Pengaturan Formasi Menggunakan Pendekatan Leader - Follower pada Sistem Multi Robot

Transkripsi

1 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 6, No. 1, (017) ISSN: ( Pint) A-9 Pengatuan Fomasi Menggunakan Pendekatan Leade - Followe pada Sistem Multi Robot Hais Ti Rahmanto dan Achmad Jazidie Juusan Teknik Elekto, Fakultas Teknologi Industi, Institut Teknologi Sepuluh Nopembe (ITS) Jl. Aief Rahman Hakim, Suabaya hais.ti13@mhs.ee.its.ac.id, jazidie@ee.its.ac.id Abstak Sistem multi obot dapat didefinisikan sebagai kumpulan obot yang bekoodinasi melalui sistem komunikasi untuk melakukan tugas koopeatif tetentu. Penggunaan multi obot secaa tekoodinasi memungkinkan pencapaian tugas yang lebih kompleks. Efisiensi penyelesaian tugas pada sistem multi obot dapat ditingkatkan dengan menggunakan fomasi. Pengatuan fomasi pada sistem multi obot dapat diselesaikan dengan menggunakan pendekatan leade-followe. Leade sebagai pusat koodinasi sedangkan followe mengikuti leade dengan jaak dan oientasi elatif yang telah ditentukan. Peneapan fomasi pada lingkungan tidak testuktu tedapat intangan yang memungkinkan fomasi tidak tebentuk sesuai dengan yang diinginkan. Pendekatan leade-followe memiliki kelemahan jika leade menghadapi intangan maka keseluuhan obot dapat teganggu. Bedasakan kelemahan tesebut, leade haus dapat menghindai intangan. Penelitian ini menggunakan kontole tacking dan kontole menghindai intangan dengan algoitma fuzzy. Peneapan kontole tacking pada sistem multi obot betujuan membentuk fomasi. Sistem dengan kontole yang diusulkan tesebut mampu membentuk fomasi sesuai spesifikasi yang dibeikan sekaligus menghindai intangan. Kata Kunci Pengatuan fomasi, Leade-followe, Mobile obot, Logika fuzzy I. PENDAHULUAN ISTEM multi obot dapat didefinisikan sebagai Skumpulan obot yang bekoodinasi melalui sistem komunikasi untuk melakukan tugas koopeatif tetentu. Penggunaan multi obot secaa tekoodinasi memungkinkan pencapaian tugas yang lebih kompleks. Setiap obot tidak haus memiliki kemampuan sangat lengkap, kaena masingmasing obot dapat memfokuskan untuk menyelesaikan tugas tetentu [1]. Pengatuan fomasi meupakan bagian yang penting ketika bekeja dengan sistem yang melibatkan multi obot. Sistem multi obot begeak dalam fomasi memungkinkan satu pengguna untuk mengatu seluuh kelompok tanpa menentukan secaa langsung peintah untuk masing-masing obot. Dalam pengembangan pengatuan fomasi, dipekenalkan pendekatan leade-followe dimana tedapat dua pean leade dan followe. Robot leade menentukan jalu yang akan dilalui. Robot followe mengikuti obot leade dengan menjaga bentuk fomasi yang diinginkan. Telah diancang algoitma mempetahankan bentuk fomasi ketika menghadapi intangan. Algoitma tesebut menggunakan dua kontole yaitu, menghindai intangan dan tacking []. Penggunaan pendekatan leade-followe dengan konsep umpan balik visual yang dipekenalkan oleh Das et al. Kontole yang digunakan ada dua, kontole sepaationbeaing dan kontole sepaation-sepaation. Pada kontole sepaation-beaing obot followe mengikuti satu obot leade dengan jaak dan oientasi elatif tetentu. Di sisi lain, pada kontole sepaation-sepaation obot followe mengikuti dua obot leade dengan jaak dan oientasi elatif tetentu [3]. Pendekatan leade-followe menggunakan kontole PID telah dikejakan oleh In-Sung Choi. Pada penelitiannya obot dilengkapi dengan senso. Akan tetapi, infomasi yang dipeoleh dai senso teganggu oleh noise. Oleh kaena itu, fomasi tidak dapat tebentuk sesuai dengan yang diinginkan. Dengan menggunakan kontole PID kesalahan akibat noise dapat teselesaikan. Telah dibuktikan dengan menggunakan kontole PID kesalahan posisi obot bekuang [4]. Kelemahan dalam peneapan leade-followe yaitu jika tejadi gangguan tehadap obot leade maka keseluuhan obot akan meneima dampak dai gangguan tesebut. Pegeakan dai obot leade tidak begantung dengan followe. Jika obot leade mengalami gangguan maka followe akan teganggu. Tidak ada sistem umpan balik antaa followe dengan leade. Oleh kaena itu, leade tidak dapat dibiakan mengalami gangguan [3], [5], [6]. Gangguan intangan dapat teselesaikan dengan peubahan pean leade dan followe. Ketika leade mengalami gangguan, peannya akan beganti sementaa menjadi followe dan followe menjadi leade [7]. Di sisi lain, keunggulan dalam peneapan leade-followe dapat menguangi pemasalahan tacking dimana leade mengikuti tujuan kelompok, sedangkan followe mengikuti jejak leade [6]. Selain pendekatan leade followe, dipekenalkan juga pendekatan vitual stuctue yang mengasumsikan titik vitual sebagai vitual leade. Pada pendekatan ini, infomasi dai masing-masing obot yang beupa posisi dan oientasi akan diolah teus-meneus untuk mengetahui pefoma titik vitual. Implementasi obot dalam jumlah besa membutuhkan bandwidth yang besa [1]. Petandingan obot sepak bola meupakan salah satu aplikasi sistem multi obot. Setiap obot sepak bola membutuhkan kemampuan bekoodinasi untuk menyelesaikan tugasnya. Dengan menggunakan fomasi obot dapat meningkatkan peluang untuk menang dan menguangi gangguan yang mungkin tejadi anta obot [8]. Lingkungan yang tidak testuktu dimana tedapat intangan statis maupun dinamis. Oleh kaena itu obot haus memiliki kemampuan mempetahankan bentuk fomasi. Pada kondisi tesebut, pada penelitian ini dilakukan peancangan kontole tacking dan menghindai intangan untuk mengatu fomasi obot aga saat menghadapi intangan obot dapat menghindai intangan dan membentuk fomasi sesuai yang diinginkan. Pembahasan dalam makalah ini meliputi bebeapa bagian. Bagian II membahas mengenai model kinematik obot.

2 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 6, No. 1, (017) ISSN: ( Pint) A-30 Bagian III membahas poses peancangan kontole tacking dan kontole menghindai intangan. Pada bagian IV dibahas hasil pengujian sistem dan analisisnya. Bagian V memapakan kesimpulan yang dipeoleh dai penelitian yang telah dilakukan. II. MODEL KINEMATIK A. Model Kinematik Robot Kinematik dalam obotika adalah suatu bentuk penyataan geometis yang beisi deskipsi matematik dai suatu stuktu obot. Model kinematik dapat dipeoleh hubungan antaa konsep koodinat sendi dengan koodinat katesian [9]. Penelitian ini menggunakan mobile obot yang memiliki dua oda kanan-kii dengan kemudi tepisah (diffeentialy diven mobile obot, disingkat DDMR), sepeti diilustasikan pada Gamba 1. R L (3) b Kecepatan angula oda obot dapat dipeoleh dengan Pesamaan (4) dan (5) b v L (4) b v R (5) Bedasakan Pesamaan () dan (3), subtitusi Pesamaan (4) dan (5) ke Pesamaan (1) dipeoleh R cos x R y sin R b L cos L R sin L L b (6) Gamba 1. DDMR pada medan D Catesian Bedasakan pada Gamba 1 leba mobile obot adalah dan adalah jai-jai oda. Koodinat global dinotasikan dengan,, dan koodinat lokal yang tepusat pada obot dinotasikan,. Titik pusat koodinat lokal beada pada titik pusat masa obot dengan koodinat,. Titik pusat massa obot adalah. Jaak antaa dengan adalah. Model kinematik obot dipeoleh sesuai dengan pada [10] x cos 0 v y sin (1) B. Model Kinematik Pendekatan Leade-Followe Leade-followe pada Gamba menggunakan DDMR. Pada koodinat katesian, leade memiliki koodinat,, dan followe,, di belakang leade. Leade dan followe tepisah dengan jaak, yang didefinisikan gais luus antaa titik pusat obot leade dengan followe. Nilai dapat dipeoleh dengan Pesamaan (7) x x y y L F L F (7) Dan, sudut antaa pegeakan followe dengan obot leade didefinisikan dengan yang dapat dipeoleh dengan Pesamaan (8). 1 y L yf tan F xl x (8) F Dai Pesamaan (1) diasumsikan bahwa dan menyatakan kecepatan angula oda kii dan oda kanan. Hubungan antaa kecepatan angula dan kecepatan linie obot dapat diketahui dengan Pesamaaan () dan (3). v R v v L RR LL R L () Dan v vl b RR L b R L Gamba. Diagam leade-followe Sistem memelukan vaiabel sudut yang dapat menghubungkan oientasi leade dengan pegeakan followe dan gais, yaitu F L (9)

3 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 6, No. 1, (017) ISSN: ( Pint) A-31 Model kinematik cos 0 cos 0 sin v F sin vl 1 0 (10) F L sin sin 0 1, dan meepesentasikan model kinematik untuk meancang sistem pengatuan obot. Tujuan akhi dai kontole adalah untuk mempeoleh kecepatan linie dan kecepatan sudut followe sehingga dapat mengikuti leade dan menjaga jaak dan oientasi elatif yang konstan. Robot followe tacking obot leade memelukan dua vaiabel, jaak leade dengan dan. Apabila dinotasikan sebagai jaak yang diinginkan ataa kedua obot dan sudut antaa pegeakan followe dengan yang diinginkan. Spesifikasi yang diinginkan adalah kesalahan sistem mendekati 0, sehingga sinyal kontol dapat dipeoleh dengan Pesamaan (11). k 0 0 d k d (11) k adalah paamete penguat positif yang dapat membuat sistem stabil. Tahap selanjutnya adalah mempeoleh nilai dan followe dengan menggunakan Pesamaan (11). Subtitusi Pesamaan (11) ke Pesamaan (10) dan menghilangkan bagian pesamaan akan dipeoleh dan sesuai dengan yang ada pada [1]. 1 v F v L 0 cos 0 cos sin tan F 0 1 L (1) Tahap teakhi adalah konvesi vaiabel,, ke dalam koodinat katesian,,. Nilai,, dapat dipeoleh dengan xf xl cos F yf yl sin F F L (13) Gamba menunjukan diagam blok pendekatan leadefollowe dengan satu followe sesuai dengan [11]. Gamba 3. Diagam blok pendekatan leade-followe III. PERANCANGAN KONTROLER Pada subab ini, diancang dua kontole yaitu kontole tacking dan kontole menghindai intangan. Kontole tacking menggunakan kontole poposional (P) dimana paamete penguat poposional (Kp) ditentukan menggunakan logika fuzzy. Diancangan dua kontole tacking yang memiliki dua tujuan yaitu, kontole tacking GTT digunakan pada obot leade untuk menentukan tayektoi menuju taget. Kedua, kontole tacking leade digunakan pada pendekatan leade-followe untuk obot followe. A. Kontole Tacking GTT Kontole ini betujuan aga obot dapat menghampii posisi taget yang telah ditentukan. Blok diagam algoitma GTT dapat dilihat pada Gamba 4. Ilustasi algoitma GTT pada obot sebenanya dapat dilihat pada Gamba 5. Gamba 4. Blok diagam algoitma GTT Posisi taget dapat tecapai dengan mengatu oientasi obot mengaah ke taget sesuai dengan yang diilustasikan Gamba 5Gamba. Dengan diketahui posisi obot,, kesalahan sudut antaa posisi obot dengan posisi taget, dapat dipeoleh dengan eo y y t t ag et obot actan obot xt x (14) Gamba 5. Ilustasi GTT Kontole tacking menggunakan kontole P. Penentuan paamete kontole P dapat dipeoleh secaa analitis atau menggunakan atuan Ziegle-Nichols, Cohen- Coon, logika fuzzy dll. Pada penelitian ini paamete kontole P dipeoleh menggunakan logika fuzzy. Vaiabel masukan yang digunakan pada algoitma ini adalah selisih oientasi taget dan peubahan selisih oientasi antaa obot dengan sudut taget. Fungsi keanggotaan (membeship function) dai masukan selisih oientasi taget dan peubahan selisih oientasi dibagi menjadi 7 himpunan yaitu, NB (negative big), NM (negative middle), NS (negative small), ZO (zeo), PS (positive small), PM (positive middle), dan PB (positive big). Setting algoitma penalaan paamete Kp dengan menggunakan fuzzy adalah sepeti pada Gamba 6.

4 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 6, No. 1, (017) ISSN: ( Pint) A-3 Gamba 6. Diagam blok penalaan paamete Kp dengan logika fuzzy Fungsi keanggotaan dai dan memiliki entang nilai {-180,180} dan {-30,30} yang dapat dilihat pada Gamba 7 dan Gamba 8. B. Kontole Tacking Leade Vaiabel masukan yang digunakan pada algoitma ini adalah kesalahan sudut dan kesalahan jaak antaa followe dengan leade. Fungsi keanggotaan (membeship function) dai masukan kesalahan sudut dibagi menjadi 7 himpunan yaitu, NB (negative big), NM (negative middle), NS (negative small), ZO (zeo), PS (positive small), PM (positive middle), dan PB (positive big). Fungsi keanggotaan kesalahan sudut dibagi menjadi himpunan Jauh dan Dekat. Pada Gamba 10 dan Gamba 11 dapat dilihat fungsi keanggotaan masukan kesalahan sudut dan kesalahan jaak yang memiliki entang nilai 180,180 dan 0,10. Gamba 7. Fungsi keanggotaan masukan Gamba 10. Fungsi keanggotaan masukan kesalahan sudut Gamba 8. Fungsi keanggotaan masukan Sebagai keluaan sistem fuzzy yaitu beupa pamete Kp yang ditunjukkan pada Gamba 9. Fungsi keanggotaan dai keluaan paamete Kp dibagi menjadi 5 himpunan yaitu, S (small), M (medium), B (Big) dan VB (Vey Big). Gamba 11. Fungsi keanggotaan masukan kesalahan jaak Keluaan logika fuzzy yaitu beupa pamete Kp yang ditunjukkan pada Gamba 1. Fungsi keanggotaan keluaan paamete Kp dibagi menjadi 3 himpunan yaitu, S (small), dan B (Big) Setting algoitma penalaan paamete Kp dengan menggunakan fuzzy adalah sepeti pada Gamba 13. Gamba 9. Fungsi keanggotaan keluaan Kp Dai kedua masukan tedapat 49 ule yang diepesentasikan pada Tabel 1 sesuai dengan makalah [11]. Tabel 1. Rule base penalaan paamete Kp untuk kontole tacking GTT NB NM NS ZO PS PM PB NB VB VB B B M S S NM VB VB B M M S M NS VB VB M M S M M ZO B B M S M M B PS M M S M M B B PM M S M B B B VB PB S S B B B VB VB Dai Tabel dipeoleh if benilai NB dan benilai NB, than Kp benilai PB, dan seteusnya. Gamba 1. Fungsi keanggotaan keluaan Kp Gamba 13. Diagam blok penalaan paamete Kp dengan logika fuzzy Dai kedua masukan tedapat 14 ule yang diepesentasikan pada Tabel.

5 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 6, No. 1, (017) ISSN: ( Pint) A-33 Tabel. Rule base penalaan paamete Kp untuk kontole tacking e sudut Jaak NB NM NS ZO PS PM PB Jauh B B M S M B B Dekat B B B M B B B C. Kontole Menghindai Rintangan Peancangan kontole menghindai intangan menggunakan logika fuzzy yang ditanam ke seluuh obot. Apabila obot leade mendeteksi intangan, obot akan menghindainya kemudian membentuk kembali fomasi yang sudah ditentukan. Begitu pula obot dengan followe. Pada lingkungan tidak testuktu tedapat intangan yang memungkinkan mengganggu leade. Oleh kaena itu, dengan menggunakan algoitma fuzzy untuk mempekiakan kecepatan angula sehingga intangan dapat dihindai. Ilustasi posisi obot, intangan dan titik tujuan dapat dilihat pada Gamba 14. Gamba 16. Fungsi keanggotaan masukan jaak Gamba 17. Fungsi keanggotaan masukan oientasi obot Gamba 14. Ilustasi posisi obot, intangan, dan tujuan Jaak antaa obot dengan intangan dapat dipeoleh bedasakan koodinat masing-masing. Nilai jaak dan posisi intangan dapat dipeoleh dengan menggunakan Pesamaan (15) dan Pesamaan (16). X X Y Y o o D (15) 1 Yo Y o tan X o X obot (16) D adalah jaak antaa posisi obot, dengan posisi intangan,. Gamba 18. Fungsi keanggotaan keluaan aah obot Dai kedua masukan tedapat 1 ule yang diepesentasikan pada Tabel 3. Tabel 3. Rule base menghindai intangan Posisi intangan KB K KD KiD Ki KiB Jaak Rintangan Small SP MP LP LN MN SN Medium SP SP MP MN SN SN Pada Tabel menunjukan if jaak intangan small and posisi intangan KB than omega SP dan seteusnya. Gamba 15. Diagam blok kontole menghindai intangan Pada penelitian ini, jaak tejauh yang dipekiakan adalah 60 cm. Fungsi keanggotan untuk masukan jaak intangan adalah small, dan medium yang dapat dilihat pada Gamba 16. Posisi intangan diepesentasikan benilai antaa sampai dengan dengan fungsi keanggotaan kanan besa (KB), kanan (K), kanan dekat (KD), kii dekat (KiD), kii (Ki) dan kii besa (KiB) yang dapat dilihat pada Gamba 17. Omega adalah fungsi keanggotaan keluaan logika fuzzy, yang meepesentasikan sebeapa besa sudut untuk meubah aah geak obot untuk menghindai intangan. Fungsi keanggotaan aah obot dinotasikan dengan lage negatif (LN), medium negatif(mn), small negatif (SN), small positif (SP), medium positif (MP) dan lage positif (LP) yang dapat dilihat pada Gamba 18. IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS Pengujian dilakukan dengan membei taget pada koodinat (130,30) dengan posisi stat obot leade (0,100) dan aah hadap awal obot leade 0. Keadaan awal obot followe dibeikan dan posisi awal (5,5) dan aah hadap awal 180. Pengujian ini betujuan untuk mengetahui kemampuan obot dalam mempetahankan fomasi sekaligus menghindai intangan. A. Simulasi Leade-Followe Pengujian dilakukan dengan membei spesifikasi fomasi 30 dan 0 yang membentuk fomasi bebanja. Setting pengujian sistem dengan kontole P- fuzzy adalah sepeti pada Gamba 13. Tayektoi obot dapat dilihat pada Gamba 19.

6 JURNAL TEKNIK ITS Vol. 6, No. 1, (017) ISSN: ( Pint) A-34 Koodinat Y (cm) Kesalahan jaak (cm) Gamba 3 Kesalahan jaak anta obot Gamba 19. Tayektoi hasil pengujian GTT-PLF dengan Rintangan Hasil yang dipeoleh fomasi dapat dibentuk dengan kesalahan menuju nol sesuai pada Gamba 0 dan Gamba 1. Gamba 0. Kesalahan jaak anta obot Gamba Kesalahan oientasi elatif nta obot V. KESIMPULAN Bedasakan penelitian yang telah dilakukan dapat disimpulkan bahwa sistem pengatuan fomasi lingkungan tidak testuktu, dimana beubah sewaktu-waktu tanpa dapat dipediksi. Kondisi tesebut dapat diatasi dengan pendekatan leade-followe. Kontole tacking dan kontole menghindai intangan yang diteapkan pada penelitian ini dapat bekeja sesuai tujuan peancangan yaitu pada saat tedapat intangan, obot dapat mempetahankan bentuk fomasi. Poses menghindai intangan disini ditunjukkan dengan obot yang begeak menjauhi intangan hingga kemudian kembali menuju ke taget yang telah ditentukan Waktu (detik) Gamba 1. Kesalahan oientasi elatif anta obot B. Simulasi Leade-Followe dengan Rintangan Begeak Pada pengujian kali ini kontole menghindai intangan dikombinasikan dengan kontole tacking untuk masingmasing obot dengan haapan, fomasi dapat dipetahankan meskipun tedapat intangan yang dihadapi. Pengujian dilakukan dengan membei spesifikasi fomasi 30 cm dan 3 ad dan intangan begeak bepapasan dengan obot leade. Setting pengujian dengan kontole P- fuzzy dan kontole menghindai intangan sepeti pada Gamba 15. Hasil pengujian menunjukan fomasi dapat dipetahankan yang dapat dilihat pada Gamba 0. Koodinat Y (cm) Gamba. Tayektoi hasil pengujian GTT-PLF dengan Rintangan DAFTAR PUSTAKA [1] Y. Q. Chen and Z. Wang, "Fomation Contol: A Review and A New Consideation," in Poceedings of Intenational Confeence on Intelligent Robots and Systems, 005. [] J. Shao, G. Xie, J. Yu and L. Wang, "Leade-following Fomation Contol of Multiple Mobile Robots," in IEEE Intenational Symposium on Intelligent Contol, Limassol, 005. [3] A. K. Das, R. F. V. K. J. P. Ostowski, J. Spletze and C. J. Taylo, "A Vision-Based Fomation Contol Famewok," in IEEE Tansactions on Robotics and Automation, 00. [4] I.-S. Choi and J.-S. Choi, "Leade-Followe Fomation Contol Using PID Contolle," in ICIRA 01, 01. [5] D. Necsulescu, E. Pune, J. Sasiadek and B. Kim, "Contol of Nonholonomic Autonomous Vehicles and Thei Fomations," in IFAC/IEEE 15th Int Conf. Methods and Models in Automation and Robotics MMAR, Miedzyzdoje, 010. [6] K. Kanjanawanishkul, Fomation Contol of Mobile Robots: Suvey, eng.ubu.ac.th, 005, pp [7] R. M. K. Chetty, M. Singapeumal and T. Nagaajan, "Distibuted Fomation Planning and Navigation Famewok fo Wheeled Mobile Robots," Jounal of Applied Sciences, vol. 11, no. 9, pp , 011. [8] T.-Y. Tsou, C.-H. Liu and Y.-T. Wang, "Tem Fomation Contol of Socce Robot Systems," in Intenational Confeence on Netwoking, Sensing & Contol, Taipei, Taiwan, 004. [9] E. Pitowano, Robotika, Desain, Kontol, dan Kecedasan Buatan, Yogyakata: Andi Offset, 006. [10] T. Fukao, H. Nakagawa and N. Adachi, "Adaptive Tacking Contol of a Nonholonomic Mobile Robot," in IEEE Tansactions on Robotics and Automation, 000. [11] E. Pune, D. Necsulescu, J. Sasiadek and B. Kim, "Contol of Decentalized Geometic Fomations of Mobile Robots," in IFAC/IEEE 15thInt Confeence on Methods and Models in Automation and Robotics MMAR, Miedzyzdoje, 010. [1] A. Ćosić, M. Šušić, S. Gaovac and D. Katić, "An Algoithm fo Fomation Contol of Mobile Robots," Sebian Jounal of Electical Engineeing, vol. 10, no. 1, pp. 59-7, Febuay 013.