IMPLEMENTASI ALGORITMA DAN SENSOR INFRA RED DALAM PERANCANGAN ROBOT PEMADAM API KATEGORI BERODA PADA KONTES ROBOT CERDAS INDONESIA 2012 Oleh : Endy Sjaiful Alim, ST.,MT. Kasogi N Prodi Elektro UHAMKA (Dimuat di Jurnal Lembaga Penelitian dan Pengembangan UHAMKA MAQRA Volume1,Nomor 1, Oktober 2012) ABSTRAK Prototipe robot cerdas pemadam api merupakan prototipe robot cerdas yang mampu bekerja memadamkan api dalam sebuah ruangan. Robot ini akan bekerja secara otomatis tanpa operator sesuai dengan peraturan dari Kontes Robot Cerdas Indonesia (KRCI) yang diadakan setiap tahun. Robot ini beraksi pada sebuah simulasi bangunan rumah yang memiliki empat ruangan. Posisi start robot ditentukan secara acak dalam sebuah ruangan, lalu bergerak secara otomatis tanpa operator untuk mencari api (disimulasikan dengan lilin) dan memadamkannya, kemudian kembali ke dalam ruangan tempat start robot. Simulasi bangunan rumah dilengkapi dengan beberapa rintangan ( furniture, uneven floor, cermin dll ). Secara struktural robot ini tersusun atas kontruksi mekanik berukuran sekitar 25x20x15 cm (panjang x lebar x tinggi) yang dilengkapi dengan perangkat elektronik seperti mikrokontroler, sensor dan motor DC sebagai penggerak roda. Kata Kunci ; infra red, robot pemadam api KRCI, algoritma robot. 1.PENDAHULUAN Kata robot berasal dari bahasa Chech (Ceko) yang berarti pekerja. Saat ini secara sadar atau tidak sadar, robot telah hadir di dalam kehidupan manusia dalam bentuk yang bermacam-macam. Terdapat bentuk disain robot yang sederhana untuk mengerjakan kegiatan mudah berulang-ulang. Ada pula robot yang dirancang untuk berperilaku sangat kompleks dan sampai batas tertentu untuk mengontrol dirinya sendiri. Di kalangan umum pengertian robot selalu dikaitkan dengan makhluk hidup berbentuk manusia maupun binatang yang terbuat dari logam dan bertenaga listrik. Sementara itu dalam arti luas robot berarti alat yang dalam batas-batas tertentu dapat bekerja sendiri (otomatis) sesuai dengan perintah yang telah dibuat oleh perancangnya. Atas dasar pengertian tersebut, ada keterkaitan yang sangat erat antara robot dengan otomatisasi sehingga dapat Laporan Penelitian Kompetitif Mei 2012 1
dipahami bahwa hampir setiap aktivitas kehidupan modern makin tergantung pada robot dan otomatisasi. Perkembangan teknologi robot di Indonesia tidak terlepas dari peran mahasiswa. Beberapa perlombaan atau kontes robot di Indonesia telah diadakan secara rutin tiap tahun. salah satunya yaitu KRI (Kontes Robot Indonesia) dan KRCI (Konte s Robot Cerdas Indonesia). Dalam rangka persiapan menghadapi KRI dan KRCI 2012 perlu diadakan riset yang sangat matang. Kami dari pihak dosen dan mahasiswa aktif jurusan teknik elektro UHAMKA berinisiatif dan berniat mengajukan sebuah penelitian dalam bidang robotika yang berkaitan dengan pelaksanaan Kontes Robot Cerdas Indonesia tahun 2012. Perancangan robot ini bertujuan untuk membuat sebuah robot cerdas pemadam api beroda yang mampu bekerja sesuai dengan rule KRCI senior beroda yang ditargetkan dapat tampil pada ajang KRCI 2012 senior beroda. Perancangan robot ini berperan sangat penting untuk membawa perubahan IPTEK khususnya bidang robotika bagi UHAMKA karena penelitian ini berkaitan dengan peran serta UHAMKA dalam kontes robot di Indonesia tahun mendatang. Bermodalkan kompetensi,loyalitas dan semangat, peneliti berniat untuk meraih prestasi dalam ajang tersebut. Untuk jangka panjang penelitian ini dapat menjadi contoh untuk pembuatan robot yang lebih kompleks dan memungkinkan untuk dibuat robot asli (non-prototype) yang dapat bermanfaat. 2. TINJAUAN PUSTAKA Robot memiliki karakter utama: Sensing : Robot memiliki sensor untuk dapat merasakan keadaan lingkungan sekitarnya; Movement : Robot memiliki roda ataupun kaki untuk dapat bergerak di lingkungan sekitarnya; Energy : Robot membutuhkan energy untuk dapat bergerak ; Intelligence : Robot dapat berfikir dan memutuskan tindakan (cerdas ). Kemampuan berfikir dan tingkat kecerdasannya ini sangat ditentukan olem pencipta robot yang membuat algoritma pemograman. Secara teknis, karakteristik robot di atas dapat dimodelkan oleh blok diagram berikut: Gambar 2.1 : model umum sebuah robot 2.1. Sensor Inframerah Sensor inframerah merupakan sebuah sistem sensor yang memanfaatkan cahaya inframerah. Transmitter berupa LED inframerah, dan receiver berupa phototransistor yang Laporan Penelitian Kompetitif Mei 2012 2
dirancang dengan rangkaian filter frekuensi sebesar 37,5 Khz yang merupakan frekuensi dari gelombang inframerah. Dalam dunia robotika sensor inframerah bermanfaat sebagai pendeteksi benda penghalang agar robot bergerak tidak menabrak penghalang di sekitarnya. oleh karena itu transmitter dan receiver inframerah harus di pasang berdampingan ke arah yang sama. 2.2. LED inframerah LED inframerah adalah suatu bahan semikonduktor yang memancarkancahaya inframerah yang memiliki panjang gelombang 700 nm 1 mm. Cahaya inframerah timbul akibat penggabungan elektron dan hole pada persambungan antara 2 jenis bahan semikonduktor di mana setiap penggabungan disertai dengan pelepasan energy foton. Energy foton yang terlepas akan merambat di udara dengan frekuensi 30-40 Khz. 2.3. Fototransistor Fototransistor dimanfaatkan sebagai komponen penerima cahaya. Untuk dapat menerima cahaya inframerah, maka fototransistor harus dirancang dengan bantuan filter frekuensi sebesar 38 Khz. Berikut salah satu rangkain filter untuk receiver inframerah : Gambar 2.2 Rangkaian filter pada receiver inframerah 3. METODE PERANCANGAN Perancanagn robot yang dilakukan melalu beberapa tahapan proses, tahapan proses tersebut meliputi ; Pertama studi literatur, studi literatur sangat diperlukan untuk melengkapi studi pustaka yang telah dilakukan sebelumnya. Studi literatur ini dilakukan terutama untuk melengkapi referensi tentang pergerakan robot dan system pengolahan databaik hardware maupun software yang efektif. Pada tahap ini kami menggunakan internet dan buku sebagai media informasi yang dapat diandalkan. Kedua Membuat model mekanik sederhana robot dan melakukan tahap simulasi sistem gerak. Ketiga merancang secara rinci semua bagian robot untuk mengetahui kebutuhan tambahan yang diperlukan baik dari sisi software, hardware, dan presedur mekanisasi. Keempat merealisasi prototipe robot dan mengimplementasi kan algoritma yang diperoleh dari tahap sebelumnya. Pada tahap ini, robot telah memiliki bentuk final dan aspek otonomi sudah mulai diberlakukan misalnya modul mikrokontroler dan baterai sudah mulai diintegrasikan ke dalam badan robot. Kelima tahap uji coba lapangan riil. Pada tahap ini robot dijalankan di arena simulasi yang telah dibuat, dengan pencahayaan dan lingkungan yang bervariasi untuk menguji Laporan Penelitian Kompetitif Mei 2012 3
kehandalan hardware,software dan mekanik. Keenam tahap evaluasi, dari hasil uji coba diharapkan mendapat masukan berupa data aktual baik terhadap data keberhasilan perancangan maupun terhadap data kekurangan perancangan untuk kemudian dicarikan solusi terhadap kekurangan tersebut. Ketuju tahap penyempurnaan prototipe. Tahap ini dilakukan setelah menemukan solusi yang tepat dari tahap evaluasi sebelumnya dengan merealisasikan penyempurnaan perancangan robot. Kedelapan tahap pameran robot tunggal terbuka. Pada tahap ini akan diadakan sebuah pameran tunggal robot yang terbuka untuk umum. Tujuan dari pameran ini adalah untuk mendapatkan opini dan penilaian dari berbagai kalangan terhadap perancangan robot yang telah dilakukan. studi literatur Perakitan model mekanik Penyusunan laporan Perakitan hardware dan pemograman masing-masing blok sistem Penyempurnaan Uji coba hardware, software dan mekanik Uji coba lapangan riil Pemograman Keseluruhan Sistem Robot Evaluasi Gambar 3.1. Diagram Alur Metode Perancangan Robot 4. HASIL DAN PEMBAHASAN Perancangan robot yang telah dilakukan menghasilkan prototipe hard ware robot secara mekanis dan elektris, serta implementasi sofware yang sesuai dengan algoritma pergerakan robot yang telah dirancang. Laporan Penelitian Kompetitif Mei 2012 4
4.1. Algoritma Pergerakan Robot Skema pergerakan robot secara umum meliputi : pertama, pendeteksian posisi start robot ( untuk mengetahui apakah robot berada di dalam ruangan arbitary atau di posisi di lorong arena). Kedua, jika robot berada di ruangan maka robot akan melakukan pergerakan penelusuran dinding untuk mencapai posisi pintu. Ketiga, selanjutnya robot akan melakukan pergerakan pencarian seluruh ruangan bersamaan dengan pendeteksian adanya nyala api. Keempat, jika robot menemukan adanya nyala api, maka robot akan merek am ruangan tersebut. Kelima, robot menelusuri ruangan yang belum dicapai untuk mendapatkan point room factor. Keenam, setelah seluruh ruangan diteliusuri, maka robot akan kembali ke ruangan yang telah terekam adanya nyala api. Kejutu, robot melakukan proses pemadaman api. Kedelapan, robot melakukan proses pergerakan kembali ke posisi start. Kesembilan, setelah robot menemukan posisi strart kemudian robot berhenti. Pergerakan robot yang telah dirancang memiliki tiga aktifitas penting yang sangat perlu untuk diperhatikan. Ketiga aktifitas penting tersebut diantaranya gerakan penelusuran dinding, gerakan maju tanpa menabrak dinding, pemetaan lapangan dan pendeteksian posisi robot. Gerakan penelusuran dinding ; dalam aktifitas penelusuran dinding, sebelumnya harus ditentukan dinding sebelah mana yang akan ditelusuri. Misal dinding kanan, maka robot akan memanfaatkan sensor inframerah atau ultrasonik bagian kanan dan depan robot. dalam aktifitas ini, robot akan dip erintah menggerakkan roda (motor) kiri lebih cepat dibandingkan roda kanan saat sensor sebelah kanan tidak mendeteksi adanya dinding, sebaliknya jika sensor kanan mendeteksi adanya dinding maka robot akan diperintah menggerakkan roda kiri lebih lambat dibandingkan roda kanan. Jika sensor bagian depan mendeteksi ada dinding maka robot akan diperintah bergerak berputar searah jarum jam sampai sensor depan tidak lagi mendeteksi dinding. Robot akan melakukan perintah - perintah di atas hingga keadaan tertentu. Berikut diagram alir gerakan penelusuran dinding sebelah kanan: Gambar 4.1 Diagram alir gerakan penelusuran dinding kanan Laporan Penelitian Kompetitif Mei 2012 5
Gerakan maju tanpa menabrak dinding ; dalam aktifitas bergerak maju tanpa menabrak dinding, robot akan diperintah mengaktifkan sensor inframerah atau ultrasonik bagian kiri dan kanan robot. Saat sensor kiri dan kanan tidak mendeteksi adanya dinding, maka robot diperintah menggerakkan roda kanan dan kiri maju dengan kecepatan sama, saat sensor kanan mendeteksi ada dind ing maka robot diperintah menggerakkan roda kanan maju dengan kecepatan tinggi dan roda kiri maju dengan kecepatan rendah, sebaliknya jika sensor kiri mendeteksi ada dinding maka robot diperintah menggerakkan roda kanan maju dengan kecepatan rendah dan roda kiri maju dengan kecepatan tinggi. Berikut diagram alir gerakan maju tanpa menabrak dinding : Gambar 4.2 Diagram alir gerakan maju tanpa menabrak dinding Pemetaan lapangan dan pendeteksian posisi robot ; dalam Kontes Robot Cerdas Indonesia (KRCI) robot pemadam api, bentuk lapangan dikonfigurasi dengan bermacam-macam pola ruangan, dan posisi start robot bersifat acak, maka proses pemetaan sangat perlu dilakukan oleh robot. Proses pemetaan ini dilakukan dengan memanfaatkan sensor ultrasonik yang mampu mengukur jarak penghalang bagian kanan,kiri,depan dan belakang robot. Proses pemetaan lapangan juga bermanfaat untuk meraih point bonus room faktor yang merupakan point bonus terbaik. 4.2 Rangkaian Input/Output Dan Catu Daya Sistem robot memiliki catu daya untuk mensuplai energi. Robot pemadam api merupakan model robot yang tergolong dinamis (dapat berpindah tempat) sehingga dibutuhkan catu daya yang bersifat portable bukan dari sumber tegangan bolak-balik (contoh:listrik PLN), oleh karena itu catu daya yang dipilih berupa baterai (sel kering). Sistem robot yang akan dibuat memiliki bermacam-macam komponen/device yang berbeda-beda kebutuhan dayanya. Secara spesifik robot pemadam api ini membutuhkan tiga buah level Laporan Penelitian Kompetitif Mei 2012 6
tegangan arus searah, yaitu +5 Vdc, +7.4 Vdc dan 9-12 Vdc. Berikut distribusi masingmasing tegangan untuk robot: +5 Vdc : sensor inframerah, sensor ultrasonik, rangkaian switching, sound activation, dan lain-lain +7.4 Vdc: motor servo DC 9-12 Vdc: Mikrokontroler dan driver relay untuk kipas Sel kering yang akan digunakan adalah baterai LiPo (Lithium P olymer) yang mencatu tegangan sebesar 3.7 Vdc persel. Dalam memenuhi kebutuhan tegangan 7.4 Vdc digunakan dua buah sel, 9-12 Vdc digunakan tiga buah sel, dan 5 Vdc digunakan rangkaian regulator yang bersumber dari 7.4 Vdc atau 9-12 Vdc. Berikut ilustrasi untuk distribusi catu daya dan pengkabelan setiap input/output untuk sistem robot : Gambar 4.3 distribusi catu daya dan pengkabelan setiap input/output untuk sistem robot 4.3 Rangkaian Mikrokontroller Basic Stamp Mikrokontroler Basic Rtamp dalam perancangan robot ini diimplementasikan sebagai kontrol pengendali seluruh pergerkan dan aktifitas robot. Dipilihnya mikrokontroler ini karena relatif tersedia dipasaran, memiliki kemampuan programable dengan kapasitas memori yang memadai dan memiliki bahasa pemrograman yang relatif komunitif serta dapat mengakomodasi algoritma pergerakan robot yang telah dirancang. Adapun gambar rangkai mikrokontroler basic stamp yang dimaksud adalah sebagai berikut : Gambar 4.4 Rangkaian Mikrokontroller Basic Stamp Laporan Penelitian Kompetitif Mei 2012 7
4.4 Rangkaian Sensor Inframerah Sensor inframerah terdiri dari bagian transmitter dan receiver. Transmitter merupakan sebuah infrared LED yang memancarkan cahaya berfrekuensi 38 KHz. Oleh karena itu LED tersebut harus terhubung oleh generator frekuensi. Untuk membangkitkan frekuensi 38 KHz dibutuhkan 1 buah IC 555 (timer) yang akan dirangkai dengan mode astable. Gambar 4.5 Astable 555 Secara umum astable 555 memiliki prinsip sebagai berikut (perhatikan gambar) : Output 555 akan menghasilkan pulsa high dan low secara bergantian panjang pulsa high dan low tergantung dari besar nilai R1 dan R2 Perhitungan panjang pulsa high. Time High (secs) = 0.693 x (R1+R2) x C Perhitungan panjang pulsa low Time Low (secs) = 0.693 x R2 x C Perhitungan frekuensi = = =. ( ). =. ( ). = ( ) Gambar 4.6 Logika Digital High or Low Setelah dipahami prinsip penghitungan frekuensi, maka dapat dicari nilai dari R1,R2 dan C yang diperlukan untuk membangkitkan sinyal 38 KHz. Untuk kemudahan, maka dipilih Resistor 22 Kohm sebagai R1,potensiometer 100 Kohm yang disetting sebesar 80 Kohm sebagai R2 dan Kapasitor sebesar 0.001 uf Laporan Penelitian Kompetitif Mei 2012 8
Berikut perhitungan nilai frekuensi: =. ( + ) = + ( ).. =. Hz = ~38 KHz Sehingga gambar skematik rangkaian yang dibutuhkan untuk transmitter infrared adalah sebagai berikut: Gambar 4.7 Rangkaian Transmitter Infrared Untuk menangkap hasil pembacaan dari sensor transmiter infrared perlu dirancang sensor penerima (receiver) infrared. Adapun g ambar rangkaian receiver infrared adalah sebagai berikut : Gambar 4.8 Rangkaian Receiver Infrared Setelah didapat skematik untuk rangkaian transmitter dan receiver, maka dapat dirancang jalur PCB untuk sensor infrared. PCB yang dirancang sebaiknya bersifat kecil dan tanpa kabel jumper sehingga diperlukan PCB berjenis double layer through hole. Berikut rancangan PCB untuk sensor infrared : LAYER ATAS LAYER BAWAH Gambar 4.8 Skematik PCB Sensor Infrared Laporan Penelitian Kompetitif Mei 2012 9
5. KESIMPULAN DAN SARAN Implementasi algoritma dan sensor infrared yang di terapkan pada perancangan robot pemadam api kategori berkaki dalam Kontes Robot Cerdas Indonesia (KRCI) 2012 ini telah mampu menggerakan robot secara otomatis. Dari uji simulasi yang telah dijalankan gerakan robot tersebut telah berhasil mendeteksi sumber api dan menyalakan kipas untuk proses pemadaman. Uji simulasi yang telah dilakukan juga menunjukkan bahwa algoritma yang dirancang berhasil menjalankan robot dalam 10 alternatif gerakan yang memungkinkan robot menelusuri rute mencari sumber api, kemudian menyalakan kipas untuk memadamkan api dan kembali ke posisi start. Dibutuhkan waktu paling lama 2 menit untuk memadamkan api, dan paling lama 1 menit untuk kembali ke posisi start. Hasil pengujian simulasi lapangan juga memberikan pengalaman bahwa sensor infrared sangat peka cahaya, sehingga dapat disarankan sebelum robot dioperasikan akan kepekaan sensor infrared dapat diatur secara tepat sesuai intensitas cayaha yang ada di arena lapangan. Referensi Boylestad Robert, Nashelsky, Electronic Device And Circuit Theory, Prentice Hall International. Inc, New Jersey 1972. Jacob Millman, Mikroelektronika, Sistem Digital dan Rangkaian Analog, Erlangga jilid 2 Luta, M.A., Hardi, A. (2004). Perancangan dan Realisasi Robot Pemadam Kebakaran EVO 113, Bandung: Politeknik Negeri Bandung. Ramza, H., and Y. Dewanto. "Teknik Pemrograman Menggunakan Matlab." Penerbit Grasindo, Jakarta (2007). elib.unikom.ac.id/download.php?id=92375 http://atmelmikrokontroler.wordpress.com http://education.poztmo.com/2011/04/jenis-jenis-baterai.html http://meriwardana.blogspot.com/2011/11/prinsip-kerja-sensor-api-uv-tron-modul.html http://home.cogeco.ca/~rpaisley4/irproxoscreceiver.gif http://xlusi.com/tools/elemen-kering/ Laporan Penelitian Kompetitif Mei 2012 10