Autonomous Follower Transport Menggunakan Robot Quaddruped

Transkripsi

1 Autonomous Follower Transport Menggunakan Robot Quaddruped Adenta Ramaladi, Dr.Tri Arief Sardjono, ST. MT, Dr. Muhammad Rivai, ST. MT Jurusan Teknik Elektro FTI-ITS Abstrak - Teknologi robotika memang suatu teknologi yang saat ini mulai banyak diimplementasikan untuk berbagai keperluan. Robot beroperasi secara otomatis sesuai dengan pemberian parameter yang ditetapkan. Barang yang begitu berat sulit untuk dipindahkan dengan menggunakan tenaga manusia, sehingga diperlukan alat pengangkut semacam troli. Hal ini tidak efisien karena tidak semua orang kuat untuk mendorong troli dengan barang bawaan yang berat. Perancangan robot berfungsi untuk meringankan pekerjaan manusia, salah satu contohnya adalah membantu membawakan barang-barang bawaannya. Untuk mengatasi permasalahan tersebut dirancang autonomous follower transport menggunakan sensor infra merah. Robot yang dirancang ini hanya dapat bekerja jika pemancar infra merah yang digunakan mempunyai pancaran sinar dengan frekuensi carrier lebih besar dari 1 KHz. Robot autonomous follower transport ini dapat bergerak mengikuti pemegang pemancar infra merah yang berada pada jarak tidak lebih dari 3 meter dan masih berada pada sudut yang tidak lebih dari 90º kearah kanan dan 90º kearah kiri dengan sudut 0º berada tepat di depan robot. Kata Kunci : Autonomous Follower Transport, Robot, Infra Merah. I. PENDAHULUAN Teknologi saat ini sudah mendekati serba otomatis, dimana hampir semua aspek mengimplementasikan dengan peralatan elektronik. Peralatan peralatan elektronik sangat membantu manusia untuk melakukan hal-hal yang awalnya berat menjadi ringan. Pada tugas akhir ini mencoba untuk mengimplementasikan robot yang bisa mengikuti sinar infra merah, dimana sinar itu dimanfaatkan untuk menarik robot agar selalu mengikuti sinar tersebut. Alasan utama untuk menggunakan robot Quadruped (berkaki empat) dibandingkan dengan menggunakan robot beroda dan robot berkaki enamadalah sebagai berikut : Kelebihan robot berkaki 4 daripada beroda : - Robot berkaki 4 bisa melewati bebatuan kecil, pasir, dan air yang tinggi max ¼. - tinggi kakinya. Sedangkan robot beroda tidak bisa melewati air karena bagian motor pada rodanya akan rusak. Kelebihan robot berkaki 4 daripada berkaki 6 : - - Robot berkaki 4 lebih sederhana untuk algoritma berjalannya. Sedangkan robot berkaki 6 lebih rumit untuk algoritma berjalannya. - Robot berkaki 4 lebih hemat daya, karena sumber tegangan hanya perlu memberi suply ke 8 servo saja. Jika menggunakan robot berkaki 6, sumber tegangan bisa mensupply 12 servo atau 18 servo sehingga membutuhkan supply yang besar. Robot quadruped ini difungsikan sebagai suatu alat yang bisa berjalan sendiri mengikuti si pemilik sumber sinyal infrared tersebut sehingga Si pemegang sumber sinyal tidak perlu membawa robot kesana kemari. Si pemegang Sumber sinyal cukup membawa IR Transmitter berukuran kecil yang mengirimkan gelombang infra merah secara terusmenerus, sehingga IR Receiver yang ada pada robot juga melakukan chacking dari arah manakah gelombang infrared itu datang (dengan menggunakan kelima sensor penerima yang terpasang pada robot) dan berapa jauhkah sumber infrared dengan IR Receiver yang dipasang pada robot (menggunakan daya yang ditangkap oleh IR Receiver yang akan di umpankan ke ADC mikrokontroler). II. TEORI PENUNJANG Pada bagian ini akan dijelaskan sedikit tentang teori-teori penunjang yang dapat membantu menyelesaikan perancangan ini. A. Module Pemancar Infra Merah Pemancar infra merah adalah komponen elektronik yang memancarakan sinar infra merah. Komponen ini berbentuk seperti LED biasa hanya saja sinar yang dipancarkan bukanlah sinar tampak, melainkan sinar yang tidak dapat dilihat oleh mata. Gambar 2.1 LED pemancar infra merah [2]

2 Biasanya gelombang yang dipancarkan untuk bisa ditangkap oleh sensor penerima infra merah (photodioda) dengan baik adalah gelombang yang sudah dimodulasi karena dengan memodulasi sinar yang dipancarkan bisa dipisah dengan cahaya matahari yang bentuk gelombangnya adalah gelombang DC. Pada perancangan ini gelombang yang dikirim adalah gelombang kotak (square wave) karena target akhir yang ingin di dapat adalah amplitudo gelombang. Membuat gelombang kotak yaitu menggunakan IC NE555 yang dirancang sebagai astabil multivibrator. Pada rangkaian astabil multivibrator frekuensi di atur sesuai dengan keinginan perancang. Rangkaian ini adalah rangkaian modullasi sinyal, dimana mengubah sinyal DC menjadi sinyal kotak. Keluaran dari rangkaian astabil multivibrator dihubungkan dengan transistor switching sebelum terhubung dengan LED pemancar infra merah. Skematik modul pemancar ditunjukkan pada gambar 2.2. C. Motor Servo Servo motor banyak digunakan sebagai aktuator pada mobile robot atau lengan robot. Servo motor umunya terdiri dari servo continuous dan servo standar. Servo motor continuous dapat berputar sebesar 360 derajat. Sedangkan servo motor tipe standar hanya mampu berputar 180 derajat. Adapun cara mengendalikan motor servo yaitu dengan memberi sinyal pulsa. Periode sinyal pulsa harus 20 ms, dimana untuk mengatur putaran motor adalah dengan memberi pulsa high yang bervariasi antara 0.5 ms 1.5 ms. Untuk lebih jelas tentang variasi pulsa high akan ditunjukkan pada tabel 2.1. Tabel 2.1 Pengaturan servo Gambar 2.2 Skemaik infra merah B. Modul Penerima Infra Merah Penerima infra merah adalah komponen elektronik yang menerima stimulus berupa cahaya. Cahaya yang dapat ditangkap tidak hanya gelombang infra merah melainkan juga dapat menangkap stimulus berupa sinar tampak seperti lampu atau sinar matahari. Penerima infra merah yang dirancang terdiri dari 4 komponen yang mempunya fungsi masingmasing. Komponen-komponen tersebut adalah : 1. Rangkaian photodiode 2. Rangkaian high pass filter 3. Rangkaian penguat tegangan 4. Rangkaian demodulator Rangkaian demodulator adalah rangkaian yang mengubah sinyal yang telah dimodulasi menjadi sinyal DC. D. Kontrol Fuzzy Pada teori himpunan klasik yang disebut juga dengan himpunan crisp (himpunan tegas) hanya dikenal dua kemungkinan dalam fungsi keanggotaannya, yaitu kemungkinan termasuk keanggotaan himpunan (logika 1) atau kemungkinan berada di luar keanggotaannya (logika 0). Namun dalam teori himpunan fuzzy tidak hanya memiliki dua kemungkinan dalam menentukan sifat keanggotaannya tetapi memiliki derajat kenaggotaan yang nilainya antara 0 dan 1. fungsi yang menetapkan nilai ini dinamakan fungsi keanggotaan yang disertakan dalam himpunan fuzzy. Untuk memperoleh keluaran, diperlukan 3 tahap : 1. Fuzzyfikasi 2. Evaluasi Rule 3. Defuzzyfikasi III. PERANCANGAN ALAT Pada bagian ini akan dibahas tentang disain hardware. A. Perakitan Mekanik Setelah mempelajari berbagai referensi yang ada, langkah selanjutnya adalah perakitan hardware 2

3 robot secara keseluruhan. Dalam perancangan hardware dibagi menjadi beberapa bagian utama, yaitu : desain sensor transmitter infra merah, desain receiver infra merah, dan desain sistem minimum. Untuk mendesain hardware robot digunakan software Eagle. Keuntungan dari penggunaan software ini adalah lebih familiar, mudah dalam pengoperasiannya, library komponen yang tersedia juga lebih lengkap. Gambar 3.1 Mekanik robot B. Desain Pemancar Infra Merah Radiasi infra merah yang dihasilkan oleh tiga buah dioda lampu LED (Light Emitting Diode) infra merah D1, D2, D3, D4, dan D5. Ketika LED ini dihidupkan akan memberikan kilatan cahaya yang sangat singkat, namun dengan intesitas cahaya yang sangat tinggi. Ini akan lebih mudah dideteksi pada jangkauan yang lebih jauh. Dasar rangkaian pemancar ini dengan menggunakan sebuah IC NE 555 yang berfungsi sebagai astabil multivibrator. Pada kapasitor CI mengisi muatan melalui resistor R. Output pada IC (pin 3) dihubungkan dengan resistor yang kemudian di umpankan k basis transistor power tipe PNP (TIP 42). Resistor R1 berfungsi sebagai pembatas arus, sehingga arus yang melewati D1, D2, D3 tidak terlalu besar. Rangkaian pemancar ini menggunakan sumber tegangan sebesar 9 Volt. Pada perancangan ini Rb di pararel dengan diode sehingga rumus Time High menjadi Time High = (Ra. C) Frekuensi = 1 / (Time High + Time Low) Pada Perancangan ini ditentukan C, Ra, dan Rb untuk menentukan frekuensi dengan Duty Cycle > 50% dengan tujuan menghemat daya. Dari nilai komponen di samping ini saat di masukkan dalam rumus di atas maka di dapat frekuensi. T H = (1.5 K x 100nF) = 1.04 x 10-4 T L = (560 x 100nF) = 0.39 x 10-4 f C = 100nF Ra= 1.5 K Rb= 560 = 1/(T H +T L ) = 1/1.43x10-4 = 6993 Hz C. Disain Penerima Infra Merah Pada rangkaian penerima digunakan photo diode yang dipasang reverse dan di seri dengan resistor. Fungsi photodioda adalah untuk menerima intensitas cahaya yang dipancarkan oleh pemancar infra merah, sedangkan resistor yang diseri dengan photodiode berfungsi untuk mengkonversi arus menjadi tegangan. Setelah itu tegangan tersebut difilter oleh High Pass Filter (HPF) untuk menghilangkan sinyal DC yang timbul akibat sinar lampu atau matahari. Keluaran dari HPF berupa sinyal clock dengan frekuensi 6 KHz (sama dengan frekuensi cahaya yang keluar dari pemancar) dan sinyalnya sangat kecil sehingga butuh penguatan yang sangat besar agar dapat diproses lagi. Ranjgkaian penerima infra merah dapat dilihat pada gambar 3.3. Gambar 3.3 Rangkaian penerima infra merah Gambar 3.2 Skematik pemancar infra merah Rumus menentukan frekuensi yang tergantung pada resistor dan kapasitor: Time Low = (Rb. C) Time High = ((Ra+Rb). C) Rumus menentukan frekuensi cut-off yang tergantung pada resistor dan kapasitor: Agar memudahkan perhitungan, maka : C1 = C2 = C 3

4 R2 = (1/2).R1 Pada saat = c Acl = o c = 1,414 / (C.R1) fc = 1,414 / (2..C.R1) R1 = 1,414 / (c.c) R1 = 1,414 / (2..f.C) Fuzzyfikasi Tahap fuzzyfikasi adalah tahap pembentukan fungsi keanggotaan. Fuzzyfikasi dibagi menjadi 2 kelompok, yaitu fuzzyfikasi haluan dan fuzzyfikasi jarak. Kedua buah kelompok fuzzyfikasi ini digunakan untuk menambah parameter dari himpunan fuzzy. Untuk fuzzyfikasi haluan dibagi atas 3 fungsi keanggotaan, sedangkan fuzzyfikasi jarak dibagi atas 4 fungsi keanggotaan. Nilai inputan (crisp) fuzzyfikasi Jangkauan kaki merupakan hasil dari 5 data ADC. Dimana data jarak di ambil dari kelima data ADC yang terbesar. Konfigurasi penempatan sensor penerima infra merah sesuai Gambar 3.5. Dimana : c = 2..fc dan = 2..f Perhitungan untuk mendisain HPF +40dB untuk perancangan ini sebagai berikut : Memilih Fc = 7000 C = 10 nf R1 = 1,414 / ( ) = 3216,6, D. Algoritma Fuzzy Data yang berasal dari sensor penerima infra merah, kemudian diproses dengan menggunakan algoritma fuzzy. Kontrol fuzzy ini digunakan untuk mengatur servo agar pada aplikasi di kaki robot ini memberi efek kecepatan melalui jangka kaki pada saat melangkah. Proses dalam algoritma fuzzy akan dibagi menjadi 3, yaitu : fuzzyfikasi, evaluasi rule, dan defuzzyfikasi. Gambar 3.4 merupakan proses algoritma fuzzy dari data sensor hingga menghasilkan kecepatan motor servo kanan dan kiri. Gambar 3.5 Hardware sensor penerima infra merah Berdasarkan data pengujian respon jarak Penerima infra merah pada bab pengujian, fungsi keanggotaan pada fuzzyfikasi haluan dapat dibagi menjadi 3 domain dengan nilai yang berbeda-beda. Sedangkan fungsi keanggotaan pada fuzzyfikasi jangkauan kaki dibagi menjadi 4 domain. Gambar 3.6 dan Gambar 3.7 menunjukkan pembagian domain pada fuzzyfikasi jangkauan kaki dan haluan pada sensor penerima infra merah. Gambar 3.6 Fuzzyfikasi haluan Gambar 3.7 Fuzzyfikasi jangkauan kaki Gambar 3.4 Proses fuzzy Evaluasi Rule Pada tahap evaluasi rule ini tiap-tiap outputan dari tahap fuzzyfikasi yang berupa derajat keanggotaan dan variabel linguistik baik dari 4

5 kecepatan ataupun haluan akan digabung dengan menggunakan evaluasi rule. Dari evaluasi rule akan diketahui variasi gerakan motor servo kanan dan motor servo kiri robot. Dalam evaluasi rule terdapat aturan linguistik untuk menentukan aksi kontrol terhadap nilai masukan dari fuzzyfikasi. Langkah pertama adalah evaluasi hubungan atau derajat antecedent setiap aturan. Berikutnya dilakukan pencarian derajat kebenaran untuk setiap rule, dengan menggunakan hubungan AND atau nilai minimum. Setelah didapat derajat kebenaran untuk tiap aksi yang sama akan dicari nilai tertinggi. Metode ini dinamakan inference MIN-MAX Tabel 3.1 dan Tabel 3.2 merupakan rule untuk motor kanan dan motor kiri. Rule yang bagus akan didapat berdasarkan percobaan yang berulang-ulang. Tabel 3. 1 Rule motor kiri Kiri dekat Dekat Sedang Jauh Sangat Jauh Kanan Tabel 3. 2 Rule motor kanan Kiri dekat Dekat Sedang Jauh Sangat Jauh Kanan Defuzzyfikasi Hasil outputan dari tahap evaluasi rule akan digunakan sebagai rule yang tepat dan akan dikalikan dengan nilai dari derajat keanggotaannya. Metode yang digunakan pada defuzzyfikazi adalah centroid. Yaitu hasil penjumlahan semua keluaran fungsi keanggotaan yang dikalikan dengan singleton dari masing-masing aksi. Dari hasil tersebut kemudian dirata-rata dengan total keluaran fuzzy. Berikut adalah keluaran proses defuzzyfikasi merupakan crisp untuk servo bagian kanan dan servo bagian kiri. Dibawah ini adalah potongan program untuk proses defuzzyfikasi, dimana proses tersebut merupakan hasil akhir dari proses fuzzyfikasi. Hasil yang didapat dari defuzzyfikasi ini digunakan sebagai input untuk mengontrol kaki kanan dan kaki kiri pada robot quadruped. IV. PENGUJIAN ALAT DAN PENGAMBILAN DATA Setelah tahap perancangan alat selesai tahap berikutnya yaitu pengujian alat. Pada tahap ini semua bagian robot dan software akan diuji. A. Pengujian Sensor Infra Merah Pengujian sensor penerima infra merah ini dilakukan dengan cara memancarkan cahaya infra merah dari pemancar, dimana cahaya yang dipancarkan membawa frekuensi carrier KHz. Data yang dibaca ADC dari sensor adalah keluaran sensor yang berupa data analog. Data analog itu dipengaruhi oleh intensitas cahaya infra merah yang dipancarkan oleh pemancar. Intensitas yang ditangkap tergantung dengan jarak antara pemancar dengan penerima. Semakin jauh jarak antara pemancar dengan penerima maka semakin kecil pula intensitas cahaya yang diterima oleh penerima infra merah.jika intensitas yang diterima sangat kecil maka keluaran analog sensor akan semakin kecil. Tetapi sensor penerima tersebut tidak bisa bekerja secara linier. Pengujian sensor yang pertama dilakukan di dalam ruangan yang terdapat lampu halogen dengan frekuensi 100 Hz. Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan, didapat data seperti grafik ditunjukkan pada gambar 4.1. Gambar 4.1 Grafik pengujian sensor di dalam ruangan (tanpa ada cahaya matahari) Pengujian sensor yang kedua dilakukan di luar ruangan pada siang hari yang terdapat bias cahaya matahari. Berdasarkan pengujian yang telah dilakukan, didapat data seperti grafik ditunjukkan pada Gambar 4.2. Gambar 4.2 Grafik pengujian sensor di luar ruangan (adanya bias cahaya matahari) 5

6 B. Pengujian Kontrol Fuzzy Pada perancangan ini menggunakan kontroler untuk dapat mengkondisikan sistem agar tetap berada di keadaan yang diinginkan. Kontroler yang digunakan pada perancangan iuni adalah kontroler menggunakan metode fuzzy, dimana metode tersebut mengambil 2 parameter untuk dijadikan crips (masukan). Masukan pada kontroler akan diproses hingga memperoleh keluaran yang dapat mengkondisikan keadaan sistem hingga berada di keadaan yang diinginkan. Masukan kontrol fuzzy ini memanfaatkan jarak dan haluan antara pemancar infra merah dengan penerima infra merah. Keluaran dari kontrol fuzzy berupa 2 variabel yang nantinya dapat mengkondisikan keadaan, dimana nilai kedua variabel tersebut diumpankan pada pengontrolan motor servo. Pada pengujian ini keluaran kontrol fuzzy ditampilkan pada LCD, tampilan LCD ditunjukkan pada Gambar 4.3. Tabel 4.1 Tampilan masukan dan keluaran kontrol fuzzy pada display LCD Masukan H = 67.6 J = 3 H = J = 180 H = 81.8 J = 230 H = 20.8 J = H = -3 J = 160 H = -8 J = 242 H = 4 J = 204 Keluaran L = 40.0 R = 1.0 L = 40.0 R = 1.0 L = 45.5 R = 45.5 Gambar 4.3 Tampilan masukan dan keluaran kontrol fuzzy pada display LCD saat sensor tidak menerima cahaya Infra merah Hasil pengujian yang ditunjukkan pada table 4.9 adalah hasil keluaran dari kombinasi kelima data adc. Dari data tersebut diproses menggunakan control fuzzy sehingga didapat hasil keluaran seperti table di atas. V. PENUTUP Setelah melakukan pengujian dari keseluruhan sistem pada tugas akhir ini, dan berdasarkan data yang telah didapat dapat diambil beberapa kesimpulan tentrang perancangan autonomous follower transport dan saran untuk perbaikan dikemudian hari. A. Kesimpulan Kesimpulan yang dapat ditarika dari perancangan ini adalah sebagai berikut: 1. Respon photodiode tidak dapat bekerja secara linier karena photodiode bekerja dengan cara menangkap stimulus berupa cahaya sehingga mudah terpengaruh oleh lingkungan sekitar yang menghasilkan cahaya seperti lampu dan cahaya matahari, 2. Sudut sensitivitas untuk photodioda sangat kecil sekali, sehingga perancang sering kesulitan untuk komunikasi jarak jauh, 3. Sensor photodiode sangat rentan terhadap cahaya di sekitar sehingga dibutuhkan filter dengan orde tinggi agar tidak terpengaruh oleh cahaya sekitar yang tidak diinginkan, 4. Motor servo yang ada pada robot quadruped bekerja pada tegangan volt, 5. Robot autonomous follower transport pada perancangan ini dapat mengikuti stimulus berupa cahaya dengan frekuensi modulasi > 1KHz, 6. Pada ruangan terbuka yang terdapat bias cahaya matahari dapat mempengaruhi kondisi awal pada photodiode, sehingga photodiode sudah menerima cahaya dengan gelombang DC sebesar 3V sehingga adanya filter maka tegangan dari cahaya bias matahari tidak dilewatkan, 7. Komunikasi anatara pemancar dengan penerima bias bekerja dengan baik di tempat yang tidak terlalu banyak cahaya matahari karena cahaya matahari dengan intensitas tinggi akan menyebabkan photodiode dalam keadaan saturasi, 8. Komunikasi antara penerima dengan pemancar dapat bekerja dengan baik hingga 3 meter di tmpat yang tidak terlalu banyak cahaya matahari, 9. Berat maksimum benda yang dapat di angkut oleh robot quadruped adalah 2.5 Kg. 6

7 B. Saran Saran-saran yang dapat diberikan untuk pengembangan tugas akhir ini sebagai berikut : 1. Rangkaian sensor pemancar infra merah diberi LED pemancar sebanyak 12 LED yang dipasang menghadap arah yang berbeda agar saat komunikasi jarak jauh sensor penerima infra merah tidak mudah kehilangan cahaya dari pemancar, 2. Robot autonomous follower transport akan lebih baik menggunakan robot beroda, karena robot beroda kecepatannya lebih tinggi daripada robot berkaki, 3. Sensor penerima infra merah akan lebih baik menggunakan phototransistor karena arus yang bekerja jauh lebih besar daripada photodiode, 4. Perancangan robot autonomous follower transport yang lebih dari satu akan lebih baik jika masing-masing robot mempunyai kode data yang berbeda pada pemancarnya dan penerimanya pun harus bias menyeleksi kode yang akan diproses sehingga pemancar yang satu tidak mempengaruhi robot yang lainnya. REVERENSI [1] Maulina Tanjung, 2009, Analisis Sistem Sensor Infra Merah, medan [2] Hermawan Ali, 2010, Infra Merah Pada Remote Control, Gramedia, Bandung. [3] Hermawan Ali, 2009, Sistem Sensor Infra Merah, Gramedia, Bandung. [4] Simatupang Ray, 11 Mei 2010, Rangkaian Elektronika Remote Control IR, <http :// rangkaianinframerah.html, Riau> [5], infra red transmitter and receiver. Diakses tanggal 11 Mei < [6], 2000, A Single-Supply Op- Amp Circuit Collection, Instruments Incorporated, Texas. [7], 2001, Filter Design in Thirty Seconds, Instruments Incorporated, Texas. [8], Operational amplifier high pass filter, < Electronics.com>. RIWAYAT HIDUP PENULIS Penulis dilahirkan di Surabaya pada tanggal 15 April 1988 bernama Adenta Ramaladi. Putra pertama dari dua bersaudara. Selama menjadi mahasiswa penulis aktif sebagai \asisten laboratorium pemrograman dan kegiatan himpunan ketika menjalani perkuliahan di D3 Teknik Elektro. Pada saat menjalani perkuliahan di S1 Teknik Elektro ITS, penulis lebih memfokuskan pada perkuliahan. Riwayat Pendidikan : o Teknik Elektro ITS Surabaya, pada tahun o D3 Teknik Elektro ITS Surabaya pada tahun o SMAN 6 Surabaya, pada tahun o SMPN 33 Surabaya, pada tahun o SDN Sawahan IX Surabaya, pada tahun