponen bagian 2

Keterangan :

10. Solenoid valve digunakan untuk menggerakan cylinder double acting.

11. SRF belakang digunakan untuk mendeteksi bagian belakang gawang.

12. Arduino nano digunakan untuk memproses data SRF.

13. SRF samping digunakan untuk mendeteksi bagian samping gawang.

20

Gambar 3.8. Peletakan komponen bagian 3

Keterangan :

14. Power management digunakan sebagai pelindung bila terjadi short circuit

pada rangkaian elektrik.

15. Motor D.

16. Motor B.

17. Roda mecanum D.

18. Roda mecanum B.

19. Driver motor untuk mengendalikan motor yang digunakan.

21

Gambar 3.9. Peletakan komponen bagian 4

Keterangan :

20. Cylinder double acting digunakan sebagai bagian sistem penangkap bola

lambung.

Gambar 3.10. Peletakan komponen bagian 5

Keterangan :

21. IR pendeteksi bola lambung

22. Kamera C930

22

Gambar 3.11. Peletakan komponen bagian 6

Keterangan :

23. Keypad 5×4

Gambar 3.12. Peletakan komponen bagian 7

Keterangan :

24. Kompas CMPS 11.

23

3.3. Tipe Gerakan pada Robot

Untuk membuat robot bergerak, kontroler utama akan mengirimkan nilai

parameter motion, heading, speed. Parameter motion digunakan untuk

menentukan jenis gerakan yang diinginkan. Untuk parameter heading, pada

motion 1 digunakan untuk menentukan sudut gerak yang diinginkan. Kemudian

untuk motion 2, parameter heading digunakan untuk menentukan arah putar

robot.

3.3.1. Tipe Gerakan Omnidirectional (Motion 1)

Gambar 3.13. Ilustrasi gerakan omnidirectional (motion 1)

Motion 1 merupakan tipe gerakan dimana robot dapat melakukan

pergerakan ke segala arah dengan tetap mempertahankan arah hadapnya.

Tipe gerakan ini digunakan untuk memposisikan robot kiper di lapangan

saat awal permainan (positioning).

Untuk mengaktifkan gerakan ini, parameter motion bernilai 1. Lalu

parameter heading bernilai 0° − 360° dalam hal ini robot kiper hanya

menggunakan heading 0°, 90°, 180°, dan 270° yang digunakan untuk

menentukan arah gerakan. Dan parameter speed, digunakan untuk

mengatur kecepatan gerak robot dengan nilai skala kecepatan antara 0 −

24

200. Agar dapat melakukan gerakan ini, robot memanfaatkan kecepatan

masing – masing motor. Persamaan yang digunakan untuk menentukan

setpoint kecepatan tiap – tiap motor yaitu Persamaan (1) untuk nilai

kecepatan motor A, Persamaan (2) untuk nilai kecepatan motor B,

Persamaan (3) untuk nilai kecepatan motor C, dan Persamaan (4) untuk nilai

kecepatan motor D. Namun pada motion 1 nilai 𝜔 diberi nilai 0 karena pada

pada motion ini robot tidak melakukan gerakan berputar.

Pada keempat persamaan tersebut terdapat variabel berupa 𝑉𝑥 dan

𝑉𝑦 . Untuk mengisi nilai variabel 𝑉𝑥 dan 𝑉𝑦 membutuhkan rumus matematika

berupa rumus polar ke kartesian pada Persamaan (5) dan Persamaan (6).

Pada Persamaan (5) dan Persamaan (6) nilai 𝑟 adalah parameter dari nilai

kecepatan sedangkan nilai 𝜃 adalah parameter dari nilai heading yang akan

digunakan. Hasil dari perhitungan ini adalah nilai setpoint kecepatan dari

masing – masing motor untuk menghasilkan gerakan yang diinginkan. Nilai

setpoint positif berarti motor berputar CW dan nilai setpoint negatif berarti

motor berputar CCW. Kemudian sistem kontrol PID motor akan bekerja

untuk membuat masing – masing motor berputar dengan kecepatan sesuai

setpoint yang sudah ditentukan. Satuan kecepatan motor yang digunakan

dalam sistem ini adalah RPM (Rotasi per menit).

25

3.3.2. Tipe Gerakan Rotasi (Motion 2)

Gambar 3.14. Ilustrasi gerakan rotasi (motion 2)

Motion 2 merupakan tipe gerakan dimana robot bergerak secara

rotasi dengan titik pusat bodi robot, diilustrasikan pada Gambar 3.14.

gerakan ini digunakan saat robot memperbaiki arah hadap jika terjadi

kemiringan. Untuk mengaktifkan gerakan ini parameter motion bernilai 2.

Sedangkan parameter speed digunakan untuk mengatur kecepatan gerak

rotasi. Nilai dari parameter heading digunakan untuk menentukan robot

berputar kekanan atau kekiri, jika nilai heading bernilai positif maka robot

akan berputar kekanan dan jika heading bernilai negatif maka robot akan

berputar kekiri.

Gambar 3.15. Rotasi kanan

Gambar 3.16. Rotasi kiri

Agar robot bergerak rotasi, semua motor harus bergerak ke arah

yang sama dengan kecepatan yang sama sehingga robot berputar dengan

titik pusat bodi robot sebagai porosnya. Pada (Gambar 3.15) menunjukan

arah putar motor agar menghasilkan gerak rotasi ke kanan dan (Gambar

3.16) menunjukkan arah putar motor agar menghasilkan gerak rotasi ke kiri.

26

3.4. Pembacaan Kecepatan Motor

Pembacaan kecepatan motor menggunakan sensor encoder yang sudah

terpasang pada masing – masing motor PG36 dengan resolusi 7 ppr (pulses per

revolution). Hasil interrupt dari sensor encoder tersebut akan diproses Arduino

untuk mendapatkan kecepatan motor dengan satuan RPM (Rotasi Per Menit).

Persamaan yang digunakan untuk mendapatkan kecepatan motor yaitu:

𝑉𝑅𝑃𝑀 =(𝐼𝑛 × 20 × 60)

96 (12)

Dimana,

𝑉𝑅𝑃𝑀 = Kecepatan Motor (RPM)

𝐼𝑛 = Jumlah interrupt yang diterima

Pada persamaan (12) jumlah interrupt dikali dengan 20 lalu dikali lagi

dengan 60 karena satuan waktu yang digunakan adalah menit, sedangkan delay

yang digunakan dalam program hanya selama 50 ms. Kemudian hasil perkalian

tersebut dibagi dengan 96 yang merupakan jumlah interrupt dalam melakukan 1

kali putaran. Nilai interrupt sebanyak 96 tersebut didapat dari percobaan secara

langsung pada motor. Nilai kecepatan ini akan menjadi feedback pada sistem PID

motor.

27

3.5. Sistem Kontrol PID Motor

Sistem kontrol PID digunakan untuk mengatur nilai PWM tiap motor agar

kecepatan putarnya sesuai dengan setpoint yang telah ditentukan. Proses ini

dilakukan oleh Arduino dengan nilai setpoint yang didapat dari hasil perhitungan

masing-masing tipe motion dengan feedback berupa nilai kecepatan masing-masing

motor dengan satuan RPM. Berdasarkan Persamaan (11), maka program sistem

kontrol PID untuk tiap – tiap motor dapat ditulis sebagai berikut:

error = setpoint - rpm;

P = error;

I = error + previous_error;

D = error - previous_error;

PID_value = (Kp * P) + (Ki * I) + (Kd * D);

PWM = PWM + PID_value;

previous_error = error;

Pseudocode 3.1. Pseudocode sistem kontrol PID motor

Untuk menentukan konstanta 𝐾𝑝, 𝐾𝑖 , 𝐾𝑑 dilakukan trial & error. Respon

sistem yang diharapkan tidak berupa under damped response, yaitu tanggapan

sistem kecepatan motor saat menuju setpoint tidak terjadi overshoot. Apabila

respon sistem yang terjadi under damped response, maka motor akan langsung

berputar cepat dan kecepatannya melebihi nilai setpoint (terjadi overshoot). Putaran

roda secara cepat saat awal pergerakan akan menyebabkan roda mengalami slip

yang berakibat terhadap kesalahan gerakan yang dihasilkan.

28

3.6. Perangkat Lunak

Perangkat lunak dari sistem gerak robot kiper R2C-WARRIOR terdiri atas

dua bagian yaitu:

3.6.1. Perangkat Lunak pada Motor Penggerak

Gambar 3.17. Diagram alir perangkat lunak pada motor

Saat saklar on maka Arduino akan menerima nilai parameter

motion, speed, heading dari kontroler utama. Setelah menerima

parameter tersebut, maka parameter digunakan untuk menentukan nilai

setpoint yang diinginkan. Setelah nilai setpoint didapat, kontrol PID akan

29

mengatur nilai PWM dari setiap motor sehingga kecepatan motor sesuai

dengan setpoint. Feedback untuk kontrol PID adalah pembacaan kecepatan

motor menggunakan sensor encoder yang berada di masing – masing motor.

3.6.2. Perangkat Lunak Pembacaan Nilai Kecepatan Motor

Gambar 3.18. Diagram alir kontrol PID

Pertama program akan delay selama 50 ms. Kemudian akan

dilakukan perhitungan kecepatan tiap motor dari nilai variabel

encoderValue_A, encoderValue_B, encoderValue_C,

encoderValue_D. setelah didapatkan nilai kecepatan tiap motor, nilai tersebut

digunakan sebagai feedback kontrol PID. Lalu nilai variabel encoderValue_A,

encoderValue_B, encoderValue_C, encoderValue_D akan dinolkan

kembali

30

3.7. Metode Perhitungan PID

Metode perhitungan PID menggunakan metode Ziegler Nichols metode ini

digunakan untuk menentukan nilai 𝐾𝑝, 𝐾𝑖, 𝐾𝑑.

Gambar 3.19. Tanggapan kurva S

Kurva berbentuk-S menghasilkan dua konstanta yaitu waktu tunda L dan

konstanta waktu T, yang ditentukan dengan menggambar garis singgung pada titik

infleksi kurva dan menemukan perpotongan garis singgung dengan sumbu waktu

dan garis steady-state, K merupakan gain dari input yang dimasukan. Aturan tuning

Ziegler Nichols yang digunakan sebagai berikut :

Tabel 3.1. Aturan Ziegler Nichols open loop

Tipe Kendali 𝐾𝑝 𝑇𝑖 𝑇𝑑

P 1

𝐾×

𝑇

𝐿 ∞ 0

PI 0.9

𝐾×

𝑇

𝐿

𝐿

0.3 0

PID 1.2

𝐾×

𝑇

𝐿 2𝐿 0.5𝐿

Dari tabel 3.1 nilai 𝑇𝑖 dan 𝑇𝑑 harus di konversikan untuk mendapatkan

nilai 𝐾𝑖 dan 𝐾𝑑 dengan menggunakan rumus :

𝐾𝑖 = 𝐾𝑝 𝑇𝑖⁄ (13)

𝐾𝑑 = 𝐾𝑝 × 𝑇𝑑 (14)

31

3.8. Sistem Penangkap Bola Lambung

Sistem penangkap bola lambung adalah sistem yang digunakan untuk

menghalau bola apabila bola ditendang secara melambung bukan secara mendatar.

Sistem penangkap bola ini menggunakan sistem pneumatic. Dengan menggunakan

cylinder double acting yang dihubungkan dengan solenoid valve 5/2 maka ketika

solenoid valve diaktifkan, tekanan udara yang berada dikompresor mini akan

mengalir ke cylinder double acting dan akan mendorong ekstensi dari penangkap

bola lambung.

Gambar 3.20. Cylinder double acting

keadaan off

Gambar 3.21. Cylinder double acting

keadaan on

Gambar 3.22. Sistem penangkap bola off

Gambar 3.23. Sistem penangkap bola on

32

Cara kerja dari sistem penangkap bola lambung yaitu sensor IR akan

mendeteksi ada tidaknya benda yang berada di depan sensor IR, benda yang

dimaksud adalah bola futsal yang memiliki diameter ±20 cm. ketika sensor IR

mendeteksi adanya bola, maka output dari sensor IR akan menjadi input dari

Arduino Mega. Output dari Arduino Mega akan mengaktifkan rangkaian relay.

Relay digunakan sebagai penghubung antara battre 24V dengan solenoid valve.

Ketika solenoid valve diaktifkan maka akan mengalirkan tekanan udara dari

kompresor mini menuju cylinder double acting. Bagian dalam dari cylinder double

acting akan terdorong karena tekanan udara sehingga akan menggerakkan ekstensi

dari penangkap bola, karena ekstensi penangkap bola terhubung langsung dengan

cylinder double acting.