PERANCANGAN PENGENDALI FORMASI PADA KOORDINASI SISTEM MULTI-ROBOT MENGUNAKAN PENGENDALI LOGIKA FUZZY

Transkripsi

1 LAPORAN AKHIR PENELITIAN FUNDAMENTAL PERANCANGAN PENGENDALI FORMASI PADA KOORDINASI SISTEM MULTI-ROBOT MENGUNAKAN PENGENDALI LOGIKA FUZZY Tahun ke 2 dari rencana 2 tahun DIBIAYAI: SURAT PERJANJIAN NO: 012/K3/KM/SPK/2013 DIREKTORAT JENDRAL PENDIDIKAN TINGGI KEMENTRIAN PENDIDIKAN DAN KEBUDAYAAN Dr. Ir. Andi Adriansyah, M.Eng ( ) Ir. Eko Ihsanto, M.Eng ( ) Ir. Badaruddin, MT ( ) UNIVERSITAS MERCU BUANA DESEMBER 2013

2 HALAMAI\ PENGESAHAN Judul Peneliti/ Pelaksana Nama LengkaP NIDN labatan Fungsional Program Studi No. FIP Alamat surel ( ) Anggota (1) Nama LengkaP NIDN Perguruan Tinggi Anggota (2) Nama LengkaP NIDN Perguruan Tinggi Tahun Pelaksanaan Biaya Tahun Berjalan Biaya Keseluruhan Perancangan Pengendali Formasi pada Koordinaii Sistem Multi-Robot Menggunakan Pengendal i Logika F uzzy Dr.Ir. Andi AdriansYah, M.Eng Lektor KePala 700 Teknik Elektro andi@mercubuana. ac. id Ir. Eko Ihsanto, M.Eng Universitas Mercu Buana, Jakarta Ir. Badaruddin S., MT a3na86404 Universitas Mercu Buana, Jakarta Tahunn ke-2 dari rencana 2tahun Rp Rp Jakarta l9 Desember 2013 Ketuao /t2g (Ir. Dana Santoso, M.E NIK: I (Dr.Ir. Andi AdriansYah, M.Eng) NIK: I

3 RINGKASAN Teknologi dan aplikasi robot bergerak terus berkembang secara cepat, baik dari sisi kehandalan, jangkauan kemampuan dan bidang aplikasinya. Karena aplikasinya yang luas dan perkembangan teknologi pendukungnya berkembang sangat cepat penyelidikan di bidang robot menjadi topik yang menarik bagi para peneliti. Namun, pada dekade ini, para peneliti mulai mengubah arah penelitiannya, dari investigasi sistem robot bergerak tunggal kepada koordinasi sistem multi-robot. Hal ini dikarenakan sistem multi-robot memiliki beberapa kentungan yang menjanjikan. Salah satu pendekatan yang banyak digunakan untuk mengendalikan sistem multi-robot adalah dengan menerapkan sistem pengendalian formasi. Untuk mendapatkan performa kinerja sistem multi-robot yang handal, maka para peneliti telah mencoba menerapkan beberapa jenis sistem pengendalian. Sejauh ini, sistem pengendalian yang diterapkan pada sistem multi-robot dapat diklasifikasn pada dua kategori, yaitu sistem pengendalian klasik dan sistem pengendalian modern. Sistem pengendalian klasik, pada umumnya, memanfaatkan pendekatan model analitik, logika Boolean dan crisp serta hubungan linear. Akibatnya, sistem akan dimodelkan harus dengan pendekatan yang lengkap dan presisi. Namun, pada sistem multi-robot keadaan sistem dan lingkungannya tidak begitu akurat dan selalu berubah-ubah dengan cepat sehingga sulit dimodelkan secara presisi. Oleh karena itu, diperlukan sistem pengendalian modern untuk mengatasi problem tersebut. Salah satu sistem pengendalian modern yang dianggap mampu untuk menyelesaikan problema sistem multi-robot adalah sistem pengendalian berbasis logika fuzzy (Fuzzy Logic Controller). Karakteristik utama Logika Fuzzy adalah kekokohan mekanisme penalaran dan pengambilan keputusan yang interpolatif sehingga sesuai untuk sistem yang tidak presisi dan informasi yang tidak lengkap. Karakter tersebut merupakan kemampuan yang amat dibutuhkan dalam pengendalian sistem multi-robot. Oleh karena itu, penelitian ini telah berupaya untuk menyelesaikan beberapa masalah pada sistem multi-robot. Pertama adalah menghasilkan serangkaian model sistem multi-robot yang dapat bergerak sesuai dengan tugas dan fungsinya dengan memberikan informasi tentang posisi dan lingkungannya. Model diujicobakan dalam beberapa eksperimen. Secara umum dapat dikatakan bahwa model robot tungal dan model system multi-robot telah bekerja dengan baik. Komunikasi antara robot juga telah berjalan sesuai dengan rancangan. Kedua adalah merancang sebuah algoritma pengendalian yang dapat mengendalikan formasi sistem multi-robot dengan formasi tertentu. Algoritma ini akan memberikan keputusan dengan cara menghubungkan informasi mengenai jarak (d) dan orientasi (δ) antar robot dengan kecepatan (v) dan arah (ω) tiap-tiap robot dengan logika fuzzy. Beberapa percobaan akan dilakukan untuk menguji performa hasil pemodelan dan algortima yang telah dilakukan. Setelah itu, hasil pemodelan dan algoritma tersebut akan diimplementasikan pada beberapa buah robot sebenarnya, yaitu robot laboratorim NXT Mindstorm. Komparasi terhadap performa pemodelan dan simulasi dengan implementasi pada robot sebenarnya akan dianalisa untuk menghasilkan performa yang optimal. Keywords: multi-robot, kendali formasi, fuzzy logic iii

4 PRAKATA Alhamdulillah, segala puji hanya bagi Allah SWT, pencipta, pemilik dan pemelihara alam semesta, atas segala kehendak dan petunjuknya, sehingga laporan kemajuan kegiatan penelitian ini dapat diselesaikan sesuai dengan jadwal yang telah ditentukan. Sholawat dan salam semoga selalu tercurah bagi Nabi Muhammad SAW yang telah membimbing ummat manusia ke jalan yang benar. Semoga kita selalu mendapatkan bimbingan dan hidayah-nya. Laporan kemajuan kegitan penelitian berjudul Perancangan Pengendali Formasi pada Koordinasi Sistem Multi-Robot Menggunakan Pengendali Logika Fuzzy ini dimaksudkan sebagai upaya untuk merancang sistem pengendali beberapa buah robot yang disusun dengan formasi tertentu dimana pengendalinya berbasiskan pengendali logika fuzzy. Penelitian ini ditujukan untuk dapat menjawab bagaimana mendapatkan sistem pengendali yang sesuai, efektif dan handal untuk sistem multirobot yang dirancang. Terima kasih kami ucapkan kepada Kaprodi Teknik Elektro atas upayanya untuk mendorong para dosen untuk melaksanakan kegiatan ini. Juga terima kasih ditujukan kepada Dekan Fakultas Teknik yang selalu mengingatkan untuk bersemangat menunaikan kegiatan Tridharma Perguruan Tinggi. Dan, terima kasih yang tak terhingga kepada Kepala Pusat Penelitian Universitas Mercu Buana yang telah memberikan jadwal, ketentuan, pedoman pengajuan kegiatan pengabdian ini. Semoga apa yang telah direncanakan dapat berjalan sesuai dengan harapan dan mendapatkan bimbingan dari Allah SWT. Jakarta, 19 Desember 2013 Ketua Peneliti Andi Adriansyah, Dr., Ir., M.Eng iv

5 DAFTAR ISI Halaman HALAMAN SAMPUL i HALAMAN PENGESAHAN ii RINGKASAN iii PRAKATA iv DAFTAR ISI v DAFTAR GAMBAR vi DAFTAR TABEL vii DAFTAR LAMPIRAN viii BAB 1. PENDAHULUAN 1 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 5 BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN 19 BAB 4. METODE PENELITIAN 20 BAB 5. HASIL YANG DICAPAI 24 BAB 6. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA 36 BAB 7. KESIMPULAN DAN SARAN 37 DAFTAR PUSTAKA 38 LAMPIRAN Lampiran 1 Laporan Rekapitulasi Penggunaan Dana Penelitian 41 Lampiran 2 Instrumen 42 Lampiran 3 Personalia Tenaga Peneliti beserta Kualifikasinya 43 Lampiran 4 Logbook 44 Lampiran 5 Luaran 47 v

6 DAFTAR GAMBAR Halaman Gambar 2.1. Implementasi Sistem Multi-Robot berbasis Bioinspired 7 Paradigm Gambar 2.2. Implementasi Sistem Multi-Robot berbasis Organizational 8 and Social Paradigm Gambar 2.3. Perbandingan Himpuan Logika Crisp dan Himpunan Logika 10 Fuzzy Gambar 2.4. Sistem pengendali logika fuzzy 11 Gambar 2.5. Elemen-elemen utama dari pengendali logika fuzzy. 11 Gambar 2.6. Model dan Alokasi Robot 13 Gambar 2.7. Differentially Steered Drive Systems 14 Gambar 2.8. Sistem Pergerakan Robot Tunggal 16 Gambar 2.9. Posisi Relatif Robot terhadap Titik Tujuan 17 Gambar Mekanisme Navigasi menuju Titik Tujuan 17 Gambar Konfigurasi Sensor Sonar 17 Gambar Proses Simulasi Kalkulasi Jarak Sonar 18 Gambar 4.1. Formasi Sistem Multi-Robot 21 Gambar 4.2. Robot-Majemuk dalam Formasi V 21 Gambar 4.2. Model Formasi Robot-Majemuk 22 Gambar 4.3. Perbedaan Posisi Robot Follower 22 Gambar 4.4. Robot Lego NXT Mindstorms 23 Gambar 5.1. Robot hasil perancangan 24 Gambar 5.2. Pergerakan robot tunggal dengan kombinasi pergerakan 25 Gambar 5.3. Formasi Sistem Multi-robot 26 Gambar 5.4. Pergerakan Lurus pada Sistem Multi-robot 27 Gambar 5.5. Pergerakan Melingkar pada Sistem Multi-robot 28 Gambar 5.6. Pergerakan Kombinasi pada Sistem Multi-robot 30 Gambar 5.7. Formasi Dua Robot NXT Mindstorms 33 Gambar 5.8. Pergerakan Dua Robot NXT Mindstorms Formasi Berurutan 34 Gambar 5.9. Pergerakan Dua Robot NXT Mindstorms Formasi 35 Berdampingan vi

7 DAFTAR TABEL Halaman Tabel 5.1. Data Pergerakan Multi-robot Gerakan Berbelok ke Kanan 28 Tabel 5.2. Data Pergerakan Multi-robot Gerakan Kombinasi 31 vii

8 DAFTAR LAMPIRAN Halaman Lampiran 1 Laporan Rekapitulasi Penggunaan Dana Penelitian 41 Lampiran 2 Logbook 42 Lampiran 3 Luaran 45 viii

9 IDENTITAS DAN URAIAN UMUM 1. Judul Penelitian : Perancangan Pengendali Formasi pada Koordinasi Sistem Multi-robot menggunakan Pengendali Logika Fuzzy 2. Ketua Peneliti a) Nama Lengkap : Dr. Ir. Andi Adriansyah, M.Eng b) Jabatan : Wakil Dekan Fakultas Teknik c) Jurusan/Fakultas : Teknik Elektro/ Fakultas Teknik d) Perguruan Tinggi : Universitas Mercu Buana e) Alamat Surat : Jl. Meruya Selatan, Kembangan, Jakarta Barat, f) Telp/Faks : g) andi@mercubuana.ac.id 3. Anggota Peneliti No. Nama dan Gelar Akademik 1. Ir. Eko Ihsanto, M.Eng Mikroprosesor, Embedded System 2. Ir. Badaruddin, MT Sistem Tenaga, Power Supply Bidang Keahlian Instansi Alokasi Waktu Jam/Minggu T. Elektro, UMB 15 T. Elektro, UMB Objek Penelitian Penelitian difokuskan untuk merancang sebuah algoritma pengendalian formasi untuk mempertahankan jarak (d) dan orientasi (δ) sebuah robot dengan robot-robot lainnya pada suatu formasi tertentu. Algoritma pengendalian ini berupa hasil sebuah sistem logika fuzzy yang menghubungkan jarak (d) dan orientasi (δ) tersebut dengan kecepatan (v) dan arah (ω) pergerakan masing-masing robot. 5. Masa Pelaksanaan Mulai : April 2012 Akhir : Desember Anggaran yang diusulkan Tahun I : Rp Tahun II : Rp Lokasi Penelitian Penelitian akan diadakan di lingkungan Universitas Mercu Buana. Tahap perancangan dan simulasi akan dipusatkan pada Lab. Simulasi dan Komputer serta Lab. Elektronika Dasar. Sedangkan tahap implementasi dan pengujian akan dilakukan di Lab. Mikroprosesor dan Lab. Mekatronika. 8. Temuan yang ditargetkan Target dari penelitian ini adalah menghasilkan menghasilkan temuan: a. Model pergerakan dan simulasi pergerakan multi-robot (r 1, r 2,..., r n ) dengan kecepatan (v) dan arah (ω) masing-masing robot yang sama dan berbeda. ix

10 b. Algoritma pengendalian formasi multi-robot menggunakan logika fuzzy, yang menghubungkan jarak (d) dan orientasi (δ) sebuah robot (r 1 ) dengan robot lainnya (r 2,..., r n ) dengan kecepatan (v) dan arah (ω) masing-masing robot dalam rangka mempertahankan formasi tertentu. 9. Jurnal Ilmiah Hasil penelitian secara bertahap akan dipublikasikan dalam beberapa jurnal, yaitu: a. Jurnal Terakreditasi Nasional TELKOMNIKA b. International Journal of Intelligent System Technologies and Applications (IJISTA) dan c. International Journal of Computer Science Engineering and Technology (IJCSET) 10. Instansi lain yang telibat Tidak ada 11. Keterangan lain yang dianggap perlu Tidak ada 12. Kontribusi Mendasar Penelitian ini merupakan penelitian dasar pada bidang robotika dan sistem kendali, yang memfokuskan kontribusinya untuk menghasilkan sebuah model multirobot bergerak dan algoritma pengendalian formasi robot yang efektif. Bidang kajian ini sangatlah relevan, karena hasil penelitian ini dapat diaplikasikan pada aspek akademik, industri, perkantoran, keamanan dan hiburan yang mendidik. x

11 BAB 1. PENDAHULUAN Latar Belakang Teknologi dan aplikasi robot terus berkembang secara cepat, baik dari sisi kehandalan, jangkauan kemampuan dan bidang aplikasinya. Di dalam teknologi robot, tergabung beberapa tema-tema penelitian yang juga berkembang, seperti teknologi sensor, teknologi motor, teknologi suplai daya, teknologi telekomunikasi, teknologi pengendalian dan teknologi kecerdasan buatan (Nehmzow, 2001). Dari segi jangkauan, robot telah dapat diaplikasikan di daratan, di bawah air, di udara, bahkan di daerah planet yang akan dieksplorasi lebih jauh. Sedangkan pengaplikasian robot telah merambah berbagai bidang kehidupan, dari mulai bidang akademik, industri, perkantoran, hiburan sehingga bidang kedokteran (Keramas, 1999). Robot bergerak (mobile robots) adalah salah satu jenis robot yang memiliki kemampuan untuk bekerja yang lebih fleksibel dalam ruang tiga dimensi dan dapat beraktifitas tanpa intervensi manusia (Mondada dan Floreano, 1996). Karena aplikasinya yang luas dan perkembangan teknologi pendukungnya berkembang sangat cepat, penyelidikan di bidang robot bergerak menjadi topik yang menarik bagi para peneliti (Nehmzow, 2000). Pada pembahasan berikutnya, yang dimaksud robot dalam proposal ini adalah jenis robot bergerak. Namun, pada dekade ini, para peneliti mulai mengubah arah penelitiannya, dari investigasi sistem robot tunggal kepada koordinasi sistem multi-robot. Hal ini dikarenakan sistem multi-robot memiliki beberapa kentungan. Beberapa keuntungan sistem multi-robot dibanding sistem robot tunggal salah satunya adalah penurunan total pembiayaan dengan cara mengimplementasikan beberapa robot sederhana dan murah dibandingkan dengan robot tunggal yang mahal dan kompleks. Selain itu, terdapat banyak proses yang memerlukan sistem multi-robot dan tidak dapat dilakukan oleh robot tunggal. Termasuk di dalamnya adalah memperluas cakupan kerja sistem tunggal. Secara umum, sistem multi-robot diklaim dapat meningkatkan efisiensi, keandalan, dan fleksibilitas system (Wawerla et al, 2002). Beberapa aplikasi sistem multi-robot terdapat dalam pemanfaatan robot pada kerja-kerja surveilans, pencarian dan penyelamatan (SAR), sistem pengamanan dan pengamatan, eksplorasi daerah tak dikenal atau berbahaya (Parker, 2007). 1

12 Sejak dimulainya penyelidikan terhadap sistem multi-robot, terdapat beberapa jenis penyelidikan. Jenis penyelidikan tersebut bervariasi, dimulai dari penyelidikan terhadap pergerakan beberapa robot dalam mencari sebuah objek tertentu (foraging) sehingga penyelidikan terhadap pergerakan robot dalam permainan (robo-soccer) yang kompleks. Kekompleksan sistem multi-robot bertumpu pada beberapa hal, yaitu banyaknya robot yang terlibat, variasi pekerjaan yang harus dilakukan oleh robot dan mekanisme komunikasi dan interaksi antar robot. Dari hal-hal diatas, maka arah penyelidikan sistem multi-robot mengarah ke beberapa klasifikasi, yaitu: pengorganisasian (mult-robot organization), topologi komunikasi (multi-robot communication topology) dan formasi (multi-robot formation) (Parker, 2007). Salah satu pendekatan yang banyak digunakan untuk mengendalikan sistem multi-robot adalah dengan menerapkan sistem pengendalian formasi dengan memanfaatkan mekanisme robot leader-follower (Chen dan Wang, 2005) (Shao, dkk, 2005). Pada sistem ini, setiap robot follower mengukur posisi dan orientasi dirinya terhadap posisi robot leader pada masing-masing koordinatnya. Kemudian, berdasarkan formasi yang dikehendaki, setiap robot follower akan menentukan kecepatan (v) dan arah (ω) masing-masing dengan menerapkan sistem pengendalian tertentu. Performa kinerja sistem multi-robot ini akan ditentukan oleh kehandalan sistem pengendalian yang digunakan. Untuk mendapatkan performa kinerja sistem multi-robot yang handal, maka para peneliti telah mencoba menerapkan beberapa jenis sistem pengendalian. Sejauh ini, sistem pengendalian yang diterapkan pada sistem multi-robot dapat diklasifikasn pada dua kategori, yaitu sistem pengendalian klasik dan sistem pengendalian modern. Beberapa sistem pengendalian konvensional yang digunakan antara lain adalah metoda sliding mode (Sanchez dan Fierro, 2003), metode feedback linearization (Mariottini dkk, 2005), metoda backstepping (Li, Xiao dan Cai, 2005) dan metoda Pengendali PD (Cruz dan Carelli, 2006). Sistem pengendalian klasik, pada umumnya, memanfaatkan pendekatan model analitik, logika Boolean dan crisp serta hubungan linear. Akibatnya, sistem akan dimodelkan harus dengan pendekatan yang lengkap dan presisi. Namun, pada sistem multi-robot keadaan sistem dan lingkungannya tidak begitu akurat dan selalu berubah-ubah dengan cepat sehingga sulit dimodelkan secara presisi. Oleh karena itu, diperlukan sistem pengendalian modern untuk mengatasi problem tersebut. 2

13 Salah satu sistem pengendalian yang dianggap mampu untuk menyelesaikan problema sistem multi-robot adalah sistem pengendalian berbasis logika fuzzy (Fuzzy Logic Controller) (Lee, 1990). Logika Fuzzy diperkenalkan oleh Lotfi Zadeh (1965) yang menyediakan bahasa dan logika manusia, di mana seorang pakar dapat menerjemahkan pengetahuan kualitatifnya tentang masalah yang dihadapi. Karakteristik utama Logika Fuzzy adalah kekokohan mekanisme penalaran dan pengambilan keputusan yang interpolatif sehingga sesuai untuk sistem yang tidak presisi dan informasi yang tidak lengkap (Zadeh, 1997). Oleh karena itu, penelitian ini berupaya untuk merancang sebuah algoritma pengendalian formasi sistem multi-robot dengan menggunakan Pengendali Logika Fuzzy. Beberapa komponen Pengendali Logika Fuzzy, seperti fungsi keanggotaan, proses fuzzifikasi/defuzzifikasi dan mekanisme pengambilan keputusan akan ditentukan untuk mendapatkan kinerja sistem multi-robot yang baik Perumusan Masalah Pada umumnya, penelitian pada bidang robot bergerak, harus mempertimbangkan karakteristiknya yang khas, yaitu: robot bergerak harus menghadapi lingkungan yang kompleks, memahami hasil pemindaian yang tidak presisi, namun harus menentukan tindakan dengan aktuator yang tidak tepat dalam waktu respon yang cepat. Untuk sistem multi-robot, masalah tersebut di atas ditambah lagi dengan mekanisme pengendalian formasi antar robot, sehingga robotrobot tersebut dapat bekerja sesuai dengan tugas yang diberikan kepadanya. Maka, untuk melakukan pengkajian mengenai sistem multi-robot harus dimiliki serangkaian model robot yang bergerak dengan kecepatan (v) dan arah (ω), dapat memperlihatkan posisinya (x r,y r,θ r ) pada sebuah koordinat kartesius dan mengetahui jarak (d) serta orientasi (δ) antar robot. Selain itu, diperlukan pula sebuah algoritma pengendalian yang mengatur formasi sistem multi-robot berdasarkan jarak (d) dan orientasi (δ) antar robot berdasarkan formasi tertentu. Oleh karena itu, penelitian ini berupaya untuk menyelesaikan beberapa masalah pada sistem multi-robot. Pertama adalah bagaimana menghasilkan serangkaian model sistem multi-robot yang dapat bergerak sesuai dengan tugas dan fungsinya dengan memberikan informasi tentang posisi dan lingkungannya. Kedua adalah bagaimana merancang sebuah algoritma pengendalian yang dapat mengendalikan formasi sistem multi-robot dengan formasi tertentu. Algoritma ini 3

14 akan memberikan keputusan dengan cara menghubungkan informasi mengenai jarak (d) dan orientasi (δ) antar robot dengan kecepatan (v) dan arah (ω) tiap-tiap robot dengan logika fuzzy. 4

15 BAB 2. TINJAUAN PUSTAKA 2.1. Latar Belakang Sistem Multi-robot Sistem multi-robot adalah suatu sistem dari suatu entitas robot yang bekerja bersama untuk menyelesaikan tugas tertentu. Sebagaimana manusia, kita telah terbiasa dengan sistem bekerja bersama dalam suatu tim. Misalnya, tim manajemen suatu korporasi terdiri dari beberapa spesialis, seperti Chief Executive Officer (CEO), Chief Operating Officer (COO) dan lain-lain. Demikian juga yang diharapkan oleh para peneliti, mencoba untuk menerapkan sistem kerjasama ini pada suatu entitas robot. Sebagai sebuah topik penelitian, kajian sistem multi-robot telah meningkat popularitasnya selama tahun-tahun belakangan ini. Menurut data dari Web of Science, selama tahun 2006 saja terdapat hampir 1000 publikasi. Beberapa bidang yang termasuk dalam kajian sistem multi-robot, antara lain adalah: distributed intelligence, distributed artificial intelligence, multi-agent system dan multi-robot system (Parker, 2007). Terdapat beberapa keuntungan potensial dari pengaplikasian sistem multirobot. Secara umum, pengaplikasian sistem multi-robot dibanding sistem robot tunggal adalah menghasilkan sistem yang lebih baik dalam rangka menyelesaikan permasalahan sistem. Jika sebuah sistem diselesaikan dengan cara membaginya dalam beberapa subsistem secara parallel, maka penggunaan sistem multi-robot akan menghasilkan sistem yang dapat mengurangi waktu penyelesaian secara keseluruhan. Selain itu, sistem multi-robot menawarkan kemungkinan untuk meningkatkan keandalan sistem. Sistem multi-robot dapat menggantikan peran robot yang mengalami kegagalan fungsi. Hal ini tidak dimungkinkan pada sistem robot tunggal. Keuntungan lainnya, untuk menyelesaikan sistem yang ada menggunakan sistem robot tunggal membutuhkan pembiayaan yang besar dan sistem yang kompleks. Dengan sistem multi-robot, sistem yang ada dapat dikerjakan secara bersama dengan menggunakan robot yang murah dan sederhana (Wawerla et al, 2002). 5

16 2.2. Klasifikasi dan Arah Pengkajian Sistem Multi-robot Untuk lebih memahami sistem multi-robot, terdapat beberapa jenis interaksi antar robot yang dapat terjadi dalam suatu sistem. Jenis interaksi tersebut dipandang dari tiga aspek, yaitu (Gerkey and Mataric, 2003): a. tujuan tiap robot, b. pengetahuan masing-masing robot terhadap robot lainnya, dan c. kemampuan tiap robot untuk membantu robot yang lain. Dipandang dari tujuan tiap robot, jenis interaksi multi-robot diklasifikasikan ke dalam 2 (dua) golongan, yaitu jenis interaksi robot yang tiap robotnya memiliki tujuan individu dan interaksi robot yang tiap robotnya memiliki tujuan bersama. Jika dipandang dari pengetahuan masing-masing robot terhadap robot lainya, terdapat 2 (dua) golongan pula, yaitu jenis interaksi robot yang setiap robot mengetahui keadaan robot lainnya dan interaksi robot yang semuanya tidak saling mengetahui. Terakhir, terdapat 2 (dua) klasifikasi interaksi robot dipandang dari kemampuan robot untuk membantu robot lainnya, yaitu interaksi robot yang tiap robotnya mampu mengerjakan pekerjaan robot lainnya dan yang tidak mampu. Dari jenis-jenis interaksi robot diatas, akan terbentuk beberapa bentuk interaksi, yaitu (Parker, 2007): a. collective, b. cooperative, c. collaborative dan d. coordinative. Selain terdapat klasifikasi berdasarkan jenis interaksinya, terdapat juga beberapa paradigma untuk merancang sebuah sistem multi-robot. Setiap paradigma yang ada merupakan sudut pandang yang berbeda sebagai sebuah solusi strategis dari sistem yang akan dirancang. Paradigma yang biasa digunakan untuk membangun sebuah sistem multi-robot, adalah: a. Bioinspired paradigm b. Organizational and social paradigm, dan c. Knowledge base paradigm. Bioinspired paradigm adalah cara memandang sistem multi-robot seperti kumpulan binatang-binatang kecil yang berinteraksi secara kolektif. Pada paradigma ini, kebutuhan tiap robot untuk berkomunikasi sangat rendah, dengan asumsi bahwa mereka memiliki kemampuan untuk mengetahui keadaan sekelilingnya dengan baik. 6

17 Dari asumsi ini menyimpulkan bahwa aplikasi yang dibutuhkannya cukup sederhana, aturan pengendalian yang serupa untuk setiap robot, tidak membutuhkan interaksi yang komplek dan masing-masing mampu untuk saling dipertukarkan. Paradigma ini sesuai untuk aplikasi multi-robot yang mengutamakan ruangan yang tersebar, seperti proses pencarian, pembentukan formasi dan pencakupan area. Gambar 2.1. Implementasi Sistem Multi-Robot berbasis Bioinspired Paradigm Organizational and social paradigm didasari oleh teori organisasi yang diturunkan dari sistem manusia. Pengetahuan dari berbagai bidang kemanusiaan, seperti sosiologi, ekonomi atau psikologi telah terbukti mampu untuk memahami bagaimana menciptkan sistem yang dapat bekerjasama untuk menyelesaikan problematika yang kompleks. Pada pendekatan ini, interaksi robot dirancang menggunakan model individual dan dinamika grup sebagai bagian dari organisasi sehingga dapat mengurangi kebutuhan komunikasi antara robot. Aplikasi umum dari pendekatan ini adalah robo-soccer, yaitu pembagian tugas masing-masing robot sesuai dengan fungsinya, seperti sebuah organisasi. 7

18 Gambar 2.2. Implementasi Sistem Multi-Robot berbasis Organizational and Social Paradigm Paradigma ketiga yang biasanya digunakan untuk membangun sebuah sistem multi-robot adalah knowledge base paradigm. Fokus dari pendekatan ini adalah pada proses saling berbagi pengetahuan diantara robot-robot yang heterogen, yang tujuannya adalah terciptanya sistem yang memiliki pengetahuan yang sama walaupun posisinya tersebar. Paradigma ini jarang digunakan, karena harus dapat mengatasi berbagai macam keterbatasan, seperti keterbatasan komunikasi, daya dan komputasi. Karena sistem dan mekanisme komunikasinya yang sederhana, para peneliti banyak memanfaatkan Bioinspired paradigm dalam penelitiannya dan lebih dikenal dengan istilah swarm robots. Robot-robot swarm ini mencoba untuk menirukan sistem yang diinspirasikan dari kerja-kerja yang dilakukan oleh makhluk-makhluk hidup yang kecil, seperti bergerak berduyun-duyun (foraging), mencari makan, membentuk formasi untuk pertahanan dan lain-lain. Pendekatan sistem multi-robot ini dapat diklasifikasikan dalam tiga pendekatan, yaitu: pendekatan struktur virtual (virtual structure), pendekatan berdasarkan perilaku (behavioral-base) dan pendekatan leader-follower. Pendekatan struktur virtual memperlakukan keseluruhan formasi sistem multi-robot sebagai struktur virtual yang rigid (Egerstedt dan Hu, 2001) (Rend dan Beard, 2003). Pergerakan yang diinginkan dinyatakan sebagai struktur virtual secara keseluruhan yang pada hasilnya nanti menjadi suatu lintasan yang harus ditelusuri oleh seluruh robot dalam mempertahankan formasinya pada saat melakukan pergerakan. Namun terdapat kekurangan pada pendekatan ini, yaitu struktur virtual 8

19 yang dihasilkan akan berbentuk sebuah sentralisasi, yang jika terjadi kesalahan pada titik sentral tersebut akan mengakibatkan kesalahan pada keseluruhan robot. Sedangkan pada pendekatan berdasarkan perilaku, beberapa perilaku telah ditanamkan pada masing-masing robot. Beberapa perilaku yang biasa dikaji adalah perilaku menghindar halangan, perilaku menuju target dan juga perilaku mengendalikan formasi. Aksi akhir dari setiap robot adalah menghitung resultan keseluruhan perilaku dengan bobot-bobot tertentu pada tiap-tiap perilakunya. (Balch dan Arkin, 1998). Kekurangan dari pendekatan berdasarkan perilaku adalah tingginya tingkat kesulitan untuk menganalisa model robot secara matematis, sehingga sulit untuk dapat menjamin sistem pengendalian secara presisi. Pada pendekatan leader follower, salah satu robot ditetapkan sebagai leader sedangkan sisanya ditentukan sebagai robot follower. Robot-robot follower akan memposisikan diri mereka dan mempertahankannya relatif terhadap robot leader (Monterion dan Bicho, 2008) (Yun dkk, 2008). Pendekatan ini dicirikan oleh kesederhanaan, kehandalan dan tidak perlu pengetahuan global dan komputasi. Oleh karena itu, pendekatan leader follower banyak diadopsi oleh para penilti untuk mengembangkan kajian mengenai sistem multi-robot ini. Dalam rangka mengendalikan formasi dengan pendekatan leader follower, telah ditentukan terlebih dahulu pergerakan robot leader dan posisi relatif antara robot leader dan follower. Ketika pergerakan robot leader telah ditentukan, posisi relatif yang diinginkan (jarak (d) dan orientasi (δ)) oleh robot-robot follower dapat dicapai dengan menerapkan sistem pengendali bagi masing-masing robot follower. Oleh karena itu, problem pengendalian formasi dapat dipandang sebagai pengembangam dari problem pengendalian pelacakan lintasan biasa. Untuk menyelesaikan problem tersebut, maka para peneliti telah mencoba menerapkan beberapa jenis sistem pengendalian. Sejauh ini, sistem pengendalian yang diterapkan pada sistem multi-robot dapat diklasifikasn pada dua kategori, yaitu sistem pengendalian klasik dan sistem pengendalian modern. Beberapa sistem pengendalian konvensional yang digunakan antara lain adalah metoda sliding mode (Sanchez dan Fierro, 2003), metode feedback linearization (Mariottini dkk, 2005), metoda backbackstepping (Li, Xiao dan Cai, 2005) dan metoda Pengendali PD (Cruz dan Carelli, 2006). Sistem pengendalian klasik tersebut di atas, pada umumnya, memanfaatkan pendekatan model analitik, logika Boolean dan crisp serta hubungan linear. Akibatnya, sistem akan dimodelkan harus dengan pendekatan yang lengkap 9

20 dan presisi. Namun, pada sistem multi-robot keadaan sistem dan lingkungannya tidak begitu akurat dan selalu berubah-ubah dengan cepat sehingga sulit dimodelkan secara presisi. Oleh karena itu, diperlukan sistem pengendalian modern untuk mengatasi problem tersebut. Salah satu sistem pengendalian yang dianggap mampu untuk menyelesaikan problema pengendali formasi pada sistem multi-robot adalah sistem pengendalian berbasis logika fuzzy (Fuzzy Logic Controller) (Lee, 1990). Logika Fuzzy diperkenalkan oleh Lotfi Zadeh (1965) yang menyediakan bahasa dan logika manusia, di mana seorang pakar dapat menerjemahkan pengetahuan kualitatifnya tentang masalah yang dihadapi. Karakteristik utama Logika Fuzzy adalah kekokohan mekanisme penalaran dan pengambilan keputusan yang interpolatif sehingga sesuai untuk sistem yang tidak presisi dan informasi yang tidak lengkap (Zadeh, 1997) Pengendali Logika Fuzzy (Fuzzy Logic Controller) Pemakaian konsep teori logika fuzzy dilatar-belakangi oleh kebutuhan akan suatu metode untuk merepresentasikan dan menganalisa fenomena di alam nyata yang serba tidak presisi ditinjau dari cara pikir manusia. Ada suatu transisi yang berangsur-angsur (gradual, fuzzy) antara suatu penggolongan dengan penggolongan yang lain, atau dengan batasan yang samar. Berdasarkan batasan yang samar itu ada hubungan dan aturan yang samar pula dalam proses berpikir manusia dalam mengambil keputusan sehubungan dengan persoalan-persoalan yang dihadapinya (Zadeh, 1965) (Zadeh, 1997). Teori himpunan klasik yang biasa disebut crisp set hanya memiliki nilai keanggotaan 0 dan 1. Sedangkan himpunan fuzzy adalah berasal dari pengelompokkan elemen-elemen ke dalam kelas yang samar, yang memiliki nilai keanggotaan banyak, mulai dari 0 hingga 1. Perbandingan kedua nilai ini diperlihatkan pada Gambar 2.3. Gambar 2.3. Perbandingan Himpuan Logika Crisp dan Himpunan Logika Fuzzy 10

21 Pengendali logika fuzzy dapat digabung dengan sistem untuk membentuk suatu sistem pengaturan loop tertutup seperti pada Gambar 2.4 berikut (Lee, 1990): Gambar 2.4. Sistem pengendali logika fuzzy Bagian-bagian pada pengendali logika fuzzy adalah fuzzifikasi, basis pengetahuan, logika pengambilan keputusan, dan defuzzifikasi. Gambar 2.5 ini memperlihatkan elemen-elemen utama dari pengendali logika fuzzy. Gambar 2.5. Elemen-elemen utama dari pengendali logika fuzzy. Fuzzifikasi adalah proses pemetaan dari masukan-masukan crisp menuju himpunan fuzzy. Proses ini mirip seperti proses konversi nilai analog ke digital (ADC). Sementara itu, basis pengetahuan mempunyai 2 buah fungsi, yaitu sebagai: Basis Data dan Basis Kaidah. Fungsi dari basis data adalah mendefinisikan himpunan-himpunan fuzzy ke dalam daerah masukan dan keluaran agar dapat digunakan oleh kaidah atur linguistik dalam basis kaidah serta memanipulasi data fuzzy. Sedangkan basis kaidah memilik aturan-aturan pada pengaturan fuzzy ditampilkan dalam bentuk aturan if-then, yang menghubungkan antara input yang didapatkan dengan aksi pengendalian yang diinginkan. Bentuk sebuah aturan ditampilkan sebagai berikut: 11

22 RB n : if X 1 is A 1n and X m is A mn then Y is B n (2.1) dimana A mn dan B n adalah himpunan fuzzy, X m dan Y adalah variabel bahasan bagi masukan dan keluaran, sedangkan m dan n adalah jumlah masing-masing masukan dan keluaran. Keluaran B n dari aturan RB n adalah hasil agregasi himpunan fuzzy ke dalam keluaran dengan variabel Y. Bagian lain adalah logika pengambilan keputusan. Bagian ini merupakan pengambil suatu kesimpulan mengenai aksi pengendalian fuzzy yang harus dilakukan dengan menggunakan implikasi fuzzy dan mekanisme inferensi fuzzy. Pengendali fuzzy mengambil keputusan berdasarkan masukan menurut variabel lingustiknya. Setiap respon dari masing-masing kaidah dibobotkan berdasarkan derajat keanggotaan dari masukan dan juga kombinasi dari respon-respon tersebut sehingga memungkinkan perhitungan untuk menghasilkan suatu nilai keluaran. Hasil ini merupakan aksi pengendalian sistem yang didapatkan dari penerapan salah satu teknik defuzzifikasi. Sistem dengan menggunakan logika fuzzy diyakini dapat merepresentasikan proses-proses yang tidan presisi dan pemahaman model yang tidak sempurna. Sistem ini menggunakan mekanisme keputusan aproksimasi, yang membolehkannya untuk menghasilkan keputusan berdasarkan informasi yang vague dan tidak lengkap (Martinez et al., 1994). Sistem fuzzy ini menawarkan keuntungan dengan mamanfaatkan konsep linguistik tanpa harus membutuhkan model matematika yang kompleks dan presisi (Tunstel, 1995). Selain itu, kemampuan mekanisme interpolasi sistem pengendali fuzzy menghasilkan sistem pengendalian yang halus dan degradasi yang baik untuk mengatasi persoalan pemindaian lingkungan. Berdasarkan karakteristik-karakteristik tersebut di atas, pengendali logika fuzzy diharapkan sesuai untuk menyelesaikan problem pengendalian formasi pada sistem multi-robot Studi Pendahuluan Pada penelitian ini, telah dilakukan beberapa studi pendahuluan untuk melakukan tahap pemodelan pergerakan robot tunggal dan proses pemindaian lingkungannya. Pemodelan yang telah dilakukan ini berdasarkan penelitian peneliti terdahulu yang telah dipublikasikan (Adriansyah dan Amin, 2007) dan (Adriansyah dan Amin, 2008). 12

23 a. Pemodelan Robot Tunggal Masing-masing robot akan dimodelkan dalam bentuk lingkaran silindris. Robot-robot ini akan digerakkan menggunakan 2 (dua) buah motor DC untuk dapat melakukan gerakan tertentu. Robot dialokasikan pada sebuah ruang berkoordinat kartesius XOY dengan menganggap bahwa posisi robot adalah p c = (x c, y c, θ c ), dimana (x c, y c ) mengindikasikan pusat posisi spasial robot pada sistem koordinat kartesius dan θ c adalah sudut orientasi robot terhadap sumbu aksis berlawanan arah dengan jarum jam, sebagaimana terlihat pada Gambar 2.6. Y 2r y c D C θ c O x c X Gambar 2.6. Model dan Alokasi Robot Prinsip pergerakan robot dimodelkan menggunakan metoda differential drive model (Dudek and Jenkin, 2000) atau differentially steered drive system (Lucas, 2000). Sistem ini berasaskan 2 (dua) buah motor yang ditempatkan pada aksis bersama dan dikendalikan secara terpisah. Jika kecepatan dari masing-masing roda berbeda maka robot akan berotasi dengan berpusatkan pada sebuah titik yang sejajar dengan aksis bersama kedua roda. Titik dimana robot berotas dikenal dengan istilah Pusat Lengkungan Sesaat (Instantaneous Center of Curvature, ICC), sebagaimana diperlihatkan pada Gambar

24 ICC ω c v l W/2 R θ (x, y) v r Gambar 2.7. Differentially Steered Drive Systems dimana R adalah jarak antara titik ICC dengan titik pusat robot, ω c adalah kecepatan rotasi robot, W adalah jarak roda dengan titik tengah robot, dan v l serta v r adalah masing-masing kecepatn roda kanan dan kecepatan roda kiri. Dengan mengubah-ubah kecepatan pada kedua roda, maka trayektori robot juga berubah-ubah pula. Karena kecepatan rotasi robot, ω c, pada titik ICC harus sama, maka didapat persamaan: W ( R ) 2 c v r W ( R ) 2 c v l (2.2) (2.3) dimana R adalah jarak titik ICC dengan titik pusat antara kedua roda pada robot, W adalah jarak antara titk pusat dengan roda, ω c adalah kecepatan rotasi robot dan v r serta v l adalah masing-masing kecepatan roda. Pada saat waktu tertentu, Persamaan (2.2) dan Persamaan (2.3) dapat diselesaikan untuk variabel R dan ω c dimana: W v R ( v v r l 2 r vl vr v c ( W l ) ) (2.4) (2.5) dan 14

25 v c v ( r vl ) 2 (2.6) dimana v c adalah kecepatan translasi robot sebagai rata-rata dari kecepatan kedua rodanya. Terdapat beberapa kasus menarik dari persamaan (2.5) dan (2.6) tersebut, yaitu: 1. Jika v l = v r, maka robot bergerak lurus dengan kecepatan translasi v c, R menjadi tidak terhingga dan akibatnya tidak terjadi rotasi, sebab kecepatan rotasi ω c adalah nol. 2. Jika v l = - v r, maka R menjadi nol dan robot akan berotasi dengan berpusat titik tengah antara kedua rodanya. 3. Jika v r adalah sama dengan nol, maka robot akan berotasi dengan berpusat pada roda kiri dan R = W/2. Demikian pula sebaliknya. jika v l adalah sama dengan nol. Jadi, perbedaan kecepatan pada kedua motor tersebut akan menghasilkan resultan gaya dan resultan rotasi tertentu yang membuat robot bergerak secara translasi dan rotasi. Pergerakan ini akan mengakibatkan robot akan memiliki kecepatan translasi, v c, dan kecepatan rotasi, ω c, yang beragam. Berdasarkan kombinasi ini, maka robot dapat bergerak ke posisi yang berbeda dengan orientasi yang berbeda pula sesuai dengan fungsi waktu. Penurunan harga-harga x, y and θ dapat dituliskan sebagai berikut: dx dt dy dt v c v c cos c sin c (2.7) (2.8) d (2.9) c dt Kemudian, dengan mengaplikasikan bahwa posisi robot sesaat adalah p c = (x c, y c, θ c ), maka posisi robot berikutnya adalah p c+1 = (x c+1, y c+1, θ c+1 ), dimana: 15

26 x y c 1 x c vc cos (2.10) c c 1 y c vc sin (2.11) c c c (2.12) 1 c Proses pergerakan robot tunggal diilustrasikan pada Gambar 2.8. Gambar 2.8. Sistem Pergerakan Robot Tunggal b. Pemodelan Posisi Relatif Robot Posisi relative robot terhadap titik tujuan dapat dikalkulasi berdasarkan posisi dan orientasi robot dan titik tujuan yang telah ditentukan. Posisi relative robot dikenali dengan variabel jarak (d) dan orientasi (δ), dimana: d 2 ( x( t) xg ) ( y( t) y g ) 2 (2.13) ( y( t) y ) g arc tan ( t) ( x( t) x g (2.14) dimana p g = (x g, y g, θ g ) adalah posisi titik tujuan dan p t = (x t, y t, θ t ) adalah posisi robot sesaat. Variabel jarak (d) dan orientasi (δ) ini akan digunakan sebagai masukan agar robot dapat memiliki kemampuan berperilaku menuju target tertentu. Gambar 9 memperlihatkan posisi relatif robot dengan titik tujuannya. 16

27 Y δ d p g p(t) O X Gambar 2.9. Posisi Relatif Robot terhadap Titik Tujuan Kemudian, nantinya robot akan melakukan aksi pengendalian dengan menentukan kecepatan translasi, v c, dan kecepatan rotasi, ω c tertentu agar sampai ke tempat yang dituju. Pergerakan menuju ke tempat tujuan diperlihatkan pada Gambar Gambar Mekanisme Navigasi menuju Titik Tujuan c. Pemodelan Sensor Sonar Dalam rangka upaya untuk menghindari rintangan telah diturunkan pula model sensor sonar. Model sensor sonar ini menghitung jarak antara sonar yang diletakkan pada robot dengan rintangan yang ada di hadapannya. Posisi sonar pada diperlihatkan pada Gambar L R Gambar Konfigurasi Sensor Sonar 17

28 Model sonar ini diinspirasikan dari kalkulasi posisi robot sebagaimana terdapat pada persamaan (2.13) dan (2.14). Namun, pada pemodelan sonar persamaan ini digunakan untuk mengukur jarak antara posisi sibar dengan objek di hadapannya. Kemudian, semua orientasi δ pada sensor dibandingkan untuk mendapatkan harga jarak d yang sesuai. Proses penghitungan jarak ini diperlihatkan pada Gambar Y p o (d 1,δ 1) (d 2,δ 2) Gambar Proses Simulasi Kalkulasi Jarak Sonar X 18

29 BAB 3. TUJUAN DAN MANFAAT PENELITIAN Tujuan penelitian ini adalah merancang sistem multi-robot yang dapat menyelesaikan tugas-tugas sederhana di area tertentu. Tujuan khusus ini akan ditunjang oleh beberapa tujuan pendukung, yaitu: 1. Merancang sebuah model matematika sistem multi-robot yang dapat melakukan pergerakan dan memindai lingkungannya 2. Merancang sebuah algoritma sistem pengendali yang mampu melakukan koordinasi pada sistem multi robot dengan formasi tertentu yang berbasiskan logika fuzzy Penelitian ini merupakan integrasi pengkajian dasar pada bidang robotika dan sistem pengendali, yang memfokuskan kontribusinya dalam rangka menghasilkan sebuah proses pemodelan multi-robot bergerak dan pengenalan lingkungannya serta proses perancangan algoritma pengendalian formasi robot yang efektif. Bidang kajian ini sangatlah relevan dalam bidang penelitian/pendidikan, industri dan masyarakat luas. Karena pengembangan dari hasil penelitian ini dapat diimplementasikan untuk menggerakkan beberapa buah robot dalam formasi tertentu. Robot-robot dalam formasi tersebut dapat diaplikasikan pada aspek akademik pada proses pengajaran perkuliahan di bidang teknik elektro dan teknik mesin, aktifitas pemindahan material pada proses industri atau perkantoran, aktifitas keamanan pada daerah berbahaya atau sulit dan hiburan yang mendidik masyarakat. 19

30 BAB 4. METODE PENELITIAN Penelitian ini dilaksanakan berdasarkan permasalahan dan tujuan sebagaimana telah dijelaskan di atas. Pelaksanaan penelitian ini mengandung beberapa metode, seperti kajian pustaka, pemodelan dan simulasi komputer dan serta implementasi pada robot laboratorim NXT Mindstorm. Kajian Pustaka adalah langkah pertama dari penelitian ini untuk mengumpulkan sebanyak mungkin informasi dan ide serta memperkaya untuk wawasan mengenai sistem multi-robot, tahapan perancangan arsitektur pengendali sebuah robot serta mekanisme komunikasi dan interaksinya. Teori-teori dasar dan persamaan-persamaan matematika untuk mekanisme pergerakan robot akan diperdalam untuk mendapatkan model matematika yang sesuai bagi tiap robot. Selain itu, kajian pustaka ini dilakukan untuk mempertajam identifikasi masalah dari perancangan sistem multi-robot dan posisi penelitian ini pada penelitian sistem multi-robot lainnya. Perangkat lunak MATLAB Versi 7.6 R2008a akan digunakan untuk mensimulasikan model sistem multi-robot ini. Proses pemodelan robot dikerjakan terlebih dahulu. Beberapa persamaan matematika akan diujikan melalui simulasi ini. Selain itu, variabel-variabel tertentu, seperti kecepatan (v dan ω), posisi dan jalur perjalanan robot akan dikumpulkan pula. Setelah itu, pemodelan sistem pengendalian formasi multi-robot. Pergerakan keseluruhan robot, termasuk mekanisme pengendalian formasi multi-robot divisualisasikan berupa simulasi berdasarkan model matematika yang telah dihasilkan sebelumnya. Setelah didapatkan model pergerakan robot secara individual seperti yang telah dijelaskan pada bab sebelumnya, penelitian dilanjutkan dengan mengembangkan model untuk formasi multi-robot dan posisinya. Sistem pemformasian yang digunakan adalah sistem leader follower, dimana sebuah robot akan menjadi leader dan beberapa robot lainnya akan berperan sebagai follower. Robot follower akan menempati posisi tertentu relatif terhadap robot leader. Beberapa formasi yang sederhana dicoba terlebih dahulu demi mengetahui tingkat kesulitan untuk mempertahakan robot pada posisinya masing-masing. Beberapa formasi diperlihatkan pada Gambar 4.1, yaitu: formasi sejajar, formasi kolom, formasi berlian dan formasi V. 20

31 Gambar 4.1. Formasi Sistem Multi-Robot Namun, untuk memudahkan tahapan penelitian, formasi yang akan dikaji terlebih dahulu secara mendalam adalah formasi V, seperti yang tampak pada Gambar 4.2. Gambar 4.2. Robot-Majemuk dalam Formasi V Secara grafis, formasi V tersebut akan dapat terbentuk, jika antara robot follower berada pada jarak sejauh r n dan sudut α n dari robot leader, sebagaimana terlihat pada Gambar 4.1. Untuk formasi V, robot follower akan memiliki posisi sebagai berikut: x y x y F1 F1 Fn Fn x L y x L L y L r * cos( ) 1 r *sin( ) 1 r * cos( ) n r *sin( ) n 1 1 n n L L L L (4.1) 21

32 dimana (x L, y L, θ t ) adalah posisi robot leader dan (x Fn, y Fn, θ Fn ) posisi robot follower ke-n. Gambar 4.2. Model Formasi Robot-Majemuk Kemudian, berdasarkan pergerakan robot, baik robot leader maupun robot follower, akan terjadi perbedaan antara posisi robot follower yang seharusnya dengan robot follower yang sebenarnya. Perbedaan yang terjadi meliputi perbedaan jarak, dl, dan perbedaan sudut, dθ, sebagaimana diilustrasikan pada Gambar 4.3. Gambar 4.3. Perbedaan Posisi Robot Follower Pada Gambar 4.3 tersebut menggambarkan posisi robot follower yang aktual p RF (x RF, y RF, θ RF ) dan posisi robot follower yang seharusnya p F (x F, y F, θ F ) serta perbedaan posisi di antara keduanya untuk setiap robot follower. Kemudian, berdasarkan harga-harga perbedaan tersebut, dl, dan dθ, dirancanglah aturan pengendalilan berbasiskan logika fuzzy agar formasi robotmajemuk dapat dipertahankan sebaik mungkin. 22

33 Pengendali Logika Fuzzy dirancang untuk dapat memberikan sistem pengendalian dengan mengambil masukan berupa perbedaan posisi dl, dan dθ, dan menghasilkan keluaran berupa kecepatan translasi, v c, dan kecepatan rotasi, ω c untuk masing-masing robot follower. Untuk itu, akan dirancang fungsi keanggotaan (membership function) untuk masing-masing masukan dan keluaran. Setelah itu, akan dirancang pula aturan-aturan yang menghubungkan setiap fungsi keanggotaan dari masing-masing robot follower, dalam bentuk aturan sebagai berikut: RB n : if X 1 is A 1n and X m is A mn then Y is B n (4.2) Jumlah aturan yang harus dibuat sebanding dengan banyakya variabel lingusitik yang akan digunakan. Setelah proses pemodelan dan simulasi selesai, maka penelitian akan memasuki tahap pengimplementasi algoritma keseluruhan sistem multi-robot ini. Keseluruhan sistem pengendalian sistem multi-robot akan diimplementasikan ke dalam sejumlah robot laboratorium bernama Lego NXT Mindstorms robot, sebagaimana terlihat pada Gambar 4.4. Gambar 4.4. Robot Lego NXT Mindstorms Robot ini biasa digunakan sebagai robot peneltian untuk membuktikan performansi yang telah dirancang sebelumnya. Robot ini juga dilengkapi oleh beberapa jenis sensor yang dapat digunakan pada masa percobaan. Dengan menggunakan robot ini, akan dibandingkan antara hasil proses pemodelan dan simulasi dengan hasil implementasi program tersebut dalam robot sebenarnya. 23

34 BAB 5. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan pembahasan sebelumnya, maka telah dirancang model matematika berupa tiga buah robot model yang sejenis sebagai suatu sistem multirobot. Ketiga robot tersebut diklasifikasikan, dimana terdapat sebuah robot sebagai leader dan dua buah robot sebagai follower. Untuk membedakannya, robot leader memiliki warna biru sedangkan robot follower memiliki warna merah. Setiap robot memiliki bentuk dan dimensi yang sama, yaitu berbentuk silindris dengan diameter 20 cm. Pada masing-masing robot terdapat sebuah garis sebagai penunjuk arah gerakan robot. Gambar 5.1 memperlihatkan model robot hasil perancangan untuk menjadi sebuah sistem multi-robot Gambar 5.1. Robot hasil perancangan Kemudian, masing-masing robot diuji kemampuannya untuk bermanuver dalam ruangan. Beberapa pergerakan telah dicoba. Gambar 5.2 memperlihatkan kemampuan robot bermanuver dalam beberapa jenis pergerakan, yaitu pergerakan maju, berbelok ke kanan, berbelok ke kiri dan maju kembali. 24

35 Gambar 5.2. Pergerakan robot tunggal dengan kombinasi pergerakan Berdasarkan pergerakan robot tunggal yang ditampilkan pada Gambar 5.2, dapat dikatakan bahwa pergerakan robot tunggal tersebut sudah baik, karena mampu bergerak dengan pergerakan maju, belok kanan dan belok kiri dengan sempurna. Kemudian, untuk menguji kemampuan komunikasi dalam sistem multi-robot, ketiga robot disusun dalam formasi segitiga. Dalam formasi segitiga itu, sebuah robot dijadikan sebagai robot leader dan dua robot lainnya sebagai robot follower. Robot leader bergerak dengan pergerakan yang telah diprogram terlebih dahulu, sementara robot follower tidak diberikan program pergerakan. Robot follower bergerak sesuai dengan pergerakan yang diperintahkan oleh robot follower. Posisi robot leader dan robot follower diperlihatkan pada Gambar

36 Gambar 5.3. Formasi Sistem Multi-robot Terdapat tiga pengujian sistem komunikasi pada multi-robot ini, yaitu: pergerakan lurus, pergerakan melingkar dan pergerakan kombinasi. Untuk mempermudah analisa, pergerakan dan data pergerakan ditampilkan dalam bentuk gambar dan tabel. Dalam gambar, robot leader diperlihatkan dengan warna biru, sedangkan robot follower ditampilkan dengan warna merah. Hasil pergerakan multirobot dalam gerakan lurus diperlihatkan pada Gambar

37 Gambar 5.4. Pergerakan Lurus pada Sistem Multi-robot Pada Gambar 5.4 tampak bahwa multi-robot dapat bergerak dengan baik dengan formasi segitiga yang dapat dipertahankan. Hal ini dapat dikatakan bahwa komunikasi antara robot leader dengan dua buah robot follower telah berlangsung dengan efektif, dimana robot-robot bergerak dengan kecepatan yang sama sesuai dengan perintah yang dikirimkan oleh robot leader. Hasil pergerakan dan data pergerakan multirobot dalam gerakan berbelok ke kanan diperlihatkan pada Gambar 5.5. dan Tabel

38 Gambar 5.5. Pergerakan Melingkar pada Sistem Multi-robot Pada Gambar 5.5 tampak bahwa robot bergerak dengan kecepatan dan arah yang sama, namun mengakibatkan terjadi perubahan formasi segitiga. Tabel 5.1 memperlihatkan bahwa terjadi perubahan posisi robot dari posisi formasi segitiga yang seharusnya. Hal ini terjadi karena robot leader melakukan gerakan berbelok ke kanan yang ternyata diikuti langsung oleh robot follower sehingga terjadi perubahan formasi yang berakumulasi. 28

39 Tabel 5.1. Data Pergerakan Multi-robot Gerakan Berbelok ke Kanan Kecepatan Jarak Deviasi Formasi Robot Leader Robot Follower1 Robot Follower2 Kanan (m/s) Kiri (m/s) dx (m) dy (m) dx (m) dy (m)

40 Pengujian terakhir adalah pergerakan multi-robot yang bergerak secara kombinasional, dengan pergerakan maju, berbelok ke kanan, berbelok ke kiri dan maju kembali. Besar sudut gerakan berbelok dirancang simetris antara belok kanan dengan belok kiri. Hasil pengujian dan data pergerakan diperlihatkan pada Gambar 5.6 dan Tabel Gambar 5.6. Pergerakan Kombinasi pada Sistem Multi-robot Berdasarkan Gambar 5.6 dapat dikatakan bahwa secara umum komunikasi antar robot bekerja dengan efektif. Robot follower bergerak dengan kecepatan yang sama dengan robot leader sesuai dengan perintah yang dikirimkan. Namun terjadi perubahan formasi segitiga yang unik. Pada saat gerakan lurus, formasi segitiga dapat dipertahankan dengan baik dan tidak terjadi deviasi posisi, seperti diperlihatkan pada Tabel 5.2 baris pertama hingga baris ke enam. Tapi, setelah terjadi gerakan belok kanan yang diikuti dengan gerakan berbelok ke kiri terjadi perubahan formasi. Karena pergerakan berbelok simetris maka, formasi dapat terbentuk kembali pada saat multi-robot bergerak lurus kembali. 30

41 Tabel 5.2. Data Pergerakan Multi-robot Gerakan Kombinasi Kecapatan Jarak Deviasi Formasi Robot Leader Robot Follower1 Robot Follower2 Kanan (m/s) Kiri (m/s) dx (m) dy (m) dx (m) dy (m)

42 Hasil simulasi matematika kemudia diimplementasikan pada robot sebenarnya, yaitu robot Lego NXT Mindstorms. Pengujian dilakukan dengan membuat formasi bagi dua buah robot NXT Mindstorms. Kedua robot tersebut berkomunikasi dengan menggunakan teknologi Bluetooth. Sebelum terjadi komunikasi, harus dipastikan terlebih dahulu, bahwa peralatan tekniologi Bluetooth keduanya telah terpasang dan terhubung secara pair. Selain itu pola hubungan kedua robot telah disiapkan, dimana terdapat robot leader dan robot follower. Robot leader memberikan perintah kepada robot follower, sedangkan robot follower hanya melaksanakan perintah tersebut. Pengujian dilakukan dengan dua formasi, yaitu formasi berurutan (depan dan belakang) serta formasi berdampingan (sisi kiri dan kanan). Formasi awal robot diperlihatkan pada Gambar 5.7. (a) 32

43 (b) Gambar 5.7. Formasi Dua Robot NXT Mindstorms: (a) Berurutan dan (b) Berdampingan Hasil pengujian pergerakan sistem multi robot terhadap kedua formasi diperlihatkan pada Gambar 5.8 dan Gambar 5.9, secara berurutan. 33

44 Gambar 5.8. Pergerakan Dua Robot NXT Mindstorms Formasi Berurutan 34

45 Gambar 5.9. Pergerakan Dua Robot NXT Mindstorms Formasi Berdampingan Pergerakan robot dirancang memiliki pergerakan dasar, yaitu: pergerakan lurus, pergerakan belok ke kanan 30 derajat dan pergerakan belok ke kiri juga 30 derajat. Dari Gambar 5.8 dan Gambar 5.9 dapat dilihat bahwa secara umum kedua robot mampu melakukuan pergerakan dasar, baik pergerakan lurus, belok ke kanan mapun belok ke kiri. Selain itu dapat dikatakan bahwa telah terjadi pula hubungan komunikasi yang baik antara robot leader dengan robot follower, dimana robot follower dapat bergerak sesuai dengan perintah yang diberikan oleh robot ledaer melalui teknologi Bluetooth. Sedangankan pada sisi formasi sistem multi robot, dapat dilihat bahwa kedua robot berusaha untuk mempertahankan formasinya, baik formasi berurutan maupun formasi berdampingan. Namun, formasi ini tidak dapat bertahan dengan baik. Hal ini dikarenakan terdapat perbedaan persiapan daya dari masing-masing robot yang menyebabkan kecepatan tiap-tiap robot tidak sama. Ketidaksamaan kecepatan ini mengakibatkan sulitnya mempertahankan formasi robot sebagaimana yang telah direncanakan. 35

46 BAB 6. RENCANA TAHAPAN BERIKUTNYA Dari hasil penelitian yang telah dilakukan, terdapat beberapa kegiatan yang dapat dilakukan untuk merancang penelitian berikutnya. Terdapat dua kegiatan besar yang dikerjakan pada tahap berikutnya, yaitu: tahap peningkatan performansi pengendali formasi dan tahap implementasi pengendali formasi pada kondisi kompleks. Tahap peningkatan pengendali formasi dilakukan dengan menggunakan program MATLAB. Pengendali formasi dilakukan dengan berbasiskan pengendali logika fuzzy atau pengendali jenis lainnya. Beberapa parameter dikaji untuk dijadikan sebagai input. Input-input tersebut dihubungkan dengan aturan tertentu untuk menghasilkan output yang sesuai dengan lingkungan pergerakan robot. Hasil dari tahapan ini adalah berupa sebuah model pengendalian formasi robot majemuk dengan performansi yang lebih baik. Tahap kedua adalah mengimplementasikan pengendali formasi robot majemuk yang telah dihasilkan pada robot sebenarnya dengan kondisi yang lebih kompleks. Robot yang digunakan adalah robot lego NXT mindstorms. Beberapa model percobaan pada formasi robot lego NXT mindstorms dengan bentuk formasi yang berbeda-beda dilakukan. Performasi pergerakan robot diukur dan dianalisa untuk mendapatkan hasil yang lebih baik lagi. 36

47 BAB 7. KESIMPULAN DAN SARAN Secara umum, kegiatan penelitian telah berhasil mendisain sebuah model komunikasi pada sistem multi-robot dengan media komuniasi tertentu. Masingmasing robot telah dirancang berbentuk silindris dengan sistem perhitungan dan iterasi dinamik tertentu. Pergerakan robot tunggal telah diuji dengan hasil yang baik. Sistem multi-robot telah pula diujikan. Secara keseluruhan komunikasi perintah pergerakan dari robot leader ke masing-masing robot follower bekerja dengan baik. Hanya perlu dirancang lebih lanjut agar formasi sistem multi-robot dapat dipertahakan bagi pergerakan yang lebih kompleks. 37

48 DAFTAR PUSTAKA Adriansyah, A. dan Amin, S.H.M (2007), Fuzzy Behavior Coordination with Flexible Fuzzy Context Rule using Particle Swarm Optimizaiton, International Conference on Control, Instrumentation and Mechatronics (CIM 07), Malaysia, May Adriansyah, A. dan Amin, S.H.M (2008), Learning of Fuzzy Behaviours using Particle Swarm Optimization in Behaviour-based Mobile Robot. International Journal of Intelligent System Technologies and Applications (IJISTA), Vol. 5 Issue 1/2-2008, Inderscience Publishers, ISSN: , pp Balch, T., dan R.C.Arkin (1998), Behavior-based formation control for multi-robot teams, IEEE Transaction on Robotics and Automation, 14 (6), pp , 1998 Chen, Y.Q dan Wang, Z (2005), Formation control: a review and a new consideration, Proc. IEEE Internacional Conference on Intelligent Robots and Systems, pp , Agustus Cruz, C.D.L dan Carelli, R. (2006), Dynamic modeling and centralized formation control of mobile robots, Proc. IEEE Conference on Industrial Electroanics, pp , November 2006 Dudek, G. and Jenkin, M. (2000). Computational Principles of Mobile Robotics. 1 st ed. Cambridge, MA: Cambridge University Press. Egerstedt, M dan Hu, K (2001)., Formation contrained multi-agent control, Proc. IEEE International Conference on Robotics adn Automatiion, pp , Korea, May Gerkey, B.P. dan Mataric, M.J. (2003), A Formal Analysis and Taxonomy of Task Allocation in Multi-robot Systems, International Journal of Robotics Research, USA, Keramas, J. G. (1999), Robot technology fundamentals, Delmar Publishers: New Cork, 1999 Lee, C. (1990). Fuzzy Logic in Control Systems: Fuzzy Logic Controller (Parts I and II). IEEE Transaction on Systems, Man, and Cybernetics. 10(2):

49 Li, X., Xiao, J., dan Cai, Z. (2005), Backstepping based multiple mobile robots formation control, Proc. IEEE International Conference on Intelligent Robots and Systems, pp , Agust, 2005 Lucas, G.W. (2000) A Tutorial and Elementary Trajectory Model for the Differential Steering System of Robot Wheel Actuators. The Rossum Project. Unpublished. Mariottini, G.L, dkk (2005). Visionbased Localization of Leader-Follower Formations. In Proc. 44th IEEE Conference on Decision and Control, pages , Miglino, O., Lund. H. And Nolfi, S. (1995). Evolving mobile robots in simulated and real environments. Technical Report NSAL-95007, Roma Nehmzow, U. (2000). Mobile Robotics: A Practical Introduction. London: Springer- Verlag. Nehmzow, U. (2001). Mobile Robotics: Research, Applications and Challenges, Proceeding of Future Trends in Robotics, Institution of Mechanical Engineer, London, UK Parker, L. E., (2007). Distributed Intelligence: Overview of the Field and its Application in Multi-Robot Systems, 2007 AAAI Fall Symposium, pp. 1-6, The AAAI Press, California, 2007 Sanchez, J., dan Fierro, R. (2003), Sliding Mode Control for Robot Formations, Proc. IEEE International Symposium on Intelligent Control, pp , Shao, J., dkk. (2005), Leader-following Formation Control of Multiple Mobile Robots, Proc. IEEE/RSJ International Symposium on Intelligent Control, pp , Tunstel, E.W (1995). Coordination of Distributed Fuzzy Behaviors in Mobile Robot. IEEE International Conference on Systems, Man, & Cybernetics. Canada, October Wawerla, J. et al (2002), Collective Construction with Multipler Robots, Proceeding of the International Conference on Intelligence Robots and Systems, Switzerland, 2002 Yun, B., dkk (2008)., A leadaer-follower formation flight control scheme for UAV helicopters, Proc. IEEE International Conference on Automatics and Logistics, pp , China, Zadeh, L.A. (1965) Fuzzy Sets. Information and Control. 8(1):

50 Zadeh, L.A. (1997). The Roles of Fuzzy Logic and Soft Computing in the Conception, Design and Deployment of Intelligence Systems. Software Agents and Soft Computing. 1997:

51 LAMPIRAN 1. REKAPITULASI PENGGUNAAN DANA PUSAT PENELITIAN UNIVERSITAS MERCU BUANA LAPORAN REKAPITULASI PENGGUNAAN DANA PENELITIAN JUDUL PENELITIAN : Perancangan Pengendali Formasi Pada Koordinasi Sistem Multi-Robot menggunakan Pengendali Logika Fuzzy JENIS PENELITIAN : Hibah Fundamental (APID) TAHUN : 2013 No. Uraian Pemasukan (Rp) Pengeluaran (Rp) 1. Nilai Kontrak Bruto Biaya Upah/HR Belanja Bahan Belanja Perjalanan Belanja Barang Operasional Lainnya Total Pengeluaran Saldo (9.550) 41

52 LAMPIRAN 2. INSTRUMEN 1. Perangkat Lunak Simulasi: MATLAB Versi R2008a MATLAB (matrix laboratory) adalah sebuah lingkungan komputasi numerikal dan bahasa pemrograman komputer generasi keempat. Dikembangkan oleh The MathWorks, MATLAB memungkinkan manipulasi matriks, pem-plot-an fungsi dan data, implementasi algoritma, pembuatan antarmuka pengguna, dan pengantarmuka-an dengan program dalam bahasa lainnya. 2. Robot Lego NXT Mindstorms 42

53 LAMPIRAN 3. PERSONALIA TENAGA PENELITI 1. Ketua Peneliti a. Nama Lengkap : Dr. Ir. Andi Adriansyah, M.Eng b. Jabatan/ Golongan : Lektor Kepala / IVc d. Institusi : FT Universitas Mercu Buana e. Jurusan : Teknik Elektro f. Program Studi : Teknik Elektro g. Bidang Keahlian : Mekatronik, Robotika dan Kecerdasan Buatan h. NIDN : Anggota Peneliti 1 a. Nama Lengkap : Ir. Eko Ihsanto, M.Eng b. Jabatan/ Golongan : Asisten Ahli d. Institusi : FT Universitas Mercu Buana e. Jurusan : Teknik Elektro f. Program Studi : Teknik Elektro g. Bidang Keahlian : Mikroprosesor, Embedded System, dan Pemrograman Komputer h. NIDN : Anggota Peneliti 2 a. Nama Lengkap : Ir. Badaruddin, MT b. Jabatan/ Golongan : Lektor / IIIc d. Institusi : FT Universitas Mercu Buana e. Jurusan : Teknik Elektro f. Program Studi : Teknik Elektro g. Bidang Keahlian : Tenaga Listrik, Catu Daya, dan Battere h. NIDN :

54 LAMPIRAN 4. LOGBOOK No. Tanggal Kegiatan 1 7 Mei 2013 Diskusi Tim Peneliti mengenai kelanjutan aktifitas penelitian. Pembahasan difokuskan pada Tahap Simulasi dan Implementasi 2 15 Mei 2013 Menjadi Pembicara pada Konferensi Internasional ICTS 2013 di Bali 3 21 Mei 2013 Melakukan pemrograman robot majemuk dasar sebagai pembentukan formasi robot dengan MATLAB 4 4 Juni 2013 Melakukan pemrograman robot majemuk dengan MATLAB, mengendalikan gerakan robot majemuk: gerakan lurus, gerakan miring dan gerakan kombinasi 5 18 Juni 2013 Melakukan pemrograman dengan MATLAB dan diimplementasikan ke Robot NXT Lego. Percobaan desain awal 6 2 Juli 2013 Diskusi Tim Peneliti mengenai hasil sementara penelitian Ketua Peneliti Andi Adriansyah, Dr., Ir., M.Eng 44

55 No. Tanggal Kegiatan 7 16 Juli 2013 Melakukan pemrograman robot majemuk dan diimplementasikan ke Robot NXT Lego. Mencoba pergerakan robot majemuk dan mengatur formasi yang diperlukan 8 30 Juli 2013 Melakukan pemrograman robot majemuk dengan MATLAB dan implementasi ke Robot Lego NXT, pergerakan dalam formasi berbanjar 9 20 Agustus 2013 Diskusi Tim Peneliti mengenai hasil penelitian sementara. Penelitian akan dilanjutkan dengan formasi robot majemuk lainnya 10 3 September 2013 Melakukan pemrograman robot majemuk dengan MATLAB dan implementasi ke Robot Lego NXT. Difokuskan pada gerakan robot majemuk dengan formasi berbaris September 2013 Diskusi Tim Peneliti mengenai hasil penelitian sementara dan persiapan pembuatan laporan kemajuan penelitian 12 8 Oktober 2013 Diskusi Tim Peneliti untuk finalisasi Laporan Kemajuan Penelitian (70%) dan penjilidan Laporan Kemajuan Penelitian Ketua Peneliti Andi Adriansyah, Dr., Ir., M.Eng 45

56 No. Tanggal Kegiatan November 2013 Melakukan pemrograman robot majemuk dan diimplementasikan ke Robot NXT Lego. Mencoba pergerakan robot majemuk dan mengatur formasi yang diperlukan dengan bentuk formasi yang berbeda-beda November 2013 Diskusi Tim Peneliti mengenai hasil penelitian sementara dengan pakar dan organisasi internasional yang sejenis Desember 2013 Melakukan pemrograman robot majemuk dan diimplementasikan ke Robot NXT Lego. Mencoba pergerakan robot majemuk dan mengatur formasi yang diperlukan dengan bentuk formasi yang berbeda-beda 16 9 Desember 2013 Diskusi Tim Peneliti untuk finalisasi Laporan Akhir Penelitian (100%) dan penjilidan Laporan Akhir Penelitian Ketua Peneliti Andi Adriansyah, Dr., Ir., M.Eng 46

57 LAMPIRAN 5. LUARAN 1. Jurnal Nasional Andi Adriansyah, Perancangan Sistem Komunikasi Multi-robot Menggunakan Xbee, Journal TICOM, Vol. 1, No. 1, September 2012, Aptikom Wil. 3, Jakarta, ISSN No , pp Seminar Nasional Andi Adriansyah, Implementasi Sistem Komunikasi Multi-robot Menggunakan Xbee, Seminar Nasional Aplikasi Sains dan Teknologi (SNAST) 2012, 3 November 2012, IST AKPRIND Yogyakarta, ISSN: X, pp. B16-B Jurnal Internasional Andi Adriansyah, Design of Mini Multi-Robot System using XBee, International Journal of Advances in Soft Computing and Its Application (IJASCA), (submitted) 4. Seminar Internasional Andi Adriansyah, Design of Simple Multi-robot System, MICEEI 2012, Makasar, 28 th December 2012, pp Andi Adriansyah dan Yuliza, X-Bee Implementaion on Mini Multi-Robot System, The 7 th International Conference on Information and Communication Technology and Systems, Bali, 15 th -16 th May 2013, pp Buku Ajar Andi Adriansyah, Belajar Membuat Robot dengan Arduino, (draft). 47

58 Jurnal TICOM Vol.1 No.1 September 2012 Perancangan Sistem Komunikasi Multi-Robot Menggunakan XBee Andi Adriansyah Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana Jl. Raya Meruya Selatan, Kembangan, Jakarta 11650, Indonesia, Tlp/Fax : andi@mercubuana.ac.id Abstract -- In this decade the study of multi-robot systems have been popular because it is able to reduce processing time, cost and complexity of the system. However, multirobot system has a major problem is the reliability of communication between robots. Several methods are available to solve the existing problem. One is through the use of ZigBee-based communication media. This paper discusses the implementation of in simple multi-robot system. Some experiments were performed to determine the reliability and effectiveness of communication in some movement of the robot and its ability to keep a certain formation. Based on experiments conducted can be said that the inter-robot communication is effective and well run. Keywords: Multi-robot system, Multi-robot Communication, ZigBee Abstrak Pada dekade ini kajian sistem multi-robot telah popular karena mampu mereduksi waktu proses, biaya dan kompleksitas sistem. Namun, sistem multi-robot memiliki masalah utama yaitu kehandalan komunikasi antar robot. Beberapa metode telah ditawarkan untuk menyelesaikan problem yang ada. Salah satunya adalah melalui pemanfaatan media komunikasi berbasis ZigBee. Tulisan ini membahas pengimplementasian ZigBee dalam sistem multi-robot sederhana. Beberapa percobaan dilakukan untuk mengetahui kehandalan dan efektifitas komunikasi dalam beberapa pergerakan robot dan kemampuannya menjaga formasi tertentu. Dari percobaan yang dilakukan dapat dikatakan bahwa komunikasi antar robot berjalan cukup efektif dan baik. Kata kunci: Sistem Multi-robot, Komunikasi Multi-robot, ZigBee I. PENDAHULUAN Teknologi dan aplikasi robot terus berkembang secara cepat, baik dari sisi kehandalan, jangkauan kemampuan dan bidang aplikasinya. Di dalam teknologi robot, tergabung beberapa tema-tema penelitian yang juga berkembang, seperti teknologi sensor, teknologi motor, teknologi suplai daya, teknologi telekomunikasi, teknologi pengendalian dan teknologi kecerdasan buatan. Perkembangan masing-masing teknologi tersebut saling menyempurnakan untuk mendukung kemajuan teknologi robot. Oleh karena itu, penyelidikan di bidang teknologi robot menjadi topik yang memiliki daya tarik yang cukup kuat bagi para peneliti [1]. Pada dekade ini, telah terjadi pergeseran yang signifikan pada bidang fokus penyelidikan tentang robot. Para peneliti mulai mengarahkan arah penelitiannya, dari investigasi sistem robot tunggal kepada koordinasi sistem multi-robot. Sistem multi-robot adalah suatu sistem dari suatu entitas robot yang bekerja bersama untuk menyelesaikan tugas tertentu. Sebagai sebuah topik penelitian, kajian sistem multi-robot telah meningkat popularitasnya selama tahun-tahun belakangan ini. Menurut data dari Web of Science, selama tahun 2006 saja terdapat hampir 1000 publikasi mengenai multi-robot. Beberapa bidang yang termasuk dalam kajian sistem multi-robot, antara lain adalah: distributed intelligence, distributed artificial intelligence, multi-agent sistem dan multi-robot system [2]. Terdapat beberapa keuntungan potensial dari pengaplikasian sistem multi-robot. Secara umum, pengaplikasian sistem multi-robot dibanding sistem robot tunggal adalah menghasilkan sistem yang lebih baik dalam rangka menyelesaikan permasalahan sistem. Jika sebuah sistem diselesaikan dengan cara membaginya dalam beberapa subsistem secara parallel, maka penggunaan sistem multi-robot akan menghasilkan sistem yang dapat mengurangi waktu penyelesaian secara keseluruhan. Selain itu, sistem multi-robot menawarkan kemungkinan untuk meningkatkan keandalan sistem. Sistem multi-robot dapat menggantikan peran robot yang mengalami kegagalan fungsi. Hal ini tidak dimungkinkan pada sistem robot tunggal. Keuntungan lainnya, untuk menyelesaikan sistem yang ada menggunakan sistem robot tunggal membutuhkan pembiayaan yang besar dan sistem yang kompleks. Dengan sistem multi-robot, sistem yang ada dapat dikerjakan secara bersama dengan menggunakan robot yang murah dan sederhana [3]. Dalam sistem multi-robot terdapat tujuh topik riset utama yang menjadi bahan kajian para peneliti, yaitu: model inspirasi biologis, sistem komunikasi, sistem aristektur, mekanisme lokalisasi, manipulasi/transportasi objek, koordinasi pergerakan dan rekonfigurasi robot [4], [5]. Sistem komunikasi multi-robot (multi-robot ISSN

59 Jurnal TICOM Vol.1 No.1 September 2012 communication) termasuk topik riset yang cukup berkembang dan menantang. Hal ini disebabkan karena problem besar sistem multi-robot adalah keperluannya terhadapa komunikasi yang andal untuk mengkoordinasikan seluruh robot. Penambahan jumlah robot akan makin meningkatkan kompleksitas komunikasi yang ada [2]. Oleh karena itu, tulisan ini berupaya untuk membahas perancangan sistem komunikasi multi-robot demi mengatasi masalah yang disebutkan di atas. Perancangan sistem komunikasi diupayakan sesederhana mungkin dibandingkan dengan yang telah ada. Fokus perancangan ditujukan kepada kemampuan robot untuk bermanuver dengan pergerakan dan formasi tertentu. Pada tulisan ini, media transmisi yang digunakan antar robot adalah sistem nir kabel dengan frekuensi radio (Radio Frequnecy, RF) menggunakan Xbee Beberapa eksperimen dilakukan untuk menguji efektifitas komunikasi dalam manuver dan pergerakan seluruh robot. II. TINJAUAN PUSTAKA A. Komunikasi Multi-robot Komunikasi multi-robot adalah teknologi yang memiliki kemampuan untuk memberikan jalur komunikasi terdahap dua atau lebih robot [6]. Dengan menggunakan teknologi wireless yang ada maka dapat dirancang semacam bahasa antara robot untuk membentuk sebuah sistem multi-robot. Kemudian, sistem robot yang telah memiliki jalur komunikasi ini dapat saling bertukar informasi, seperti data pengukuran, lokasi atau posisi masing-masing robot, data lingkungan atau perintah pergerakan. Dengan demikian, komunikasi multi-robot dapat menjadli solusi untuk menyelesaikan permasalahan sistem multi-robot yang lebih luas dan kompleks. Komunikasi multi-robot biasa diklasifikasikan dalam beberapa kategori, yaitu: komunikasi implisit, komunikasi eksplisit, komunikasi keadaam dan komunikasi tujuan [2]. Pembahasan mengenai jenisjenis komunikasi tersebut adalah sebagai berikut. 1. Komunikasi Implisit Komunikasi implisit adalah sistem komunikasi melalui perubahan di lingkungan. Robot dapat meninggalkan bekas dan jejak yang dapat menyampaikan informasi kepada robot lainnya yang akan mengenali perubahan lingkungan. Tindakan tersebut dapat dibandingkan dengan perbuatan manusia seperti menuliskan tanda anak panah di jalan atau semut meninggalkan jejak aroma tertentu di permukaan yang dilewatinya. 2. Komunikasi Eksplisit Jenis komunikasi ini terbentuk dalam sistem pengiriman dan penenerimaan data melalui jenis protokol atau bahasa sebagai media. Komunikasi eksplisit harus terjadi secara real pada setiap robot. Sebuah perangkat komunikasi diperlukan untuk komunikasi seperti untuk melayani sebagai media, misalnya untuk radio atau wireless Ethernet. 3. Komunikasi Keadaan Dalam komunikasi keadaan, robot harus dapat mengamati perilaku robot lainnya. Komunikasi dapat diterapkan dalam bentuk beberapa robot bergerak berdasarkan keberadaan cahaya. Untuk dapat menerapkan komunikasi ini robot harus mampu mengenali dan mengerti pergerakan robot lainnya. 4. Komunikasi Tujuan Jenis komunikasi melibatkan transmisi dan penerimaan informasi yang berorientasi pada tujuan tertetntu. Pelaksanaan pada mobile robot membutuhkan data yang akan dikodekan, dikirim, diterima dan diterjemahkan. Komunikasi tujuan berbeda dari komunikasi negara dalam bahwa pengirim sengaja mengirim atau menyiarkan informasi. Sebuah contoh alam dari jenis komunikasi ditemukan dalam perilaku lebah madu. B. ZigBee dan XBee Zigbee adalah sebuah spesifikasi protokol komunikasi radio digital berdaya rendah berdasarkan standar IEEE tahun 2003 [7]. Sedangkan XBee adalah brand yang mensupport dari berbagai protokol komunikasi termasuk ZigBee dan WiFi. Secara umum, standar protokol ZigBee sama dengan standar Bluetooth. Manufaktur device standar ZigBee suatu pabrik sepenuhnya mendukung dan bersesuaian dengan ZigBee device buatan pabrik lainnya. Gambar XBee module ditunjukkan pada Gambar 1. Gbr 1. ZigBee Modul ZigBee banyak digunakan dipasaran karena ZigBee mempunyai banyak keunggulan yaitu : a. Jangkauan 1 meter meter. b. ISM (Industrial, Scientific & Medical) radio bands : 2.4 GHz, 868 MHz dan 915 MHz ISSN

60 Jurnal TICOM Vol.1 No.1 September 2012 c. Konsumsi daya rendah d. CSMA-CA channel access. e. Jaringan besar ( node). f. Sangat aman (AES enkripsi). g. Jaringan topologi star, mesh dan saling mendukung berbagai aplikasi h. Interoperabilitas di seluruh dunia dengan produk-produk lainnya i. Co-eksistensi dengan media nirkabel lainnya (misalnya,wlan, Bluetooth, selular) Keunggulan dari ZigBee tersebut membuat teknologi ZigBee banyak diaplikasikan di berbagai kebutuhan masyarakat antara lain sebagai remote control, pemantau jarak jauh, pengirim data dan wireless sensor. Gambar 2 memperlihatkan arsitektur jaringan yang terdapat dalam ZigBee [7]. C. Penelitian Sejenis Gbr 2. Arsitektur Jaringan ZigBee Sistem komunikasi memainkan peranan yang amat penting dalam implementasi sistem multi-robot. Oleh karena itu, sistem komunikasi yang efisien dan handal menjadi sebuah harapan yang ingin dicapai dalam seluruh riset mengenai komunikasi multi-robot ini. Berbagai media komunikasi telah diupayakan oleh para peneliti untuk mendapatkan sistem yang ideal tersebut. Pada tahapan awal, Radio Frekuensi (RF) menjadi media komunikasi yang banyak digunakan [8], [9]. Kemudian, setelah dikenalnya media Wireless Fidellity (WiFi), maka media ini juga menjadi alternative. Gill Pinto dan kawan-kawan [10] mencoba untuk mengembangkan media WiFi, bukan sekedar sebagai media komunikasi multi-robot, bahkan juga menjadi alat pengukur posisi antara robot dengan mengkalkulasi kekuatan sinyalnya. Selanjutnya, pengembangan WiFi menjadi bahan riset peneliti selanjutnya, seperti WLAN [11] dan TCP/IP [12], [13], yang mengimplementasikannya pada sistem multi-robot rekaanya. Menuturnya, Xiao-Lin [11] sistem WLAN memiliki performansi yang relative baik, murah dan praktis penggunaannya. Pengembangan lainnya adalah penggunaan RFID sebagai media komunikasi multi-robot yang dipelopori oleh Kang [14]. Namun, karena RFID memiliki keterbatasan jarak untuk dapat berkomunikasi, maka belum banyak dikembangkan. Terakhir, yang mulai popular dijadikan sebagai media komunikasi multi-robot adalah ZigBee [15]. Sejak dikenalkannya, penggunaan ZigBee dengan salah satu brandnya, yaitu XBee, pengkajian media ini mulai berkembang. Tulisan ini mencoba mengimplementasikan XBee dalam sistem multi-robot sederhana. III. PERANCANGAN Terdapat beberapa tahap perancangan yang dilakukan, yaitu: perancangan robot, perancangan pergerakan robot dan perancangan komunikasi multirobot. Tiga buah robot sederhana dan sejenis dirancang berbentuk persegi pipih terbuat dari bahan multipleks. Robot memiliki dimensi sebagai berikut: Sisi = 20 cm Tinggi = 12 cm (tanpa roda) Tinggi = 16 cm (dengan roda) Pada masing-masing robot dirancang terdapat sebuah sistem minimum mikrokontroler sebagai pengendali, sebuah penggerak motor (motor driver), sepasang motor dengan rodanya dan seperangkat sistem komunikasi. Sistem minimum yang digunakan adalah Arduino Duemilanove yang berbasiskan mikrokontroler ATMega 328. Sementara penggerak motor yang dipakai berbasiskan IC L293D yang mampu mengendalikan arah dan kecepatan dua buah motor sekaligus. Motor yang dikendalikan adalah motor DC yang memiliki sistem gear sederhana. Bentuk robot yang dirancang diilustrasikan pada Gambar 3. Gbr 3. Bentuk Robot yang akan dirancang Robot-robot tersebut digerakkan menggunakan dua buah motor DC yang diletakan di sisi kiri dan kanan robot untuk dapat melakukan berbagai gerakan tertentu. Pergerakan robot menggunakan prinsip differential drive motor [16], [17]. Prinsip ini mengkombinasikan perbedaan kecepatan antara motor roda kanan dengan motor roda kiri, sehingga didapatkan pergerakan robot yang melingkar dengan jarak dan sudut tertentu dari titik pusatnya. Kemampuan ini membuat robot dapat ISSN

61 Jurnal TICOM Vol.1 No.1 September 2012 dapat bergerak dengan arah yang berbeda-beda. Gambar 4 memperlihatkan prinsip pergerakan ini, dimana v l dan v r adalah kecepatan translasi motor kiri dan kanan, ω c adalah kecepatan rotasi motor keseluruhan, W adalah jarak antara roda, R adalah jari-jari lingkaran dan ICC adalah titik pusat gerakan melingkarnya ICC ω c v l W/2 R (x, y) Gbr 4. Prinsip Pergerakan differential drive motor Kemudian, sistem komunikasi antara robot dirancang berbasisikan sistem komunikasi implisit. Pada sistem ini digunakan media tanpa kabel (wireless). Setiap robot difasilitasi dengan sebuah Xbee yang berperan sebagai Pemancar dan Penerima, sehingga dapat terjadi komunikasi antar seluruh robot. Model komunikasi berupa sistem pemancar (Transmitter, Tx) dan sistem penerima (Receiver, Rx) diletakan pada setiap robot. Dengan demikian, setiap robot dapat saling berkomunikasi dengan mekanisme full duplex. Ilustrasi mekanisme komunikasi multi-robot diperlihatkan pada Gambar 5. Gbr 5. Sistem Komunikasi Multi-robot Secara umum direncanakan robot diatur dalam sistem pengendalian khusus. Sistem pengendalian yang digunakan adalah sistem leader follower, dimana sebuah robot akan menjadi leader dan beberapa robot lainnya akan berperan sebagai follower [18], [19]. Robot follower akan menempati posisi tertentu relatif terhadap robot leader. Robot leader akan memberikan perintah pergerakan sesuai dengan pergerakan dirinnya ke semua robot follower. Dalam tulisan ini robot diformasikan dalam bentuk segitiga, dimana sebuah robot leader di depan dan dua buah robot follower di sebelah kiri dan kanan robot leader. Formulasi ini ditampilkan pada Gambar 6. θ v r Gbr 6. Robot-Majemuk dalam Formasi V IV. HASIL DAN PEMBAHASAN Berdasarkan perancangan yang telah disampaikan pada bagian sebelumnya, maka telah dirancang tiga buah robot sederhana yang sejenis sebagai suatu sistem multi-robot. Ketiga robot tersebut diklasifikasikan sebagai berikut: terdapat sebuah robot sebagai leader dan dua buah robot sebagai follower. Untuk membedakannya, robot leader memiliki tiga buah sensor ultarsonik yang memiliki kemampuan mengukur jarak dengan benda di hadapannya. Setiap robot memiliki bentuk dan dimensi yang sama, yaitu berbentuk persegi berukuran 20 X 20 cm dengan masing-masing sudutnya telah dirapihkan. Sebuah sistem minimum mikrokontroler sebagai pengendali sistem secara keseluruhan ditempatkan pada masing-masing robot. Disamping itu, sebuah penggerak motor (motor driver), sepasang motor dengan rodanya dan seperangkat sistem komunikasi diletakan pada sebagai sistem pelengkap untuk bekerjanya robot dengan baik. Sistem minimum yang digunakan adalah Arduino Duemilanove yang berbasiskan mikrokontroler ATMega 328. Sementara penggerak motor yang dipakai berbasiskan IC L293D yang mampu mengendalikan arah dan kecepatan dua buah motor sekaligus. Motor yang dikendalikan adalah motor DC yang memiliki sistem gear sederhana. Terakhir, sistem komunikasi yang diaplikasikan berbasis sistem telekomunikasi ZigBee dengan merek Xbee yang memiliki kemampuan mengirimkan dan menerima data secara duplex. Gambar 7 memperlihatkan robot hasil perancangan untuk menjadi sebuah sistem multi-robot. ISSN

62 Jurnal TICOM Vol.1 No.1 September (a) Gbr 8. Pergerakan robot tunggal dengan kombinasi pergerakan (b) Berdasarkan pergerakan robot tunggal yang ditampilkan pada Gambar 8, dapat dikatakan bahwa pergerakan robot tunggal tersebut sudah baik, karena mampu bergerak dengan pergerakan maju, belok kanan dan belok kiri dengan sempurna. Kemudian, untuk menguji kemampuan komunikasi dalam sistem multi-robot, ketiga robot disusun dalam formasi segitiga. Dalam formasi segitiga itu, sebuah robot dijadikan sebagai robot leader dan dua robot lainnya sebagai robot follower. Robot leader bergerak dengan pergerakan yang telah diprogram terlebih dahulu, sementara robot follower tidak diberikan program pergerakan. Robot follower bergerak sesuai dengan pergerakan yang diperintahkan oleh robot follower. Posisi robot leader dan robot follower diperlihatkan pada Gambar 9. (c) Gambar 7. Robot hasil perancangan: (a) Tampak Depan, (b) Tampak Samping dan (c) Tampak Atas Kemudian, masing-masing robot diuji kemampuannya untuk bermanuver dalam ruangan. Beberapa pergerakan telah dujiicoba. Gambar 8 memperlihatkan kemampuan robot tunggal bermanuver dalam beberapa jenis pergerakan, yaitu pergerakan maju, berbelok ke kanan, berbelok ke kiri dan maju kembali. (a) ISSN

63 Jurnal TICOM Vol.1 No.1 September (b) Gbr 9. Formasi Sistem Multi-robot: (a) Tampak Atas dan (b) Tampak Depan Terdapat tiga pengujian sistem komunikasi pada multi-robot ini, yaitu: pergerakan lurus, pergerakan melingkar dan pergerakan kombinasi. Untuk mempermudah analisa, pergerakan dan data pergerakan ditampilkan dalam bentuk gambar dan tabel. Dalam gambar, robot leader diperlihatkan dengan warna biru, sedangkan robot follower ditampilkan dengan warna merah. Hasil pergerakan multirobot dalam gerakan lurus diperlihatkan pada Gambar Gbr 10. Pergerakan Lurus pada Sistem Multi-robot Pada Gambar 10 tampak bahwa multi-robot dapat bergerak dengan baik dengan formasi segitiga yang dapat dipertahankan. Hal ini menunjukkan bahwa komunikasi antara robot leader dengan dua buah robot follower telah berlangsung dengan efektif, dimana robot-robot bergerak dengan kecepatan yang sama sesuai dengan perintah yang dikirimkan oleh robot leader melalui Xbee. Hasil pergerakan dan data pergerakan multirobot dalam gerakan berbelok ke kanan diperlihatkan pada Gambar 11 dan Tabel 1. Gbr 11. Pergerakan Melingkar pada Sistem Multi-robot Pada Gambar 11 tampak bahwa robot bergerak dengan kecepatan dan arah yang sama, namun mengakibatkan terjadi perubahan formasi segitiga. Tabel 1 memperlihatkan bahwa terjadi perubahan posisi robot dari posisi formasi segitiga yang seharusnya. Hal ini terjadi karena robot leader melakukan gerakan berbelok ke kanan yang ternyata diikuti langsung oleh robot follower sehingga terjadi perubahan formasi yang berakumulasi. TABEL 1 DATA PERGERAKAN MULTI-ROBOT GERAKAN BERBELOK KE KANAN Kecepatan Jarak Deviasi Formasi Robot Leader Robot Follower1 Robot Follower2 Kanan (m/s) Kiri (m/s) dx (m) dy (m) dx (m) dy (m) ISSN

64 Jurnal TICOM Vol.1 No.1 September Pengujian terakhir adalah pergerakan multi-robot yang bergerak secara kombinasional, dengan pergerakan maju, berbelok ke kanan, berbelok ke kiri dan maju kembali. Besar sudut gerakan berbelok dirancang simetris antara belok kanan dengan belok kiri. Hasil pengujian dan data pergerakan diperlihatkan pada Gambar 12 dan Tabel Gbr 12. Pergerakan Kombinasi pada Sistem Multi-robot Berdasarkan Gambar 12 dapat dikatakan bahwa secara umum komunikasi antar robot bekerja dengan efektif. Robot follower bergerak dengan kecepatan yang sama dengan robot leader sesuai dengan perintah yang dikirimkan. Namun terjadi perubahan formasi segitiga yang unik. Pada saat gerakan lurus, formasi segitiga dapat dipertahankan dengan baik dan tidak terjadi deviasi posisi, seperti diperlihatkan pada Tabel 3 baris pertama hingga baris ke enam. Tapi, setelah terjadi gerakan belok kanan yang diikuti dengan gerakan berbelok ke kiri terjadi perubahan formasi. Karena pergerakan berbelok simetris maka, formasi dapat terbentuk kembali pada saat multi-robot bergerak lurus kembali. TABEL 2 DATA PERGERAKAN MULTI-ROBOT GERAKAN KOMBINASI Kecapatan Jarak Deviasi Formasi Robot Leader Robot Follower1 Robot Follower2 Kanan (m/s) Kiri (m/s) dx (m) dy (m) dx (m) dy (m) V. PENUTUP Tulisan ini telah membahas proses perancangan sebuah sistem komunikasi pada sistem multi-robot dengan media komunikasi berbasisis Xbee. Tiga buah robot telah dirancang berbentuk persegi dengan sistem mikrokontroler, sistem penggerak motor dan sistem komunikasi sendiri-sendiri. Pergerakan robot tunggal telah diuji dengan hasil yang baik. Sistem multi-robot telah pula diujikan. Secara keseluruhan komunikasi perintah pergerakan dari robot leader ke masing-masing robot follower bekerja dengan baik. Hanya perlu difikirkan metoda lebih lanjut agar formasi sistem multi-robot dapat dipertahakan bagi pergerakan yang lebih kompleks. REFERENSI [1] Nehmzow, U., Mobile Robotics: Research, Applications and Challenges, Proceeding of Future Trends in Robotics, Institution of Mechanical Engineer, London, UK [2] Parker, L. E., Distributed Intelligence: Overview of the Field and its Application in Multi-Robot Systems, 2007 AAAI Fall Symposium, pp. 1-6, The AAAI Press, California, 2007 [3] Wawerla, J. et al., Collective Construction with Multipler Robots, Proceeding of the International Conference on Intelligence Robots and Systems, Switzerland, 2002 [4] Arai, T., et al., Editorial: Advances in Multi-robot System, Int. J. of Computers, Communications & Control, ISSN , E-ISSN , Vol. III (2008), Suppl. issue: Proceedings of ICCCC 2008, pp [5] Lefrance, G., Colony of robots: New Challenge, IEEE Trans. Robotics and Automation, Vol. 18, No. 5, October 2002, pp ISSN

65 Jurnal TICOM Vol.1 No.1 September 2012 [6] Xiao-Lin, L., Jing-Ping, J., and Kui, X.,, Proc. International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2004), 2004, pp [7] Faludi, R., Buidling Wireless Sensor Networks, O Reilly Media, Inc, USA, 2011 [8] Pan, Q.W., Lowe, D., Search and Rescue Robot Team RF Communication via Power Cable Transmission Line - A Proposal, International Symposium on Signals, Systems and Electronics (ISSSE 2007), pp [9] Rivard, F, et al.,.ultrasonic relative positioning for multi-robot systems, International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2008), pp [10] Gil-Pinto, A. Fraisse, P. Zapata, R., Wireless communication for secure positioning in multi robot formations of non holonomic ground vehicles, International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2008), pp [11] Xiao-Lin, L., Jing-Ping, J., Kui, X.,, International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2004), pp [12] Hui-ping, L., et al., Communication of multi-robot system on the TCP/IP, International Conference on Mechatronics Science (MEC 2011), pp [13] Hui, et al., A common wireless remote control system for mobile robots in laboratory, IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC 2012), pp [14] Kang, S.H., et al., Implementation of Smart Floor for multi-robot system, International Conference on Automation, Robotics and Applications (ICARA 2011), pp [15] Wan, J., et al., Multi-robots' communication system based on ZigBee network, International Conference on Electronic Measurement, (ICEMI 2009), pp [16] Lucas, G.W. (2000) A Tutorial and Elementary Trajectory Model for the Differential Steering System of Robot Wheel Actuators. The Rossum Project. rossum.sourceforge.net/papers/diffsteer. (10 December 2006) [17] Dudek, G. and Jenkin, M. (2000). Computational Principles of Mobile Robotics. 1 st ed. Cambridge, MA: Cambridge University Press. [18] Zhang, Y., Zeng, L., Li, Y., and Liu, Q., Multi robot formation control using leader-follower for MANET, Proc. International Conference on Robotics and Biometrics (ROBIO 2009), pp [19] Ghommam, J., Mehrjerdi, H., and Saad, M., Leader-follower formation control of nonholonomics with fuzzy logic based approach for obstacle avoidance, Proc. International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2011), 2011, pp ISSN

66 Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III ISSN: X Yogyakarta, 3 November 2012 Implementasi Sistem Multi-Robot Menggunakan Xbee Andi Adriansyah Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik, Universitas Mercu Buana Jl. Raya Meruya Selatan, Kembangan, Jakarta andi@mercubuana.ac.id Abstrak Sistem multi-robot telah menjadi fokus kajian yang popular karena mampu mereduksi waktu proses, biaya dan kompleksitas sistem. Masalah utama sistem multi-robot terletak pada kehandalan komunikasi antar robot. Salah satu metode untuk menyelesaikan problem ini adalah melalui pemanfaatan media komunikasi berbasis ZigBee. Tulisan ini membahas implementasi XBee dalam sistem multi-robot sederhana. Untuk mengetahui kehandalan dan efektifitas komunikasi dalam beberapa pergerakan robot dan kemampuannya menjaga formasi tertentu beberapa percobaan telah dilakukan. Dari percobaan yang dilakukan dapat dikatakan bahwa komunikasi antar robot berjalan cukup efektif dan baik. Kata kunci: Sistem Multi-robot, Komunikasi Multi-robot, ZigBee Pendahuluan Perkembangan teknologi dan aplikasi robot melaju dengan. Perkembangan ini meliputi sisi kehandalan, jangkauan kemampuan dan bidang aplikasinya. Beberapa tema penelitian yang berhubungan dengan teknologi robot juga turut berkembang. Perkembangan masing-masing teknologi tersebut saling menyempurnakan untuk mendukung kemajuan teknologi robot. Oleh karena itu, penyelidikan di bidang teknologi robot menjadi topik yang memiliki daya tarik yang cukup kuat bagi para peneliti [1]. Secara umum, telah terjadi perkembangan yang signifikan pada bidang fokus penyelidikan tentang robot. Para peneliti mulai mengarahkan fokus penelitiannya, dari investigasi sistem robot tunggal kepada koordinasi sistem multi-robot. Sistem multi-robot adalah suatu sistem dari suatu entitas robot yang bekerja bersama untuk menyelesaikan tugas tertentu [2] dan [3]. Dalam sistem multi-robot terdapat tujuh topik riset utama yang menjadi bahan kajian para peneliti, yaitu: model inspirasi biologis, sistem komunikasi, sistem aristektur, mekanisme lokalisasi, manipulasi/transportasi objek, koordinasi pergerakan dan rekonfigurasi robot [4], [5]. Sistem komunikasi multi-robot (multi-robot communication) termasuk topik riset yang cukup berkembang dan menantang. Hal ini disebabkan karena problem besar sistem multi-robot adalah keperluannya terhadapa komunikasi yang andal untuk mengkoordinasikan seluruh robot. Penambahan jumlah robot akan makin meningkatkan kompleksitas komunikasi yang ada [2]. Oleh karena itu, tulisan ini berupaya untuk membahas perancangan sistem komunikasi multirobot demi mengatasi masalah yang disebutkan di atas. Perancangan sistem komunikasi diupayakan sesederhana mungkin dibandingkan dengan yang telah ada. Fokus perancangan ditujukan kepada kemampuan robot untuk bermanuver dengan pergerakan dan formasi tertentu. Pada tulisan ini, media transmisi yang digunakan antar robot adalah sistem nir kabel dengan frekuensi radio (Radio Frequnecy, RF) menggunakan Xbee Beberapa eksperimen dilakukan untuk menguji efektifitas komunikasi dalam manuver dan pergerakan seluruh robot. Tinjauan Pustaka A. Komunikasi Multi-robot Komunikasi multi-robot adalah teknologi yang memiliki kemampuan untuk memberikan jalur komunikasi terdahap dua atau lebih robot [6]. Dengan menggunakan teknologi wireless yang ada maka dapat dirancang semacam bahasa antara robot untuk membentuk sebuah sistem multi-robot. Kemudian, sistem robot yang telah memiliki jalur komunikasi ini dapat saling bertukar informasi, seperti data pengukuran, lokasi atau posisi masing-masing robot, data lingkungan atau perintah pergerakan. Dengan demikian, komunikasi multi-robot dapat menjadli solusi untuk menyelesaikan B-16

67 Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III ISSN: X Yogyakarta, 3 November 2012 permasalahan sistem multi-robot yang lebih luas dan kompleks. Komunikasi multi-robot biasa diklasifikasikan dalam beberapa kategori, yaitu: komunikasi implisit, komunikasi eksplisit, komunikasi keadaan dan komunikasi tujuan [2]. B. ZigBee dan XBee ZigBee adalah sebuah spesifikasi protokol komunikasi radio digital berdaya rendah berdasarkan standar IEEE tahun 2003 [7]. Sedangkan XBee adalah brand yang mensupport dari berbagai protokol komunikasi termasuk ZigBee dan WiFi. Secara umum, standar protokol ZigBee sama dengan standar Bluetooth. Manufaktur device standar ZigBee suatu pabrik sepenuhnya mendukung dan bersesuaian dengan ZigBee device buatan pabrik lainnya. Gambar XBee module ditunjukkan pada Gambar 1. Gambar 1. ZigBee Modul ZigBee banyak digunakan dipasaran karena mempunyai banyak keunggulan yaitu, jangkauan 1 meter meter, ISM (Industrial, Scientific & Medical) radio bands : 2.4 GHz, 868 MHz dan 915 MHz, konsumsi daya rendah, CSMA-CA channel access, jaringan besar ( node), sangat aman, jaringan topologi star, mesh dan saling mendukung berbagai aplikasi, interoperabilitas di seluruh dunia dengan produk-produk lainnya dan co-eksistensi dengan media nirkabel lainnya (misalnya,wlan, Bluetooth, selular). Keunggulan dari ZigBee tersebut membuat teknologi ini banyak diaplikasikan di berbagai kebutuhan masyarakat antara lain sebagai remote control, pemantau jarak jauh, pengirim data dan wireless sensor [7]. C. Penelitian Sejenis Sistem komunikasi memainkan peranan yang amat penting dalam implementasi sistem multirobot. Oleh karena itu, sistem komunikasi yang efisien dan handal menjadi sebuah harapan yang ingin dicapai dalam seluruh riset mengenai komunikasi multi-robot ini. Berbagai media komunikasi telah diupayakan oleh para peneliti untuk mendapatkan sistem yang ideal tersebut. Pada tahapan awal, Radio Frekuensi (RF) menjadi media komunikasi yang banyak digunakan [8], [9]. Kemudian, setelah dikenalnya media Wireless Fidellity (WiFi), maka media ini juga menjadi alternative. Gill Pinto dan kawan-kawan [10] mencoba untuk mengembangkan media WiFi, bukan sekedar sebagai media komunikasi multi-robot, bahkan juga menjadi alat pengukur posisi antara robot dengan mengkalkulasi kekuatan sinyalnya. Selanjutnya, pengembangan WiFi menjadi bahan riset peneliti selanjutnya, seperti WLAN [11] dan TCP/IP [12], [13], yang mengimplementasikannya pada sistem multi-robot rekaanya. Menuturnya, Xiao-Lin [11] sistem WLAN memiliki performansi yang relative baik, murah dan praktis penggunaannya. Pengembangan lainnya adalah penggunaan RFID sebagai media komunikasi multi-robot yang dipelopori oleh Kang [14]. Namun, karena RFID memiliki keterbatasan jarak untuk dapat berkomunikasi, maka belum banyak dikembangkan. Terakhir, yang mulai popular dijadikan sebagai media komunikasi multi-robot adalah ZigBee [15]. Sejak dikenalkannya, penggunaan ZigBee dengan salah satu brandnya, yaitu XBee, pengkajian B-17

68 Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III ISSN: X Yogyakarta, 3 November 2012 media ini mulai berkembang. Tulisan ini mencoba mengimplementasikan XBee dalam sistem multirobot sederhana. Perancangan Terdapat beberapa tahap perancangan yang dilakukan, yaitu: perancangan robot, perancangan pergerakan robot dan perancangan komunikasi multi-robot. Tiga buah robot sederhana dan sejenis dirancang berbentuk persegi pipih terbuat dari bahan multipleks. Robot memiliki dimensi sebagai berikut sisi = 20 cm, tinggi tanpa roda = 12 cm dan tinggi dengan roda = 16 cm. Pada masingmasing robot dirancang sebuah sistem minimum mikrokontroler sebagai pengendali, sebuah penggerak motor (motor driver), sepasang motor dengan rodanya dan seperangkat sistem komunikasi. Sistem minimum yang digunakan adalah Arduino Duemilanove yang berbasiskan mikrokontroler ATMega 328. Sementara penggerak motor yang dipakai berbasiskan IC L293D yang mampu mengendalikan arah dan kecepatan dua buah motor sekaligus. Motor yang dikendalikan adalah motor DC yang memiliki sistem gear sederhana. Robot-robot tersebut digerakkan menggunakan dua buah motor DC yang diletakan di sisi kiri dan kanan robot untuk dapat melakukan berbagai gerakan tertentu. Pergerakan robot menggunakan prinsip differential drive motor [16], [17]. Prinsip ini mengkombinasikan perbedaan kecepatan antara motor roda kanan dengan motor roda kiri, sehingga didapatkan pergerakan robot yang melingkar dengan jarak dan sudut tertentu dari titik pusatnya. Kemampuan ini membuat robot dapat dapat bergerak dengan arah yang berbeda-beda. Kemudian, sistem komunikasi antara robot dirancang berbasisikan sistem komunikasi implisit. Pada sistem ini digunakan media tanpa kabel (wireless). Setiap robot difasilitasi dengan sebuah Xbee yang berperan sebagai Pemancar dan Penerima, sehingga dapat terjadi komunikasi antar seluruh robot. Model komunikasi berupa sistem pemancar (Transmitter, Tx) dan sistem penerima (Receiver, Rx) diletakan pada setiap robot. Dengan demikian, setiap robot dapat saling berkomunikasi dengan mekanisme full duplex. Secara umum direncanakan robot diatur dalam sistem pengendalian khusus. Sistem pengendalian yang digunakan adalah sistem leader follower, dimana sebuah robot akan menjadi leader dan beberapa robot lainnya akan berperan sebagai follower [18], [19]. Robot follower akan menempati posisi tertentu relatif terhadap robot leader. Robot leader akan memberikan perintah pergerakan sesuai dengan pergerakan dirinnya ke semua robot follower. Dalam tulisan ini robot diformasikan dalam bentuk segitiga, dimana sebuah robot leader di depan dan dua buah robot follower di sebelah kiri dan kanan robot leader. Hasil dan Analisa Telah dirancang tiga buah robot sederhana yang sejenis sebagai suatu sistem multi-robot. Ketiga robot tersebut diklasifikasikan sebagai berikut: sebuah robot sebagai leader dan dua buah robot sebagai follower. Untuk membedakannya, robot leader memiliki tiga buah sensor ultarsonik yang memiliki kemampuan mengukur jarak benda yang ada di hadapannya. Gambar 2 memperlihatkan robot hasil perancangan untuk menjadi sebuah sistem multi-robot. (a) (b) (c) Gambar 2. Robot hasil perancangan: (a) Tampak Depan, (b) Tampak Samping dan (c) Tampak Atas B-18

69 Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III ISSN: X Yogyakarta, 3 November 2012 Kemudian, masing-masing robot diuji kemampuannya untuk bermanuver dalam ruangan. Beberapa jenis pergerakan telah dujiicoba. Gambar 3 memperlihatkan kemampuan robot tunggal bermanuver dalam beberapa jenis pergerakan, yaitu pergerakan maju, berbelok ke kanan, berbelok ke kiri dan maju kembali Gambar 3. Pergerakan robot tunggal dengan kombinasi pergerakan Berdasarkan pergerakan robot tunggal yang ditampilkan pada Gambar 8, dapat dikatakan bahwa pergerakan robot tunggal tersebut sudah baik, karena mampu bergerak dengan pergerakan maju, belok kanan dan belok kiri dengan sempurna. Kemudian, untuk menguji kemampuan komunikasi dalam sistem multi-robot, ketiga robot disusun dalam formasi segitiga. Dalam formasi segitiga itu, sebuah robot dijadikan sebagai robot leader dan dua robot lainnya sebagai robot follower. Robot leader bergerak dengan pergerakan yang telah diprogram terlebih dahulu, sementara robot follower tidak diberikan program pergerakan. Robot follower bergerak sesuai dengan pergerakan yang diperintahkan oleh robot follower. Posisi robot leader dan robot follower diperlihatkan pada Gambar 4. (a) (b) Gambar 4. Formasi Sistem Multi-robot: (a) Tampak Atas dan (b) Tampak Depan Terdapat tiga pengujian sistem komunikasi pada multi-robot ini, yaitu: pergerakan lurus, pergerakan melingkar dan pergerakan kombinasi. Untuk mempermudah analisa, pergerakan dan data pergerakan ditampilkan dalam bentuk gambar. Dalam gambar, robot leader diperlihatkan dengan warna biru, sedangkan robot follower ditampilkan dengan warna merah. Hasil pergerakan multirobot dalam gerakan lurus diperlihatkan pada Gambar 5. B-19

70 Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III ISSN: X Yogyakarta, 3 November (a) (b) (c) Gambar 5. Pergerakan Lurus pada Sistem Multi-robot: (a) Gerakan Lurus, (b) Gerakan Melingkar dan (c) Gerakan Kombinasi Pada Gambar 5(a) tampak bahwa multi-robot dapat bergerak dengan baik dengan formasi segitiga yang dapat dipertahankan. Hal ini menunjukkan bahwa komunikasi antara robot leader dengan dua buah robot follower telah berlangsung dengan efektif, dimana robot-robot bergerak dengan kecepatan yang sama sesuai dengan perintah yang dikirimkan oleh robot leader melalui Xbee. Pada Gambar 5 (b) tampak bahwa robot bergerak secara melingkar dengan kecepatan dan arah yang sama, namun mengakibatkan terjadi perubahan formasi segitiga. Hal ini terjadi karena robot leader melakukan gerakan berbelok ke kanan yang ternyata diikuti langsung oleh robot follower sehingga terjadi perubahan formasi yang berakumulasi. Pengujian terakhir adalah pergerakan multi-robot yang bergerak secara kombinasional, dengan pergerakan maju, berbelok ke kanan, berbelok ke kiri dan maju kembali. Besar sudut gerakan berbelok dirancang simetris antara belok kanan dengan belok kiri. Hasil pengujian dan data pergerakan diperlihatkan pada Gambar 5 (c). Dari gambar ini dapat dikatakan bahwa secara umum komunikasi antar robot bekerja dengan efektif. Robot follower bergerak dengan kecepatan yang sama dengan robot leader sesuai dengan perintah yang dikirimkan. Namun terjadi perubahan formasi segitiga yang unik. Pada saat gerakan lurus, formasi segitiga dapat dipertahankan dengan baik dan tidak terjadi deviasi posisi. Tapi, setelah terjadi gerakan belok kanan yang diikuti dengan gerakan berbelok ke kiri terjadi perubahan formasi. Karena pergerakan berbelok simetris maka, formasi dapat terbentuk kembali pada saat multi-robot bergerak lurus kembali. Kesimpulan Proses perancangan sebuah sistem komunikasi pada sistem multi-robot dengan media berbasisis Xbee telah dibahas. Tiga buah robot berbentuk persegi telah dirancang. Tiap robot dilengkapi dengan sistem mikrokontroler, sistem penggerak motor dan sistem komunikasi sendiri-sendiri. Pergerakan tunggal dari masing-masing robot telah diuji dengan hasil yang baik. Pergerakan robot dalam bentuk B-20

71 Prosiding Seminar Nasional Aplikasi Sains & Teknologi (SNAST) Periode III ISSN: X Yogyakarta, 3 November 2012 sistem multi-robot telah pula diujikan. Secara keseluruhan komunikasi perintah pergerakan dari robot leader ke masing-masing robot follower bekerja dengan baik. Hanya perlu difikirkan metoda lebih lanjut agar formasi sistem multi-robot dapat dipertahakan bagi pergerakan yang lebih kompleks. Referensi [1] Nehmzow, U., Mobile Robotics: Research, Applications and Challenges, Proceeding of Future Trends in Robotics, Institution of Mechanical Engineer, London, UK [2] Parker, L. E., Distributed Intelligence: Overview of the Field and its Application in Multi-Robot Systems, 2007 AAAI Fall Symposium, pp. 1-6, The AAAI Press, California, 2007 [3] Wawerla, J. et al., Collective Construction with Multipler Robots, Proceeding of the International Conference on Intelligence Robots and Systems, Switzerland, 2002 [4] Arai, T., et al., Editorial: Advances in Multi-robot System, Int. J. of Computers, Communications & Control, ISSN , E-ISSN , Vol. III (2008), Suppl. issue: Proceedings of ICCCC 2008, pp [5] Lefrance, G., Colony of robots: New Challenge, IEEE Trans. Robotics and Automation, Vol. 18, No. 5, October 2002, pp [6] Xiao-Lin, L., Jing-Ping, J., and Kui, X.,, Proc. International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2004), 2004, pp [7] Faludi, R., Buidling Wireless Sensor Networks, O Reilly Media, Inc, USA, 2011 [8] Pan, Q.W., Lowe, D., Search and Rescue Robot Team RF Communication via Power Cable Transmission Line - A Proposal, International Symposium on Signals, Systems and Electronics (ISSSE 2007), pp [9] Rivard, F, et al.,.ultrasonic relative positioning for multi-robot systems, International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2008), pp [10] Gil-Pinto, A. Fraisse, P. Zapata, R., Wireless communication for secure positioning in multi robot formations of non holonomic ground vehicles, International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2008), pp [11] Xiao-Lin, L., Jing-Ping, J., Kui, X.,, International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2004), pp [12] Hui-ping, L., et al., Communication of multi-robot system on the TCP/IP, International Conference on Mechatronics Science (MEC 2011), pp [13] Hui, et al., A common wireless remote control system for mobile robots in laboratory, IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC 2012), pp [14] Kang, S.H., et al., Implementation of Smart Floor for multi-robot system, International Conference on Automation, Robotics and Applications (ICARA 2011), pp [15] Wan, J., et al., Multi-robots' communication system based on ZigBee network, International Conference on Electronic Measurement, (ICEMI 2009), pp [16] Lucas, G.W. (2000) A Tutorial and Elementary Trajectory Model for the Differential Steering System of Robot Wheel Actuators. The Rossum Project. rossum.sourceforge.net/papers/diffsteer. (10 December 2006) [17] Dudek, G. and Jenkin, M. (2000). Computational Principles of Mobile Robotics. 1 st ed. Cambridge, MA: Cambridge University Press. [18] Zhang, Y., Zeng, L., Li, Y., and Liu, Q., Multi robot formation control using leader-follower for MANET, Proc. International Conference on Robotics and Biometrics (ROBIO 2009), pp [19] Ghommam, J., Mehrjerdi, H., and Saad, M., Leader-follower formation control of nonholonomics with fuzzy logic based approach for obstacle avoidance, Proc. International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2011), 2011, pp B-21

72 CREATING THE FUTURE GREEN AND SUSTAINABLE MODERN LIFE THROUGH THE INNOVATIVE ADVANCEMENT OF SCIENCE & TECHNOLOGY MICEEI 2012 Design of Simple Multi-Robot System Andi Adriansyah Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Universitas Mercu Buana Jl. Meruya Selatan, Kembangan, Jakarta Abstract Technology and application of robotic grow rapidly. Moreover, the study of multi-robot systems has been increasing in popularity over recent years. However, a multi-robot system needs reliable communication for coordinating the entire robot. Therefore, this paper attempts to discuss the design of simple multi-robot system in order to overcome the problems mentioned above. The focus of the design intended for the ability to maneuver and a certain formation. Several experiments were conducted. Generally, the overall communication of robots works well where some follower robots able to move in any ordered by a leader robot. I. INTRODUCTION Technology and application of robotic grow rapidly, in terms of reliability, coverage ability and field applications. There are several research themes were also developing, such as sensor technology, motor technology, power supply technology, telecommunications technology, control technology and artificial intelligence technology. The development of these technologies support each other s to robotic technology. Therefore, investigations of robotic become interesting area for researchers [1]. In this decade, there has been an important variation in robotic research focus. Researchers are beginning to modify the direction of robotic research, from investigation of a single robot system to exploration of coordination of multi-robot systems. Multi-robot system is a system of a robot entities that work together to complete a specific task [2]. There are several advantageous of the application of multi-robot systems. Generally, the application of multi-robot system is to produce a better system in order to solve the problems of the system. With the multi-robot system, the existing complex and difficult system can be performed using the robot with a cheap and simple [3]. As a research topic, the study of multi-robot systems has been increasing in popularity over recent years. According to data from the Web of Science, during the year 2006 alone there were nearly 1000 publications on multi-robot. Some of the areas included in the study of multi-robot systems, include: distributed intelligence, distributed artificial intelligence, multi-agent systems and multi-robot system [4], [5]. Multirobot communication system one of including research topic that is developing and challenging [6]. This is because the problem of multi-robot system is its need for reliable communication for coordinating the entire robot. Increasing the number of robots will further increase the complexity of communication. Therefore, this paper attempts to discuss the design of simple multi-robot system in order to overcome the problems mentioned above. The focus of the design intended for the ability to maneuver the robot movement and a certain formation. Three square-shaped robots have been designed. Each robot is performed by a microcontroller-based system using Arduino, the motor driver system with IC L293D and communication systems using XBee [7]. II. MULTI-ROBOT COMMUNICATION Communication system plays a very important role in the implementation of multi-robot systems. Therefore, an efficient and reliable communication is becomes an expectation to be achieved in all of multi-robot communication research. Multi-robot communication is a technology that has the ability to provide a line of communication for two or more robots [6]. Existing wireless technologies can be used to design a kind of 'language' between the robots to form a multi-robot system. Then, a multi-robot system that has communication line is able to exchange information, such as measurement data, the location or position of each robot, the data environment or movement commands. Thus, multi-robot communication can be a solution to the problem of multi-robot system even in more extensive and complex. A variety of communication media has been attempted by researchers to obtain an ideal system. In the early stages, Radio Frequency (RF) as a medium of communication that is widely used [8], [9]. Then, after the media knew as Wireless Fidelity (WiFi) is developed, this media is also an alternative. Gill Pinto et al [10] tried to develop a WiFi media, not just as a communication medium multi-robot, even the position measurement of the robot using the power of signal calculation. Furthermore, the development of WiFi become further research topic, such as WLAN [11] and TCP / IP [12], [13], that implemented in multi-robot system. According to Xiao-Lin [11] WLAN systems have a relatively good performance, lowcost and practical to use. 175 Proceeding of 3 rd Makassar International Conference on Electrical Engineering and Informatics (MICEEI), 28 November-1 December 2012, Makassar Golden Hotel, Indonesia 2012 Electrical Engineering Department, Universitas Hasanuddin, ISBN

73 CREATING THE FUTURE GREEN AND SUSTAINABLE MODERN LIFE THROUGH THE INNOVATIVE ADVANCEMENT OF SCIENCE & TECHNOLOGY MICEEI 2012 Another development is implementation of RFID as a multi-robot communication media pioneered by Kang [14]. However, because RFID has limited range to communicate, it has not been improved anyway. Finally, the gaining popularity as a communication medium used in multi-robot is ZigBee [15]. ZigBee is a specification of the communication protocol that has a low-power digital radio based on the IEEE standard in 2003 [7]. Generally, standard of ZigBee protocol is similar to the Bluetooth s. Standard device manufacturing of ZigBee plant is fully supported and consistent with other ZigBee devices manufactured. XBee is a brand that supports a variety of communication protocols, including ZigBee and WiFi. An XBee module is shown in Figure 1. Figure 1. XBee Module. ZigBee is widely used in because it has many advantages, namely, the range of 1 meter meter, ISM (Industrial, Scientific and Medical) radio bands: 2.4 GHz, 868 MHz and 915 MHz, low power consumption, CSMA-CA channel access, a large network (65,000 nodes), highly secure, network topology star, mesh and mutual support numerous applications, the worldwide interoperability with other products, and coexistence with other wireless media such as WLAN, Bluetooth, cellular. The advantages of ZigBee makes this technology widely applied in a variety of community needs such as a remote control, remote monitoring, wireless sensor sending data and [7]. This paper attempts to implement the XBee in simple multi-robot system. Figure 2. Arduino with Motor Driver Module. The robot is moved by two DC motors that placed on right and left side of the robot to perform certain maneuver. Differential drive motors principle [16]-[17] is used to control robot movement. This principle combines speed difference between the right and the left motor, so it get circular movement of the robot with a certain distance and angle from the center point. This capability makes the robot move in different directions. Figure 3 shows this principle, where v l and v r is the translational speed of the left and right motors, the motor rotation speed ω c is whole, W is the distance between the wheels, R is the radius of the circle and the ICC is the center point of circular motion. Therefore W v R ( v r vl ) v 2 r l vr v c ( W and v c v ( r l ) vl ) 2 where v c is the linear velocity of the robot. (1) (2) (3) III. MULTI-ROBOT DESIGN There are several steps to design a multi-robot system, namely: robots design, robot motion design and multi-robot communication design. Three simple and similar robots with rectangular shaped are designed using multiplex. The robots have same dimensions such as follows: 20X12X16 cm. At each robot is implemented a microcontroller minimum system as a controller, a motor driver, a pair of motor and wheels, and a set of communication systems. Arduino, a microcontroller minimum system based on ATMega 328 is used to control all of process of multi-robot system. A motor driver using IC L293D is used to control direction and speed of two motors simultaneously. Two motors with simple gear system are implemented to move a robot. Figure 2 shows an Arduino with motor driver module. Figure 3. Differential drive motor Principle. Then, a communication system between robots designed based on implicit communication systems using XBee. Each 176 Proceeding of 3 rd Makassar International Conference on Electrical Engineering and Informatics (MICEEI), 28 November-1 December 2012, Makassar Golden Hotel, Indonesia 2012 Electrical Engineering Department, Universitas Hasanuddin, ISBN ICC ω c R v l (x, y) θ W/2 v r

74 CREATING THE FUTURE GREEN AND SUSTAINABLE MODERN LIFE THROUGH THE INNOVATIVE ADVANCEMENT OF SCIENCE & TECHNOLOGY MICEEI 2012 robot is facilitated with an XBee that acts as a transmitter and receiver so that communication can occur between all robots respectively. Thus, each robot can communicate with full duplex mechanism. Generally, robots maneuver are designed in special control schema named as leader - follower system. In leader - follower system, a robot would become a leader and other robots will act as a follower [18], [19]. Follower robots will occupy a certain position relative to the robot leader. Leader robot will send a command about his maneuver to all follower robots. While the follower robots will move according to the command of the leader robot, respectively. IV. RESULTS AND ANALYSIS Three similar simple robots have been designed as a multirobot system. The three robots are classified as follows: a robot as a leader and two follower robots. To distinguish it, the robot leader has three ultrasonic sensors that have the ability to measure the distance of objects in front of him. Figure 4 shows the robot. Figure 5. Single Robot Movement. Based on Figure 8, it can be said that the movement of a single robot is already good, that robot being able to move forward, turn right and turn left perfectly. Then, to test the ability of communication in multi-robot systems, the three robots are arranged in a triangular formation. Robot leader moves with the movement that has been programmed in advance, while the robot follower will move according to the movement that ordered by the leader robot. There are three experiments performed on multi-robot communication, namely: forward, circular and combination movements. To simplify the analysis, the movement displayed in the form of images where robot leader are shown in blue and follower robots are shown in red. The results are shown in Figure Figure 4. The Robot Leader. Then, each robot was verified for their ability to maneuver in the room. Several types of movements have been tested. Figure 5 shows the ability of a single robot to maneuver in some kind of movement, such as follow: forward, turn right, turn left and forward movement again (a) (b) Proceeding of 3 rd Makassar International Conference on Electrical Engineering and Informatics (MICEEI), 28 November-1 December 2012, Makassar Golden Hotel, Indonesia 2012 Electrical Engineering Department, Universitas Hasanuddin, ISBN

75 CREATING THE FUTURE GREEN AND SUSTAINABLE MODERN LIFE THROUGH THE INNOVATIVE ADVANCEMENT OF SCIENCE & TECHNOLOGY MICEEI (c) Figure 6. Multi-robot Movement: (a) Forward Movement, (b) Circular Movement and (c) Combination Movement. According to Figure 6, it can be said that the communication between the robots are good. However, due to the change in direction of movement of the robot the formation of multirobot system cannot be maintained properly. It required for certain system that the multi-robot formation can be controlled continuously. V. CONCLUSION The process of designing a simple multi-robot system was discussed. Three rectangular shaped robots have been designed. The robots are equipped with a microcontroller system, motor driver systems and communication systems, respectively. Several single movements of each robot have been tested with good results. Some movements of the robots in the form of multi-robot system were also tested. Generally, it can be concluded that communication between leader robot and each follower robot works well. However, it should be considered further method so that the formation of multi-robot system can be maintained for more complex movements. ACKNOWLEDGEMENT The author wishes to express his sincere thanks to the Directorate General of Higher Education, Ministry of Education and Culture which awarded the grant funding for fundamental research (SK No. 005/K3.KU/2012). REFERENCES [1] Nehmzow, U., Mobile Robotics: Research, Applications and Challenges, Proceeding of Future Trends in Robotics, Institution of Mechanical Engineer, London, UK [2] Parker, L. E., Distributed Intelligence: Overview of the Field and its Application in Multi-Robot Systems, 2007 AAAI Fall Symposium, pp. 1-6, The AAAI Press, California, 2007 [3] Wawerla, J. et al., Collective Construction with Multipler Robots, Proceeding of the International Conference on Intelligence Robots and Systems, Switzerland, 2002 [4] Arai, T., et al., Editorial: Advances in Multi-robot System, Int. J. of Computers, Communications & Control, ISSN , E-ISSN , Vol. III (2008), Suppl. issue: Proceedings of ICCCC 2008, pp [5] Lefrance, G., Colony of robots: New Challenge, IEEE Trans. Robotics and Automation, Vol. 18, No. 5, October 2002, pp [6] Xiao-Lin, L., Jing-Ping, J., and Kui, X.,, Proc. International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2004), 2004, pp [7] Faludi, R., Buidling Wireless Sensor Networks, O Reilly Media, Inc, USA, 2011 [8] Pan, Q.W., Lowe, D., Search and Rescue Robot Team via Power Cable Transmission Line - A Proposal, International Symposium on Signals, Systems and Electronics (ISSSE 2007), pp [9] Rivard, F, et al.,.ultrasonic relative positioning for multi-robot systems, International Conference on Robotics and Automation (ICRA 2008), pp [10] Gil-Pinto, A. Fraisse, P. Zapata, R., Wireless communication for secure positioning in multi robot formations of non holonomic ground vehicles, International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2008), pp [11] Xiao-Lin, L., Jing-Ping, J., Kui, X.,, International Conference on Robotics and Biomimetics (ROBIO 2004), pp [12] Hui-ping, L., et al., of multi-robot system on the TCP/IP, International Conference on Mechatronics Science (MEC 2011), pp [13] Hui, et al., A common remote control system for mobile robots in laboratory, IEEE International Instrumentation and Measurement Technology Conference (I2MTC 2012), pp [14] Kang, S.H., et al., Implementation of Smart Floor for multi-robot system, International Conference on Automation, Robotics and Applications (ICARA 2011), pp [15] Wan, J., et al., Multi-robots communication system based on ZigBee network, International Conference on Electronic Measurement, (ICEMI 2009), pp [16] Lucas, G.W. (2000) A Tutorial and Elementary Trajectory Model for the Differential Steering System of Robot Wheel Actuators. The Rossum Project. rossum.sourceforge.net/papers/diffsteer. (10 December 2006) [17] Dudek, G. and Jenkin, M. (2000). Computational Principles of Mobile Robotics. 1 st ed. Cambridge, MA: Cambridge University Press. [18] Zhang, Y., Zeng, L., Li, Y., and Liu, Q., Multi robot formation control using leader-follower for MANET, Proc. International Conference on Robotics and Biometrics (ROBIO 2009), pp [19] Ghommam, J., Mehrjerdi, H., and Saad, M., Leader-follower formation control of nonholonomics with fuzzy logic based approach for obstacle avoidance, Proc. International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2011), 2011, pp Proceeding of 3 rd Makassar International Conference on Electrical Engineering and Informatics (MICEEI), 28 November-1 December 2012, Makassar Golden Hotel, Indonesia 2012 Electrical Engineering Department, Universitas Hasanuddin, ISBN

76 7-01 Xbee Implementation On Mini Multi-Robot System XBEE IMPLEMENTATION ON MINI MULTI-ROBOT SYSTEM Andi Adriansyah Yuliza Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Universitas Mercu Buana Jl. Meruya Selatan, Kembangan, Jakarta ABSTRACT Wireless communications are now growing very rapidly because it is very efficient to use. Wireless technology that is widely used at close range is a device that can interface the other devices. Communication between robots is the process of delivering informations to do something. Communication between robots is an important component in the interaction of the multiple robots and their environment. In multiple robot systems, robot leader delivering orders to the follower robot to complete a task that occurs coordination between the robot forms of communication between the robot wirelessly using XBee signals. This form of communication is in the form of a command to the robot follower robot to follow the movement of the robot leader. Advantages of communication between the robots are efficient in completing the task. With time quickly orders can be delivered in a broadcast to the follower so that the job can be completed simultaneously. Key Word: Robot, Leader, follower, communication, XBee, Microcontroller 1 INTRODUCTION Wireless technology has been developing very rapidly due to highly efficient wireless communications. One of the wireless communication technologies in great demand is Wireless Local Area Network (WLAN). WLANs are based on IEEE standards that use has some advantageous, such as high capacity, wide coverage and able to broadcast directly (Labiod et al., 2007). If the area used in wireless is not too widely, a kind of wireless technology applied are Wireless Personal Area Network known as WPAN. WPAN is a network communication among devices over wireless technologies. The reach of a WPAN varies from a few centimeters to a few meters. WPANs are widely used for communication between sensors and electronic devices. There are some technologies used in WPAN such as IrDA, Wireless USB, Bluetooth, Z-Wave and ZigBee. Nowadays, ZigBee is applied in many applications. ZigBee has a defined rate of 250 kbit/s, best suited for periodic or intermittent data or a single signal transmission from a sensor or input device. Applications include wireless light switches, electrical meters with in-home-displays, traffic management systems, and other consumer and industrial equipment that requires short-range wireless transfer of data at relatively low rates. The technology defined by the ZigBee specification is intended to be simpler and less expensive than other WPANs, such as Bluetooth or Wi-Fi. In another side, technology and application of robotic grow rapidly, in terms of reliability, coverage ability and field applications. There are several research themes were also developing, such as sensor technology, motor technology, power supply technology, telecommunications technology, control technology and artificial intelligence technology. The development of these technologies support each other s to robotic technology. Therefore, investigations of robotic become interesting area for researchers [1]. In this decade, there has been an important variation in robotic research focus. Researchers are beginning to modify the direction of robotic research, from investigation of a single robot system to exploration of coordination of multirobot systems. Multi-robot system is a system of a robot entities that work together to complete a specific task [2]. There are several advantageous of the application of multi-robot systems. Generally, the application of multi-robot system is to produce a better system in order to solve the problems of the system. With the multi-robot system, the existing complex and difficult system can be performed using the robot with a cheap and simple [3]. Therefore, this paper seeks to address multiple robot communication system design. A communication system design attempted as possible compared to the existing ones. The focus of the design is intended for communication between the leader and the follower so that the follower can follow the movement leaders. The transmission medium used among the robots is a wireless system using the XBee, Arduino 221

77 7-01 Xbee Implementation On Mini Multi-Robot System microcontroller where the mobile robot is able to perform bi-directional communication and recognize the controller ID. Interoperability across the world with other products Co-existence with other wireless media (eg, WLAN, Bluetooth, cellular). 2 DESIGN AND IMPLEMENTATION 2.1. ZigBee and XBee ZigBee is a specification of the communication protocol low-power digital radios based on the IEEE specification in 2003 and Zigbee alliance with a maximum range of 100 meters. IEEE specification is the basis for the lower layers of the ZigBee MAC and PHY and determine the standard 2.4 GHz radio that is used in the world. XBee is a brand that supports a variety of communication protocols including ZigBee and WiFi. Figure Xbee module is shown in Figure 1. Figure 2. ZigBee Architecture Figure 1. XBee Module The ZigBee protocol is a standard the same way that Bluetooth is a standard. Any manufacturer s device that fully supports the ZigBee standard can communicate with any other company s ZigBee device. So just as your Motorola Bluetooth headset can communicate with your Apple iphone, a CentralLite ZigBee light switch can communicate with a Black & Decker door lock (Faludy, 2010). Architecture ZigBee protocol shown in Figure 2. ZigBee is widely used in the market for ZigBee has many advantages, such as (Gislason, 2008): Reach 1 meter meter. ISM (Industrial, Scientific and Medical) radio bands: 2.4 GHz, 868 MHz and 915 MHz. Low power consumption. CSMA-CA channel access. Large networks (65,000 nodes) Highly secure (AES encryption) Network topology star, mesh and mutual support various applications. The process of sending and receiving data on ZigBee. Using standard ZigBee network to transmit data specified by IEEE : Request data means the data transmission Data Confirm means the knowledge of the data request Data Indication means receiving data 2.2 System Design The system is designed as shown in Figure 3. Figure 3. Block Diagram System Designed The leader robot consists of an Arduino microcontroller as the center of all the systems, and manages all activities of the input/output system. Sensor system which uses ultrasonic sensors 222

78 7-01 Xbee Implementation On Mini Multi-Robot System functions as sensors obstacle in order that the robot can move well. Motion system using a DC motor driven with L298 Shield with maximum current 2A. Communication systems use Xbee Module with DFduino as connections between Xbee Shield and the Arduino microcontroller. This communication function for communication between leader robot and follower robots. As for the follower robots not have a sensor system. The movement of the follower robot just follows the leader robot by receiving commands via Xbee modules. Forms of Robot Communication Figure 5. The series of robots that have not been installed Leader robot sends request signal to the robot and follower robot and the follower robot transmit acknowledgment signals and handshaking occurs, and then the leader robot send command, so that follower robot follow orders. So the follower robots will follow all movements of the leader robot. Form of communication robot leader and follower robots is shown in Figure 4. Request Leader Communication Communication system Folllower Figure Robot 4. Form of communication Acknowledment between system leader XBe Module Robot and follower robots XBe Module Figure 6. The series Robot Figure 4. Form of communication between leader and follower robots 3 RESULTS Overall system is made with a pair of shields according to function. Arduino is located at the very bottom and the motor shield L 298 is on arduino after the XBee shield and XBee module are on the top right on the XBee Shield. The compilers of a series or robot are obtained. Its shown in figure [4], images [5] as a series when it is released from the composition of robot and image [6] is the overall picture of the system. Figure 7. The entire system At this signal measurement spectrum analyzer are set according to the specifications of the XBee signal with a frequency range of 2.4 GHz marker around GHz and a frequency range between 2400 and 2440 MHz spectrum and level of -100 dbm. Transmitter signal form the leader is shown in Figure [8]. 223

79 7-01 Xbee Implementation On Mini Multi-Robot System 6-91,9 7-91,4 8-86,8 9-90, , ,1 Average -88,02 Figure 8. Transmitter signal form the leader From the results of measurements of the spectrum analyzer are shown in transmitter signal power level leader, it is Maximum -81 dbm and dbm. The interaction between the leader and the follower is shown in the Figure 9. From the table [2] it can be explained that the farther the distance, the smaller the signal power level. From the results of measuring the power level can be displayed in graphical form as shown in figure [10]. This measurement is performed in the space in the Lab.Tehnik Electro VII. Figure 10. Graphics power level XBee transmitter signal Figure 9. Forms signaling interactions between leaders and followers. Here are the results of measurements of transmit power (power level) signal transmitter XBee leader based on the distance traveled as shown in Table [2]. Based on the graph it can be concluded that the further the distance, the smaller the power level. It means that the distance also affects the communication between the robot so it will affect system performance. Table 3 The results of the test leader and follower robots Table 2 The results of measurements of the signal power level Xbee Distance (meter) Power Level (dbm) ,4 5-86,9 224

80 7-01 Xbee Implementation On Mini Multi-Robot System Experiments Distance Leader and Status Follower Robot (Meter) 1 1 Connected 2 2 Connected 3 3 Connected 4 4 Connected 5 5 Connected 6 6 Connected 7 7 Connected 8 8 Connected 9 9 Connected Connected Connected Not Connected Not Connected Based on the table [3] The leader and the follower robots can communicate with a maximum distance of 11 meters and at a distance of 12 meters robots are not the connected because of the low power level that is dbm. Based on the specifications XBee is shows the minimum receiver sensitivity -92 dbm so that if the price is less than -92 dbm, the signal can not be captured by the XBee receiver on the follower. Experiments The distance between the Leader and Follower Robot (Meter) Table 4 The results of testing the communication leader (room I) with the position of the displaced follower Experiments Follower distance Status position (meter) Connected Connected Connected Connected Connected Connected 7 8 >12 Not Connected dbm to the room of Electrical Technical Lab. XBee transceiver is connected less than 12 meters. Measurement of the duration time of the communication between the leader and follower robots Measure the time required communication between the leader and the follower so that everything started to move. It aims to determine the speed of the robot performance in receiving orders and execute it. Table 5. Results of measuring the communication time leader and follower Experiment Duration process the communication between the follower and leader average 12,5 From the measurement results in Table [5] that the communication between the leader and the follower robots takes 12.5 seconds. These measurements do not take up the position between the leader and follower robots. Testing outdoor Electrical Technical Lab.Room. The experiments were conducted to determine the performance of signal XBee outdoor and environmental influences on the robot XBee signal. The experiments were done at the of Electrical Technical of Mercu Buana University. These test results are shown outdoors on a table [6]. Table 6. Test results XBee communication outdoors. From the results of table [4] it can be concluded that the signal can penetrate barriers XBee in a room according to the results of previous measurements that for distances that are less than 12 meter. The power level is still more than

81 7-01 Xbee Implementation On Mini Multi-Robot System experiments distance between Status leader and follower robot (meter) 1 1 connected 2 2 connected 3 3 connected 4 4 connected 5 5 connected 6 6 no 7 7 no 8 8 no 9 9 no no From the results of table [6] it can be concluded that the ability to capture the signal from the transmitter transceiver is only up to 5 meters and more than worth the transceiver is not able to capture the signal. 4 CONCLUSIONS Based on the data analysis and discussion, it can be drawn some conclusions as follows: 1. Robot communication system can work well in indoor and outdoor test results. 2. From the results of experiments and measurements of the signal, it can be concluded that the experimental signal indoors can be connected properly to a distance of 12 meters. 3. The average power level of the signal up to a distance of 12 meters is dbm. 4. Signals XBee can be connected when the power level of the signal is more than -92 dbm. 5. XBee signal can penetrate the barrier when the distance is less than 12 meters. 6. The average time of the communications between leader and follower robot is 12.5 seconds. 7. Experiments outdoor transmitter receiver can catch the signal well only up to 5 meters. REFERENCES Dougherty, Robert et al. (2003). A Behavior Control Approach to Formation-Keeping Through an Obstacle Field, , 2004 IEEE. Dudek, G. And Jenkin, M. (2000). Computational Principles of Mobile Robotics. UK: Cambridge University Press. Garg, Vijay K. (2007), Wireless Communications And Networking, USA: Elsevier Inc. Gislason, Drew ( 2008 ). Zigbee Wireless Networking, USA: Elsevier Inc Goldsmith, Andrea (2005). Wireless Communications, UK: Cambridge Cambridge University Press. Haykin, Simon (2001). Commmunication System 4th Edition, USA: John Wiley & Sons, Inc. Kornienko S.(2011), IR-based Communication and Perception in Micro robotic Swarms, arxiv: v1 [cs.ro] 16 Sep 2011, Institute of Parallel and Distributed Systems, University of Stuttgart, Germani. Labiod, H, Afifi, H. And De Santis, C. (2007). WiFi TM, Bluetooth TM, ZigBee TM, And Wimax TM, Netherlands, Springer. Mataric Gerkey, And Brian P. (2001). Principled Communication fo Dynamic Multi-Robot Task Allocation, In Experimental Robotics VII, LNCIS 271D. Rus and S. Singh, editors, pages Springer-Verlag Berlin Heidelberg. Sarker, Md. Omar Faraque & Dahl, TorbjØrn S. (2010). Bio-Inspired Communication for Self- Regulated Multi-Robot Systems. Journal of Multi- Robot Systems, Trends and Development, Edited by Toshiyuki Yasuda and Kazuhiro Ohkura. p. cm. ISBN Parker, Lynee E. (2002). Current Research in Multi Robot System. Paper presented at The Seventh International Symposium on Artificial Life and Robotics, Oita, Japan. Parker, Lynne E. (1998), Adaptive Heterogenerous Multi-Robot Teams, Elsevier Preprint, 17 November Parker, Lynne E.(2008), Distributed Intelligence: Overview of the Field and its Application in Multi- Robot Systems, Journal Of Physical Agents, Vol. 2, No. 1, March Robert Faludi (2010). Building Wireless Sensor Network. United State of America : O Reilly Media. Rui Rocha, Jorge Dias, Adriano Carvalho (2005). CMRS: A Study of vision Based 3-D mapping using information theory. Robotics and Autonomous System 53, Simon, Monk (2010). 30 Arduino Projects for the Evil Genius. United States of America: Mc Graw- Hill. Stalling, W. (2003). Data And Computer Communications Fifth Edition, USA. Stalling, W. (2005). Wireless Communications And Network, 2nd Ed., USA: Pearson Education, Inc. Ulam, Patrick & Arkin Ronald C, Communications Recovery For Multi-Robot Teams, Defense Advanced Research Projects Agency,3701 North FairfaxDrive,Arlington,VA,

82 Design of Mini Multi-Robot System using XBee Andi Adriansyah Department of Electrical Engineering, Faculty of Engineering, Universitas Mercu Buana Jl. Meruya Selatan, Kembangan, Jakarta Abstract -- Wireless communications are now growing very rapidly because it is very efficient to use. Wireless technology that is widely used at close range is a device that can interface the other devices. Communication between robots is the process of delivering informations to do something. Communication between robots is an important component in the interaction of the multiple robots and their environment. In multiple robot systems, robot leader delivering orders to the follower robot to complete a task that occurs coordination between the robot forms of communication between the robot wirelessly using XBee signals. This form of communication is in the form of a command to the robot follower robot to follow the movement of the robot leader. Advantages of communication between the robots are efficient in completing the task. With time quickly orders can be delivered in a broadcast to the follower so that the job can be completed simultaneously. Key Word: Robot, Leader, follower, communication, XBee, Microcontroller 1. INTRODUCTION Wireless technology has been developing very rapidly due to highly efficient wireless communications. One of the wireless communication technologies in great demand is Wireless Local Area Network (WLAN). WLANs are based on IEEE standards that use has some advantageous, such as high capacity, wide coverage and able to broadcast directly (Labiod et al., 2007). If the area used in wireless is not too widely, a kind of wireless technology applied are Wireless Personal Area Network known as WPAN. WPAN is a network communication among devices over wireless technologies. The reach of a WPAN varies from a few centimeters to a few meters. WPANs are widely used for communication between sensors and electronic devices. There are some technologies used in WPAN such as IrDA, Wireless USB, Bluetooth, Z-Wave and ZigBee. Nowadays, ZigBee is applied in many applications. ZigBee has a defined rate of 250 kbit/s, best suited for periodic or intermittent data or a single signal transmission from a sensor or input device. Applications include wireless light switches, electrical meters with inhome-displays, traffic management systems, and other consumer and industrial equipment that requires shortrange wireless transfer of data at relatively low rates. The technology defined by the ZigBee specification is intended to be simpler and less expensive than other WPANs, such as Bluetooth or Wi-Fi. In another side, technology and application of robotic grow rapidly, in terms of reliability, coverage ability and field applications. There are several research themes were also developing, such as sensor technology, motor technology, power supply technology, telecommunications technology, control technology and artificial intelligence technology. The development of these technologies support each other s to robotic technology. Therefore, investigations of robotic become interesting area for researchers [1]. In this decade, there has been an important variation in robotic research focus. Researchers are beginning to modify the direction of robotic research, from investigation of a single robot system to exploration of coordination of multi-robot systems. Multi-robot system is a system of a robot entities that work together to complete a specific task [2]. There are several advantageous of the application of multi-robot systems. Generally, the application of multi-robot system is to produce a better system in order to solve the problems of the system. With the multi-robot system, the existing complex and difficult system can be performed using the robot with a cheap and simple [3]. Therefore, this paper seeks to address multiple robot communication system design. A communication system design attempted as possible compared to the existing ones. The focus of the design is intended for communication between the leader and the follower so that the follower can follow the movement leaders. The transmission medium used among the robots is a wireless system using the XBee, Arduino microcontroller where the mobile robot is able to perform bi-directional communication and recognize the controller ID. 2. DESIGN AND IMPLEMENTATION 2.1. ZigBee and XBee ZigBee is a specification of the communication protocol low-power digital radios based on the IEEE specification in 2003 and Zigbee alliance with a maximum range of 100 meters. IEEE specification is the basis for the lower layers of the ZigBee MAC and PHY and determine the standard 2.4 GHz radio that is used in the world. XBee is a brand that supports a variety of communication protocols including ZigBee and WiFi. Figure Xbee module is shown in Figure 1. Figure 1. XBee Module The ZigBee protocol is a standard the same way that Bluetooth is a standard. Any manufacturer s device that fully supports the ZigBee standard can communicate with

83 any other company s ZigBee device. So just as your Motorola Bluetooth headset can communicate with your Apple iphone, a CentralLite ZigBee light switch can communicate with a Black & Decker door lock (Faludy, 2010). Architecture ZigBee protocol shown in Figure 2. ZigBee is widely used in the market for ZigBee has many advantages, such as (Gislason, 2008): Reach 1 meter meter. ISM (Industrial, Scientific and Medical) radio bands: 2.4 GHz, 868 MHz and 915 MHz. Low power consumption. CSMA-CA channel access. Large networks (65,000 nodes) Highly secure (AES encryption) Network topology star, mesh and mutual support various applications. Interoperability across the world with other products Co-existence with other wireless media (eg, WLAN, Bluetooth, cellular). the leader robot by receiving commands via Xbee modules. Figure 3. Block Diagram System Designed Forms of Robot Communication Leader robot sends request signal to the robot and follower robot and the follower robot transmit acknowledgment signals and handshaking occurs, and then the leader robot send command, so that follower robot follow orders. So the follower robots will follow all movements of the leader robot. Form of communication robot leader and follower robots is shown in Figure 4. Figure 4. Form of communication between leader and follower robots Figure 2. ZigBee Architecture The process of sending and receiving data on ZigBee. Using standard ZigBee network to transmit data specified by IEEE : Request data means the data transmission Data Confirm means the knowledge of the data request Data Indication means receiving data 2.2 System Design The system is designed as shown in Figure 3. The leader robot consists of an Arduino microcontroller as the center of all the systems, and manages all activities of the input/output system. Sensor system which uses ultrasonic sensors functions as sensors obstacle in order that the robot can move well. Motion system using a DC motor driven with L298 Shield with maximum current 2A. Communication systems use Xbee Module with DFduino as connections between Xbee Shield and the Arduino microcontroller. This communication function for communication between leader robot and follower robots. As for the follower robots not have a sensor system. The movement of the follower robot just follows 3. RESULTS Overall system is made with a pair of shields according to function. Arduino is located at the very bottom and the motor shield L 298 is on arduino after the XBee shield and XBee module are on the top right on the XBee Shield. The compilers of a series or robot are obtained. Its shown in figure [4], images [5] as a series when it is released from the composition of robot and image [6] is the overall picture of the system. Figure 5. The series of robots that have not been installed

84 Figure 6. The series Robot Figure 9. Forms signaling interactions between Here are the results of measurements of transmit power (power level) signal transmitter XBee leader based on the distance traveled as shown in Table 1. Figure 7. The entire system At this signal measurement spectrum analyzer are set according to the specifications of the XBee signal with a frequency range of 2.4 GHz marker around GHz and a frequency range between 2400 and 2440 MHz spectrum and level of -100 dbm. Transmitter signal form the leader is shown in Figure [8]. Table 1 The results of measurements of the signal power level Xbee Distance (meter) Power Level (dbm) ,4 5-86,9 6-91,9 7-91,4 8-86,8 9-90, , ,1 Average -88,02 Figure 8. Transmitter signal form the leader From the results of measurements of the spectrum analyzer are shown in transmitter signal power level leader, it is Maximum -81 dbm and dbm. The interaction between the leader and the follower is shown in the Figure 9. From Table 1 it can be explained that the farther the distance, the smaller the signal power level. From the results of measuring the power level can be displayed in graphical form as shown in figure [10]. This measurement is performed in the space in the Lab. Figure 10. Graphics power level XBee transmitter signal

85 Based on the graph it can be concluded that the further the distance, the smaller the power level. It means that the distance also affects the communication between the robot so it will affect system performance. Table 2. The results of the test leader and follower robots Table 4 The results of testing the communication leader (room I) with the position of the displaced follower Experiments Follower distance Status position (meter) Connected Connected Connected Connected Connected Connected 7 8 >12 Not Connected From the results of table [4] it can be concluded that the signal can penetrate barriers XBee in a room according to the results of previous measurements that for distances that are less than 12 meter. The power level is still more than -92 dbm to the room of Electrical Technical Lab. XBee transceiver is connected less than 12 meters. Measurement of the duration time of the communication between the leader and follower robots Measure the time required communication between the leader and the follower so that everything started to move. It aims to determine the speed of the robot performance in receiving orders and execute it. Based on the table [3] The leader and the follower robots can communicate with a maximum distance of 11 meters and at a distance of 12 meters robots are not the connected because of the low power level that is dbm. Based on the specifications XBee is shows the minimum receiver sensitivity -92 dbm so that if the price is less than -92 dbm, the signal can not be captured by the XBee receiver on the follower. Experiments The distance between the Leader and Follower Robot (Meter) experiments distance between Status leader and follower robot (meter) 1 1 connected 2 2 connected 3 3 connected 4 4 connected 5 5 connected 6 6 no 7 7 no 8 8 no 9 9 no no Table 5. Results of measuring the communication time leader and follower Experiment Duration process the communication between the follower and leader average 12,5 From the measurement results in Table [5] that the communication between the leader and the follower robots takes 12.5 seconds. These measurements do not take up the position between the leader and follower robots. Testing outdoor Electrical Technical Lab.Room. The experiments were conducted to determine the performance of signal XBee outdoor and environmental influences on the robot XBee signal. The experiments were done at the of Electrical Technical of Mercu Buana University. These test results are shown outdoors on a table [6].

86 From the results of table [6] it can be concluded that the ability to capture the signal from the transmitter transceiver is only up to 5 meters and more than worth the transceiver is not able to capture the signal. 4. CONCLUSIONS Based on the data analysis and discussion, it can be drawn some conclusions as follows: 1. Robot communication system can work well in indoor and outdoor test results. 2. From the results of experiments and measurements of the signal, it can be concluded that the experimental signal indoors can be connected properly to a distance of 12 meters. 3. The average power level of the signal up to a distance of 12 meters is dbm. 4. Signals XBee can be connected when the power level of the signal is more than -92 dbm. 5. XBee signal can penetrate the barrier when the distance is less than 12 meters. 6. The average time of the communications between leader and follower robot is 12.5 seconds. 7. Experiments outdoor transmitter receiver can catch the signal well only up to 5 meters. Symposium on Artificial Life and Robotics, Oita, Japan. Parker, Lynne E. (1998), Adaptive Heterogenerous Multi- Robot Teams, Elsevier Preprint, 17 November Parker, Lynne E.(2008), Distributed Intelligence: Overview of the Field and its Application in Multi- Robot Systems, Journal Of Physical Agents, Vol. 2, No. 1, March Robert Faludi (2010). Building Wireless Sensor Network. United State of America : O Reilly Media. Rui Rocha, Jorge Dias, Adriano Carvalho (2005). CMRS: A Study of vision Based 3-D mapping using information theory. Robotics and Autonomous System 53, Simon, Monk (2010). 30 Arduino Projects for the Evil Genius. United States of America: Mc Graw-Hill. Stalling, W. (2003). Data And Computer Communications Fifth Edition, USA. Stalling, W. (2005). Wireless Communications And Network, 2nd Ed., USA: Pearson Education, Inc. Ulam, Patrick & Arkin Ronald C, Communications Recovery For Multi-Robot Teams, Defense Advanced Research Projects Agency,3701 North FairfaxDrive,Arlington,VA, REFERENCES Dougherty, Robert et al. (2003). A Behavior Control Approach to Formation-Keeping Through an Obstacle Field, , 2004 IEEE. Dudek, G. And Jenkin, M. (2000). Computational Principles of Mobile Robotics. UK: Cambridge University Press. Garg, Vijay K. (2007), Wireless Communications And Networking, USA: Elsevier Inc. Gislason, Drew ( 2008 ). Zigbee Wireless Networking, USA: Elsevier Inc Goldsmith, Andrea (2005). Wireless Communications, UK: Cambridge Cambridge University Press. Haykin, Simon (2001). Commmunication System 4th Edition, USA: John Wiley & Sons, Inc. Kornienko S.(2011), IR-based Communication and Perception in Micro robotic Swarms, arxiv: v1 [cs.ro] 16 Sep 2011, Institute of Parallel and Distributed Systems, University of Stuttgart, Germani. Labiod, H, Afifi, H. And De Santis, C. (2007). WiFi TM, Bluetooth TM, ZigBee TM, And Wimax TM, Netherlands, Springer. Mataric Gerkey, And Brian P. (2001). Principled Communication fo Dynamic Multi-Robot Task Allocation, In Experimental Robotics VII, LNCIS 271D. Rus and S. Singh, editors, pages Springer-Verlag Berlin Heidelberg. Sarker, Md. Omar Faraque & Dahl, TorbjØrn S. (2010). Bio-Inspired Communication for Self-Regulated Multi-Robot Systems. Journal of Multi-Robot Systems, Trends and Development, Edited by Toshiyuki Yasuda and Kazuhiro Ohkura. p. cm. ISBN Parker, Lynee E. (2002). Current Research in Multi Robot System. Paper presented at The Seventh International

87 Belajar MEMBUAT ROBOT dengan ARDUINO OLEH: ANDI ADRIANSYAH

88 BAB 1 PENDAHULUAN 1.1. Apa itu Mikroprosesor? Pernah dengar mikroprosesor, kan? Secara tertulis, biasanya, mikroprosesor disingkat menjad up (dibaca: mikro pi). Secara harfiah, mikroprosesor terdiri dari dari dua kata, yaitu mikro (micro) yang berarti sangat kecil dan prosesor (processor) yang artinya alat untuk memproses atau mengolah data. Jadi, kalau digabung, mikroprosesor bisa didefinisikan sebagai chip digital sangat kecil yang digunakan untuk memproses atau mengolah data. Di dalam chip digital tersebut terdapat rangkaian elektronika yang rumit namun telah dipaket dalam suatu bentuk yang kompak dan terpadu (sering disebut dengan integrated circuit, atau biasa dikenal dengan istilah IC). Sedikitnya, ada dua bentuk mikroprosesor yang banyak digunakan, yaitu: bentuk persegiempat (Quad Flat Package, QFP) dan bentuk persegipanjang (Dual Inline Package, DIP). Beberapa bentuk mikroprosesor diperlihatkan pada Gambar 1.1. Gambar 1.1. Beberapa Bentuk Mikroprosesor 1

89 Setelah tahu apa itu mikroprosesor, pasti muncul pertanyaannya berikutnya. Betul! Apa saja, sih, isi mikroprosesor? Isi mikroprosesor biasa disebut dengan istilah arsitektur mikroposesor. Secara umum, arsitektur mikroprosesor memiliki tiga unit utama. Ketiga unit tersebut adalah: Unit Register, Unit Aritmatika dan Logika (Arithmetic and Logic Unit, ALU) serta Unit Pengendali (Control Unit). Unit Register berfungsi tempat menyimpan data temporal. Sementara itu, ALU bertugas untuk melakukan operasi aritmatika dan logika. Sedangkan Unit Pengendali berfungsi untuk mengendalikan dan mengkoordinasikan semua proses yang ada. Gambar 1.2 memperlihatkan susunan sederhana unit-unit di dalam sebuah mikroprosesor. Control Unit ALU REGISTER MIKROPROSESOR Gambar 1.2. Unit-unit Internal Mikroprosesor Sebagaimana definisinya, fungsi mikroprosesor secara umum adalah mengambil data masukan (input), kemudian memproses data tersebut sesuai dengan aturan yang dikehendaki, lalu menghasilkan data keluaran (output) untuk dapat dimanfaatkan lebih lanjut. Karena mikoprosesor merupakan chip digital, maka data yang diumpan padanya juga harus dalam bentuk digital. Setelah diproses, hasil olahannya dikeluarkan dalam bentuk digital juga. Contoh sederhana aplikasi mikroprosesor adalah pendeteksi kode batang (barcode) suatu benda tertentu serta menampilkan harganya, 2

90 seperti yang terlihat di toko-toko swalayan. Barcode adalah data input, pembaca barcode (barcode reader) adalah perangkat input, mikroprosesor sebagai pemproses bacaan kode dan hasilnya ditampilkan pada alat penampil (display) sebagai perangkat output. Gambar 1.3 mengilustrasikan aplikasi tersebut. INPUT DATA DIGITAL OUTPUT DATA DIGITAL MIKROPROSESOR Gambar 1.3. Aplikasi Sederhana Mikroprosesor 1.2. Bagaimana Kerja Mikroprosesor? Kalau sudah tahu apa itu mikroprosesor, muncul lagi pertanyaan berikutnya. Pertanyaannya adalah bagaimana mikroprosesor bekerja? Agar dapat bekerja, mikroprosesor memerlukan komponen digital lainnya. Komponen digital lain yang diperlukan adalah komponen Memori dan komponen Input/Output. Komponen memori berfungsi sebagai penyimpan data dan penyimpan instruksi yang akan diperintahkan ke mikroprosesor. Mikroprosesor mengambil dan mengeksekusi instruksi satu per satu sesuai urutan letaknya pada memori dan sesuai pula dengan jenis instruksinya. Random Access Memory (RAM) dan Read Only Memory (ROM) merupakan beberapa jenis komponen memori ini. Sedangkan komponen Input/Output bertugas sebagai penghubung mikroprosesor dengan dunia luar, seperti perangkat input dan perangkat output. Blok diagram kerja mikroprosesor bisa dilihat pada Gambar

91 Bingung? Tenang saja, proses ini berjalan secara otomatis dan terus menerus, kok. Sehingga, seorang pemrogram mikrokontroler tidak perlu harus mengetahui langkah-demi langkah kerjanya secara mendetail. Selain itu, walaupun tampak panjang dan rumit, proses tersebut berlangsung sangatlah cepat. Setiap satu instruksi diproses tidak lebih dari satu microsecond (artinya, cuma memerlukan waktu sepersejuta detik saja). Waw.! Jadi, tidak perlu bingung, kan. MEMORI Instruksi / data INPUT/OUTPUT Data MIKROPROSESOR Gambar 1.4. Blok Diagram Cara Kerja Mikroprosesor 1.3. Komputer, Mikroprosesor dan Mikrokontroler Terdapat tiga istilah yang terkadang sering tertukar. Ketiga istilah tersebut adalah komputer, mikroprosesor dan mikrokontroler. Sebagaimana telah disebutkan sebelumnya, untuk dapat bekerja mikroprosesor harus didukung oleh komponen memori dan komponen input/output. Nah, jenis hubungan dari ketiga komponen ini yang membedakan istilah tersebut. Jika, komponen mikroprosesor, memori dan input/output diintegrasikan dalam sebuah papan induk (motherboard) serta dilengkapi dengan perangkat-perangkat input/output lain yang memadai maka sistem ini disebut dengan minicomputer, atau istilah yang telah dikenal masyarakatnya adalah komputer. Bentuk komputer ini bisa dalam ukuran yang besar (seperti komputer mainframe), dalam ukuran yang sedang (seperti Komputer Pribadi atau Personal Computer, PC) atau dalam ukuran 4

92 yang kecil (seperti netbook). Contoh motherboard dan PC diperlihatkan pada Gambar 1.5. (a) (b) Gambar 1.5. Sistem Komputer: (a) Motherboard dan (b) Komputer Pribadi Sementara itu, jika mikroprosesor dipadukan dengan komponen memori dan komponen input/output dalam sebuah papan elektronika yang lebih sederhana (seperti sebuah Papan Rangkaian Tercetak atau Printed Circuit Board, PCB) guna menjalankan tugas yang lebih spesifik maka sistem ini disebut dengan sistem mikroprosesor. (a) (b) Gambar 1.6. Sistem Mikroprosesor Sedangkan, jika mikroprosesor dipadukan dengan komponen memori dan komponen input/output dalam sebuah IC guna menjalankan tugas yang sangat spesifik maka sistem ini disebut dengan sistem mikrokontroler. Jadi, dalam sebuah mikrokontroler telah terdapat sebuah mikroprosesor, komponen memori, komponen input/output dan komponen-komponen lain yang diperlukan. Agar lebih mudah dipahami, Gambar 1.7 mengilustrasikan sebuah IC mikrokontroler yang merupakan perpaduan beberapa IC-IC yang 5

93 diperlukan. Saat ini, sistem mikrokontroler lebih disukai oleh para pengguna sistem elektronika karena jauh lebih efektif dan efisien. Gambar 1.7. Sebuah IC Mikrokontroler Secara umum hampir telah disepakati suatu kesepakatan tidak tertulis. Yaitu, sistem yang di dalamnya terdapat sebuah mikroprosesor atau mikrokontroler akan disebut sebagai sistem berbasis mikroprosesor. Begitu, ya. Biar tidak rancu dan membingungkan. Pembahasanpembahasan berikutnya dari keseluruhan buku ini memfokuskan kepada aplikasi sistem mikrokontroler sebagaimana diperlihatkan pada Gambar Tipe Mikroprosesor dan Mikrokontroler Terdapat beberapa penghasil mikroprosesor dan mikrokontroler yang umum digunakan. Mikroprosesor yang biasa digunakan dalam komputer adalah merek Intel (dari Intel Corporation), AMD (Advanced Micro Devices, dari AMD Incoorporation) dan Cyrx (produksi Cyrix Corporation). Produk terkini dari ketiga produksi mikroprosesor di atas adalah Intel Core i7 (dari Intel), AMD Athlon X2 (dari AMD) dan Cyrix MII (dari Cyrix). 6

94 (a) (b) (c) Gambar 1.8. Jenis-jenis Mikroprosesor: (a) Intel, (b) AMD dan (c) Cyrix Demikian juga, terdapat beberapa jenis mikrokontroler yang banyak dipakai dalam aplikasi teknis elektronika. Beberapa merek tersebut antara lain adalah: Atmel, PIC, Maxim dan Texas Instrument. Atmel merupakan sebuah perusahaan semikonduktor di Amerika Serikat. Perusahaan ini memproduksi berbagai macam jenis mikrokontroler, seperti MCS-51 (AT89S51), AVR ATMega, AT Tiny dan lain-lain. Sedangkan PIC adalah keluarga mikrokontroler yang diproduksi oleh Microchip Techology dari Amerika Serikat. PIC 16F84 adalah jenis mikrokontroler yang banyak dipakai dalam aplikasi elektronika. Walaupun tidak sebanyak Atmel dan PIC, merek Maxim juga sering digunakan. Jenis yang banyak dipakai adalah MAX186. (a) (b) (c) Gambar 1.9. Jenis-jenis Mikrokontroler: (a) Atmel, (b) PIC dan (c) Maxim 1.5. Aplikasi Sistem Mikroprosesor Saat ini, aplikasi sistem mikroprosesor sudah meluas ke hampir seluruh bidang kehidupan manusia, seperti pendidikan, kesehatan, kependudukan, politik, perang dan lain-lain. Berbeda dengan sistem analog 7

95 maupun sistem digital hardwire, sistem berbasis mikroprosesor memiliki beberapa keunggulan berikut: a. Bentuknya kecil dan ringkas; karena dengan sistem ini, banyak komponen yang direduksi keberadaannya dan digantikan dengan sebuah mikroprosesor saja. b. Portable; karena bentuknya yang kecil, sehingga secara keseluruhan alat tersebut juga mempunyai ukuran yang kecil serta mudah dibawa ke mana-mana c. Konsumsi daya rendah; sejak digunakannya bahan semikonduktor, komponen IC tidak lagi memerlukan daya yang yang tinggi untuk aktifasi dan tidak lagi membuang panas yang besar. d. Biaya rendah; selain karena banyak komponen yang dikurangi, biaya produksi IC terus menurun, sehingga secara keseluruhan harga peralatan yang berbasis mikroprosesor terus menurun. e. Programmable; keuntungan utama sistem mikroprosesor adalah kemampuannya yang dapat diprogram ulang jika diperlukan perubahan tertentu, sehingga tidak banyak yang harus dilakukan kecuali perubahan isi memori saja. Secara umum, penggunaan sistem mikroprosesor dapat dibagi menjadi 3 katagori, yaitu : a. Sistem Komputer. b. Sistem Komunikasi. c. Sistem Kendali dan Instrumentasi. Hampir seluruh komputer yang ada pada hari ini, merupakan komputer digital yang tentu saja merupakan sistem mikroprosesor. Mulai dari komputer ukuran kecil yaitu PDA, komputer mikro atau Personal Computer, mini komputer, mainframe, sampai super komputer. Sebelum tahun 1970-an, komputer hanya mampu dibeli oleh perusahaan besar, tetapi hari ini, hampir setiap rumah mampu membeli komputer PC. Meskipun unjuk kerja dan kapasitasnya meningkat, harga komputer cenderung turun karena kemajuan teknologi dan sistem fabrkasi yang ada berakibat ada penghematan ongkos produksi. 8

96 Gambar Berbagai Jenis Komputer Dengan hardware yang sama, sebuah komputer PC dapat dipakai untuk berbagai aplikasi, bahkan berbagai sistem operasi. Ada ribuan program aplikasi untuk beragam keperluan dapat dijalankan pada PC dan Sistem Operasi yang sama. Berikut ini adalah contoh aplikasi komputer yang dapat bekerja pada komputer PC dengan Sistem Operasi Windows : MS OFFICE, untuk perkerjaan perkantoran seperti mengetik, spreadsheet, presentasi, database, penjadwalan, MATLAB, untuk berbagai kalkulasi teknik, ekonomi, AUTOCAD, untuk berbagai operasi gambar, 2 atau 3 dimensi, Protel, EWB, dan Multisim untuk keperluan perancangan elektronika dan lain-lain Selain PC, mini komputer, mainframe dan super komputer telah digunakan untuk urusan-urusan publik atau skala besar seperti pusat data kependudukan, rumah sakit, perbankan, pernerbangan komersial hingga operasi militer. Bayangkan, jika sistem pembayaran rekening listrik atau telepon tidak dilakukan dengan bantuan komputer, mungkin tagihan listrik pada hari ini adalah untuk membayar pemakaian 6 bulan yang lalu, apalagi kalau sistem administrasinya buruk sekali. Dengan teknologi pusat data, pembayaran telepon dapat dilakukan melalui ATM. Komputer kapasitas besar juga digunakan untuk mengolah gambar seperti komputer untuk MRI (Magnetic Resonance Imagine), komputer untuk ramalan cuaca, komputer unuk pemetaan sampai pertambangan. Seluruh komputer yang disebutkan tadi menggunakan mikroprosesor 9

97 sebagai pengendali utamanya, baik mikroprosesor tunggal maupun multi prosesor. Pada sistem komunikasi, hampir semua alat penting menggunakan sistem mikroprosesor. Pada hari ini, sistem komunikasi hampir terkait dengan komputer atau mikroprosesor. Berikut ini adalah beberapa contohnya. a. Sentral Telepon PSTN atau saluran analog dengan bandwidth 4 KHz. Saat ini, hampir semua sistem switching atau penyambungan telepon dilakukan secara digital, random input sequential ouput atau sebaliknya. Tentu saja semua ini diwujudkan dengan menyertakan sistem mikroprosesor. b. Provider Telepon Digital seperti ISDN dan DSL. Selain untuk switching atau penyambungan dan queuing atau antrian, sistem mikroprosesor pada penyedia telepon digital juga dimanfaatkan untuk banyak hal lain termasuk network management dan optimasi Quality of Service (QoS). c. Provider Telepon Seluler. Meskipun menggunakan saluran radio frekuensi, hampir semua telepon seluler menerapkan komunikasi digital. d. Handphone. Handphone yang kecil dan murah sekalipun, harus dilengkapi dengan mikroprosesor, karena untuk membaca keypad, menyimpan phonebook, kalkulator dan mengirim SMS memerlukan sistem instrumentasi digital. e. Komunikasi Satelit. Selain untuk sistem kendali dan instrumentasi satelit, mikroprosesor juga digunakan untuk switching, muliplexing, queuing hingga error correction. 10

98 Gambar Aplikasi Mikroprosesor pada Sistem Telekomunikasi Penggunaan mikroprosesor pada sistem kendali dan instrumentasi diterapkan di hampir semua instrumen dan alat kendali, mulai dari instrumen kecil seperti barcode reader, sampai instrumen besar seperti panel pesawat terbang. Mulai dari alat kedokteran seperti MRI (Magnetic Resonance Imaging) sampai alat perang seperti stinger missile untuk serangan darat ke udara. Berikut ini adalah beberapa contoh penerapan sistem mikroprosesor untuk alat kendali dan instrumentasi. a. Electronic Fuel Injection (EFI) yang diterapkan pada mesin-mesin bakar modern. Alat ini dipakai untuk mengoptimalkan pemakaian bahan bakar untuk torsi dan kecepatan maksimum. b. Instrumen Lift. Mikroprosesor digunakan untuk membaca tekanan tombol dan mengendalikan gerakan motor listrik, sehingga lift dapat begerak sesuai dengan tekanan tombol dan cukup nyaman bagi pemakai, tidak berhenti atau bergerak mendadak. c. Sistem pengatur ketepatan cetak dan potong pada mesin pengganda media kertas seperti koran dan majalah. Tanpa koreksi dari sistem mikroprosesor, selain hasil yang kurang rapi, alat pemotong atau pencetak harus sering disetting ulang dan ini sangat tidak realistis. Kita dapat lihat, pada setiap halaman koran atau majalah ada terdapat 11

99 mark atau tanda, baik tanda untuk warna maupun tanda untuk alat potong. d. Alat pengolah data pada VCD atau DVD player. Karena data disimpan dalam CD dalam keadaan dikompres, maka untuk mengubahnya menjadi gambar atau suara perlu dilakukan dekompresi data yang jelas memerlukan algoritma tertentu yang diwujudkan dengan program. Tentu saja ini memerlukan sistem mikroprosesor. 12

100 BAB 2 SISTEM MIKROKONTROLER 2.1. Mikrokontroler AT Mega 328 Pasti anda sudah tidak sabar lagi untuk berkata, Jadi, Arduino itu apa?. Tenang! Sebelum sampai ke sana, ada beberapa hal yang harus dibahas terlebih dahulu. Yang pasti, komponen utama Arduino adalah mikrokontroler ATMega 328, produksi Atmel. Jadi, mari kita bahas dulu mikrokontroler jenis ini, ya. Salah satu mikrokontroler yang sekarang banyak digunakan adalah mikrokontroler produksi Atmel generasi AVR. Ada dua versi kepanjangan dari AVR, yaitu Advanced Versatile RISC yang maknanya adalah mikroprosesor berteknologi tinggi RISC atau Alfa and Vegard s RISC yang artinya prosesor yang dirancang oleh dua mahasiswa Norwegia bernama Alf-Egil Bogen dan Vegard Wollan dengan teknologi RISC. RISC (Reduced Instruction Set Computers) adalah sebuah tren teknologi terbaru mikroprosesor untuk mempercepat proses pelaksanaan instruksi sehingga berefek kepada perubahan desain dan ukurannya. Berbeda dengan teknologi sebelumnya yaitu CISC (Complex Instruction Set Computers) yang membutuhkan 12 siklus clock setiap instruksi, teknologi RISC hanya memerlukan 1 siklus clock setiap instruksi. Secara umum AVR dapat dikelompokan menjadi 4 golongan, yaitu: keluarga ATTiny, AT90Sxx, ATMega dan AT86RFxx. Yang membedakan masing-masing golongan adalah kapasitas memori, peripheral, dan fungsinya. Dari segi arsitektur dan instruksi yang digunakan keseluruhan golongan tersebut hampir sama. OK, sekarang kembali ke ATMega 328 sebagai komponen utama Arduino! ATMega 328 adalah mikrokontroler AVR produk Atmel yang harganya relatif murah dan mudah didapatkan di pasaran serta memiliki 13

101 fasilitas yang lengkap. Fitur yang terdapat dalam ATMega 328 antara lain adalah: 1. Sistem mikroprosessor 8 bit berbasis RISC dengan kecepatan maksimal 16 MHz. 2. Kapasitas memori flash 32 KB, SRAM 2 KB byte dan EEPROM (Electrically Erasable Programmable Read Only Memory) sebesar 1 KB. 3. Memiliki 19 pin Input/Output Digital dan 6 pin Input Analog 4. Analog to Digital Converter (ADC) internal dengan fidelitas 10 bit sebanyak 8 chanel, 2 buah Timer/Counter 8 bit, sebuah Timer/Counter 16 bit dan 6 buah kanal PWM 5. Portal komunikasi serial (USART) dengan kecepatan maksimal 2.5Mbps, Serial Interface dan I2C. Kalau mau tahu arsitektur mikrokontroler ATMega 328 lengkap, dapat dilihat pada Gambar 2.1. Sementara, bentuk fisik dan konfigurasi pin ditampilkan pada Gambar 2.2. Gambar 2.1. Arsitektur Mikrokontroler ATMega

102 Gambar 2.2. Bentuk Fisik dan Pin-Out ATMega 328 Secara garis besar, sebagaimana terlihat pada Gambar 2.2, mikrokontroler ATMega dengan kemasan DIP (Dual In-line Package) memiliki 28 buah pin. Fungsi masing-masing pin tersebut adalah sebagai berikut: 1. VCC merupakan pin yang berfungsi sebagai pin masukan catu daya. 2. GND merupakan pin ground. 3. Port C (PC0... PC6) merupakan I/O(Input Output) dua arah dan pin masukan ADC ( Analog to Digital Converter). 4. Port B (PB0... PB7) merupakan pin I/O digital dua arah dan pin fungsi khusus, yaitu interrupt, XTAL1, XTAL2, serta MOSI, MISO dan SCK untuk komunikasi serial 5. Port D (PD0... PD7) merupakan pin I/O dua arah dan fungsi pin khusus, yaitu interrupt dan Tx/RX sebagai transceiver 6. RESET meupakan pin yang digunakan untuk me-reset mikrokontroller. 7. XTAL1 dan XTAL2 merupakan pin masukan clock eksternal. 8. AREF merupakan pin masukan tegangan referensi ADC. Sekali lagi, tenang! Jangan terburu-buru bingung. Semua ini akan tampak sangat jelas, ketika mikrokontroler mulai diaplikasikan pada rangkaian aplikasi tertentu. 15

103 2.2. Sistem Minimum Sebuah sistem mikrokontroler tidak dapat dioperasikan dengan hanya sebuah mikrokontroler saja. Namun, untuk menjalankannya diperlukan serangkaian komponen yang terbentuk dalam sebuah sistem minimum mikrokontroler. Jika mikrokontroler sudah terangkai dalam sebuah sistem minimum, maka barulah sistem tersebut sudah siap untuk diaplikasikan dalam menjalankan fungsi tertentu. Sebuah sistem minimum mikrokontroler terdiri dari tiga blok rangkaian, yaitu: rangkaian power regulator, rangkaian reset dan rangkaian osilator. Gambar 2.3 mengilustrasikan blok-blok sebuah sistem minimum. Power Regulator MIKROPROSESOR RESET OSILATOR SISTEM MINIMUM Gambar 2.3. Sistem Minimum Blok pertama dalam sebuah sistem minimum adalah rangkaian power regulator. Rangkaian ini diperlukan agar tegangan yang masuk ke dalam rangkaian mikrokontroler dalam kondisi yang stabil, yaitu +5 volt. Pada umumnya, rangkaian power regulator terdiri dari beberapa buah dioda sebagai penyearah tegangan, beberapa keping capacitor sebagai penyaring, sebuah chip regulator LM7805 serta pasangan LED dan resistor sebagai indikator. Rangkaian lengkap power regulator dan bentuk fisik chip regulator LM7805 diperlihatkan pada Gambar

104 Gambar 2.4. Rangkaian Power Regulator Gambar 2.5. IC LM 7805 Rangkaian lain yang dibutuhkan adalah rangkaian reset. Rangkaian ini berguna bagi mengembalikan program sistem mikrokontroler ke nilai awalnya (Address Memory = 0). Mikrokotroler bekerja dengan cara melaksanakan instruksi yang disimpan pada Address Memory. Pelaksanaan instruksi ini dimulai dari Address Memory = 0. Setelah sebuah instruksi dijalankan maka instruksi Address Memory berikutnya akan dipanggil dan dijalankan pula. Dengan demikian, jika saklar reset ini ditekan berarti mikrokontroler akan mengulangi program dari awal lagi. Biasanya, saklar reset ditekan apabila terdapat kesalahan atau gangguan pada saat menjalankan program. Sebuah rangkaian reset diperlihatkan pada Gambar

105 Gambar 2.6. Rangkaian Reset Blok terakhir dalam sebuah sistem minimum adalah rangkaian osilator. Rangkaian osilator ini berfungsi untuk menghasilkan suatu gelombang osilasi. Gelombang ini digunakan sebagaik clock (detak) bagi mikrokontroler. Dengan detak ini, mikrokontroler berfungsi secara sinkron (serempak) dari satu instruksi ke instruksi berikutnya. Rangkaian osilator terdiri dari sebuah kristal (XTAL) dan 2 buah capacitor. Interkoneksi rangkaian reset dengan mikrokontroler ditampilkan pada Gambar 2.7. Gambar 2.7. Rangkaian Osilator Dari rangkaian-rangkaian diatas, maka dirakitlah sistem minimum mikrokontroler. Dengan sistem minimum ini, berarti sistem mikrokontroler telah siap untuk dioperasikan untuk melaksanakan fungsi tertentu. Contoh sebuah sistem minimum mikrokontroler, yang telah dilengkapi dengan berbagai konektor, diperlihatkan pada Gambar

106 Gambar 2.8. Sistem Minimun Mikronkontroler Jika ingin lebih sederhana dan instan, telah tersedia banyak rangkaian minimum mikrokontroler dalam bentuk modul yang dijual secara bebas. Dengan modul ini, maka akan terjamin rangkaian berada dalam kondisi baik, tidak terjadi kesalahan pensolderan dan memberikan kemudahan dalam pemasangan. Namun, jika dibandingkan membuatnya sendiri, pasti harga modul ini jauh lebih mahal. Beberapa modul system minimum yang banyak dijual di pasaran dalam negeri antara lain adalah: DT 51 produksi dari PT Inovative Electronics atau DI Smart produksi dari Depok Instruments. Contoh modul sistem minimum dari kedua merek tersebut dapat dilihat pada Gambar

107 Gambar 2.9. Modul Sistem Minimun Mikrokontroler Berbentuk Modul 2.3. Pemrograman Mikrokontroler Sistem minimum mikrokontroler hanya sekumpulan komponenkomponen elektronika yang belum dapat dioperasikan. Agar dapat dioperasikan, haruslah terlebih dahulu dimasukkan program ke dalam IC mikrokontroler. Progam yang akan dimasukkan haruslah sesuai dengan tujuan dan fungsi dari sistem tersebut dibuat. Misalnya, diinginkan sebuah peralatan yang dapat mengendalikan suhu ruangan, maka seorang perancang harus membuat program berisi instruksi-instruksi yang dapat membaca dan mengendalikan suhu dalam ruangan. Kemudian, program tersebut disimpan ke dalam mikrokontroler pada bagian penyimpanan (memory). Ketika sistem dijalankan, maka baris per baris pada memory akan dibaca dan dijalankan instruksinya oleh keseluruhan sistem. Dengan demikian, barulah sistem tersebut dapat bekerja dengan baik. Proses pemrograman ini diilustrasikan pada Gambar Perancangan program Penulisan program Peyimpanan program Gambar Proses Pembuatan Pemrograman Mikrokontroler 20

108 Agar komputer memahami kehendak si perancang, maka program yang dimasukkan harus dipahami oleh sistem mikrokontroler. Oleh karena itu, diperlukan sebuah bahasa yang dipahami oleh si perancang dan juga mikrokontroler. Bahasa ini dikenal Bahasa Pemrograman (Programming Language). Bahasa Pemrograman, atau sering diistilahkan juga dengan bahasa komputer adalah teknik komando/instruksi standar untuk memerintah system computer. Bahasa ini memungkinkan seorang programmer dapat menentukan secara persis data mana yang akan diolah oleh komputer, bagaimana data ini akan disimpan/diteruskan, dan jenis langkah langkah apa secara persis yang akan diambil dalam berbagai situasi. Menurut tingkat kedekatannya dengan mesin komputer, bahasa pemrograman terdiri dari: 1. Bahasa Mesin, yaitu memberikan perintah kepada komputer dengan memakai kode bahasa biner, contohnya Terkadang, untuk memudahkan penulisan, bahasa biner ini dituliskan dalam bilangan heksadesimal, seperti: 2A, F5 dan BC. File yang dihasilkan dari penulisan Bahasa Mesin berekstensi *.hex. 2. Bahasa Tingkat Rendah, atau dikenal dengan istilah bahasa rakitan (bahasa Inggrisnya Assembly Language), yaitu memberikan perintah kepada komputer dengan memakai kode-kode singkat (kode mnemonic), contohnya MOV, SUB, CMP, JMP, JGE, JL, LOOP, dsb. File yang dihasilkan dari penulisan bahasa ini berekstensi *.asm. 3. Bahasa Tingkat Menengah, yaitu bahasa komputer yang memakai campuran instruksi dalam kata-kata bahasa manusia (lihat contoh Bahasa Tingkat Tinggi di bawah) dan instruksi yang bersifat simbolik, contohnya {, },?, <<, >>, &&, dan sejenisnya. Contoh yang termasuk dalam kategori ini adalah Bahasa C dan semua turunannya. 4. Bahasa Tingkat Tinggi, yaitu bahasa komputer yang memakai instruksi berasal dari unsur kata-kata bahasa manusia, contohnya begin, end, if, for, while, and, or, dsb. Bahasa BASIC adalah bahasa yang termasuk dalam kategori ini. Beberapa bahasa pemrograman yang biasa dipakai dalam aplikasi system mikrokontroler adalah bahasa C++ dalam bentuk mikroc (mikroc for AVR, mikroc for PIC) dan Code Vision AVR (CV AVR). Sedangkan dalam 21

109 bahasa BASIC yang terkenal adalah BASCOM (Basic Compiler dalam bentuk BASCOM for AVR dan BASCOM for 8051). Selain itu, terdapat pula perangkat yang banyak dikenal dan digunakan dalam system mikrokontroler, yaitu M-IDE. M-IDE Studio adalah salah satu editor untuk bahasa asembler. Selain bisa digunakan sebagai editor M-IDE bisa juga digunakan untuk melakukan pengubahan dari bahasa asembler (file.asm) menjadi file berekstensi.hex. Semua bahasa pemrograman, pada akhirnya, harus mengubah formatnya ke dalam Bahasa Mesin (*.hex). Karena, hanya Bahasa Mesin yang dapat dikirimkan dan dimasukkan ke dalam IC Mikrokontroler Proses Pengisian Program Secara umum, proses pengisian program sangat sederhana sekali. Proses ini meluputi 3 (tiga) tahapan saja, yaitu: Tahap 1: Penulisan Program Tahap 2: Tahap Pengkodean Program, dan Tahap 3: Tahap Pemindahan Program ke Mikrokontroler Tahap 1 adalah Penulisan Program. Tahap ini adalah tahap dimana program dituliskan pada perangkat lunak yang disebut dengan Editor. Terdapat banyak program Editor, seperti Notepad atau WordPad. Editor yang sering digunakan saat ini, misalnya M-IDE Studio, yang mampu menuliskan program baik untuk Atmel Versi MCS51 atau AVR. Pada Editor ini, program dituliskan dan akan disimpan dalam ekstensi *.asm (jangan lupa untuk menyimpannya dengan ekstensi ini, kalau tidak ia akan dianggap seperti tulisan biasa saja). Setelah penyimpanan, biasanya akan tampak warna-warna yang berbeda, untuk memudahkan pengecekan kesalahan penulisan program. Tahap 2 adalah Tahap Pengkodean Program. Pada tahap ini, program akan diverifikasi dan dikodekan. Pemverikasian dilakukan untuk mengecek apakah terjadi kesalahan penulisan pada program atau tidak. Hal ini untuk mencegah kekeliruan pengerjaan program ketika dijalankan pada sistem. Keterangan hasil pengecekan program akan ditampilkan pada bagian bawah program. Apabila terdapat kesalahan, maka akan ditampilkan baris 22

110 dan penyebab kesalahannya. Apabila tidak terdapat kesalahan, maka otomatis proses pengkodeaan akan dilakukan. Hasil dari proses pengkodeaan ini adalah file *.hex yaitu bentuk heksadesimalnya. Tahap Ketiga adalah Tahap Pemindahan Program ke Mikrokontroler. Pada tahap ini, file program yang berekstensi *.hex akan dipindahkan ke bagian memori IC. Bagian ini adalah memasukkan file berekstensi *.hex ke dalam IC. Tahapan ini sering dikenal dengan istilah pengunduhan program ke mikrokontroler Pengunduhan ke Mikrokontroler Untuk dapat mengunduh program ke dalam mikrokontroler, terdapat 2 (dua) metoda, yaitu: metoda penggunaan downloader dan metoda In System Programming (ISP). Metoda penggunaan downloader yaitu metoda memasukkan program ke dalam memory yang memerlukan tambahan peralatan yang disebut downloader. IC mikrokontroler yang akan diisi program diletakkan ke dalam downloader yang telah terhubung ke PC melalui kabel port serial (COM). Kemudian, dengan menggunakan software tertentu, program yang telah siap dapat dimasukkan ke dalam IC mikrokontroler. Gambar Peralatan Pengisian Program menggunakan Downloader Metoda ini mempunyai beberapa kelemahan. Kelemahan pertama adalah diperlukannya alat tambahan, yang berarti memerlukan dana tambahan pula. Selain itu, IC mikrokontroler yang digunakan harus dicabut 23

111 dari sistemnya untuk dimasukkan ke dalam downloader dan dimasukkan kembali ke dalam sistem. Jika pemrograman dilakukan berulang-ulang, maka proses pemindahan IC mikrokontroler akan terjadi berulang-ulang pula. Hal ini akan menyebabkan umur IC menjadi lebih pendek. Beberapa Perangkat Lunak yang dapat menuliskan program, antara lain adalah: Turbo Asembler (TASM) atau M-IDE. Perangkat Lunak ini mengubah penulisan program yang berekstensi *.asm ke *.hex (bahasa pemrograman asembli ke bahasa pemrograman mesin atau bilangan hexadesimal). Sedangkan program yang dapat memasukkan file yang telah berekstensi *.hex ke dalam memory adalah program.exe. Metoda lainnya, yaitu metoda In System Programming (ISP) bekerja dengan cara memasukkan program dari PC langsung ke sistem melalui kabel port paralel (LPT) yang telah dimodifikasi dengan tambahan komponen tertentu. Di hujung kabel paralel terdapat port yang disambungkan dengan beberapa kaki tertentu dari IC mikrokontroler, yaitu kaki MISO, MOSI, SCK, RESET, GND dan VCC. Gambar Peralatan Pengisian Program menggunakan In System Programming Penggunaan In System Programming (ISP) amat efisien, karena tidak perlu menggunakan perangkat tambahan serta IC mikrokontroler tidak perlu pula dipindah-pindah. Hal ini disebabkan, pemrograman dilakukan langsung ke sistem dimana mikrokontroler terletak. Untuk penggunaan In System Programming (ISP) perangkat lunak yang dipakai berasal dari produsen IC mikrokontroler tersebut, seperti Atmel ISP dan lain-lain. 24