BAB IV PROTOTYPE ROBOT TANGGA BERODA 4.1 Desain Sistem Sistem yang dibangun pada tugas akhir ini bertujuan untuk membangun robot beroda yang dapat menaiki tangga dengan metode pengangkatan beban pada roda depan dengan memanfaatkan R/C Servo. Desain sistem yang dibangun secara umum bisa dilihat dari diagram konteks dibawah ini Input Jarak Robot- Tangga Sistem Kontrol Robot Bergerak Maju Badan Robot Sensor Jarak Inframera h Aplikasi Komparator Analog Aplikasi Metode Katrol Roda Depan Naik-Turun Tegangan Referensi Aplikasi Penyangg a Roda Tengah Naik-Turun Gambar 4.1 Diagram Konteks Sistem 26
Diagram di atas terdiri atas tiga tahap, yaitu tahap input, tahap proses (sistem kontrol robot), dan tahap aktuator. Input sistem berupa jarak antara posisi tangga dan robot, tahapan ini dijalankan oleh sensor IR yang dipasang dengan metode pemantulan. Aplikasi komparator analog berperan sebagai pengambil keputusan pengiriman perintah berdasarkan jarak robot dan tangga. Metode yang digunakan adalah mengkomparasi output sensor dan tegangan referensi. Selanjutnya, mekanisme naik tangga dijalankan dengan aplikasi metode katrol dan penyangga. Kedua aplikasi ini memiliki fungsi yang berlainan, aplikasi metode katrol berfungsi menggerakkan roda depan naik-turun, sedangkan aplikasi penyangga berfungsi menggerakkan roda tengah ke atas dan ke bawah. Desain sistem diatas tidak membahas mekanisme roda belakang dikarenakan roda belakang beroperasi dengan sistem kontrol terbuka. 4.1.1 Proses Pada Sistem Kontrol Pada sistem kontrol terdapat tiga buah proses yaitu proses komparasi, pengaturan PWM, dan pengaturan motor dc. Ketiga proses ini terjadi di dalam mikrokontroler. Proses komparasi akan dijelaskan pada subbab Sistem Kontrol Robot 27
Input Jarak Robot- Tangga Sistem Kontrol Robot Bergerak Maju Sensor Jarak Inframera h Tegangan Referensi Aplikasi Komparator Analog PWM Aplikasi Metode Katrol Aplikasi Penyan gga Delay perintah Motor Servo Badan Robot Roda Depan Naik-Turun Roda Tengah Naik-Turun perintah Motor DC Logika Input High-Low Gambar 4.2 Proses Pada Blok Sistem Kontrol Pada blok PWM dilakukan pengaturan lebar PWM yang akan diberikan ke motor servo untuk memutar ke kanan-kiri. Aksi ini mengakibatkan roda depan naik-turun dengan bantuan katrol. Pada blok pengaturan delay dan motor DC dilakukan penundaan waktu eksekusi pengiriman sinyal logika High-Low ke motor dc. Hal ini bertujuan agar motor dc mengeksekusi perintah beberapa detik setelah motor servo mengeksekusi perintah. Aksi ini mengakibatkan roda tengah naik-turun. 4.2 Desain Perangkat Keras Desain perangkat keras yang membangun robot pada tugas akhir ini mencakup desain rangkaian dan desain mekanik badan robot. Diagram blok dibawah ini menggambarkan rute penerimaan sinyal input yang diterima oleh perangkat keras. 28
ATMEGA 16 Sensor Jarak Inframerah Komparator Analog Timer/Counter RC Servo Roda Depan Naik/Turun Roda Tengah Naik-Turun H-Bridge Driver Motor DC Jarak Robot-Anak Tangga Gambar 4.3 Diagram Blok Perangkat Keras Berdasarkan diagram blok diatas desain perangkat keras terdiri atas blok sensor, blok proses (ATmega16), blok aktuator (servo) dan motor dc, dan blok feedback (jarak robot- tangga). 1. Blok Sensor Robot yang dibangun pada tugas akhir ini merupakan jenis robot aktif, dimana sistem navigasinya dikendalikan oleh lingkungan, walaupun terbatas. Sistem navigasi tersebut bertujuan untuk mengarahkan robot dan memberikan trigger untuk menaiki tangga. Untuk tujuan tersebut digunakanlah sensor jarak inframerah. Sensor inframerah ini terdiri atas fotodioda (receiver) dan led inframerah (transmitter). Rangkaian transmitter menggunakan NE555 sebagai osilator supaya sinyal yang dihasilkan cukup kuat untuk jarak tertentu. Pada rangkaian transmitter dibawah ini, NE555 berfungsi sebagai multivibrator astabil. 29
+12V 8 U1 0.01U C2 RV1 50k 4 5 2 R CV TR GND VCC 1 Q DC TH 3 7 6 NE555 R1 10k R2 470ohm LED-IR LED C1 0.047u Gambar 4.4 Rangkaian Transmitter Sinyal output dari pin 3 merupakan sinyal square wave yang frekuensinya dapat diatur dengan merubah hambatan pada potentiometer 50K, dengan formulasi sebagai berikut, f = 1.443 dengan duty cycle ( R1 + RV1) C1 = R1 + RV1 R1 + 2RV1 30
Gambar 4.5 Output Astabil NE555 Berbentuk Square Wave Berdasarkan eksperimen yang telah dilakukan, frekuensi keluaran NE555 yang paling sesuai dan dapat diterapkan pada sistem navigasi robot ini yaitu berkisar 1.25-1.282 khz. dengan nilai hambatan pada potentiometer sebesar 15K. +12V +15V R3 2k C2 R1 +15V 3 2 7 1 U1 6 D1 C3 0.047u R4 22k R2 3 2 7 1 U2 6 0.47u 100-15V 220P 4 5 LM741a 470-15V RV2 50k 4 5 LM741b 100n RV1 100k Gambar 4.6 Rangkaian Receiver Rangkaian receiver menggunakan fotodioda yang dipasang pembiasan balik (reverse-bias). Sinyal yang diterima oleh fotodioda kemudian diproses oleh rangkaian filter aktif (filter lolos tengah) yang dibangun oleh IC LM741a. Sedangkan LM741b berfungsi sebagai penguat inverting karena sinyal tegangan yang diloloskan dioda berupa tegangan negatif kemudian sinyal keluaran yang didapatkan diperkuat dan fasanya dibalikkan. 31
2. Blok Sistem Kontrol Blok ini dijalankan oleh dua buah mikrokontroler ATmega 16, pembahasan mekanisme proses yang terjadi pada blok ini dibahas pada bagian perangkat lunak. Berikut ini desain rangkaian ATmega 16, 32
33 Gambar 4.7 Desain Rangkaian ATmega16
Rangkaian ini digunakan untuk melakukan pengontrolan gerak servo dan aplikasi komparator analog. Poin1 merupakan rangkaian pembagi tegangan untuk menghasilkan tegangan referensi pada komparator analog, sedangkan poin 2 adalah rangkaian pengontrol gerak R/C Servo. Pada desain diatas terlihat bahwa pengontrolan servo langsung melalui pin-pin ATmega16. 3. Blok Aktuator Blok ini terdiri atas rangkaian H-bridge motor dc dan R/C Servo, karena pengontrolan R/C Servo ditangani oleh ATmega16 maka tidak diperlukan rangkaian lain. Rangkaian pengontrol motor DC terdiri atas H-Bridge yaitu L293D. 34
35 Gambar 4.8 Desain Rangkaian Pengontrol Motor DC
Pemberian logika pada pin DIRA dan DIRB dilakukan melalui pin 22 dan 23 ATmega16. ENABLE DIRA DIRB Fungsi H H L Berputar CW H L H Berputar CCW H L/H L/H Berhenti Tabel 4.1 Logika Input Driver L293D Berikut ini bentuk asli rangkaian dan desain rangkaian keseluruhan sistem kontrol robot Gambar 4.9 Foto Rangkaian Sistem 36
4.2.1 Desain Mekanik Jenis robot yang akan dibuat pada tugas akhir ini adalah mobile robot beroda dengan kemampuan menaiki tangga, dalam hal ini tangga tiruan. Fokus tugas akhir ini menitikberatkan pada keberhasilan metode ini pada bagain roda depan robot. Robot ini terdiri atas, Mechanical device yaitu roda dan tiang penyangga Sensor jarak inframerah yang berfungsi mengindera lingkungan (anak tangga/undakan) dan memberikan feedback kepada sistem Sistem yang memproses input dari sensor dan melakukan aksi sebagai respon dari keadaan lingkungan. Oleh karena itu, desain mekanik sistem meliputi rancangan badan robot, konfigurasi katrol, konfigurasi sensor. Supaya robot dapat menaiki tangga dengan metode katrol dan rasio diameter roda belakang-anak tangga/undakan, maka konfigurasi hardware yang dibangun harus memiliki spesifikasi sebagai berikut, 1. Badan Robot Berlandaskan metode yang digunakan, maka spesifikasi yang harus dipenuhi dalam perancangan badan robot meliputi: 37
Berat badan robot harus cukup ringan (terutama bagian depan), hal ini berkaitan dengan torka maksimum R/C Servo Berdasarkan perhitungan, direkomendasikan jari-jari roda belakang lebih besar dari anak tangga/undakan. Bentuk roda belakang radial untuk memudahkan menaiki anak tangga/undakan Diperlukan penahan badan robot saat roda depan terangkat Penggerak robot (motor DC) harus memiliki torka yang besar untuk mendorong roda belakang menaiki anak tangga/undakan Beberapa spesifikasi yang harus dipenuhi konfigurasi katrol, diantaranya Diameter katrol tidak lebih dari 2 cm, hal ini berkaitan dengan torka maksimum R/C Servo Pemasangan katrol sesuai kaidah meminimalisir gaya tarik servo Pemilihan tali dengan koefisien gesek kecil Berikut ini prototype robot tangga yang dibuat dengan mengacu pada aspek-aspek diatas 38
6.5 cm (a) 25 cm (b) (c) Gambar 4.10 (a) Robot Tampak Samping, (b) Robot Tampak Atas, (c) Robot Tampak Depan Gambar diatas menampilkan konstruksi robot bagian samping, atas, dan depan. Ukuran komponen-komponen robot tertera pada gambar. Di bawah ini adalah konstruksi akhir robot yang sudah dilengkapi rangkaian elektronika. 39
Gambar 4.11 Konstruksi Lengkap Robot 2. Konfigurasi Sensor Sensor jarak inframerah diaplikasikan dengan metode pemantulan menggunakan reflektor bewarna putih. Fotodioda dan IR Led terpisah sejauh 1 cm dan dipasang pada bagian depan robot. Gambar 4.12 Konfigurasi Sensor Pada Robot 40
4.3 Sistem Kontrol Robot Sistem kontrol robot merupakan bagian utama pada pembangunan robot naik tangga ini, urutan proses yang terjadi dapat digambarkan secara detil melalui diagram alir di bawah ini START Robot Berjalan Sensor IR Aktif Output > Vref Tidak ACO=1 ACO=0 Ya Servo Putar ke Kanan Servo Putar ke Kiri Delay 4 detik Delay 4 detik Motor DC(1) Putar ke Kanan Motor DC(1) Putar ke Kiri Roda Depan Naik Penahan Turun Roda Depan Turun Penahan Naik END Gambar 4.13 Diagram Alir Sistem 41
Tahap pertama yaitu sensor mendeteksi keberadaan tangga. Sebelumnya sensor di-setting agar memiliki daerah pengukuran meliputi 0-20 cm. Output sensor akan memasuki bagian komparator analog sehingga menghasilkan pembacaan bit (0 atau 1) pada register ACSR ATmega16. Tegangan referensi yang digunakan sebesar 1.58-1.61 volt. Untuk tegangan keluaran sensor lebih besar dari 1.58-1.61 volt mengindikasikan jarak robot-tangga sebesar 0-7 cm, sedangkan untuk tegangan keluaran sensor lebih kecil dari 1.58-1.61 volt mengindikasikan jarak robot-tangga sebesar 8-20. Komparator analog yang digunakan pada tugas akhir ini merupakan komparator analog yang disediakan oleh ATmega16. Input komparator analog diterima melalui pin AIN1 ( Input Analog 1) yang berasal dari output sensor, sedangkan tegangan referensi dihubungkan ke pin AIN0 (input Analog 0). Apabila AIN0 lebih besar dari AIN1 maka output komparator akan berlogika tinggi, dan sebaliknya. Akibatnya output komparator akan memberi logika ke bit Flag Interupsi (ACI) dan Flag Comparator Analog (ACO) yang berada pada register ACSR, untuk melakukan trigger pada main program pengontrolan R/C Servo, output komparator analog dapat dibaca melalui logika pada bit ACO ( Analog Comparator Output). Bit 7 6 5 4 3 2 1 0 ACD ACBG ACO ACI ACIE ACIC ACIS1 ACIS0 ACSR Read/Write R/W R/W R R/W R/W R/W R/W R/W Initial Value 0 0 N/A 0 0 0 0 0 Gambar 4.14 Susunan Bit Pada Register ACSR 42
Tahap kedua, kondisi bit ACO akan menentukan perintah yang dikirimkan ke R/C Servo berupa lebar pulsa dan menyalakan timer yang menghasilkan delay 4 detik untuk memberi perintah ke motor dc pada roda tengah. Tahap ketiga merupakan pengiriman pulsa ke R/C Servo dengan memanfaatkan fitur PWM pada Atmega16, dan pengiriman logika ke input H-Bridge motor dc yang menggerakkan penyangga. PWM (Pulse Width Modulation) atau modulasi lebar pulsa adalah salah satu keunggulan Timer/Counter yang terdapat pada ATmega16. Atmega16 hanya memiliki 3 buah timer yaitu Timer/Counter 0 with PWM yang berukuran 8 bit, Timer/Counter1 yang berukuaran 16 bit, dan Timer/Counter 2 PWM dan Asynchronous Operation yang berukuran 8 bit. Pengontrolan ketepatan waktu pada motor dc membutuhkan cacahan hingga 65535 yang hanya bisa dipenuhi oleh timer/counter berukuran di atas 8 bit. Oleh karena itu, pada tugas akhir ini digunakan dua buah Atmega16 untuk pengontrolan R/C Servo dan ketepatan waktu motor DC. 43