IMPLEMENTASI ARSITEKTUR BEHAVIOR-BASED DENGAN MENGGUNAKAN FUZZY UNTUK NAVIGASI CAR-LIKE MOBILE ROBOT DALAM LINGKUNGAN YANG TAK DIKENAL TESIS OLEH SARMAYANTA SEMBIRING NIM: 107034011 FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
IMPLEMENTASI ARSITEKTUR BEHAVIOR-BASED DENGAN MENGGUNAKAN FUZZY UNTUK NAVIGASI CAR-LIKE MOBILE ROBOT DALAM LINGKUNGAN YANG TAK DIKENAL TESIS Untuk Memperoleh Gelar Magister Teknik Dalam Program Studi Magister Teknik Elektro Pada Fakultas Teknik Oleh: Sarmayanta Sembiring NIM: 107034011 FAKULTAS TEKNIK UNIVERSITAS SUMATERA UTARA MEDAN 2014
Telah diuji pada Tanggal: 26 Juli 2013 PANITIA PENGUJI TESIS Ketua : Prof.Dr. Ir. Usman Baafai Anggota: 1. Prof Drs. Tulus, M.Si, Ph.D 2. Dr. Poltak Sihombing, M.Kom 3. Dr. Benny B. Nasution, Dip.Ing.M.Eng
ABSTRAK Sebuah fuzzy logic controller dengan arsitektur behavior-based dirancang untuk menavigasi Car-Like Mobile Robot dalam lingkungan tak dikenal. Sistem ini terdiri dari tiga perilaku dasar, yaitu goal seeking behavior, obstacle avoidance behavior, dan move backward behavior. Setiap perilaku memberikan informasi untuk mengendalikan sudut kemudi dan kecepatan linear. Sebuah behavior-controller dirancang untuk mengatur penggunaan behavior berdasarkan perioritas dalam mengendalikan sudut kemudi dan kecepatan linear. Hasil eksperimen menunjukkan bahwa arsitektur yang ini dapat membawa car-like mobile robot menuju target dengan aman tanpa bertabrakan dalam lingkungan yang tak dikenal, dapat menghindari rintangan, dan dapat keluar dari kondisi kebuntuan saat menghadapi rintangan cekung. Kata kunci: Fuzzy logic controller, car-like mobile robot, basic-behavior, behaviorcontroller. i
ABSTRACT A fuzzy logic controller with behavior-based architecture was designed for the navigation of car-like mobile robot in the unknown environment. This system consisted of three basic-behaviors such as goal-seeking behavior, obstacle-avoidance behavior, and move backward behavior. Each behavior provided information to control steering angle and linear speed. A behavior-controller was designed to control the use of behavior based on priority in controlling the steering angle and linear speed. The result of the experiment showed that this architecture can bring the car-like mobile robot safely to the target without collision in the unknown environment, can avoid obstacle, and can get out of deadlock condition when facing concave obstacle. Keywords: Fuzzy Logic Controller, Car-Like Mobile Robot, Basic-Behavior, Behavior-Controller ii
KATA PENGANTAR Puji dan syukur penulis panjatkan kepada Tuhan Y.M.E atas rahmat dan karunianya sehingga penulis dapat menyelesaikan penelitian tesis ini yang berjudul Implementasi Arsitektur Behavior-Based Dengan Menggunakan Fuzzy Untuk Navigasi Car-Like Mobile Robot Dalam Lingkungan Yang Tak Dikenal. Tesis ini disusun untuk memenuhi salah satu syarat kurikulum Program Studi Magister Teknik Elektro Fakulas Teknik. Dengan segala kerendahan hati, penulis sampaikan rasa hormat dan terima kasih yang sebesar-besarnya atas segala bantuan semua pihak dalam penyelesaian tesis ini. Secara khusus penulis menghaturkan terima kasih dan penghargaan yang sebesar-besarnya kepada Bapak Prof. Dr. Ir. Usman Baafai dan Bapak Prof. Drs. Tulus, M.Si, Ph.D sebagai pembimbing yang telah memberikan saran, bimbingan, dan nasehatnya selama penulisan tesis ini. Terimakasih juga penulis ucapkan kepada Bapak Ir. Pernantin Tarigan, M.Sc yang telah bersedia meluangkan waktunya untuk memberikan bimbingan dan saran dari awal judul tesis ini penulis usulkan sampai selesainya penulisan tesis ini. Penulis juga ucapkan terimakasih kepada seluruh Dosen dan Staf Program Studi Magister Teknik Elektro atas kontribusi dan bantuanya hingga selesainya penulisan tesis ini. Terimakasih juga penulis ucapkan kepada Fakultas Ilmu Komputer Universitas Sriwijaya yang telah memberikan bantuan kepada penulis untuk melanjutkan pendidikan Magister Teknik Elektro di iii
. Terimakasih juga penulis ucapkan kepada istriku Iche Trisnawaty Br Siahaan dan anakku Neysa Gisellavanie Br Sembiring dan seluruh keluarga yang telah memberikan dukungan kepada penulis hingga selesainya penulisan tesis ini. Penulis menyadari bahwa Tesis ini masih memiliki banyak kekurangannya, oleh karena itu kritik dan saran yang sifatnya membangun sangat diharapkan demi perbaikan dan penyempurnaannya, semoga tesis ini kelak dapat bermanfaat bagi para pembaca dan mampu memberikan sumbangsih bagi pengembangan dunia penelitian khususnya yang berkaitan dengan robotika. Medan, Juni 2013 Penulis, Sarmayanta Sembiring iv
DAFTAR RIWAYAT HIDUP Saya yang bertanda tangan dibawah ini : Nama : Sarmayanta Sembiring Tempat / Tanggal Lahir : Medan / 27 Januari 1978 Jenis Kelamin : Laki-Laki Agama : Kristen Protestan Bangsa : Indonesia Alamat : Jl. Mesjid Al-Ghazali No 299 RT 05/RW 02 Bukit Besar Palembang. Telepon : 0711-362903 / 081271409188 Menerangkan dengan sesungguhnya, bahwa : Pendidikan : 1. Tamatan SD Kristen PPKP Palembang Tahun 1990 2. Tamatan SMP Kristen PPKP Palembang Tahun 1993 3. Tamatan SMA Methodist I Palembang Tahun 1996 4. Tamatan FMIPA Fisika Universitas Sriwijaya Tahun 2003 Pekerjaan : Laboran pada Laboratorium Elektronika dan Sistem Digital Fakultas Ilmu Komputer Universitas Sriwijaya sejak tahun 2005. Demikian daftar riwayat hidup ini saya buat dengan sebenarnya untuk dapat dipergunakan sebagaimana mestinya. Medan, Juni 2013 Tertanda, Sarmayanta Sembiring v
DAFTAR ISI ABSTRAK... ABSTRACT... KATA PENGANTAR... DAFTAR RIWAYAT HIDUP... DAFTAR ISI... DAFTAR TABEL... DAFTAR GAMBAR... i ii iii v vi x xi BAB I PENDAHULUAN... 1 1.1. Latar Belakang... 1 1.2. Perumusan Masalah... 5 1.3. Batasan Masalah... 6 1.4. Tujuan Penelitian... 7 1.5. Manfaat Penelitian... 7 BAB II TINJAUAN PUSTAKA... 8 2.1. Car Like Mobile Robot (CLMR)... 8 2.2. Kinematika robot... 9 2.2.1. Kinematika CLMR... 10 2.2.2. Posisi mobile robot CLMR terhadap target... 12 2.2.3. Karakteristik geometri CLMR... 14 2.3. Metode penentuan posisi relatif robot... 16 2.4. Sensor pengukur jarak... 18 2.4.1. Sharp GP2D12... 19 2.4.2. Sharp GP2D120... 20 2.5. Teknik pengaturan kecepatan motor DC... 21 vi
2.6. Sistem kontrol... 22 2.6.1. Fitur ATMega 8535... 23 2.6.2. Konfigurasi Pin ATMege 8535... 24 2.7. Konsep behavior based robotic... 25 2.8. Logika fuzzy... 28 2.8.1. Fungsi keanggotaan... 30 2.8.2. Operasi himpunan fuzzy... 32 2.8.2.1. Operasi gabungan (Union)... 32 2.8.2.2. Operasi irisan (Intersection)... 33 2.8.2.3. Operator komplemen (Complement)... 33 2.8.3. Penalaran monoton... 33 2.8.4. Fungsi implikasi... 34 2.8.5. Cara kerja logika fuzzy... 34 2.8.6. Sistem inferensi fuzzy... 35 2.9. Penelitian terkait... 38 2.9.1. Persamaan dengan penelitian lainnya... 41 2.9.2. Perbedaan dengan penelitian lainnya... 41 BAB III METODOLOGI PENELITIAN... 43 3.1. Gambaran umum... 44 3.2. Alur kerja penelitian... 46 3.3. Perancangan perangkat keras... 47 3.3.1. Rancangan dan spesifikasi mekanik... 48 3.3.2. Perancangan elektronik... 50 3.3.2.1. Perancangan sistem master... 51 3.3.2.2. Perancangan sistem slave-1... 54 3.3.2.3. Perancangan sistem slave-2... 56 3.3.3. Rincian biaya perancangan perangkat keras CLMR... 58 3.4. Pengujian sub sistem... 59 vii
3.4.1. Pengujian sudut kemudi... 59 3.4.2. Pengujian sensor jarak... 61 3.4.3. Pengujian optocoupler... 62 3.5. Perancangan basic-behavior dan behavior controller... 63 3.5.1. Perancangan basic-behavior dengan FLC... 63 3.5.1.1. Perancangan goal seeking behavior... 64 3.5.1.2. Perancangan obstacle avoidance behavior... 80 3.5.1.3. Perancangan move backward behavior... 94 3.5.2. Perancangan behavior controller... 101 3.6. Perancangan perangkat lunak... 104 3.6.1. Program master... 105 3.6.1.1. Sub rutin kemudi awal... 108 3.6.1.2. Sub rutin putar kiri... 110 3.6.1.3. Sub rutin putar kanan... 111 3.6.1.4. Sub rutin data target... 113 3.6.1.5. Sub rutin pengendalian actuator... 115 3.6.1.6. Sub rutin update posisi... 117 3.6.1.7. Sub rutin sudut kemudi... 121 3.6.2. Program slave-1... 122 3.6.2.1. Sub rutin input-target... 124 3.6.2.2. Sub rutin switch-input... 127 3.6.2.3. Sub rutin goal seeking behavior... 128 3.6.2.4. Sub rutin output-digital... 130 3.6.3. Program slave-2... 131 3.6.3.1. Sub rutin sensor jarak... 133 3.6.3.2. Sub rutin behavior-controller... 136 3.6.3.3. Sub rutin obstacle avoidance behavior... 140 3.6.3.4. Sub rutin move backward behavior... 142 3.7. Pengujian sistem... 143 viii
3.7.1. Pengujian tanpa rintangan... 144 3.7.2. Pengujian dengan rintangan... 144 3.7.3. Pengujian dengan rintangan cekung... 147 3.7.4. Pengujian dengan tiga rintangan... 148 BAB IV HASIL DAN PEMBAHASAN... 149 4.1. Hasil... 149 4.1.1. Hasil pengujian tanpa rintangan... 150 4.1.2. Hasil pengujian dengan rintangan... 154 4.1.3. Hasil pengujian dengan rintangan cekung... 156 4.1.4. Hasil pengujian dengan tiga rintangan... 157 4.2. Pembahasan... 158 4.2.1. Pembahasan pengujian tanpa rintangan... 158 4.2.2. Pembahasan pengujian dengan rintangan... 163 4.2.3. Pembahasan pengujian dengan rintangan cekung... 169 4.2.4. Pembahasan pengujian dengan tiga rintangan... 173 BAB V KESIMPULAN DAN SARAN... 175 5.1. Kesimpulan... 175 5.2. Saran... 177 DAFTAR PUSTAKA... 178 LAMPIRAN ix
DAFTAR TABEL Nomor Judul Halaman 1.1. Penelitian yang pernah dilakukan... 4 3.1. Rincian biaya perancangan CLMR... 59 3.2. Hasil pengujian sudut kemudi... 60 3.3. Hasil pengujian optocoupler... 62 3.4. Jarak tempuh perhitungan dan jarak tempuh real... 63 3.5. Pemetaan ruang konfigurasi (x,y) berdasarkan E P dan E O... 73 3.6. Basis aturan (Rules Base) goal seeking behavior... 75 3.7. Nilai radius putar terhadap sudut kemudi... 83 3.8. Basis aturan (rules base) obstacle avoidance behavior... 91 3.9. Basis aturan (rules base) move backward behavior... 99 3.10. Kontrol full step motor stepper unipolar... 109 3.11. Hubungan variabel N untuk putar kiri... 111 3.12. Hubungan variabel N untuk putar kanan... 113 x
DAFTAR GAMBAR Nomor Judul Halaman 2.1. Robot Car-Like Mobile Robot (CLMR)... 9 2.2. Pendekatan kinematik model kendaraan... 10 2.3. Posisi robot terhadap target... 13 2.4. Geometris kendaraan dan radius putar... 14 2.5. Rangkaian penggerak optocoupler... 17 2.6. Piringan derajat DI-REV1... 18 2.7. Contoh karakteristik sensor Sharp GP2D12... 19 2.8. Contoh karakteristik output sensor Sharp GP2D120... 20 2.9. Sinyal PWM... 21 2.10. Konfigurasi pin ATMega8525... 24 2.11. Teknik penguraian tradisional untuk sistem kendali mobile robot kedalam unit-unit fungsional... 25 2.12. Dekomposisi sistem kendali mobile robot dengan task achieving behaviors... 26 2.13. Arsitektur subsumption... 28 2.14. Konsep dasar Logika fuzzy... 29 2.15. Grafik keanggotaan... 30 3.1. Ilustrasi rintangan berada pada rute yang direncanakan... 45 3.2. Blok diagram arsitektur behavior-based dengan FLC... 46 3.3. Diagram alir penelitian... 47 3.4. Rancangan mekanik CLMR... 49 3.5. Diagram blok perangkat keras keseluruhan... 51 3.6. Perancangan sistem master... 52 3.7. Perancangan sistem slave-1... 56 3.8. Perancangan sistem slave-2... 57 xi
Nomor Judul Halaman 3.9. Posisi radius putar (R) terhadap CLMR... 65 3.10. Fungsi keanggotaan EO dalam satuan derajat ( )... 67 3.11. Fungsi keanggotaan EP dalam satuan (cm)... 70 3.12. Ilustrasi posisi target terhadap lintasan yang dibentuk sudut kemudi 74 3.13. Fungsi keanggotaan output goal seeking behavior... 79 3.14. Karakteristik geometri CLMR dengan memperhitungkan JAMIN... 81 3.15. Fungsi keanggotaan FC dalam satuan (cm)... 85 3.16. Fungsi keanggotaan FSOD dalam satuan (cm)... 86 3.17. Ilustrasi radius putar (RO) terhadap rintangan kemudi... 88 3.18. Fungsi keanggotaan output obstacle avoidance behavior... 93 3.19. Fungsi keanggotaan BSOD dalam satuan (cm)... 96 3.20. Fungsi keanggotaan LSA dalam satuan ( 0)... 97 3.21. Fungsi keanggotaan output sudut kemudi ( dalam satuan ( 0)... 100 3.22. Diagram alir perangkat lunak sistem keseluruhan... 104 3.23. Diagram alir program master... 106 3.24. Diagram alir sub rutin kemudi awal... 109 3.25. Diagram alir sub rutin putar kiri... 110 3.26. Diagram alir sub rutin putar kanan... 112 3.27. Diagram alir sub rutin data target... 114 3.28. Fungsi pin port B pada sub rutin pengendalian actuator... 115 3.29. Diagram alir sub rutin pengendalian actuator... 116 3.30. Sistem kordinat CLMR... 118 3.31. Diagram alir sub rutin update posisi... 121 3.32. Diagram alir sub rutin sudut kemudi... 122 3.33. Diagram alir program slave-1... 123 3.34. Diagram alir sub rutin input-target... 125 xii
Nomor Judul Halaman 3.35. Diagram alir sub rutin switch-input... 127 3.36. Diagram alir sub rutin goal seeking behavior... 129 3.37. Diagram alir sub rutin output-digital... 130 3.38. Diagram alir program slave-2... 131 3.39. Diagram alir sub rutin sensor jarak... 133 3.40. Diagram alir behavior-controller... 137 3.41. Diagram alir sub rutin obstacle avoidance behavior... 141 3.42. Diagram alir sub rutin move backward behavior... 143 3.43. Pencarian target tanpa rintangan... 145 3.44. Pencarian target dengan rintangan model-1... 146 3.45. Pencarian target dengan rintangan model-2... 146 3.46. Pencarian target dengan rintangan model-3... 147 3.47. Pencarian target dengan rintangan model-4... 147 3.48. Pencarian target dengan rintangan model-5... 148 4.1. Hasil pengujian pencarian target tanpa rintangan untuk (x T = 200 cm, dan y T = 100 cm)... 150 4.2. Hasil pengujian pencarian target tanpa rintangan untuk (x T = 200 cm, dan y T = 100 cm)... 151 4.3. Hasil pengujian pencarian target tanpa rintangan untuk (x T = 200 cm, dan y T = 300 cm)... 152 4.4. Hasil pengujian pencarian target tanpa rintangan untuk (x T = 100 cm, dan yt = 0)... 153 4.5. Hasil pengujian pencarian target tanpa rintangan untuk (x T = 30 cm, dan yt = 0)... 153 4.6. Hasil pengujian model-1... 154 4.7. Hasil pengujian model-2... 155 4.8. Hasil pengujian model-3... 156 4.9. Hasil pengujian dengan rintangan cekung... 157 4.10. Hasil pengujian dengan tiga rintangan... 158 xiii
Nomor Judul Halaman 4.11. Ilustrasi pencarian target dengan rintangan model-3... 167 4.12. Ilustrasi pencarian target dengan rintangan cekung... 170 xiv