PENGENDALIAN WALL FOLLOWING PADA ROBOT BERODA 4 OMNI

DENGAN METODE PI KASKADE

SKRIPSI

TEKNIK ELEKTRO KONSENTRASI KONTROL

Diajukan untuk memenuhi persyaratan

memperoleh gelar Sarjana Teknik

MUHAMMAD HANIF MURTADLO

NIM. 135060300111070

UNIVERSITAS BRAWIJAYA

FAKULTAS TEKNIK

MALANG

2018

ii

LEMBAR PENGESAHAN

PENGENDALIAN WALL FOLLOWING PADA ROBOT BERODA 4

OMNI DENGAN METODE PI CASCADE

SKRIPSI

TEKNIK ELEKTRO KONSENTRASI TEKNIK KONTROL

Ditujukan untuk memenuhi persyaratan

memperoleh gelar Sarjana Teknik

MUHAMMAD HANIF MURTADLO

NIM. 135060300111070

skripsi ini telah direvisi dan disetujui oleh dosen pembimbing

Dosen Pembimbing I

M. Aziz Muslim, S.T., M.T., Ph.D.

NIP. 19741203 200012 1 001

Dosen Pembimbing II

Goegoes Dwi N., S.T., M.T.

NIP. 19711013 200604 1 001

iii

PERNYATAAN ORISINALITAS SKRIPSI

Saya menyatakan dengan sebenar-benarnya bahwa sepanjang pengetahuan saya dan

berdasarkan hasil penulusuran berbagai karya ilmiah, gagasan dan masalah ilmiah yang

diteliti dan diulas dalam Naskah Skripsi adalah asli dari pemikiran saya, tidak terdapat karya

ilmiah yang pernah diajukan oleh orang lain untuk memperoleh gelar akademik pada

perguruan tinggi dan tidak terdapat karya atau pendapat yang pernah ditulis atau diterbitkan

oleh orang lain, kecuali secara tertulis dikutip dalam naskah ini dan disebutkan dalam

sumber kutipan dan daftar pustaka.

Apabila ternyata dalam naskah Skripsi ini dibuktikan terdapat unsur-unsur jiplakan,

saya bersedia Skripsi dibatalkan, serta diproses sesuai peraturan perundang-undangan yang

berlaku (UU No.20 Tahun 2003, pasal 25 ayat 2 dan pasal 70).

Malang, 12 Januari 2018

Mahasiswa,

Muhammad Hanif Murtadlo

NIM.135060300111070

iv

RINGKASAN

Muhammad Hanif Murtadlo, Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas

Brawijaya. Desember 11 2017, Pengendalian Wallfollowing Pada Robot Beroda 4 Omni

dengan Metode PI Kaskade, Dosen Pembimbing: M. Aziz Muslim dan Goegoes Dwi

Nusantoro.

Dalam Kontes Robot Pemadam Api Indonesia (KRPAI) robot diharuskan untuk

bernavigasi di arena kontes. Ada beberapa faktor yang mempengaruhi robot dalam

bernavigasi diantaranya adalah faktor gaya gesek lapangan dan juga perbedaan kecepatan

pada setiap motornya, maka dibutuhkan pengembangan sistem kontrol dalam bernavigasi,

semakin bagus robot bernavigasi semakin kecil error yang akan dilakukan oleh robot.

Penerapan metode PI kaskade dilakukan agar kecepatan motor dan juga posisi robot saat

melakukan wallfollowing dapat terjaga. Output dari kontroller primer (posisi) menjadi

setpoint dari pengontrol sekunder (kecepatan). Output dari kontroller sekunder (slave) yang

akan menggerakkan final control element. Dengan dikontrolnya kecepatan robot maka robot

akan mudah dalam melakukan gerak lurus. Jarak yang diatur antara robot dan juga dinding

adalah 13cm. Hasil pengujian sistem keseluruhan didapatkan Kp = 3,8238 Ki=8 untuk

kontrol kecepatan, dan juga Kp = 1,5270 Ki = 0,069 untuk kontrol posisi.

Kata Kunci: Motor DC, PI kaskade, wallfollowing, gerak lurus.

i

v

SUMMARY

Muhammad Hanif Murtadlo, Department of Electrical Engineering, Faculty of

Engineering University of Brawijaya, December 11 2017, Controling Wallfollowing in Omni

Wheel Robot With PI Cascade Method, Academic Supervisor: M. Aziz Muslim dan Goegoes

Dwi Nusantoro.

In Kontes Robot Pemadam Api Indonesia (KRPAI) robots are required to navigate

in the contest’s arena. There are several factors that affect robot in its navigation such as

the frictional force of the field and also the speed difference on each motor, thus it needs the

development of control systems in robot’s navigation, the better the robot navigates, the

smaller the errors will be made by the robot. The application of PI cascade method is done

so that the motor’s speed and also the robot’s position while doing wallfollowing can be

maintained. The output of the primary controller (position) becomes the setpoint of the

secondary controller (speed). The output of the secondary controller (slave) will move the

final control element. By controlling the speed of the robot, the robot can move straight

easily. The distance set between the robot and the wall is 13 cm. From overall system’s test

is obtained Kp = 3,8238 Ki = 8 for speed control, and also Kp = 1,5270 Ki = 0,069 for

position control.

Keywords: DC motor, PI cascade, wallfollowing, straight motion.

ii

PENGANTAR

Assalamu’alaikum Warohmatulloh Wabarokaatuh

Puji syukur penulis panjatkan kehadirat Allah SWT yang telah memberikan rahmat

dan hidayah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan skripsi ini. Tak lepas shalawat

serta salam tercurahkan kepada junjungan kita Nabi Muhammad SAW selaku suri tauladan

bagi yang mengharapkan rahmat dan hidayah-Nya.

Penyusunan skripsi ini tidak lepas dari bantuan, bimbingan serta dorongan dari

berbagai pihak. Pada kesempatan yang baik ini penulis ingin menyampaikan rasa terima

kasih kepada:

Keluarga tercinta, Bapak Siminto dan Ibu Ruci Suksmanti yang selalu memberikan kasih

sayang, support dan doa yang tiada akhir. dan selurh keluarga yang juga memberikan

support serta doa. Adikku tersayang M Adib Hilmy dan juga Hasna Humaira, yang selalu

menghibur dan memberi semangat.

Bapak M. Aziz Muslim, ST., MT., Ph.D selaku Ketua Jurusan Teknik Elektro Universitas

Brawijaya, dan juga selaku Dosen Pembimbing I atas segala bimbingan, masukan, serta

saran yang telah diberikan selama bimbingan.

Bapak Hadi Suyono, ST., MT., Ph.D selaku Sekretaris Jurusan Teknik Elektro

Universitas Brawijaya.

Bapak Ir. Purwanto, MT. selaku KKDK Teknik Kontrol.

Bapak Goegoes Dwi Nusantoro S.T., M.T selaku dosen pembimbing II skripsi atas segala

bimbingan, pengarahan, saran, dan kritik yang telah diberikan.

Saidan dan juga Dicka yang paling banyak membantu, dan memberikan masukan dalam

membuat skripsi ini.

Teman teman kontrakan Saxophone, Kresna, Yovie, Eki, Adit yang selalu menemani,

memberikan bantuan dan semangat dalam membuat skripsi ini.

Teman teman seperjuangan Wicaksana, Azizul, Firman, Achnafian, Nadia, Galuh.

Teman teman Tim Robot 2013, 2014, 2015 dan juga 2016 yang selalu memberi bantuan,

masukan dan hiburan dalam membuat skripsi ini.

Keluarga besar SPECTRUM 2013 yang telah memberikan pengalaman berharga selama

kuliah.

iii

Seluruh teman-teman serta semua pihak yang tidak mungkin bagi penulis untuk

mencantumkan satu-persatu, terima kasih telah memberikan bantuan serta dukungan

baik secara langsung maupun tidak langsung atas penyusunan skripsi ini.

Dalam penyusunan skripsi ini, penulis menyadari bahwa skripsi ini belumlah

sempurna, karena keterbatasan ilmu dan kendala – kendala lain yang terjadi selama

pengerjaan skripsi ini. Oleh karena itu, penulis berharap kritik dan saran untuk

penyempurnaan tulisan di masa yang akan datang, semoga tulisan ini dapat bermanfaat dan

dapat digunakan untuk pengembangan lebih lanjut.

Malang, Januari 2018

Penulis

iv

DAFTAR ISI

PENGANTAR ....................................................................................................................... i

RINGKASAN ...................................................................................................................... iv

SUMMARY .......................................................................................................................... v

DAFTAR ISI ....................................................................................................................... iii

DAFTAR GAMBAR ........................................................................................................... v

DAFTAR TABEL .............................................................................................................. vii

BAB I .................................................................................................................................... 1

1.1 Latar Belakang ........................................................................................................ 1

1.2 Rumusan Masalah ................................................................................................... 2

1.3 Batasan Masalah ..................................................................................................... 2

1.4 Tujuan ..................................................................................................................... 2

BAB II ................................................................................................................................... 3

2.1 Kontes Robot Pemadam Api Indonesia (KRPAI) .................................................. 3

2.2. Arduino Mega 2560 ................................................................................................ 4

2.3 MOTOR DC ........................................................................................................... 6

2.4 Driver L298N .......................................................................................................... 9

2.5 Roda Omni ............................................................................................................ 10

2.6 Sensor Ultrasonik .................................................................................................. 10

2.7 Sensor Rotary Encoder ......................................................................................... 11

2.8 Pseudo Random Binary Square ............................................................................ 12

2.9 Kontroller .............................................................................................................. 14

2.9.1 Kontroler Proportional ...................................................................................... 14

2.9.2 Kontroler Integral .............................................................................................. 15

2.9.3 Kontroler Derivative ......................................................................................... 16

2.9.4 Kontroler PID .................................................................................................... 17

2.10 Metode Perancangan Kontroller Proporsional Integral Differensial (PID)

Menggunakan Metode Root Locus...................................................................................... 17

2.11 Sistem Kontrol Kaskade ....................................................................................... 19

2.12 Respon Sistem Orde dua ....................................................................................... 20

BAB III ............................................................................................................................... 23

3.1 Penentuan Spesifikasi Alat ................................................................................... 23

3.2 Spesifikasi Desain ................................................................................................. 24

3.3 Pengujian Setiap Blok ........................................................................................... 24

v

3.3.1 Pengujian Plant (Motor GM25-370CA-EN) ..................................................... 25

3.3.2 Pengujian Driver Motor (L298N Dual H-Brigde Motor Driver) ...................... 26

3.3.3 Pengujian Sensor Rotary Encoder pada Motor DC GM25-370CA-EN ............ 28

3.3.4 Pengujian Sensor Ultrasonic HC-SR04 ............................................................ 30

3.3.5 Penentuan Fungsi Alih Motor DC GM25-370CA-EN Sebagai Kontrol

Kecepatan dan Juga Kontrol Posisi dengan menggunakan Sensor Rotary Encoder ...... 31

3.4 Perancangan Mekanik dan Pembuatan Alat ......................................................... 37

3.4.1 Perancangan Diagram Blok Sistem ................................................................... 38

3.4.2 Perancangan Rangkaian Elektrik ...................................................................... 39

3.5 Perancangan Flowchart Sistem ............................................................................. 40

3.6 Perancangan Algoritma ......................................................................................... 40

3.6.1 Penentuan Parameter Kontroler PI dengan Metode Root Locus ....................... 40

BAB IV ............................................................................................................................... 49

4.1 Pengujian diluar lapangan dengan single kontroler .................................................. 50

4.2 Pengujian diluar lapangan dengan kontrol kaskade .................................................. 50

4.3 Pengujian dilapangan dengan single kontroler ......................................................... 51

4.4 Pengujian dilapangan dengan kontrol kaskade ......................................................... 52

BAB V ................................................................................................................................. 55

5.1 Kesimpulan ............................................................................................................... 55

5.2 Saran ......................................................................................................................... 55

DAFTAR PUSTAKA ........................................................................................................ 57

Lampiran 1 ......................................................................................................................... 59

Lampiran 2 ......................................................................................................................... 69

Lampiran 3 ......................................................................................................................... 74

Lampiran 4 ......................................................................................................................... 75

Lampiran 5 ......................................................................................................................... 87

Lampiran 6 ......................................................................................................................... 88

Lampiran 7 ......................................................................................................................... 90

Lampiran 8 ......................................................................................................................... 94

vi

DAFTAR GAMBAR

Gambar 2. 1 Arena KRPAI level 1 ........................................................................................ 4

Gambar 2. 2 Arena KRPAI level 2 ........................................................................................ 4

Gambar 2.3 Arduino Mega 2560 ........................................................................................... 5

Gambar 2.4 Elemen-Elemen Dasar Motor DC ...................................................................... 7

Gambar 2.5 Rangkaian ekuivalen motor DC magnet permanen ........................................... 8

Gambar 2.6 Diagram blok lup tertutup .................................................................................. 8

Gambar 2.7 Konfigurasi Pin IC L298N .............................................................................. 10

Gambar 2. 8 Roda Omni ...................................................................................................... 10

Gambar 2.9 Sensor Ultrasonik HC-SR04 ............................................................................ 11

Gambar 2. 10 Rotary Encoder Pada GM25-370CA-EN ..................................................... 11

Gambar 2.11 Register Geser 5 Bit dengan umpan balik ..................................................... 13

Gambar 2.12 Blok Diagram Kontroler Proportional ........................................................... 15

Gambar 2.13 Blok Diagram Kontroler Integral................................................................... 16

Gambar 2.14 Blok diagram kontroler PID .......................................................................... 17

Gambar 2.15 Sistem Kendali Loop Tertutup....................................................................... 18

Gambar 2.16 Sistem Kontrol Kaskade ................................................................................ 20

Gambar 2.17 Kurva respon tangga satuan yang menunjukkan td,tr,tp,Mp, dan ts.............. 21

Gambar 3.1 Perubahan kecepatan motor DC terhadap perubahan tegangan ...................... 26

Gambar 3.2 Tegangan keluaran mikrokontroler dengan input duty cycle .......................... 28

Gambar 3.3 perubahan kecepatan motor DC terhadap pwm ............................................... 29

Gambar 3.4 Skema Penentuan Fungsi Alih Motor DC GM25-370CA-EN ........................ 31

Gambar 3.5 Input dan Output Sinyal PRBS ........................................................................ 32

Gambar 3.6 System Identification Toolbox ........................................................................ 32

Gambar 3.7 Hasil Estimasi Model ....................................................................................... 32

Gambar 3.8 Respon fungsi alih kecepatan motor DC dengan masukan unit step ............... 33

Gambar 3.9 Nilai Rise Time fungsi alih kecepatan motor DC dengan masukan unit step . 34

Gambar 3.10 Nilai Settling Time fungsi alih kecepatan motor DC dengan masukan unit

step ....................................................................................................................................... 34

Gambar 3.11 Respon fungsi alih posisi dengan masukan unit step..................................... 36

Gambar 3.12 Nilai Rise Time fungsi alih posisi dengan masukan unit step ....................... 36

Gambar 3.13 Nilai Settling Time fungsi alih kecepatan motor DC dengan masukan unit

step ....................................................................................................................................... 37

Gambar 3.14 Robot Beroda 4 Omni .................................................................................... 37

Gambar 3.15 Peletakan Motor Robot Beroda 4 Omni ........................................................ 37

Gambar 3.17 Blok diagram elektrik sistem ......................................................................... 39

Gambar 3.18 Flowchart keseluruhan sistem ....................................................................... 40

vii

Gambar 3.19 Desain Kurva Root Locus pada kontrol kecepatan robot .............................. 42

Gambar 3.20 Desain Kurva Root Locus pada kontrol posisi robot ..................................... 42

Gambar 3.20 Grafik Output Plant setelah diberi kontroler PI pada kontrol kecepatan ....... 44

Gambar 3.21 Grafik Output Plant setelah diberi kontroler PI pada kontrol kecepatan ....... 46

Gambar 4.1 Gambar lapangan pengujian ............................................................................ 49

Gambar 4.2 Gambar Robot .................................................................................................. 50

Gambar 4.3 Data kecepatan motor pengujian diluar lapangan dengan single kontroler ..... 50

Gambar 4.4 Data kecepatan motor pengujian diluar lapangan dengan kontrol kaskade ..... 51

Gambar 4.5 Data kecepatan motor pengujian pada lapangan dengan single kontroler ....... 51

Gambar 4.6 Data sensor ultrasonic B pengujian pada lapangan dengan single kontroler ... 52

Gambar 4.7 Data kecepatan motor pengujian pada lapangan dengan kontrol kaskade ...... 52

Gambar 4.8 Data sensor ultrasonic B pengujian pada lapangan dengan kontrol kaskade .. 53

viii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1 Spesifikasi Hardware Arduino Mega 2560 ........................................................... 5

Tabel 2.2 Absolute Maximum Rating Pin IC L298 .............................................................. 9

Tabel 2.3 Variasi Panjang Sekuensial PRBS ...................................................................... 12

Tabel 3.1 Hasil Pengujian Motor GM25-370CA-EN .......................................................... 25

Tabel 3.2 Tegangan keluaran driver motor (L298N dual H-bridge) dengan input duty

cycle ..................................................................................................................................... 27

Tabel 3.3 Perubahan kecepatan motor DC terhadap pwm .................................................. 29

Tabel 3.4 Perbandingan jarak keluaran HC-SR04 dengan jarak sebenarnya. ..................... 30

Tabel 3.5 Nilai parameter KP dan KI pada kontrol kecepatan dengan S1=-9.88 ............... 44

Tabel 3.6 Nilai parameter KP dan KI pada kontrol posisi dengan S1=-1.9 ........................ 46

ix

x