BAB I PENDAHULUAN 1. 1. Latar Belakang Seiring dengan perkembangan zaman, teknologi di bidang transportasi terus berkembang pesat. Hal ini ditandai dengan bermunculannya kendaraan yang modern dan praktis untuk digunakan. Salah satu contohnya adalah skuter seimbang. Skuter seimbang ini merupakan pengembangan dari model sistem kendali pendulum terbalik. Skuter seimbang adalah kendaraan yang memiliki dua buah roda masing masing di kiri dan di kanan dan sebuah tiang kendali bagi pengguna. Skuter seimbang ini pertamakali diciptakan oleh sebuah perusahaan bernama Segway dan dinamakan Segway PT model. Dalam keadaan mesin mati, skuter ini tidak dapat berdiri seimbang. Ketika mesin dinyalakan, kendaraan tersebut akan menyeimbangakan dirinya. Apabila skuter diberi gaya ke depan pada tuasnya, kendaraan tersebut condong ke depan dan tampak akan jatuh, namun kemudian kendaraan ini akan melaju ke depan dan mengkompensasi gaya yang diberikan oleh pengendara. Dalam model yang telah dipasarkan oleh perusahaan Segway, skuter seimbang ini sangat bermanfaat dalam kehidupan sehari-hari, sebagai contohnya skuter ini dapat digunakan oleh polisi lalu lintas untuk mempermudah mobilisasi tanpa harus naik turun kendaraan. Skuter seimbang ini juga dapat digunakan di rumah sakit untuk mempercepat pergerakan dokter disaat kondisi yang membutuhkan penanganan cepat. Untuk dapat mempertahankan keseimbangannya dan bergerak berdasarkan arah kemiringannya, skuter seimbang ini memerlukan sistem kendali dengan umpan balik berupa sensor yang kemudian digunakan untuk mengatur arah dan kecepatan putar motor sebagai aktuatornya. 1
Dalam tugas akhir ini, penulis dan seorang rekan merancang sebuah prototipe dari skuter seimbang yang telah ada. Prototipe ini memiliki bentuk yang lebih kecil dan performa yang tidak sehandal bentuk aslinya. Namun, prototipe dari skuter seimbang ini akan dapat menyeimbangkan dirinya secara otomatis baik dalam keadaan diam maupun dalam keadaan diberi gangguan. Dalam pengerjaannya, tugas akhir ini dilakukan oleh 1 tim yang terdiri dari 2 orang dengan pembagian tugas dan topik masing masing. Pembagian topiknya adalah sebagai berikut: 1. Sistem kendali pada skuter seimbang 2. Sensor menggunakan Inertial Measurement Unit (IMU) dan penggunaan Kalman filter. Topik yang diambil oleh penulis adalah sistem kendali pada skuter seimbang. Pada tugas akhir ini, penulis menggunakan dua macam metode kendali yaitu kendali PID dan kendali logika fuzzy. 1. 2. Perumusan Masalah Permasalahan utama dari sistem skuter seimbang ini adalah bagaimana menjaga keseimbangan skuter agar tidak jatuh ketika dimiringkan oleh pengendara. Skuter seimbang ini memiliki titik berat yang berada diatas sumbu putar motor penggeraknya, sehingga menyebabkan sistem ini tidak akan stabil apabila diberi gangguan. Untuk menjaga keseimbangan skuter, dibutuhkan gaya yang dapat mengkompensasi gaya gravitasi yang menarik pusat massa skuter tersebut ke bawah. Gaya tersebut dihasilkan dari percepatan linear skuter dan torsi motor. Besar dan arah kedua gaya tersebut ditentukan oleh putaran motor yang akan menggerakan skuter tersebut maju dan mundur. Pada skuter seimbang, sistem kendali dibutuhkan untuk mengatur tegangan yang diberikan motor berdasarkan kemiringan dan pergerakan dari skuter seimbang ini. Pada tugas akhir ini, penulis menggunakan metode kendali PID dan kendali logika fuzzy dalam merancang sistem kendali skuter. Tujuan digunakannya dua macam 2
pengendali pada perancangan ini adalah agar mendapatkan hasil kendali yang paling efektif untuk skuter seimbang ini. Pada sistem ini, sudut kemiringan dari skuter akan menjadi masukan, dan keluarannya adalah tegangan motor yang diatur oleh PWM (pulse width modulation). Nilai PWM yang diberikan ke motor didapat dari komputasi nilai kesalahan (selisih sudut 0 dengan posisi kemiringan saat ini) dan delta kesalahan yang didapat dari sensor giroskop dan akselerometer. 1. 3. Tujuan Penelitian Mengaplikasikan ilmu mengenai sistem kendali yang telah dipelajari pada saat kuliah ke dalam suatu bentuk wahana yang dapat bermanfaat. Secara Khusus tujuan tugas akhir ini adalah merancang sistem kendali skuter seimbang agar skuter dapat berdiri seimbang secara otomatis, bergerak maju jika dicondongkan kedepan, dan bergerak mundur ketika dicondongkan ke belakang. 1. 4. Batasan Masalah 1. Perancangan Sistem kendali skuter seimbang ini meliputi penggunaan kendali PID dan logika fuzzy model Takagi, Sugeno Kang (TSK) yang kemudian diimplementasikan pada mikrokontroller ATMega16 sekaligus perancangan perangkat keras dari skuter seimbang. 2. Skuter hanya dapat berjalan pada permukaan yang datar dan tidak miring. 3. Skuter ini berbentuk prototipe kecil dari Segway sehingga belum dapat dibebani oleh manusia. 4. Gerakan skuter hanya maju dan mundur dan belum dapat berputar. 5. Skuter dinyatakan dapat mencapai keadaan seimbang jika pergerakan sudutnya hanya berosilasi pada sudut kecil saja yaitu antara -2 derajat hingga 2 derajat saja tanpa adanya gangguan yang diberikan 6. Dalam keadaan pemberian gangguan, skuter harus mampu menjaga dirinya untuk tidak jatuh, namun gangguan berupa simpangan sudut tidak bisa dilakukan terlalu ekstrim yaitu hanya hingga 5 derajat saja.. 7. Tugas akhir ini tidak membahas mengenai detail sensor yang digunakan dan filter yang digunakan pada sensor. 3
1. 5. Metode Penelitan Metode penelitian ini meliputi: 1. Studi literatur mengenai perancangan pendulum terbalik dan skuter seimbang. 2. Perancangan perangkat keras dan lunak skuter seimbang 3. Pengujian perangkat keras skuter seimbang 4. Implementasi pengendali berbasis PID dan logika fuzzy pada mikrokontroller ATMega16 5. Mengintegrasikan sistem kendali yang telah dibangun dengan perangkat lunak maupun keras dari skuter seimbang. 6. Pengujian sistem yang telah diintegrasikan 7. Penalaan sistem kendali 8. Pengambilan Data & Analisis 1. 6. Sistematika Penulisan Sistematika penulisan penelitian ini dibagi menjadi 5 bab: 1. Bab I Pendahuluan. Bab ini berisi tentang gambaran keseluruhan tugas akhir yang terdiri dari latar belakang, perumusan masalah, tujuan, ruang lingkup dan metoda yang digunakan. 2. Bab II - Dasar Teori. Bab ini berisi teori-teori sistem kendali seperti pengendali PID, sistem logika fuzzy, maupun teori mengenai pendulum terbalik dan skuter seimbang, PWM, dan mikrokontroller. 3. Bab III - Analisis & Perancangan. Bab ini membahas tentang spesifikasi sistem, analisis mengenai sistem yang akan dibangun, dan perancangan skuter seimbang yang meliputi perancangan perangkat keras maupun perangkat lunak 4. Bab IV - Implementasi & Pengujian. Bab ini berisi Implementasi perancangan ke dalam bentuk fisik skuter seimbang maupun ke dalam mikrokontroler. Pada bab ini juga dibahas mengenai hasil pengujian terhadap semua sistem yang telah dirancang dan telah diintegrasikan 4
menjadi satu sistem skuter seimbangdan dilihat apakah skuter mampu berdiri seimbang atau tidak sekaligus analisis mengenai performa kedua sistem kendali yang digunakan. 5. Bab V Penutup. Bab ini berisi kesimpulan dari sistem yang telah dibangun, apakah sesuai dengan spesifikasi yang diinginkan. Bab ini juga memaparkan perbaikan yang dapat dilakukan kedepannya untuk mencapai hasil yang lebih baik. Pada bab ini juga terdapat pengembangan yang dapat dilakukan dari tugas akhir yang telah dikerjakan ini. 5