kontrol kecepatan motor pelontar robot abu robocon 2017
TRANSCRIPT
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
8
Abstrak — Robot memang tela hadir didalam kehidupan
manusia dalam bentuk bermacam-macam. Dalam arti luas
robot berarti suatu system yang terdiri dari mekanisme yang
memiliki suatu control elektrik untuk melaksanakan suatu
tugas tertentu. Dengan pengertian ini sangat erat hubungan
antara robot dan otomastisasi Hal ini dapat dilihat dari
munculnya beragam robot yang diciptakan, sehingga muncul
beragam jenis kontes robotika salah satunya adalah KRAI
2017. Pada perlombaan kali ini robot diharuskan dapat
melemparkan soft saucer untuk menjatuhkan sebuah bola
diatas penampang dengan lebar penampang 75cm dan tinggi
55cm. Sesuai dengan peraturan lomba yang sudah ditentukan
robot yang akan dibuat adalah robot pelontar, dalam
perancangannya akan digunakan motor BLDC, kecepatan
putaran motor akan ditentukan oleh jauh dekatnya jarak target
yang dideteksi oleh SRF 08 dan kecepatan putaran motor akan
dideteksi oleh sensor rotary encoder. Pada bab pengujian
sensor ditemukan error rata rata 0,11% menandakan bahwa
sensor dalam keadaan baik dan laya untuk digunakan. Setelah
dilakukan tunning PID ditemukan nilai Kp = 6, Ki = 4 dan Kd
= 16 dengan nilai tr = 5s, tp = 6s, %Os = 0.9%, ts = 13s dan
Ess = 0.4%, respon dari system terbilang bagus dan sesuai
dengan system yang direncanakan.
Kata Kunci : SRF 08, Sensor rotary Encoder, metode PID,
KRAI2017
I. PENDAHULUAN
ada saat ini, robot memang telah hadir didalam
kehidupan manusia dalam bentuk yang bermacam –
macam. Ada robot sederhana untuk mengerjakan
kegiatan yang mudah atau berulang – ulang. Sementara dalam
arti luas robot berarti suatu system yang terdiri dari
mekanisme yang memiliki suatu control elektrik untuk
melaksanakan suatu tugas tertentu. Dengan pengertian ini
sangat erat hubungan antara robot dan otomastisasi sehingga
dapat dipahami bahwa hampir setiap aktivitas kehidupan
modern makin tergantung pada robot dan otomatisasi.
Andy Hardiansyah adalah mahasiswa D4 Teknik Elektronika Jurusan Teknik
Elektro Politeknik Negeri Malang, email: [email protected]
TotokWinarno dan Achmad Komarudin adalah dosen Jurusan Teknik Elektro
Politeknik Negeri Malang
Hal ini dapat dilihat dari munculnya beragam robot yang
diciptakan , sehingga muncul beragam jenis kontes robotika.
Salah satu kontes robot bergengsi di ASIA adalah ABU ASIA –
PACIFIC ROBOT CONTEST 2017 yang bertemakan The
Landing Disc. Perlombaan robot ini di Indonesia disebut
KRAI 2017 (Kontes Robot Abu Robocon Indonesia). Pada
perlombaan KRAI 2017 prinsip gerak yang digunakan salah
satunya adalah gerak parabola.
II. TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Sensor Ultrasonic
Sensor ultrasonik adalah alat elektronika yang bisa
mengubah besaran fisis (bunyi) menjadi besaran listrik dalam
bentuk gelombang ultrasonik. Gelombang ultrasonik
merupakan gelombang akustik yang frekuensinya mulai 20
kHz hingga sekitar 20 MHz.
Gambar 1 Sensor Ultrasonic SRF-08
2.2 Electronic Speed Control (ESC)
Electronic speed control merupakan rangkaian yang
digunakan untuk mengkontrol kecepatan motor BLDC dengan
system PWM. Cara kerjanya yaitu menerjemahkan sinyal
yang diterima receiver dari transmitter. Di pasaran terdapat
berbagai macam ESC dengan kekuatan arus dan tegangan
yang berbeda-beda.
Gambar 2 Electronic Speed Control (ESC)
2.3 Motor Brushless
Motor brushless adalah motor elektrik yang dicatu
dengan arus/ tegangan DC melalui inverter terintegrasi yang
menghasilkan sinyal listrik AC ke driver motor dan
Kontrol Kecepatan Motor Pelontar Robot Abu
Robocon 2017 dengan Metode PID
Andy Hardiansyah, Totok Winarno, Achmad Komarudin
P
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
9
mempunyai sistem komutasi elektrik, dibandingkan dengan
komutator mekanik dengan sikat.
Gambar 3 Turnigy 3648 Brushless Motor 600Kv
2.4 Kontroller Proportional Integral Derivative (PID)
Setiap kekurangan dan kelebihan dari masing-masing
pengontrol P, I dan D dapat saling menutupi dengan
menggabungkan ketiganya secara paralel menjadi pengontrol
proportional integral derivative (kontrol PID). Elemen –
elemen pengontrol P, I dan D masing-masing secara
keseluruhan bertujuan untuk mempercepat reaksi sebuah
sistem, menghilangkan offset dan menghasilkan perubahan
awal yang besar. Hubungan antara keluaran kontroler m(t) dan
sinyal kesalahan penggerak e(t) adalah:
t
dip
dt
tdeKdtteKteKtm
0
)()()()( ( (1)
atau, dalam besaran transformasi Laplace,
sKs
KK
sE
sMd
ip .
)(
)( (2)
Karakteristik pengontrol PID sangat dipengaruhi oleh
kontribusi besar dari ketiga parameter P, I dan D. Pengaturan
konstanta Kp, Ti, dan Td akan mengakibatkan penonjolan sifat
dari masing-masing elemen. Satu atau dua dari ketiga
konstanta tersebut dapat diatur lebih menonjol dibanding yang
lain. Konstanta yang menonjol itulah akan memberikan
kontribusi pengaruh pada respon sistem secara keseluruhan.
Gambar 4 Diagram Blok Kontroler PID.
2.5 Metode Ziegler Nichols
Metode Ziegler-Nichols merupakan salah satu
metode yang digunakan untuk mencari nilai PID. Metode ini
dikembangkan oleh John G Ziegler dan Nathaniel B Nichols.
Metode Ziegler Nichols terbagi menjadi dua yaitu metode
Kurva S dan metode Oslasi, Pada sistem ini metode yang
digunakan adalah metode osilasi.
Gambar 5 Contoh Osilasi Sistem yang Stabil
Tabel 1 Rumus Tuning PID Metode Ziegler-Nichols
III. METODOLOGI
Dalam metode penelitian ini akan menjelaskan
tentang bagaimana metodelogi yang digunakan dalam
penelitian ini maupun pemuatan robot yang meliputi
perancangan mekanik, perancangan elektrik dan perancangan
software.
3.1 Diagram Blok Sistem
Diagram blok dari robot pelontar menggunakan
beberapa komponen – komponen elektronik berikut diagram
blok alat :
Sensor Jarak
PUSH BUTON
MIKROKONTROLLER
ARDUINO MEGA
ESC
LCD
MOTOR SERVO
MOTOR
BLDC
INPUT PROSES OUTPUT
Sensor Kecepatan
Gambar 6 Diagram Blok Sistem
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
10
3.2 Perancangan sensor rotarty encoder
Penggunaan sensor rotary encoder pada system ini
digunakan untuk mendeteksi kecepatan dari putaran motor
BLDC
Gambar 7 Skematik Sensor Rotary Encoder
Berdasarkan datasheet phototransistor H21A3
memiliki if = 5mA-50mA, Icmax = 50mA dan Iceo = 100 nA,
dan pada arduino memiliki Vo = 5V, maka untuk mencari nilai
R2 dapat dihitung menggunakan rumus :
(3)
Sedangkan untuk menghitung nilai resistansi pulldown dapat
dihitung dengan persamaan :
(4)
3.3 Konfigurasi Sensor SRF 08
Dalam konfigurasi rangkaian antara kontroler dengan
sensor SRF08 ini yang menggunakan komunikasi data I2C,
sesuai dengan datasheet SRF08 ini, dibutuhkan rangkaian
pull-up I2c.
C
D
A
B
Gambar 8 Sambungan antara Arduino, Pull-Up I2C, dan
SRF08
A. GND
B. Resistor Pull-Up dan Pin 20 SDA Arduino Mega
C. 5V DC
D. Resistor Pull-Up dan Pin 21 SCL Arduino Mega
3.4 Konfigurasi Driver ESC
Dalam konfigurasinya data yang diberikan pada ESC
oleh kontroler, merupakan data PWM, dan di atur seperti
pengaturan pada servo. Kabel rangkaian yang disambungkan
memiliki 3 sambungan, yaitu Data dengan warna kabel
orange, VCC dengan warna kabel merah, dan GND dengan
warna kabel hitam. Berikut gambar perangkaian ESC dengan
kontroler arduino:
Kabel BLDC Biru
Kabel BLDC Kuning
Kabel BLDC Merah
Kabel Battery hitam
Kabel Battery Merah
PIN 8 Arduino
5V DC
GND
Gambar 9 Sambungan Driver ESC dengan Arduino
3.5 Perancangan Kontrol PID
Dalam perancangan kontrol PID metode yang
digunakan adalah metode osilasi Ziegler-nichols hal pertama
yang dilakukan adalah memberikan nilai parameter integral
dan parameter diferensial dengan nilai 0 ( Ki = 0 dan Kd = 0).
Kemudian tahap selanjutnya adalah mencari nilai parameter
proposional dengan cara menaikan nillai Kp mulai dari kecil
hingga menemukan nilai dimana reaksi sistem menjadi
berosilasi, dengan syarat osilasi dari reaksi sistem stabil.
Gambar 10 Percobaan Dengan Memasukkan Nilai Kp = 5
Gambar 11 Percobaan Dengan Memasukkan Nilai Kp = 10
Diketahu
Ku = 10 Tu = 32 – 24 = 8
Dari nilai Ku dan Tu dapat dicari nilai Kp, Ki dan Kd sesuai
dengan tabel 2.4 sebagai berikut :
Perhitungan nilai Kp
Kp = 0.6 x
Ku = 0.6 x 10= 6
0
1000
2000
3000
1 6 11 16 21 26 31 36 41 46 51 56R
PM
Time(s)
Grafik Respon
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 4 7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61
Series1
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
11
Perhitungan nilai Ki
Ti = Tu / 2 = 8 / 2 = 4
Ki = Kp / Ti = 12 / 4 = 3
Perhitungan nilai Kd
Td = 0.125 x Tu = 0.125 x 8 = 1
Kd = Kp x Td = 12 x 1 = 12
Dari dua grafik diatas gambar 11 dengan nilai Kp
=10 merupakan sistem osilasi yang baik dibanding dengan
gambar 10 dengan nilai Kp = 5. Sesuai dengan aturan tunning
PID nilai Kp yang didapat dapat digunakan untuk mencari
nilai Tu. Nilai Tu diambil dari selisih amplitude antara
gelombang yang mempunyai tinggi yang sama. Berikut
perhitungannya menurut tabel Ziegler-Nichols.
IV. HASIL DAN ANALISA
4.1 Pengujian Sensor Ultrasonic SRF 08
Pengujian sensor ultrasonic dilakukan untuk
mengetahui apakah pembacaan sensor sudah sesuai dengan
data yang di tampilkan pada Serial monitor atau tidak.
Disamping itu pengujian ini juga menandakan apakah sensor
sudah bekerja sesuai dengan kriteria yang dibutuhkan.
Tabel 2 Nilai Error Dari Hasil Pengujian Sensor Ultrasonic
SRF 08
Jarak
Aktual
(cm)
Jarak Terukur
(cm)
Error (%)
10 10 0
30 30 0
50 50 0
100 100 0
150 150 0
200 200 0
250 250 0
275 276 0,36
300 302 0.67
Rata – Rata Error 0,11
4.2 Pengujian dan Analisa Kontrol PID Terhadap
Kecepatan Putaran Motor BLDC
Pengujian ini dilakukan untuk mengetahui apakah
kontrol PID bekerja dengan baik atau tidak. Pengujian ini
dilakukan dengan cara memberikan nilai Kp, Kid an Kd sesuai
dengan hasil perhitungan dari Ziegler-Nichols. Respon system
adalah kecepatan nilai PV mencapai nilai SP. Dimana nilai PV
adalah nilai kecepatan putaran motor BLDC dar pembacaan
sensor roraty encoder , dan nilai SP merupakan nilai setpoint
dari kecepatan putaran motor BLDC
Gambar 12 Pengujian Kontrol Dengan Nilai Kp = 6 Ki = 3
dan Kd = 12
Pada grafik gambar 12 dengan nilai Kp = 6 dapat dilihat dan
dianalisa bahwa :
1. Rise time (tr) = merupakan lama waktu yang
diperlukan respon menuju set point mulai dari t=0
sampai dengan respon menyentuh sumbu set point
yang pertama. Pada grafik gambar 12 nilai Tr = 5 s
2. Peak time (tp) = waktu puncak merupakan waktu
yang diperlukan respon menuju titik puncak pertama
dari overshoot. Pada grafik gambar 12 nilai tp = 8 s
3. Overshoot maks (Mp) = merupakan perbandingan
nilai maksimum respon (overshoot) yang melampaui
nilai steady state. Pada grafik gambar 12 nilai Mp =
301 rpm kemudian dikonversikan dalam bentuk
persentase dengan menggunakan persamaan :
Dimana :
%Os = Persentase osilasi
Stp = nilai rpm saat puncak
Ssp = nilai rpm saat setpoint
Sehingga ditemukan nilai persentase osilasi:
4. Setling time (ts) = merupakan waktu yang
menyatakan respon telah masuk dalam keadaan
steady state. Dari grafik gambar 12 nilai ts = 13
5. Error steady state (Ess) = besarnya kesalahan pada
keadaan steadi state. Dari grafik gambar 12 nila dari
Ess =
Dimana :
Ess = Error steady state
Eo = Error osilasi
Sp = Set point
Sehingga ditemukan nilai error steady state :
0
1000
2000
3000
1 7 13192531374349556167
RP
M
time (s)
Respon Sistem
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
12
Untuk respon pada grafik gambar 12 merupakan
respon underdamp, dimana respon melesat naik melewati
setpoint dan kemudian turun dari nilai setpoint dan kemudian
berosilasi pada kisaran nilai setpoint.
Gambar 13 Pengujian Kontrol Dengan Nilai Kp = 6, Ki = 4
dan Kd = 12
Dari grafik gambar 13dengan nilai Kp = 6 Ki = 4 dan Kd = 12
dapat dilihat dan dianalisa bahwa :
1. Rise time (tr) = 5 s
2. Peak time (tp) = 8 s
3. Persentase osilasi = 11%
4. Setling time (ts) = 14 s
5. Error steady state (ess) = 0.5%
Gambar 14 Pengujian Kontrol Dengan Nilai Kp = 6, Ki = 4
dan Kd = 16
Dari grafik gambar 14 dengan nilai Kp = 6 Ki = 4 dan Kd = 16
dapat dilihat dan dianalisa bahwa :
1. Rise time (tr) = 5 s
2. Peak time (tp) = 6 s
3. Persentase osilasi (%Os) = 0.9%
4. Setling time (ts) = 13 s
5. Error steady state (ess) = 0.4%
Dari hasil pengujian gambar 12, gambar 13 dan
gambar 14 dapat dilihat bahwa perubahan nilai PID dapat
mempengaruhi respon dari sistem
V. PENUTUP
5.1 Kesimpulan
Dari hasil pengujian dan analisa yang dilakukan
dapat diambil kesimpulan bahwa system yang telah dibuat
sudah berjalan dengan baik . berikut ini adalah kesimpulan
yang didapatkan dari percobaan alat :
1. Dengan menggunakan sensor ultrasonic SRF 08
robot pelontar mampu mendeteksi jarak secara akurat
dari target dan penggunaan sensor rotary encoder
yang mampu membaca kecepatan putaran motor
secara real time untuk menentukan kecepatan yang
sesuai dari targtet yang akan dijatuhkan.
2. Berdasarkan hasil pengujian kombinasi dari sensor
SRF 08 dan sensor rotary encoder untuk membaca
jarak dan menentukan kecepatan putar motor BLDC
dari robot pelontar berjalan dengan baik dan mampu
menjatuhkan target dari atas penambang.
3. Implementasi metode PID pada robot pelontar telah
bekerja sesuai dengan yang diharapkan dari hasil
pengujian nilai konstanta Kp, Ki dan Kd yang tepat
untuk kontrol PID adalah Kp = 6, Ki = 4 dan Kd = 16
dengan nilai tr = 5 s tp = 6 s %Os = 0.9% ts = 13 s
dan Ess = 0.4% konstanta tersebut dihasilkan respon
system yang cepat dan sesuai dengan yang
diharapkan.
5.2 Saran
Ada beberapa saran yang dapat digunakan untuk
pengaplikasian robot pelontar diantaranya sebagai beriku:
1. Penggunaan sensor jarak yang dapat menjangkau
target lebih dari 10 meter sebagai pendeteksi posisi
target akan lebih baik dibandingkan sensor SRF 08
yang mampu mendeteksi jarak 6 meter dikarenakan
efisiensi dari sensor yang bagus berkisaran 80% dari
dari spesifikasi maksimal sensor tersebut.
2. Untuk pelontaran yang maksimal lebih baik gunakan
motor yang memiliki spesifikasi torsi dan RPM yang
besar, karena motor yang diguakan pada penelitian
ini hanya mempunyai RPM yang besar dan torsi yang
kecil,
3. Selain dengan kontrol PID sebagi kontrolernya
banyak berbagai macam kontroler lain yang dapat
digunakan. Seperti fuzzy logic dan hybrid.
DAFTAR PUSTAKA
[1 ]Abu Asia-Pacific Robocon (2017). ABU ROBOCON 2017 TOKYO,
THE LANDING DISC. (http://aburobocon.net/ , diakses pada 14
desember 2016.
[2] Amzar, Khairul; Mohd Kassim, (2013). DESIGN AND FABRICATION
OF THROWER MECHANISM FOR TENNIS BALL MACHINE.
Malaysia, Universiti Teknikal Malaysia Melaka.
[3] Ardik, Wijayanto; Rachmadyanti Nita. (2010). KONTROL PID
UNTUK PENGATURAN KECEPATAN MOTOR PADA PROTOTYPE
AYUNAN BAYI OTOMATIS. Skripsi Teknik Elektronika, Politeknik
Negeri Surabaya.
0
1000
2000
3000
1 7 1319 25 3137 4349 55 6167
RP
M
time (s)
Respon Sistem
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1 7 13192531374349556167
RP
M
time (s)
Respon Sistem
JURNAL ELKOLIND, JULI 2018, VOL.05, N0. 2
13
[4] Alghoffary, Rievqi. (2013). SISTEM PENGATURAN KECEPATAN
MOTOR DC PADA ALAT EKTRATOR MADU MENGGUNAKAN
KONTROLLER PID. Skripsi Teknik Elektro, Universita Brawijaya.
[5] Habib Aydan, Mohammad. (2015). IMPLEMENTASI KONTROL PID
PADAMOTOR DC SEBAGAI PENGGERAK ROBOT BERODA 4WD
OMNI WHEELS DENGAN METODE WALL FOLLOWING Skripsi
Teknik Elektro Politeknik Negeri Malang.
[6] Agustinus, Mohammad S. A. L. (2016). AUTONOMOUS HOVER
DAN STEERING LINE FOLLOWING ” ROBOT HYBRID” PADA
ABU ROBOCON 2016 DENGAN METODE PID. Skripsi Teknik
Elektro Politeknik Negeri Malang.
[7] Wirawan, Fatan. 2016. KONTROL JARAK OBJEK DORONG (ROBOT
ECHO) PADA LENGAN ROBOT HYBRID DENGAN METODE PID.
Skripsi Teknik Elektro Politeknik Negeri Malang.