PERANCANGAN PROTOTYPE SKUTER SEIMBANG MENGGUNAKAN PENGENDALI PID DAN PENGENDALI LOGIKA FUZZY TUGAS AKHIR Disusun sebagai salah satu syarat untuk memperoleh Gelar sarjana dari Institut Teknologi Bandung Oleh Arief Eko Prasetyo NIM: 13205065 PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG 2009
PERANCANGAN PROTOTYPE SKUTER SEIMBANG MENGGUNAKAN PENGENDALI PID DAN PENGENDALI LOGIKA FUZZY Oleh Arief Eko Prasetyo 13205065 / Teknik Kendali LAPORAN TUGAS AKHIR Telah diterima dan disahkan sebagai kolokium untuk memenuhi persyaratan memperoleh gelar SARJANA TEKNIK ELEKTRO Pada PROGRAM STUDI TEKNIK ELEKTRO SEKOLAH TEKNIK ELEKTRO DAN INFORMATIKA INSTITUT TEKNOLOGI BANDUNG Bandung, September 2009 Pembimbing Dr.Ir.Hilwadi Hindersah M.Sc. NIP : 131679356
ABSTRAK Teknologi pada bidang transportasi saat ini berkembang secara pesat, ditunjukkan oleh munculnya sebuah kendaraan yang canggih dan praktis, yaitu Segway PT, kendaraan modern yang telah diluncurkan oleh perusahaan Segway. Segway PT ini disebut sebagai skuter seimbang karena kemampuannya untuk berdiri seimbang walaupun hanya ditopang oleh dua buah roda di sisi kanan dan kirinya. Pada tugas akhir ini, akan dirancang sebuah prototype dari skuter seimbang. Prototype ini, yang memiliki panjang 40cm lebar 16 cm dan tinggi 25,5cm, mampu menyeimbangkan diri baik tanpa gangguan maupun dengan gangguan kecil karena dilengkapi dengan sistem kendali. Pada prototype ini diimplementasikan dua buah metode sistem kendali yang berbeda, yaitu sistem kendali PID dan sistem kendali logika fuzzy. Berdasarkan hasil pengujian, prototype yang dirancang mampu bertahan pada posisi seimbangnya baik menggunakan sistem kendali PID maupun sistem kendali fuzzy dengan diberikan gangguan yang mengakibatkan sudut kemiringan skuter hingga sebesar 6 derajat. Kata kunci: Sistem Transportasi, Skuter Seimbang, Sistem Kendali PID, Sistem Kendali Logika Fuzzy i
ABSTRACT Nowadays, the development of transportation system technology has grown rapidly which is indicated by the invention of a sophisticated vehicle, that is Segway PT, produced by Segway TM. Segway PT is known as self-balanced scooter because of its capability to remain in balanced state even though it has only two wheels on the right-side and the leftside. In this final project, a prototype of self-balanced scooter is implemented. The prototype, which is 40cm in length, 16.cm in width, and 25,5cm in height, has an ability to maintain its balanced state with or without plausible external disturbances because it is assisted by a control system. For comparison purpose, there are two methods that are implemented for the control system, which are PID and Fuzzy Logic. Experimental verification process shows that the prototype has a capability to remain in balanced state, either using PID control system or Fuzzy Logic control system, for an external disturbance that cause a tilt angle up to 6 o. Keywords: Transportation System Technology, Self-Balanced Scooter, PID Control System, Fuzzy Logic Control System ii
KATA PENGANTAR Puji syukur penulis panjatkan kepada Allah SWT atas limpahan rahmat dan karunia-nya sehingga penulis dapat menyelesaikan laporan tugas akhir melalui serangkaian proses pembelajaran yang dilalui selama pelaksanaan kerja praktek ini. Tak lupa pula shalawat dan salam penulis sampaikan kepada Nabi Muhammad SAW sebagai panutan bagi umatnya. Pada penyusunan laporan tugas akhir ini, penulis telah banyak menerima bantuan, bimbingan dan dukungan dari berbagai pihak. Oleh karena itu, penulis ingin mengucapkan terimakasih kepada pihak pihak yang terkait: 1. Kedua orang tua dan adik penulis yang selalu mencurahkan doa, dukungan dan nasehat yang memberikan kelancaran bagi penulis dalam menyelesaika tugas akhirnya. 2. Bapak Dr.Ir.Hilwadi Hindersah M.Sc. selaku dosen pembimbing yang telah banyak memberikan dukungan dan arahan dalam pengerjaan tugas akhir ini, maupun fasilitas dan peralatan yang dibutuhkan. 3. Pihak bengkel basement, mas umar, dan lainnya yang telah banyak sekali membantu penulis dalam pembuatan perangkat keras dari skuter seimbang ini. 4. Mas Bayu dan mas Dian yang memberikan inspirasi penulis untuk membuat skuter seimbang ini. 5. Ibu Aciek dan Ikatan Alumni Elektro 73 dan 75 yang telah banyak membantu pengadaan sensor IMU. 6. Teman-teman di lab KPRG, Zul, Abu, Koli, Iman, Kifli, Rian, Marteen, Vincent, Inez, Achie, Yoka, Hercup, Randy, Buddy, Felix yang telah banyak membantu penulis dalam menyelesaikan tugas akhirnya dan memberikan motivasi. 7. Teman-teman Gilamonster yang menjadi tempat untuk melupakan tugas akhir sejenak dikala bosan. iii
8. Teman-teman Siaware16 yang memberi semangat baru dalam hidup penulis 9. Teman-teman Elektro 2005, terimakasih atas kebersamaan yang telah kalian berikan selama 4 tahun ini. Tidak akan ada cerita masa kuliah yang membekas tanpa adanya kehadiran kalian. Penulis menyadari bahwa penulis tidak mungkin luput dari kekurangan, sehingga laporan ini tentu saja masih belum sempurna. Untuk itu, penulis bersedia menerima kritik dan saran dari pembaca yang berguna untuk memperbaiki laporan ini. Akhir kata, penulis mengucapkan selamat membaca dan semoga laporan ini dapat bermanfaat bagi penulis serta pembaca. Bandung, September 2009 Penulis iv
DAFTAR ISI ABSTRAK... i ABSTRACT... ii KATA PENGANTAR... iii DAFTAR ISI... v DAFTAR GAMBAR... vii DAFTAR TABEL... x BAB I PENDAHULUAN... 1 1. 1. Latar Belakang... 1 1. 2. Perumusan Masalah... 2 1. 3. Tujuan Penelitian... 3 1. 4. Batasan Masalah... 3 1. 5. Metode Penelitan... 4 1. 6. Sistematika Penulisan... 4 BAB II LANDASAN TEORI... 6 2. 1. Dasar-dasar Sistem Kendali... 6 2. 1. 1. Definisi Dan Pengertian Sistem Kendali... 6 2. 1. 2. Sistem Kendali Lup Terbuka Dan Lup Tertutup... 6 2. 2. Pengendali On/Off... 8 2. 3. Sistem Kendali PID... 8 2. 3. 1. Pengendali Proporsional... 9 2. 3. 2. Pengendali Integral... 10 2. 3. 3. Pengendali Proporsional plus integral... 10 2. 3. 4. Pengendali Proporsional plus derivatif... 11 2. 3. 5. Pengendali Proporsional Integral Derivatif (PID)... 12 2. 3. 6. Penalaan PID... 13 2. 4. Sistem Kendali Logika Fuzzy... 14 2. 4. 1. Logika Fuzzy... 14 2. 4. 2. Himpunan crisp dan himpunan fuzzy... 14 v
2. 4. 3. Fungsi keanggotaan fuzzy... 15 2. 4. 4. Operasi Himpunan Fuzzy.... 16 2. 4. 5. Sistem Kendali Berbasis Logika Fuzzy... 17 2. 4. 6. Kelebihan dan kekurangan kendali fuzzy... 20 2. 5. Pendulum Terbalik dan Skuter Seimbang... 20 2. 6. Mikrokontroller ATMega16... 25 2. 7. PWM (Pulse width modulation)... 28 2. 8. Motor DC... 30 2. 9. H-Bridge... 30 BAB III ANALISIS DAN PERANCANGAN SISTEM... 33 3. 1. Spesifikasi Sistem... 33 3. 2. Analisis... 33 3. 2. 1. Analisis Perangkat Keras... 34 3. 2. 2. Analisis Perangkat Lunak... 36 3. 3. Perancangan... 37 3. 3. 1. Perancangan Perangkat Keras... 37 3. 3. 2. Perancangan Perangkat Lunak... 41 BAB IV IMPLEMENTASI DAN PENGUJIAN... 51 4. 1. Implementasi... 51 4. 1. 1. Implementasi Perangkat Keras... 51 4. 1. 2. Implementasi Perangkat Lunak... 53 4. 2. Pengujian... 65 4. 2. 1. Perhitungan Durasi Program... 65 4. 2. 2. Pengujian Deadband Motor... 66 4. 2. 3. Pengujian Penggunaan Pengendali Logika Fuzzy... 67 4. 2. 4. Pengujian Penggunaan Pengendali PID... 69 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 78 5. 1. Kesimpulan... 78 5. 2. Saran... 79 DAFTAR PUSTAKA... 80 LAMPIRAN... 81 vi
DAFTAR GAMBAR Gambar 1 Diagram sistem kendali secara umum... 6 Gambar 2 Diagram sistem lup terbuka... 7 Gambar 3 Diagram sistem kendali lup tertutup... 7 Gambar 4 sistem kendali on-off... 8 Gambar 5 sistem kendali on-off dengan differential gap... 8 Gambar 6 Pengendali proporsional... 10 Gambar 7 Pengendali integral... 10 Gambar 8 Pengendali proporsional integral... 11 Gambar 9 Pengendali Proporsional Derivatif... 12 Gambar 10 Pengendali Proporsional Integral Derivatif... 12 Gambar 11 Himpunan fuzzy untuk tinggi badan... 15 Gambar 12 Bentuk-bentuk umum fungsi keanggotaan... 16 Gambar 13 Dua buah himpunan fuzzy A dan B... 16 Gambar 14 Gabungan himpunan fuzzy A dan B... 17 Gambar 15 Irisan himpunan fuzzy A dan B... 17 Gambar 16 Komplemen himpunan fuzzy A... 17 Gambar 17 Alur pengembangan kendali fuzzy... 18 Gambar 18 Pendulum Terbalik Dengan Sebuah Kereta... 21 Gambar 19 Diagram Gaya Pada Pendulum Terbalik Dengan Sebuah Kereta [2]. 22 Gambar 20 Segway T model... 23 Gambar 21 Proses Skuter Menyeimbangkan Diri... 24 Gambar 22 Konfigurasi pin ATMega16 PDIP... 26 Gambar 23 Konfigurasi pin ATMega16 TQFP/QFN/MLF... 27 Gambar 24 Arsitektur ATMega16... 27 Gambar 25 Pulse Width Modulation... 28 Gambar 26 Phase Correct PWM... 29 Gambar 27 Fast PWM... 29 Gambar 28 Motor DC... 30 vii
Gambar 29 H-Bridge... 30 Gambar 30 H-Bridge konfigurasi MOSFET A&D on, B&C off... 31 Gambar 31 H-Bridge konfigurasi MOSFET A&D off, B&C on... 32 Gambar 32 Platform Skuter Seimbang... 38 Gambar 33 Giroskop... 39 Gambar 34 Akselerometer... 40 Gambar 35 Diagram rangkaian L298N... 40 Gambar 36 Skema Rangkaian Driver Motor dengan H-Bridge L298N... 41 Gambar 37 Driver Motor dengan H-Bridge L298N... 41 Gambar 38 Flowchart Pengendali PID... 44 Gambar 39 Fungsi keanggotaan segitiga... 45 Gambar 40 Fungsi keanggotaan trapesium untuk daerah ujung... 46 Gambar 41 Fungsi Keanggotaan nilai error... 46 Gambar 42 Fungsi keanggotaan delta error... 47 Gambar 43 Fungsi keanggotaan aksi PWM... 47 Gambar 44 Flowchart Pengendali Logika Fuzzy... 50 Gambar 45 Prototype Skuter Seimbang... 51 Gambar 46 Sensor Akselerometer dan Giroskop... 52 Gambar 47 Mikrokontroller, Baterai 24 volt dan H-Bridge... 53 Gambar 48 Motor DC... 53 Gambar 49 Register TCCR0 dan TCNT0... 54 Gambar 50 Register TCCR1A dan TCCR1B... 55 Gambar 51 Register UCSRA, USCRB dan USCRC... 56 Gambar 52 Tampilan Perangkat Lunak Terminal... 57 Gambar 53 Grafik sudut skuter terhadap waktu dan PWM terhadap waktu dengan pengendali logika fuzzy tanpa gangguan luar... 68 Gambar 54 Grafik sudut skuter terhadap waktu dan PWM terhadap waktu dengan pengendali logika fuzzy dengan adanya gangguan luar... 69 Gambar 55 Grafik sudut skuter terhadap waktu dan PWM terhadap waktu dengan pengendali proporsional tanpa gangguan luar... 70 Gambar 56 Grafik sudut skuter terhadap waktu dan PWM terhadap waktu dengan pengendali proporsional dengan adanya gangguan luar... 71 viii
Gambar 57 Grafik sudut skuter terhadap waktu dan PWM terhadap waktu dengan pengendali proporsional plus integral tanpa gangguan luar... 73 Gambar 58 Grafik sudut skuter terhadap waktu dan PWM terhadap waktu dengan pengendali proporsional plus integral dengan adanya gangguan luar... 74 Gambar 59 Grafik sudut skuter terhadap waktu dan PWM terhadap waktu dengan pengendali proporsional plus integral plus derivatif tanpa gangguan luar... 75 Gambar 60 Grafik sudut skuter terhadap waktu dan PWM terhadap waktu dengan pengendali proporsional plus integral plus derivatif dengan adanya gangguan luar... 77 ix
DAFTAR TABEL Tabel 1 Konfigurasi H-Bridge... 32 Tabel 2 Aturan Fuzzy... 47 x