PENGEMBANGAN MOBILE ROBOT KENDALI JARAK JAUH

Transkripsi

1 PENGEMBANGAN MOBILE ROBOT KENDALI JARAK JAUH TUGAS AKHIR Diajukan sebagai syarat untuk menyelesaikan studi tingkat sarjana di Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung Oleh: HARRI SAPTO WIJAYA PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007

2 PENGEMBANGAN MOBILE ROBOT KENDALI JARAK JAUH TUGAS AKHIR Diajukan sebagai syarat untuk menyelesaikan studi tingkat sarjana di Program Studi Fisika, Institut Teknologi Bandung Oleh: HARRI SAPTO WIJAYA Telah diperiksa dan disahkan oleh Pembimbing Tugas Akhir, Dr.-Ing. Mitra Djamal NIP: PROGRAM STUDI FISIKA FAKULTAS MATEMATIKA DAN ILMU PENGETAHUAN ALAM INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2007 ii

3 Abstrak Unmanned vehicle, dalam bentuk mobile robot, banyak digunakan untuk kepentingan eksplorasi dan monitoring. Robotika juga merupakan bidang yang banyak dikembangkan dengan trend seiring dengan perkembangan ilmu komputer sehingga memerlukan pula pemrosesan data tingkat tinggi (banyak data dan proses cepat). Mikrokontroller umumnya tidak memiliki memori dan MIPS (juta instruksi per detik) yang cukup memadai untuk melakukan pemrosesan data tingkat tinggi, tetapi komputer cukup berat untuk dibawa oleh robot kecil. Oleh karena itu dalam tugas akhir ini dikembangkan robot dengan sistem teleprocessing, yakni robot hanya mengeksekusi gerak motorik sedangkan pengolahan data dilakukan pada komputer yang terpisah dari robot. Sistem robot yang dibangun terdiri dari (i) komputer pusat beserta perangkat lunak dan keras untuk antarmuka ke modul pemancar RF, (ii) robot yang terdiri dari badan yang mampu mengarungi permukaan tidak rata, penerima RF, pengontrol motor DC, catu daya, dan kamera nirkabel pemancar. Pengujian dilakukan untuk mengetahui performa robot dan kemampuan untuk melakukan tele-processing. Robot dapat dikendalikan sampai jarak 44.8 meter dalam ruang terbuka, juga berhasil mendaki bidang miring hingga 22.2 dan anak tangga setinggi 2.7 cm. Untuk menguji kemampuan tele-processing, dibuat program untuk robot pengikut garis hitam dan pengikut posisi bola merah berbasis citra kamera. Robot berhasil mengikuti garis hitam, juga mengikuti posisi bola merah dari latar belakang empat bola warna lain. Kata kunci : mobile robot, telemetri, pengolahan citra. iii

4 Abstrack Unmanned vehicle, in mobile robot manifestation, is widely used in monitoring and exploration purpose. Also robotics is widely developed field that grow in computer science trend so that it needs high level data processing (many data and fast processing). Generally microcontroller has not enough memory and MIPS (million instructions per second) to perform high level data processing, but a computer is so weight to be embedded into small robot. Therefore, tele-processing robot has been developed in this final project; robot only process motoric motion while data processing is done in separated computer. Developed robot system consist of (i) host computer with interface hardware and software to the RF transmitter, and (ii) the robot, it consist of body that capable to crossing the rough surface, RF receiver, DC motor controller, power supply, and transmitter wireless camera. Testing had been done to obtain information about robot s performance and to test teleprocessing ability. Robot can be controlled up to 44.8 m in open space, able to ascend diagonal plane up to 22.2 in elevation and stair-case up to 2.7 cm in height. Program base on image processing for black line follower robot and red ball follower robot had been made to test the tele-processing ability. Robot follows black line and red ball successfully with other four colored balls in background. Keywords : mobile robot, telemetry, image processing. iv

5 Kata Pengantar Alhamdulillahhirobbil aalamiin, segala puji hanya milik Alloh s.w.t., atas kekuatan darinya-lah penulis berhasil menyelesaikan tugas akhir ini. Tugas akhir ini dibuat dalam rangka memenuhi persyaratan akademis bagi tiap mahasiswa Program Studi Fisika, FMIPA, ITB sebagai persyaratan kelulusan pendidikan tahap sarjana. Dalam tugas akhir ini, penulis berusaha membuat rancangan sistem mobile robot kendali jarak jauh dan mengimplementasikan rancangan tersebut. Kendali jarak jauh di sini mengandung makna bahwa robot hanya mengeksekusi gerak motorik, sedang seluruh proses pengolahan data dilakukan di komputer terpisah melalui komunikasi nirkabel. Tanpa membenarkan segala tindakan pencontekan, penulis melampirkan seluruh kode program yang digunakan dalam tugas akhir ini demi pengembangan berkelanjutan, meliputi program pada mikrokontroller robot, kendali manual, pengikut garis, dan pengikut bola merah. Mimpi besar tidak terwujud dalam sehari dua hari. Penulis berharap bahwa tugas akhir yang dibuat ini menjadi titik awal pengembangan berkelanjutan untuk menghasilkan mobile robot yang benar-benar dapat diaplikasikan dalam dunia nyata sebagai unmanned vehicle untuk diambil manfaatnya, bukan sekadar riset untuk kesenangan saja. Masih banyak modul yang perlu ditambahkan pada mobile robot ini. Bandung, 26 September 2007 Harri Sapto Wijaya v

6 Ucapan Terimakasih Banyak pihak yang telah membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhir ini, baik langsung ataupun tidak. Untuk itu, penulis menyampaikan rasa terima kasih yang mendalam kepada : 1. Mamah dan Bapa, entah apa yang harus diucapkan untuk mengungkapkan terima kasih atas jerih payah mereka dalam mendidik dan membesarkan penulis. Ya Alloh, ampunilah dosa-dosa mereka dan bahagiakanlah mereka. 2. Dr.-Ing. Mitra Djamal, selaku pembimbing tugas akhir, atas bimbingan dan arahannya. Serta jasanya dalam membantu mempublikasikan hasil kerja penulis. 3. Dr.Eng. Suprijadi Haryono dan Dr.Eng. Enjang Jaenal Mustopa, selaku dosen penguji tugas akhir, atas saran-saran perbaikan yang amat berharga. 4. Program Kreativitas Mahasiswa DIKTI yang telah mengabulkan proposal yang diajukan penulis dan rekan-rekan untuk mendanai tugas akhir ini. 5. Enéng sayang, atas semangat, inspirasi, dan berbagi suka duka. Yang, antosan Harri, sakedap deui. 6. Teman-teman satu tim. Ferdi, atas masa-masa mengarungi Bandung untuk mencari komponen, Hafidz dan Martin, sehingga memudahkan tugas akhir penulis. 7. Teman-teman Lab ELKA. Terutama Kang Miftah yang pertama kali mengajari penulis tentang mikrokontroller dan atas petuahnya. Kang Habib yang memperkenalkan dan melibatkan penulis dalam bidang mobile robot. Kang Asep atas informasinya. Aah, Yanwar, Heri : (teman-teman lq), Suryadi, Sandy, Anissa (thanks kameranya), Ichee, Opik, Zamzam, Erik, Yusuf, Rani, Ria, Indri, Zaky, Nur, Sopian, Atep Cuz. Mas Aris, Kang Jojo (saur saur!), Kang Arif, Kang Mars, Kang Fathi, Kang Fatahah (atas konsultasinya), Mas Yatno (atas kebersamaannya), Uda Rahmon (atas pinjaman alatalatnya). Mas Adimas, Kang Farid, Uda Wisnu. Dan lain-lain yang tidak bisa disebutkan satu per satu, baik yang masih di lab atau yang sudah berpetualang. 8. Pa Ohin dan Pa Dadang, atas berbagi cerita dan pinjaman alat-alatnya. Juga Pa Yeye atas bantuan administrasinya. 9. Teman-teman Fisika 2003, MAIFI, HIMAFI, dan KRiM-AT, atas dukungannya. Izul (dengan idealismenya), Puput (ndut), Maureen, Mamal, Hani, Deby, Au, Agus, Rena (dodol sekali), dan orang-orang aneh lain yang akan menambah banyak jumlah halaman ini jika disebutkan satu per satu. vi

7 10. Teman-teman Fisika ITB atas dukungannya. Rifky, Akfiny, Izul (gedé), dan lain-lain. 11. Teman-teman seperjuangan di PIMNAS Lampung atas apresiasinya terhadap robot yang penulis buat. Imam, Tegar, Suci, Gia, Dwi, Nuranti, Tommy, Crot, Echa, Do, Ti, Aji, Indra, Zane, Dody, Pa Caska, dan lain-lain. 12. Teman-teman SMUN 1 Sumedang di Bandung, melihat kalian penulis termotivasi. Septian PN 03, Shifa KI 03, Asep POLBAN, Asep Candra UNPAD, dan lain-lain. 13. Semua pihak yang sulit dicantumkan satu per satu di sini. Thanks for all. vii

8 Daftar Isi ABSTRAK...III KATA PENGANTAR...V UCAPAN TERIMAKASIH... VI DAFTAR ISI...VIII DAFTAR GAMBAR... IX DAFTAR TABEL... XI BAB I. PENDAHULUAN... 1 I.1. LATAR BELAKANG... 1 I.2. RUMUSAN MASALAH... 1 I.3. RUANG LINGKUP KAJIAN... 1 I.4. TUJUAN... 2 I.5. METODOLOGI... 2 I.6. SISTEMATIKA PENULISAN... 2 BAB II. MOBILE ROBOT DAN KOMPONENNYA... 4 II.1. TIPE-TIPE ROBOT... 4 II.2. SISTEM KEMUDI MOBILE ROBOT... 5 II.3. MIKROKONTROLLER... 6 II.4. ANTARMUKA KOMPUTER II.5. SISTEM TELEMETRI RADIO II.6. PENGOLAHAN CITRA BAB III. IMPLEMENTASI ROBOT KENDALI JARAK JAUH III.1. DISAIN GLOBAL III.2. RANGKA ROBOT III.3. PENGONTROL PUSAT III.4. SISTEM TELEMETRI RADIO DAN PENGONTROL III.5. SISTEM PENGGERAK RODA DAN KAMERA III.6. CATU DAYA III.7. SISTEM KAMERA DAN CONTOH APLIKASI ROBOT VISION SEDERHANA BAB IV. PENGUJIAN DAN ANALISIS IV.1. JANGKAUAN TELEMETRI DAN KALIBRASI KAMERA IV.2. KEMAMPUAN MELEWATI TANJAKAN DAN ANAK TANGGA IV.3. KEMAMPUAN MENGIKUTI GARIS HITAM IV.4. KEMAMPUAN MENGIKUTI BOLA MERAH BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN V.1. KESIMPULAN V.2. SARAN DAFTAR PUSTAKA LAMPIRAN RIWAYAT HIDUP viii

9 Daftar Gambar GAMBAR II.1 CONTOH KEMUDI ACKERMAN GAMBAR II.2 CONTOH KEMUDI DIFERENSIAL... 6 GAMBAR II.3 BENTUK FISIK DAN KAKI-KAKI DARI MIKROKONTROLLER AT89S GAMBAR II.4 KONEKSI UNTUK PEMROGRAMAN FLASH MEMORY MELALUI MODE SERIAL DAN BENTUK SINYAL MOSI, MISO, DAN SCK... 9 GAMBAR II.5 BENTUK FISIK PORT PARALLEL, KAKI-KAKI PADA PORT PARALLEL GAMBAR II.6 MODULASI AMPLITUDO, SINYAL TTL DATA, SINYAL BANDLIMITED, SINYAL ASK GAMBAR II.7 GAMBAR II.8 ILUSTRASI PENGGUNAAN ALAMAT SINYAL UNTUK MEMILAH DATA DARI DUA GELOMBANG DENGAN FREKUENSI CARRIER YANG SAMA KUBUS WARNA DALAM MODEL RGB, TIAP SUMBU MENYATAKAN INTENSITAS KOMPONEN MERAH, HIJAU, DAN BIRU GAMBAR II.9 CONTOH GAMBAR BERWARNA YANG DIUBAH MENJADI GAMBAR DENGAN DERAJAT KEABUAN DAN GAMBAR BINER DARI GAMBAR KEABUAN GAMBAR II.10 GAMBAR ASLI DAN GAMBAR HASIL FILTER WARNA GAMBAR III.1 DIAGRAM BLOK SISTEM ROBOT KENDALI JARAK JAUH GAMBAR III.2 DISAIN RANGKA ROBOT, DAN FOTO RANGKA ROBOT GAMBAR III.3 SUDUT GARIS SINGGUNG ANTARA RODA UTAMA DENGAN RODA PENOPANG YANG TERANGKAT SAMA DENGAN SUDUT ELEVASI YANG DAPAT DIDAKI ROBOT GAMBAR III.4 KONFIGURASI HARDWARE PENGONTROL PUSAT GAMBAR III.5 TAMPILAN ANTARMUKA KENDALI MANUAL DAN TAMPILAN DARI KAMERA ROBOT GAMBAR III.6 SKEMATIK GLOBAL SISTEM TELEMETRI DAN PENGONTROL GAMBAR III.7 MODUL PEMANCAR TLP434 DAN MODUL PENERIMA RLP GAMBAR III.8 KAKI-KAKI IC ENCODER HT12E DAN KAKI-KAKI IC DECODER HT12D GAMBAR III.9 SKEMATIK UNTUK PEMANCAR DAN PENERIMA GAMBAR III.10 KURVA FREKUENSI OSILASI TERHADAP TEGANGAN CATU DAYA UNTUK ENCODER HT12E DAN DECODER HT12D GAMBAR III.11 KOMPOSISI INFORMASI UNTUK 1 WORD, BENTUK GELOMBANG ALAMAT/DATA, DAN PEWAKTUAN TRANSMISI, UNTUK ENCODER HT12E GAMBAR III.12 SKEMATIK PENGONTROL GAMBAR III.13 BENTUK FISIK MICRO SWITCH DAN FUNGSI KAKI-KAKINYA GAMBAR III.14 KONEKSI SENSOR MICRO SWITCH PADA ROBOT GAMBAR III.15 DIAGRAM ALIR PADA MIKROKONTROLLER GAMBAR III.16 RANGKAIAN INTERNAL IC DRIVER L293D DAN RANGKAIAN YANG DIGUNAKAN UNTUK MENGGERAKAN SATU MOTOR DC 24 V GAMBAR III.17 SKEMATIK DRIVER MOTOR DC YANG DIGUNAKAN GAMBAR III.18 SKEMATIK SWITCH CHARGING GAMBAR III.19 DIAGRAM BLOK CATU DAYA SISTEM ROBOT GAMBAR III.20 REGULATOR 5 V ARUS MAKSIMAL 1 A GAMBAR III.21 REGULATOR ARUS TINGGI GAMBAR III.22 KAMERA WIRELESS DAN PENERIMA RC100A+208CWA GAMBAR III.23 KONDISI KETIKA ROBOT MENGAMBIL AKSI MAJU SAJA, AKSI BELOK KANAN, DAN AKSI BELOK KIRI GAMBAR III.24 DIAGRAM ALIR PROSES MENGIKUTI BOLA MERAH GAMBAR III.25 AREA PERCOBAAN PADA LANTAI UNTUK MENENTUKAN JUMLAH STEP AKSI GERAK GAMBAR III.26 GAMBAR ASLI, DAN GAMBAR SETELAH PROSES FILTER WARNA MERAH GAMBAR IV.1 KONFIGURASI PENGUKURAN JANGKAUAN TELEMETRI GAMBAR IV.2 TAMPILAN KAMERA SAAT MELAKUKAN KALIBRASI KAMERA GAMBAR IV.3 KURVA PERBESARAN RELATIF TERHADAP JARAK DAN POWER REGRESSION YANG SESUAI DENGAN PRILAKU DATA GAMBAR IV.4 KONFIGURASI PENGUJIAN SUDUT KEMIRINGAN MAKSIMUM GAMBAR IV.5 KONFIGURASI PENGUJIAN KETINGGIAN ANAK TANGGA MAKSIMUM GAMBAR IV.6 TAMPILAN SOFTWARE PENGONTROL ROBOT PENGIKUT GARIS HITAM UNTUK BERBAGAI KEPUTUSAN GERAK BELOK GAMBAR IV.7 ROBOT BERHASIL MENGIKUTI GARIS HITAM DENGAN PUSAT ROBOT STABIL DI SEBELAH KIRI GARIS HITAM GAMBAR IV.8 KETERDETEKSIAN BOLA WARNA MERAH DAN WARNA LAINNYA ix

10 GAMBAR IV.9 POSISI ROBOT TERHADAP BOLA MERAH SAMPAI 12 ITERASI GAMBAR IV.10 RESPON KONTROL SEMI-PROPORSIONAL PADA ROBOT PENGIKUT POSISI BOLA MERAH GAMBAR IV.11 PENGUJIAN ROBOT PENGIKUT BOLA MERAH x

11 Daftar Tabel TABEL II.1 DESKRIPSI TIAP PIN PADA PORT PARALLEL TABEL III.1 DATA YANG DIKIRIM UNTUK TIAP INSTRUKSI TABEL III.2 DESKRIPSI KAKI-KAKI IC ENCODER HT12E DAN DECODER HT12D TABEL III.3 REAKSI MOTOR TERHADAP LOGIKA INPUT TABEL III.4 SPESIFIKASI KAMERA TABEL III.5 HASIL PERCOBAAN JUMLAH STEP YANG DIPERLUKAN UNTUK AKSI GERAK TABEL IV.1 HASIL KALIBRASI KAMERA TABEL IV.2 HASIL PENGUJIAN KEMAMPUAN MENAIKI BIDANG MIRING TABEL IV.3 HASIL PENGUJIAN KEMAMPUAN MENAIKI ANAK TANGGA xi