Materi Ajar Robotika

Materi Ajar : Pengantar Robotika (FSK 45311)

1

Dr. Ir. Siti Nurmaini, M.T., Ahmad Zarkasi, M.T

MATERI AJARPENGANTAR ROBOTIKA (FSK 45311)

Disusun Oleh :Dr. Ir. Siti Nurmaini, M.TAhmad Zarkasi, S.T, M.T

JURUSAN SISTEM KOMPUTERFAKULTAS ILMU KOMPUTER

UNIVERSITAS SRIWIJAYA2013


2


BAB 1

PENDAHULUAN

1.1 Sejarah dan Perkembangan Robotika

Keunggulan dalam bidang teknologi robotika tidak dapat dipungkiri telah lama

menjadi ikon bagi negara-negara maju seperti Jepang, Korea Selatan, Amerika dan

banyak lagi. Bagi kota-kota modern belumlah lengkap jika dalam keseharian belum

dilengkapi dengan teknologi robotik. Robot adalah mesin yang dapat mengerjakan

beberapa tugas yang dapat dikerjakan manusia, yang bekerja secara otomatis atau

dengan kendali komputer. Robotika adalah bidang ilmu yang sedang berkembang

pesat dan memiliki masa depan besar. Dari robot manufaktur yang digunakan dalam

industri perakitan, robot terus berkembang seperti robot yang dapat melakukan

operasi, robot pengintai, robot penjinak bom dan robot domestik yang digunakan di

rumah tinggal. Robot telah dipercaya untuk membantu manusia menyelesaikan

pekerjaannya. Salah satu pekerjaan yang sering dilimpahkan kepada robot adalah

untuk mencapai tempat yang sulit atau tidak dapat dicapai oleh manusia. Misalnya

mencari konban daerah yang terkena gempa, kebakaran, atau kapal tenggelam.

Semua itu tidak terlepas dari berbagai riset robotik yang melibatkan pihak

universitas sebagai pelaku utama, yang hasil risetnya telah diaplikasikan dalam

berbagai segikehidupan masyarakatnya.

Gambar 1.1 Pertunjukan komedi berjudul RUR 1921


3


Ilmu robotika memiliki sejarah yang panjang hingga saat ini. Kata robot

berasal dari bahasa Czech yaitu robotayang berarti pekerja, yang dipopulerkan oleh

seorang penulis berkebangsaan Czeck bernama Karl Capek dengan membuat sebuah

pertunjukan komedi berjudul RUR (Rossum,s Universal Robot) pada tahun

1921.RUR menceritakan tentang mesin yang menyerupai manusia yang memiliki

kemampuan bekerja secara terus-menerus tanpa lelah. Kemudian pada tahun 1926

sebuah film Metropolis yang dibuat di Jerman sempat dipamerkan dalam New York

World’s Fair 1939 yang mengisahkan tentang robot berjalan mirip manusia beserta

peliharaannya. Kemudian pada tahun 1977 sebuah film kolosal Star Wars yang

memperkenalkan karakter C3PO. Gambar 1.2 dibawah ini merupakan ilustrasi robot

C3PO dalam film star wars.

Gambar 1.2. Robot C3PO Star Wars

Pada awalnya robot dibuat untuk membantu pekerjaan manusia, akan tetapi

seiring berjalannya waktu, robot akan dapat menggambil alih posisi manusia secara

penuh dan bahkan menggantikan peran manusia dengan beragam jenisnya (Fu, el al,

1987). Juga menurut Fu materi ajar dan pengembangan pertama sebuah produk

robotik dimulai pada tahun 1940 –an ketika Argonne National Laboratories di Oak

Ridge Amerika, yang meperkenalkan sebuah mekanisme robotika yang dinamai

master-slave manipulator yang digunakan untuk menangani meterial radioaktif.


4


Untuk jelasya dapat dilihat dalam Gambar 1.3 yang merupakan robot master-slave

manipulator.

Gambar 1.3. Master-slave manipulator robot

Mulanya aplikasi robotika tidak telepas dengan industri sehingga muncul

istilah industrial robot atau robot manipulator. Robot industri adalah robot tangan

(arm robot) yang diciptakan untuk berbagai keperluan dalam meningkatkan

produksi, memiliki lengan-lengan kaku yang terhubung secara seri dan memiliki

sendi yang berputar (rotasi), memanjang (prismatik) dan memendek. Begitu

diminatinya penggunaan robot manipulator ini, menyebabkan banyak perusahaan

besar menjadikan robot industri sebagai unggulan, seperti perusahaan elektronik dan

mobil. Gambar 1.4 dibawah ini merupakan robot manipulator.

Gambar 1.4. Robot manipulator


5


Dewasa ini mungkin defenisi robot industri sudah tidak sesuai lagi karena teknologi

mobile robot juga sudah dipakai luas sejak awal 80-an. Seiring itu munculah istilah

robot humanoid (mirip manusia), animaloid (mirip binatang) bahkan industri luar

angkasa dan pertahanan juga telah mengaplikasikannya, sehingga robot manipulator

yang digunakan pada bagian tertentu saja.

1.2 Pengajaran Bidang Robotik

Seiring dengan majunya perkembangan penelitian di bidang robotik,

penerapan pengajaran matakuliah yang berkaitan dengan robotik semakin dinamis.

Robot tidak hanya masuk dalam dunia kendali tapi juga masuk kedalam berbagai

disiplin ilmu sain seperti fisika, matematika, telekomunikasi, mesin, komputer dan

bidang ilmu lainnya. Jika dulu ilmu robotik masuk dalam matakuliah sistem kontrol,

otomasi industri ataupun teknik mikroprosesor dan antarmuka, kini ilmu robotik

telah berdiri sebagai suatu disiplin ilmu malah menjadi domain kurikulum baru yang

didalamnya dengan berbagai disiplin ilmu. Sebagai contoh kemajuan di bidang

jaringan komputer dan internet melahirkan ide-ide seperti web based robotic.

Network based robotic yang memungkinkan para dokter dapat menjalankan operasi

jarak jauh dan memungkinkan suatu saat nanti setiap robot akan memiliki IP

tersendiri. Perkembangan lainnya adalah penelitian pesawat tanpa awak, robot

jelajah, robot perang maupun eksplorasi ruang angkasa yang telah dilakukan. Juga

perkembangan robot air (under-water) untuk eksplorasi bawah laut dan pertahanan.

Gambar 1.5 berikut ini merupakan gambar under-water robot dan playing robot.

Gambar 1.5. Plying dan under-water robot


6


1.3 Metode Pengajaran Ilmu Robotik

Cara klasik pengajaran ilmu robotik berdasarkan materi yang penuh dengan

analisis matematis mulai dari analisis kinematik, dinamik dan kontrol robot

manipulator menjadi hal utama dalam pengajaran robotik, atau mengawali belajar

robotik melalui robot manipulator.

Metode Braunl menerapkan pengajaran ilmu robotik yang langsung

menyentuh minat keingintahuan mahasiswa yaitu desain mobile robot. Materi yang

diberikan tidak lagi dimulai dari berbagai macam analisis matematis dan simulasi

komputer yang menurutnya kurang memberikan sentuhan kepada mahasiswa. Ia

langsung memperkenalkan bagaimana membuat mobile robot dengan salah satu

contoh robot soccer. Metode Braunl menekankan bahwa tugas robot adalah perkara

sangat bersifat praktis, real world hardware, dapat dilihat dan dirasakan langsung

dan sering kali dalam desain robot tidak memerlukan analisa matematis secara

sempurna seperti dalam simulasi komputer.

Jadi berdasarkan dua metode pembelajaran diatas, kita dapat memilih metode

mana yang sesuai dengan disipiln ilmu yang kita miliki dan situasi apa yang kita

hadapi didalam kelas. Misalnya untuk disiplin ilmu komputer yang sehari-hari selalu

menggunakan algoritma pemrograman dapat menggunakan metode yang kedua,

karena ketelitian analisi hardware tidak langsung dirasakan mahasiswa. Dan

sebaliknya disiplin ilmu sain murni seperti mesin, elektro ataupun fisika sangat perlu

dalam mengenalkan analisis matetatis dalam desain robot.

1.4 Penelitian di Bidang Robotik

Ilmu robotik memiliki unsur yang sedikit berbeda dari cabang ilmu-ilmu

dasar maupun terapan dalam perkembangannya. Ilmu dasar biasanya berkembang

dari suatu asas atau hepotesa yang kemudian diteliti secara metodis. Ilmu terapan

dikembangkan setelah ilmu-ilmu yang mendasarinya berkembang dengan baik.

Sedangkan ilmu robotik pada awalnya berkembang memalui pendekatan praktis,

kemudian dengan suatu pendekatan atau perumpamaan (asumsi) dari hasil

pengamatan mahluk hidup atau mesin bergerak lainnya dikembangkan penelitian


7


secara teoritis. Dari teori kembali kepada praktis dan darisinilah robot berkembang

menjadi lebih canggih.

Ada 4 komponen dalam ruang lingkup penelitian dalam bidang robotik yang

salaing berhubungan yaitu klasifikasi robot, obyek penelitian, fokus penelitian dan

target penelitian. Perkembangan penelitian robotik dimulai dari kalsifikasi robot.

Kalsifikasi ini terdiri dari,

1. Robot non-mobile yang bersifat statis, tidak berpindah dari satu posisi ke

posisi lain. Robot jenis ini dikategorikan sebagai robot manipulator, yang

ruang kerjanya hanya sebatas jangkauan lengannya saja.

2. Robot mobile yang bersifat dinamis, yang memiliki kemampuan berpindah

dari suatu posisi ke posisi lainnya. Robot ini masuk dalam kategori robot

beroda, berkaki dan terbang. Ruang kerjanya cenderung tidak terbatas

bergantung pada ruang jelajahnya dan power yang dimilikinya.

3. Robot kombinasi antara no- mobile dan mobile, yang memiliki kemampuan

jelajah dan manipulator. Robot jenis ini memiliki ruang kerja yang relatif

tidak terbatas.

4. Robot yang meniru bentuk dan kemampuan mahluk hidup (humanoid dan

anaimaloid). Robot ini sering digunakan untuk keperluan riset yang lebih

khusus dan juga dengan kwbutuhan waktu yang relatif lama. Robot ini

dirancang untuk membantu para periset di bidang lain unutk mempelajari

sturktur dan karakter dari suatu mahluk hidup dan kadang-kadang digunakan

untuk penjelajahan yang sulit dijangkau oleh manusia. Misalnya penjelajahan

luar angkasa dan dasar samudra.

Selanjutnya adalah pada obyek Penelitian, yang mana pada bagian ini robot

dikelompokkan dalam beberapa obyek yang pertama robot arm yang kemampuan

teknologinya dilihat dari berapa banyak siku yang dimiliki, beban kerja, waktu

eksekusi, tingkat ketelitian dan akurasi. Kedua adalah robot beroda yang memiliki

tipe holonomic dan non-holonomic, kemudian berkaki dengan perbandingan

banyaknya kaki dan DOF. Ketiga adalah mobile manipulator dan walking robot

dengan manipulator. Dan yang keempat underwater robot digunakan untuk


8


eksploitsai bawah laut serta flying robot untuk keperluan pemetaan dan navigasi

udara.

Fokus penelitian menitik beratkan pada kecerdasan buatan yang meliputi

fuzzy logic, neural network, genetic algorithem, adaptive learning dan knowladge

based. Kedua berfokus pada analisis kinematik yang berhubungan dengan kontrol

pergerakan, analisis dinamik yang berhubungan dengan pemodelan dinamik. Ketiga

berfokus pada teknologi prosesor (mikroprosesor/mikrokontroler, FPGA, PLC dll),

teknologi sensor (vision, cahaya, jarak dll) serta teknologi aktuator (torsi).

Target penelitian merupakan bagian akhir dari sturktur penelitian bidang

robotik. Bagian ini dapat diketahui tujuan atau target yang akan diteliti misalnya

sistem navigasi, pemetaan, swarm, penghindar halangan, pengamatan dan lainnya.

Berikut ini adalah gambaran hubungan dari domain penelitian dalam bidang

robotika.

Gambar 1.6. Domain penelitian robotik

1.5 Robot dari Sudut Pandang Mekatronik

Mekatronik adalah istilah perpaduan antara mekanik dan elektronik.

Mekatronik belum tentu robot namun robot merupakan bagian dari mekatronik.

Mekatronnik sendiri terdiri dari 4 disiplin ilmu yaitu mekanik (mesin), elektronik,

teknik kontrol berbasis komputer (algoritma pemroraman). Gambar 1.7

mengilustrasikan mekatronik berdasarkan disiplin ilmu yang menaunginnya.


9


Gambar 1.7 Irisan pada Bidang Ilmu Mekatronik

Mekatronik secara tidak langsung telah digunakan dalam kehidupan sehari-

hari kita, misalnya mesin cuci, DVD player, hingga vacum cleaner. Dalam dunia

otomotif kita mengenal mobil yang dilengkapi dengan sistem auto driver, ABS dsb.

Dalam perkembangannya mekatronik juga mengambil bagian dalam bidang ilmu

kontrol cerdas, sehingga muncul istilah intelligent mechatronics yang dimaksudkan

untuk mendeskripsikan produk mekatronik yang menggunakan kecerdasan buatan.

Sebagai contoh mensin cuci yang dilengkapi dengan kontrol fuzzy, mesin penjual

minuman yang dilengkapi dengan sistem validasi menggunakan metode jaringan

saraf triuan.

Berikut merupakan salah satu aplikasi fuzzy logic pada mesin cuci. Model

yang maksudkan disini adalah simulasi dari pengaturan kecepatan motor pada mesin

cuci dengan menggunakan fuzzy logic, dengan fuzzy logic kita dapat mengontrol

motor dengan toleransi yang bisa kita tentukan, sehingga dapat ditentukan berapa

berapa rate yang harus ditentukan untuk menentukan seberapa kecepatan motor

mesin cuci tersebut, Gambar 1.8 merupakan blok diagram sistem.


10


Fuzzy logic Plant

Sensor

-

+set point v3

v2

v4

Beban

Dirty

Fuzzy logic

Gambar 1.8. Blok digram sistem fuzzy logic

Dari gambar 1.8 dapat dijelaskan sebagai berikut:

1. Setpoint adalah bagian dari model simulasi dimana kita bisa memberi masukan

dengan nilai tertentu pada model tersebut sehingga dapat dihasilkan keluaran

tertentu. Masukan berupa beban dan kekeruhan air pada mesin cuci yang

prosesnya memggunakan fuzzy logic.

2. Blok fuzzy logic adalah bagian dari model simulasi yang berfungsi untuk

mengontrol plant (motor mesisn cuci).

3. Blok plant adalah bagian dari model yang merupakan sistem yang akan

dikendalikan oleh fuzzy logic.

4. Blok sensor akan mendeteksi sinyal keluaran sistem, yang berfungsi untuk

memberikan umpan balik ke st point sistem. Hasilnya dapat berupa error (+) atau

error (-).

5. Error disini dapat dikatakan selisih antara nilai setpoint dan umpan balik

masukan. Jika bernilai positif maka v2 akan di kurangi dan jika bernilai negatif

maka v2 akan ditambah. Untuk kendali yang ideal maka error harus benilai nol

(0).

1.6 Robotik dari Sudut Pandang Bio Science

Dalam dekade terakhir ini penelitian bidang robotik pada bidang bio science

juga semakin maju. Misalnya dalam dunia kedokteran telah dikenal istilah teknik

kloning mahluk hidup, maka dalam robotik juga dikenal istilah implan

sensor/actuator atau implat interface. Interface berupa chip berukuran mikro yang

ditanamkan kedalam tubuh mahluk hidup dengan tujuan agar komputer dapat


11


mengendalikan dan memonitor kegiatan saraf organik mahluk hidup secara langsung

dalam pembuluh darah. Metode ini juga bermanfaat untuk mendeteksi penyakit

kanker pada manusia, sehingga dapat ditanggulangi lebih awal. Gambar 1.9 berikut

adalah salah satu aplikasi bio science robotik pada tubuh serangga.

Gambar 1.9. Aplikasi bio science pada serangga

Pada gambar 1.9 terlihat tubuh serangga ditanamkan chip dan sensor yang bertujuan

untuk mempelajari, mengendalikan, atau mengetahui karakteristik dari serangga

tersebut. Baik itu berupa sistem pergerakan, komunikasi antar serangga, pola terbang

dan banyak lainnya.

1.7 Otomasi dan Robot Industri

Otomasi di defenisikan sebagai teknologi yang berdasarkan pada aplikasi

sistem mekanik, elektronik dan komputer. Secara umum otomasi dapat

dikelompokkan dalam 3 kategori yaitu.

1. Otomasi Tetap

Otomasi tetap dapat diartikan suatu mesin otomatis yang dibuat hanya untuk

satu keperluan saja (spesifikasi khusus), tidak dapat digunakan untuk produk

lain, sesuai untuk keperluan masal dengan kecepatan tinggi dengan investasi

awal yang tinggi namun biaya operasional yang rendah. Prosesor yang

digukanan biasanya menggunakan single processor yang berorientasi pada

prosesor hardware.


12


2. Otomasi semi tetap

Otomasi semi tetap adalah suatu mesin yang dibuat untuk keperluan produksi

untuk satu tugas saja, namun dalam beberapa parameter (ukuran, bentuk dsb)

dapat diatur secara terbatas. Prosesor yang digunakan biasanya aplications

processor yang dirancang khusus untuk menjalankan tugas tertentu yang

memiliki karakteristik khusus.

3. Otomasi fleksible

Otomasi fleksible adalah perangkat mesin yang dibuat dapat digunakan untuk

berbagai produk yang sifatnya menyeluruh, bagian-bagian produk dapat

diproduksi pada waktu yang bersamaan. Teknologi prosesor yang

ditanamkan biasanya menggunakan general processor yang dirancang untuk

melakukan banyak tugas. Robot adalah salah satu pendukung dalam ketegori

ini. Misalnya arm robot dalam sistem CIM (computer integrated

manufacturing) pada konveyor.

1.8 Sistem Kontrol Robotik

Pada dasarnya sistem kontrol robotik terbagi atas dua kelompok yaitu sistem

kontrol terbuka (open loop) dan sistem kontrol tertutup (closed loop). Berikut adalah

Gambar 1.10 sistem kontrol terbuka.

Gambar 1.10. Sistem kontrol lingkar terbuka

Sistem kontrol terbuka atau umpan maju dapat dinyatakan sebagai sistem kontrol

yang keluarannyanya tidak diperhitungkan ulang oleh kontrol, dengan kata lain

keluaran tidak diumpan balik ke masukkan sistem. Keluaran langsung dihasilkan

untuk diambil tindakan. Keadaan apakah robot benar-benar telah menjacapai target

seperti yang diinginkan tidak mempengaruhi kinerja kontrol. Keadaan masukkan

langsung dapat dirasakan oleh aktuator dengan melakukan tindakan sesuai perintah


13


kontroler. Misalnya motor stepper tidak perlu dipasang sensor pada porosnya untuk

mengetahui posisi akhir robot. Contoh dari aplikasi system seperti ini adalah robot

line tracking, robot akan mengikuti jalur hitam putih sesuai logika program pada

kontroler. Robot akan terus berjalan sampai catu daya dimatikan. Sistem lingkar

terbuka sering di sebut juga kontrol sekuensial (berurutan berdasarkan delay) yang

beropersai sesuai urutan logika program yang diberikan. Gambar 1.11 merupakan

gambar diagram blok sistem lingkar tertutup.

Gambar 1.11. Sistem kontrol lingkar tertutup

Sistem kontrol lingkar tertutup adalah suatu sistem kontrol yang keluarannya

dapat terus dikoreksi oleh pengendali dengan cara mengirimkan sinyal keluaran ke

pin masukkan. Data yang diterima akan diproses lebih lanjut untuk memperbaiki

sistem yang ada. Jika tindakan berlebih maka akan dikurangi dan jika tindakan

kurang dari referensi maka akan ditambah sesuai kebutuhan. Gambar 1.12 dibawah

ini merupakan gambar blok sistem kontrol tertutup.

Gambar 1.12. Mobile robot dengan sensor


14


Pada Gambar 1.12 diatas merupakan contoh penerapan kontrol terbuka pada

mobile robot. Pada masing-masing motor robot dipasang sebuah sensor encoder

yang berfungsi sebagai pendeteksi gerakan rotor robot. Jika hasil gerak aktuator

telah sama dengan referensi makan masukkan (set point), maka kontroler akan nol,

artinya kontroler tidak lagi memberikan sinyal koreksi aktuasi pada robot karena

target kestabilan telah diperoleh. Makin kecil error makin kicil juga sinyal kontrol

terhadap robot sampai akhirnya mencapai kondisi stabil. Kontrol sekuensial juga

dapat diterapkan pada kontrol tertutup misalnya dengan urutan kerja robot menuju

posisi obyek, kemudian mengabil obyek, dilanjutkan mengangkat dan memindahkan

obyek dan yang terakhir mencapai posisi tertentu.

1.9 Interaksi Manusia dan Robot

Kehadiran robot dalam kehidupan manusia makin hari disadari makin banyak

manfaatnya. Seperti penjelasan diatas robot dapat membantu dalam menjalankan

pekerjaan rumah tangga seperti mencuci, menghisap debu, memasak dal banyak lagi

tugas yang dapat dilakukan oleh robot. Interaksi antara manusia dan robot dapat

dinyatakan dalam 3 tingkatan, yaitu

1. Manusia sebagai kontroler robot sepenuhnya

2. Manusia sebagai manager dari operasi robot

3. Manusia dan robot berada dalam kesetaraan

Interaksi yang paling dasar antara manusia dengan robot adalah interaksi yang

menempatkan manusia sebagai kontrol pergerakan robot sepenuhnya. Hal ini dapat

ditunjukkan dalam Gambar 1.13. Dalam gambar tersebut terlihat manusia berperan

penuh dalam kendali pergerakan robot dengan menggunakan remote kontrol. Mata

manusia berfungsi sebagai sensor vision, sedangkan tangan berfungsi sebagai

pemberi sinyal kontrol kepada aktuator. Sebagai contoh yang paling sederhana

adalah permainan mobil remote yang banyak terdapat dipasaran. Kendali navigasi

mobil deperankan oleh anak-anak yang sedang bermain mobil remote.


15


Gambar 1.13. Manusia sebagai kendali robot

Dalam dunia industri, robot manual juga sering kita jumpai pada bagian

pemindahan barang. Manusia yang bertindak sebagai operator menggerakan robot

manipulator untuk memegang, mengangkat dan memindahkan barang dari satu

posisi ke posisi lain. Panel kontrol yang dipegang operator merupakan tombol-

tombol pengontrol seluruh pergerakan robot. Robot jenis remote kontrol biasanya

digunakan untuk tugas yang rumit dan daerah yang berbahaya bagi manusia. Contoh

aplikasinya dalam peralatan militer sebagai robot penjinak bom. Prosesnya dapat

dilihat dalam Gambar 1.14 dibawah ini.

Gambar 1.14. Manusia sebagai kendali robot

Pada tingkat selanjutnya manusia bertindak sebagai manajer bagi robot.

Tugas secara detail dilakukan oleh robot tersebut, sedangkan tugas secra keseluruhan


16


diatur oleh operator. Tentu robot seperti ini telah dimuati dengan kemampuan

kontrol otomatis ataupun juga telah diberikan suatu algoritma kecerdasan buatan

dengan cara memberikan prosesn pembelajaran pada robot. Contoh robot dalam

kategori ini adalah penentuan trajektori dari suatu manipulator. Operator dapat

memprogram secara off-line. Gerakan ujung lengan dilatih dengan

menggerakkannya secara manual menuju sasaran. Pada saat yang sama kontroler

merekam trajektori ini, setelah proses pelatihan selesai maka robot akan bekerja

sendiri. Contoh lainnya adalah robot catur manipulator. Robot ini diajarkan unutk

merespon setiap langkah dalam permainan catur. Tentu saja robot telah diprogram

dengan algoritma catur Gambar 1.15 berikut merupakan contoh robot catur.

Gambar 1.15 Robot catur

Konteks interaksi manusia dengan robot dalam kesetaraan adalah manuasia

sebagai tuan dan robot sebagai pembantu. Manusia yang memiliki segala kelebihan

dari robot tentu juga memiliki keterbatasan dalam beberapa hal, tentu kolaborasi

antara manusia dan robot memiliki manfaat yang luar biasa, karena manusia berada

pada posisi tuan makan manuasia dapat membuat robot menjadi cerdas dalam

konteks yang terbatas, seperti untuk sistem navigasi dan manipulasi gerak yang

diajarkan pada robot. Sedangkan tugas apa yang harus dikerjakan robot akan

diarahkan oleh manusia melalui interaksi dan komunikasi. Jadi robot harus diprgram

agar mampu berinteraksi dengan manusia. Prosedur dan media interaksi dapat

berupa sinyal frekuensi radio, suara, gambar, sentuhan tangan dan sebagainya.


17


BAB 2

TEKNIK DISAIN SISTEM ROBOTIK

2.1 Pendahuluan

Teknik desain suatu sistem robotik sangatlah diperlukan dalam belajar ilmu

robotik. Desain yang handal dan sederhana tentu akan menghasilkan kualitas robot

yang baik. Untuk robot mobile (bergerak) desain terletak pada peletakan motor, bodi

dan sensor akan sangat berpengaruh pada gerak robot. Robot berkaki memiliki

tingkat kerumitan yang besar dalam hal disain bodi, keseimbangan, kaki dst. Dalam

bagian ini akan dibahas teknik disain robot yang bersifat praktis, karena pendekatan

pemodelan yang terlalu rumit dapat melemahkan semangat mahasiswa dalam belajar

robotik. Biasanya mahasiswa dalam memulai belajar robotik selalu menginginkan

aplikasi yang sederhana dan langsung memfungsikannya dalam program yang

aplikasi dan efektif.

Teknik desain suatu robot berdasarkan manfaat bertujuan untuk mengetahui

fungsi dari robot yang akan dibuat. Misalnya robot pengikut garis, yang dapat

ditambahkan aplikasikan untuk memindahkan barang yang ada digudang. Kemudian

robot pemadam api, yang dapat ditambahkan aplikasikan untuk mendeteksi titik api

pada daerah bencana, dan banyak lagi lainnya. Jadi dalam setiap desain robot kita

tahu manfaat dan tujuan dari robot tersebut.

Ultrasonic 1

Ultrasonic 8

SLAVE MCUPic1684a 1

SLAVE MCUPic1684a 8

MASTERMCU

AT89x55

SLAVE MCU Pic1684a

Driver servo

ServoLeft

Servo Right

Robot Mobile Position

ObstaclePosition

Gambar 2.1. Diagram blok perancangan robot penghindar halangan


18


Mengetahui prinsip dalam merancang sebuah robot sangatlah penting

terutama dari segi efisiensi, kehandalan dan mudah dipahami. Hal ini akan

menghasilkan keluaran komersial yang pada gilirannya akan mudah dideskripsikan

jika mahasiswa mulai ahli dalam mencipkatan robot. Gambar 2.1 berikut merupakan

diagarm sistem robot yang berhubungan dengan dunia nyata.

Dari gambar diatas, bagian blok diagram dapat dikelompokan dalam beberapa

kategori, yaitu

1. Sistem kontroler

Sistem kontroler adalah sistem yang berfungsi sebagai pemroses data

masukan dan keluran. Sebuah sistem kontroler minimal memiliki rangkaian

prosesor, rangkaian pengkondisi sinyal dan dilengkapi dengan rangkaian

display yang berguna untuk menampilkan data.

2. Mekanik Robot

Mekanik robot adalah sistem mekanik yang minimal terdiri dari sebuah

fungsi penggerak. Jumlah fungsi penggerak disebut sebagai derajat

kebebasan. Sebuah fungsi yang diwakili oleh sebuah sendi disebut sebagai

satu DOF. Sedangkan derajat kebebasan pada struktur roda dan kaki diukur

berdasarkan fungsi holonomic dan non-holonomic.

3. Sensor

Sensor adalah komponen yang berfungsi mendeteksi gerakan atau fenomena

lingkungan yang diperlukan oleh sistem kontroler sebagai masukan. Sensor

juga dapat berupa komponen yang merubah suatu besaran fisis ke besaran

elektris.

4. Aktuator

Aktuator adalah perangkat elektromekanik yang menghasilkan daya gerakan.

Dapat dibuat dari sistem motor listrik, sistem pneumatik dan sistem hidrolik.

5. Sistem Gerak

Adalah sistem mekanik yang dapat memindahkan robot dari suatu posisi ke

posisi lain. Sistem gerak dibai atas tiga ketegori yaitu sistem roda, sistem

kaki dan sistem tangan atau sendi.


19


6. Daerah Kerja

Daerah kerja (workspace) adalah didefenisikan sebagai daerah opersional

robot pada dunia nyata. Robot yang manipulator memiliki daerah kerja sesuai

dengan jankaian tangannya. Untuk robot beroda dan berkaki daerah kerja

tergantung pada medan jelajahnya

2.2 Rangkaian Kontroler Berbasis Prosesor

Seperti penjelasan diatas, sistem kontroler merupakan rangkaian prosesor

yang mengatur jalannya data, baik data masukan maupun data keluaran yang sesuai

dengan fungsi robot tersebut. Suatu rangkaian prosesor harus memiliki unit CPU,

rangkaian pengkondisi sinyal (baik ADC maupun DAC), sensor dan aktuator.

Prosesor pada robot dapat berupa mikroprosesor/mikrokontroler, FPGA, PLC dan

personal komputer.

2.2.1 Mikroprosesor/Mikrokontroler

Mikroprosesor/mikrokontroler adalah suatu sistem komputer yang

diaplikasikan dalam satu chip (untuk selanjutnya mikroprosesor disebut

mikrokontroler). Meskipun mempunyai bentuk yang jauh lebih kecil dari suatu

komputer, mikrokontroler dibangun dari elemen-elemen dasar yang sama, seperti

kontrol unit (CPU), sistem bus, masukkan keluaran (I/O), siklus mesin (clock), dan

media penyimpan (memori). Secara sederhana, komputer akan menghasilkan

keluaran spesifik berdasarkan masukan yang diterima. Seperti umumnya komputer,

mikrokontroler juga mengerjakan instruksi-instruksi yang diberikan kepadanya.

Mikrokontroler dirancang hanya untuk menjalankan suatu aplikasi tertentu

saja. Program aplikasi ini menginstruksikan mikrokontroler untuk melakukan

serangkaian eksekusi dalam urutan tertentu. Gambar 2.2 merupakan gambar

arsitektur mikrokontroler standar.


20


Gambar 2.2 Arsitektur umum mikrokontroler.

2.2.2 Central Processing Unit (CPU)

CPU adalah otak dari suatu komputer dan unit kontrol yang mampu mengatur

jalannya program. CPU bertugas mengontrol komputer sehingga terjadi sinkronisasi

kerja antar komponen dalam menjalankan fungsi-fungsi operasinya. CPU

bertanggung jawab mengambil dan memproses intruksi-intruksi dari memori utama

dan menentukan jenis instruksi tersebut. Bila ada instruksi untuk perhitungan

aritmatika atau perbandingan logika, maka unit kendali akan mengirim instruksi

tersebut ke ALU. Hasil dari pengolahan data dibawa oleh unit kendali ke memori

utama lagi untuk disimpan, dan pada saatnya akan disajikan ke alat keluaran.

Gambar 2.3 merupakan gambar CPU sederhana.

Dengan demikian fungsi dari unit kendali ini adalah :

o mengatur dan mengendalikan alat-alat masukan dan keluaran,

o mengambil instruksi-instruksi dari memori utama,

o mengambil data dari memori utama (jika diperlukan) untuk diproses,

o mengirim instruksi ke ALU bila ada perhitungan aritmatika atau perbandingan

logika serta mengawasi kerja dari ALU,

o menyimpan hasil proses ke memori utama.


21


Gambar 2.3 Blok diagram CPU.

2.2.3 Sistem Masukkan/Keluaran (I/O)

Sistem I/O dalam mikrokontroler umumnya digunakan untuk berinteraksi

dengan perangkat luar. Hampir semua masukan mikrokontroler hanya dapat

memproses sinyal digital dengan tegangan yang sama dengan tegangan logika dari

sumber. Untuk masukan dengan level tegangan analog yang bervariasi, biasanya

tegangan tersebut harus di konversikan terlebih dahulu kedalam sinyal digital.

Karena itu terdapat piranti masukan yang dapat mengkonversikan sinyal analog

menjadi sinyal digital sehingga mikrokontroler dapat mengerti dan memprosesnya.

PB0PB1PB2PB3PB4PB5PB6PB7

12345

876

PC0PC1PC2PC3PC4PC5PC6PC7

2223242526272829

PA0PA1PA2PA3PA4PA5PA6PA7

PD0PD1PD2PD3PD4PD5PD6PD7

4039383736353433

1415161718192021

XTAL1

XTAL2

RST GND

1312

9

+5V10pF

+5 V+5 V

ATMEGA8535

IN1

IN2

EN

DRIVER L298D

OUT1

OUT2

Motor Buka

Motor Tutup

MOTOR DC

Sensor PIR

16MHz

30pF 30pF

Out5 V

Gambar 2.4 Sistem I/O


22


Ada beberapa mikrokontroler yang telah menyediakan piranti ADC secata

terpadu dalam sistemnya, diantaranya mikrokontroler PIC dan AVR. Gambar 2.4

dibawah ini merupakan aplikasi I/O. Sistem mikrokontroler mempunyai keluaran

yang jauh lebih sederhana seperti lampu indikator atau beeper. Frasa kontroler dari

kata mikrokontroler memberikan penegasan bahwa alat ini mengontrol sesuatu.

Keluaran mikrokontroler adalah berupa sinyal digital. Sinyal digital ini dapat

langsung digunakan untuk perangkat keluaran digital, sedangkan untuk perangkat

keluaran analog, maka sinyal digital tersebut harus dikonversikan terlebih dahulu

kedalam sinyal analog. Piranti yang dapat melakukan konversi ini disebut dengan

Digital to Analog Converter (DAC).

2.2.4 Memori

Memori adalah media penyimpan data dan program dalam suatu

mikrokontroler. Baik itu media penyimpan sementara (temporary) maupun

permanen. Ada dua tipe dari memori yang digunakan dalam sistem mikrokontroler,

yaitu tipe Read Only Memory (ROM) dan Random Access Memory (RAM). ROM

digunakan sebagai media penyimpan program dan data permanen yang tidak dapat

berubah meskipun tidak ada catu daya yang diberikan. RAM digunakan sebagai

tempat penyimpan data sementara dan hasil kalkulasi selama proses operasi. Data

pada RAM akan hilang jika catu daya yang diberikan padam. Beberapa

mikrokontroler mengikutsertakan beberapa tipe lain dari ROM seperti Erasable

Programmable Read Only Memory (EPROM) dan Electrically Erasable

Programmable Read Only Memory (EEPROM).


23


Gambar 2.5. Arsitektur memori mikrokontroler.

2.2.5 Siklus Mesin (Clock)

Siklus mesin (clock ) merupakan jantung pada sistem komputer atau

mikrokontroler. Seberapa cepat suatu proses dalam mikrokontroler ditentukan olah

besarnya frekuensi clock nya. Siklus mesin digunakan untuk merespon setiap

instruksi yang ada dan harus menyelesaikan instruksi tersebut sesuai dengan waktu

yang ditentukan. Setiap instruksi memiliki siklus mesin yang berbeda-beda

tergantung mikrokontroler, set instruksi dan mode operasi yang digunakan.

Gambar 2.6. Oscilator xtall.

2.3 Mikrokontroler pada Robotik

Gambar 2.7 berikut merupakan arsitektur standar penerapan mikrokontroler

sebagai kontroler robot.


24


Gambar 2.7. Kontroler Robotik

Pada gambar 2.7 diatas terdapat 4 buah blok proses sistem yang masing-masing

terdiri atas blok sensor, blok rangkaian pengkondisi sinya, blok MCU dan blok

aktuator. Blok sensor merupakan blok yang digunkan untuk mendeteksi keadaan

lingkungan robot sesuai dengan kegunaannya. Misalnya sensor pendeteksi cahaya,

jarak, kelembapan suhu dan sebagainya. Keluaran dari sensor dapat langsung

dimasukan ke blok MCU yang merupakan suatu mikrokontroler atau masuk ke blok

rangkaian pengkondisi sinyal untuk diatur kelurannya sesuai dengan kebutuhan

mikrokontroler. Jadi sensor keluaran sensor dapat langsung diproses dalam Mcu atau

dikondisikan terlebihdahulu sesuai rancangan. Kemudian MCU akan memproses

sinyal tersebut untuk diambil tindakan pada aktuator. Misanya belok kiri, maju,

mundur, putar dan sebagainya sesuai dengan fungsi robot. Tentu saja pergerakan

tersebut harus sesuai dengan algoritma program yang digunakan. Berikut adalah

gambar rangkaian sederhana sistem robot line follower yang menggunakan

mikrokontroler PIC16F84.


25


Gambar 2.8. Sistem minimun kontroler

Pada 2.8 diatas terdapat dua buah sensor hitam putih yang berfungsi untuk

mendeteksi jalur kiri dan jalur kanan. Kemudian sebuah mikrokontroler PIC16F84A

yang akan memproses sinyal masukan dari kedua sensor sesuai dengan logika

Gambar 2.9 berikut, yang merupakan kondisi logika sensor yang akan diprogram

pada robot. Kemudian terdapat dua buah driver motor yang akan menentukan

pergerakan robot tersebut.

Gambar 2.9. Logika sensor

Setelah semua komponen terpasang dengan baik, maka proses selanjutnya adalah

membuat algoritma pergeraka robot yang tertuang dalam programnya.Setelah


26


program telah dimasukan ke robot, maka robot akan bekerja sesuai dengan algoritma

yang diberikan. Berikut adalah listing program robot line follower yang tertanam

pada kontroler robot

// program percobaan robot line follower

// laboratorium Robotika dan Kendali

// Fakultas ilmu komputer unsri

// by zarkasi

#include<pic1684.h>#include<stdio.h>

void kiri(){

PORTA=0x0b;}void kanan(){

PORTA=0x0e;}void stop(){

PORTA=0;}void maju(){

PORTA=0x0a;}

void main(void){

TRISA=0;TRISB=0x03;{

char inp;inp=PORTB;

if (inp==0x01){kiri();}

else if(inp==0x02){kanan();}

else if(inp==0x03){stop();}

else {maju ();}

}}


27


Gambar 2.10 berikut adalah contoh gambar robot line follower hasil dari percobaan.

Dimana robot akan mengikuti garis yang telah ditentukan sebagai jalur yang akan

ditempuh oleh robot.

Gambar 2.10. Hasil pengujian robot line follower


28


BAB 3

SISTEM SENSOR

Sensor pada robot digunakan untk mendeteksi keadaan lingkungan robot.

Dengan sensor robot dapat merasakan, melihat dan megetahui apa sebenarnya yang

sedang dihadapi, tentu saja robot juga dapat mengambil tindakan yang sesuai dengan

kondisi yang algoritma yang diberikan padannya. Sensor terbagi dalam dua

kelompok besar yaitu sensor biner dan sensor analog.

3.1. Sensor Biner

Sensor biner adalah suatu sensor yang keluaranya hanya menghasilkan dua

keadaan saja yaitu nol (0) atau satu (1). Sensor ini juga sering disebut dengan sensor

ON/OFF. Adakalanya suatu aplikasi hanya memerlukan suatu kondisi saja, misalnya

pembuka pintu otomatis, penghitung hasil pertandingan dan banyak lagi. Contoh

yang paling nyata adalah sensor limit switch, LDR, LED infra merah dan

sebagainya.

3.1.1. Sensor Limit Switch

Limit switch bekerja dalam level nol dan satu. Sensor ini dapat diaktifkan

dalam keadaan normaly open atau normaly closed, bergantung dari peletakan sensor

pada rangkaian. Jika terjadi perubahan kondisi sensor maka keluarannya dapat satu

atau nol. Dalam aplikasinya dapat sensor digunakan untuk mendeteksi pencuri yang

masuk melewati pintu atau jendela. Dengan memasang sensor pada daun pintu, maka

jika pintu terbuka indikator yang dapat berupa alrm akan berbunyi. Aplikasi pada

robot, limit switch dapat diletakkan pad bumper robot untuk menghindari tabrakan.

Dengan ini kerusakan pada robot data diminamilsasi. Gambar 3.1 berikut merupakan

rangkaian sensor limit switch.


29


Gambar 3.1 Rangkaian sensor limit swtch

Pada gambar 3.2 dibawah merupakan gambar sketsa perancangan sensor

limit switch yang diaplikasikan pada robot untuk menghindari tabrakan. Kondisi

awal dari pin mikrokontroler adalah satu (1), jika terjadi tabrakan maka bagian saklar

akan tertekan, sehingga tegangan 5V dc akan terhubing ke ground. Hal ini

menyebabkan sinyal ke mikrokontroler akan menjadi nol (0), sehingga kondisi ini

akan menyebabkan robot mengambil tindakan menghindari tabrakan.

Battere

RK

RR

MC

U

AT

ME

GA

8535

Driver M

otor

RO

DA

BE

BA

S

8 x Photo R

eflector

Lim

it Sw

itch

Gambar 3.2 Rancangan limit switch pada robot

3.1.2. Sensor Light Dependent Resistor (LDR)

Sensor Light Dependent Resistor (LDR) adalah resistor yang besar

resistansinya bergantung terhadap intensitas cahaya yang menyelimuti

permukaannya. LDR, dikenal dengan banyak nama: foto-resistor, foto-konduktor, sel


30


foto-konduktif, atau hanya foto-sel, yang sering digunakan dalam literatur adalah

foto-resistor atau foto-sel. Sebuah Foto-resistor atau LDR adalah komponen yang

menggunakan foto-konductor di antara dua pin-nya, bentuk fisik sensor LDR seperti

pada gambar 3.3. Saat permukaannya terpapar cahaya akan terjadi perubahan

resistansi di antaranya.

Gambar 3.3. Sensor LDR

Gambar 3.4. Rangkaian Sensor LDR

Mekanisme di balik fotoresistor atau LDR adalah fotokonduktivitas, yaitu suatu

peristiwa perubahan nilai konduktansi bahan semikonduktor saat energi foton dari

cahaya diserap olehnya. Ketika digunakan sebagai Foto-resistor atau LDR, bahan

semikonduktor hanya digunakan sebagai elemen resistif dan tidak ada koneksi PN-

nya seperti pada gambar 3.4. Dengan demikian, Foto-resistor atau LDR adalah murni

komponen pasif. Sensor ini menghasilkan keluaran berupa nilai analog yang dibaca

menggunakan fitur ADC (Analog to Digital Converter) pada mikrokontroler. Untuk

aplikasi pada robot adalah sebagai pengikut cahaya. Robot dikondisikan bergerak


31


jika terdapat cahaya yang jatuh pada permukaan sensor. Jika keadaan gelab maka

robot akan berhenti. Gambar 3.5 berikut adalah contoh robot pengikut cahaya,

Gambar 3.5. Robot pengikut cahaya

3.1.3. Sensor Infra Merah

Led infra merah merupakan piranti semikonduktor khusus yang dirancang

untuk memancarkan cahaya apabila arus melaluinya. Apabila diberi bias maju,

energi elektron yang mengalir melewati tahanan sambungan diubah menjadi energi

cahaya.

Cahaya infra merah walaupun mempunyai panjang gelombang yang sangat

panjang, tetapi tidak dapat menembus bahan-bahan yang melewatkan cahaya

tampak. Light Emiting Diode (LED) infra merah merupakan salah satu sumber

cahaya infra merah. LED merupakan suatu piranti yang tersusun dari sambungan

semikonduktor p-n yang dapat mengeluarkan cahaya bila dialiri arus bias maju.

Panjang gelombang yang akan diemisikan oleh LED tergantung pada energi gap

(dalam elektron volt, eV). Energi gap merupakan karakteristik bahan semikonduktor

sehingga frekuensi dari cahaya yang dipancarkan LED tergantung dari bahan

penyusunnya. Gambar 3.6 berikut merupakan spektrum gelombang infra merah.


32


Gambar 3.6 Spektrum Infra Merah

Cahaya infra merah merupakan cahaya yang tidak tampak. Jika dilihat

dengan dengan spektroskop cahaya maka radiasi cahaya infra merah akan nampak

pada spektrum elektromagnet dengan panjang gelombang di atas panjang gelombang

cahaya merah. Dengan panjang gelombang ini maka cahaya infra merah ini akan

tidak tampak oleh mata namun radiasi panas yang ditimbulkannya masih

terasa/dideteksi. Pada dasarnya komponen yang menghasilkan panas juga

menghasilkan radiasi infra merah termasuk tubuh manusia maupun tubuh binatang.

Gambar 3.7 Sensor Infra Merah

Cahaya infra merah, walaupun mempunyai panjang gelombang yang sangat

panjang tetap tidak dapat menembus bahan-bahan yang tidak dapat melewatkan

cahaya yang nampak sehingga cahaya infra merah tetap mempunyai karakteristik

seperti halnya cahaya yang nampak oleh mata. Pada pembuatan komponen yang

dikhususkan untuk penerima infra merah lubang untuk menerima cahaya (window)

sudah dibuat khusus sehingga dapat mengurangi interferensi dari cahaya non-infra

merah. Oleh sebab itu sensor infra merah yang baik biasanya jendelanya (pelapis

yang terbuat dari silikon) berwarna biru tua keungu-unguan. Sensor ini biasanya


33


digunakan untuk aplikasi infra merah yang digunakan diluar rumah (outdoor).

Gambar 3.8 dibawah ini merupakan rangkaian sensor infra merah.

+

-

Vref

P3.6

Vcc = 5 V Vcc = 5 V

R1=1K R1=10K

LM339

Foto dioda

Infra red

Gambar 3.8 Rangkaian Infra Merah

Ada banyak pendeteksi cahaya infra merah salah satunya adalah dioda foto.

Dioda foto adalah dioda sambungan p-n yang secara khusus dirancang untuk

mendeteksi cahaya. Energi cahaya lewat melalui lensa yang kemudian mengekpos

sambungan dioda foto. Karakteristik photodiode menpunyai respon waktu yang

sangat cepat hingga 0,1 nS dan mempunyai skala respon linier yang luas sekali.

Namun pada bagian terendah dari skala ini tidak dapat digunakan karena derau

(noise) yang disebut dark current.

Aplikasi sensor infra merah pada robot yaitu untuk mendeteksi jalur hitam

dan putih. Dengan mengatur kondisi dari rangkaiannya , kita dapat menentukan

logika yang dihasilkan. Misanya hitam berlogika satu (1) dan putih berlogika nol (0),

atau sebaliknya. Contoh penerapnnya adalah saat sensor infra merah mengenai garis

atau jalur hitam maka photodioda tidak mendapat cahaya dari infra merah maka

robot akan berjalan. Dan disaat sinar infra merah tidak mengenai garis atau jalur

yang berwarna hitam maka photo dioda mendapat cahaya dari infra merah maka

robot akan berhenti.


34


Gambar 3.9 Contoh pemasangan sensor infra-merah

3.1.4. Sensor Passive Infra Red (PIR)

Sensor Passive Infra Red (PIR) adalah sensor yang digunakan untuk

mendeteksi adanya pancaran sinar infra merah. Sensor PIR bersifat pasif, artinya

sensor ini tidak memancarkan sinar infra merah tetapi hanya menerima radiasi sinar

infra merah dari luar. Sensor ini biasanya digunakan dalam perancangan detektor

gerakan berbasis PIR. Karena semua benda memancarkan energi radiasi, sebuah

gerakan akan terdeteksi ketika sumber infra merah dengan suhu tertentu (misal:

manusia) melewati sumber infra merah yang lain dengan suhu yang berbeda (misal:

dinding), maka sensor akan membandingkan pancaran infra merah yang diterima

setiap satuan waktu, sehingga jika ada pergerakan maka akan terjadi perubahan

pembacaan pada sensor. Gambar 3.10 dibawah merupakan gambar modul sensor

PIR.

Gambar 3.10 Modul sensor PIR

Pancaran infra merah masuk melalui lensa Fresnel dan mengenai sensor

pyroelektrik, karena sinar infra merah mengandung energi panas maka sensor

pyroelektrik akan menghasilkan arus listrik. Sensor pyroelektrik terbuat dari


35


bahan galium nitrida (GaN), cesium nitrat (CsNo3) dan litium

tantalate (LiTaO3). Arus listrik inilah yang akan menimbulkan tegangan dan dibaca

secara analog oleh sensor. Kemudian sinyal ini akan dikuatkan oleh penguat dan

dibandingkan oleh komparator dengan tegangan referensi tertentu (keluaran berupa

sinyal 1-bit).

Gambar 3.11 Blok diagram sensor PIR

Sensor PIR hanya akan mengeluarkan logika 0 dan 1, 0 saat sensor tidak

mendeteksi adanya pancaran infra merah dan 1 saat sensor mendeteksi infra

merah. Sensor PIR didesain dan dirancang hanya mendeteksi pancaran infra merah

dengan panjang gelombang 8-14 mikrometer. Diluar panjang gelombang tersebut

sensor tidak akan mendeteksinya. Untuk manusia sendiri memiliki suhu badan yang

dapat menghasilkan pancaran infra merah dengan panjang gelombang antara 9-10

mikrometer (nilai standar 9,4 mikrometer), panjang gelombang tersebut dapat

terdeteksi oleh sensor PIR. (Secara umum sensor PIR memang dirancang untuk

mendeteksi manusia). Sensor ini menghasilkan keluaran nilai digital (0/1) yang

dibaca melalui saluran I/O pada mikrokontroler. PIR yang digunakan sebanyak 3

buah untuk setiap ruangan

3.2. Sensor Analog

Sensor analog adalah sensor yang menghasilkan keluaran sinyal analog.

Sinyal ini dapat berupa hambatan (potensio), gelombang suara (ultrasonik),

gelombang infra merah (GP2D12), temperatur (L35DZ), kemiringan dan banyak lagi

lainnya. Pada umumnya sensor ini akan diproses oleh rangkaian pengkodisi sinyal


36


yang merubah sinyal keluran analog ke dalam bentuk digital, sehingga dapat

diproses oleh prosesor. Menurut jenis dan fungsinya, sensor analog dapat dibedakan

menjadi

1. Sensor kontak

Sensor kontak digunkan untuk mendeteksi kontak atau gaya. Jenis sensor ini

dibedakan atas sensor sentuh dan sensor tekanan.

2. Sensor jarak

Sensor jarak digunakan untuk mendeteksi obyek dengan darak tertentu.

3. Sensor vision

Sensor vision digunakan untuk mendefeninikan benda, terkait dengan ukuran,

warna bentuk, posisi dan sebagainya. Sensor ini sangat terkait dengan bidang

ilmu image processing.

4. Sensor suara

Sensor ini berfungsi untuk mengenali jenis benda dan mendapatkan informasi

memalui suara.

3.2.1. Sensor Ultrasonik

Gelombang ultrasonik merupakan gelombang mekanik longitudinal dengan

frekuensi di atas 20 kHz. Gelombang ini dapat merambat dalam medium padat, cair

dan gas, hal disebabkan karena gelombang ultrasonik merupakan rambatan energi

dan momentum mekanik sehingga merambat sebagai interaksi dengan molekul dan

sifat enersia medium yang dilaluinya. Karakteristik gelombang ultrasonik yang

melalui medium mengakibatkan getaran partikel dengan medium amplitudo sejajar

dengan arah rambat secara longitudinal sehingga menyebabkan partikel medium

membentuk rapatan (Strain) dan tegangan (Stress). Proses kontinu yang

menyebabkan terjadinya rapatan dan regangan di dalam medium disebabkan oleh

getaran partikel secara periodik selama gelombang ultrasonik melaluinya. Gambar

3.12 dibawah ini merupakan modul sensor ultrasonik.


37


Gambar 3.12 Bentuk modul sensor ultrasonic

Jika gelombang ultrasonik merambat dalam suatu medium, maka partikel

medium mengalami perpindahan energi. Besarnya energi gelombang ultrasonik yang

dimiliki partikel medium adalah :

E =Ep+ Ek ...(3.1)

Dengan :

Ep = energi potensial (Joule)

k = energi kinetik (Joule)

Untuk menghitung intensitas gelombang ultrasonik perlu mengetahui energi yang

dibawa oleh gelombang ultrasonik. Intensitas gelombang ultrasonik ( I ) adalah

energi yang melewati luas permukaan medium 1 m 2 /s atau watt/m 2 . Untuk sebuah

permukaan, intensitas gelombang ultrasonik ( I ) diberikan dalam bentuk persamaan :

I = 1/2 V A 2 (2 p f) 2 = ½ Z (A ) 2 (3.2)

Dengan :

r = massa jenis medium kg/m 3 ) ,

f = frekuensi (Hz)

v = kecepatan gelombang (m/s 2 ) ,

V = volume (m 3 )

A = amplitudo maksimum (m)

Z = v = impedansi Akustik (kg/m 2 .s)

= 2 f = frekuensi sudut (rad/s)


38


Gelombang ultrasonik yang keluar dari sumber transduser mengalir keluar ke semua

arah dalam arah tiga dimensi. Gelombang ultrasonik merambat keluar, energi yang

di bawanya tersebar ke permukaan yang makin lama makin luas, karena merambat

dalam arah arah tiga dimensi, maka luas permukaan merupakan luasan permukaan

bola dengan radius r adalah 24 r . Berarti intensitas gelombang ultrasonik adalah

24 r

P

Luas

DayaI

...(3.3)

Jika keluaran daya P dari sumber konstan, maka intensitas berkurang sebagai

kebalikan dari kuadrat jarak dari sumber :

2

1

rI (3.4)

Jika kita ambil dua titik dengan jarak 1 r dan 2 r dari sumber, maka I 1 = P/4 r 21

dan I 2 = P/4 r 22 , sehingga :

22

21

1

2

r

r

I

I (3.5)

Dengan demikian, jika jarak digandakan misalnya (r 1 /r 2 = 2), maka intensitas

menjadi ¼ dari nilai mula-mula ( I 2 / I1 ) = (1/2) 2 = ¼.

Jika amplitudo gelombang ultrasonik berkurang terhadap jarak, maka amplitudo

gelombang ultrasonik menjadi mengecil sebesar 1/r. karena intensitas sebanding

dengan kebalikan dari kuadrat jarak, sehingga

rA

1 (3.6)

Jika kita ambil dua jarak yang berbeda dari sumber transduser, r1 dan r2 maka:

2

1

1

2

r

r

A

A (3.7)


39


Ketika gelombang ultrasonik dua kali lipat lebih jauh dari sumber transduser, maka

amplitudo akan menjadi setengahnya).

Gambar 3.13 Prinsif kerja sensor ultrasonik

Gambar 3.13 diatas merupakan gambar gelombang ultrasonik. Gelombang

ultrasonik mempunyai sifat memantul, diteruskan dan diserap oleh suatu

medium/jaringan. Apabila gelombang ultrasonik ini mengenai permukaan jaringan,

maka sebagian dari gelombang ultrasonik ini akan dipantulkan dan sebagian lagi

akan diteruskan/ditransmisikan. Karakteristik gelombang ultrasonik yang melalui

medium mengakibatkan getaran partikel dengan medium amplitudo sejajar dengan

arah rambat secara longitudinal sehingga menyebabkan partikel medium membentuk

rapatan (strain) dan tegangan (stress). Proses kontinu yang menyebabkan terjadinnya

rapatan dan regangan didalam medium disebabkan oleh getaran partikel secara

periodik selama gelombang ultrasonik melaluinya.

Mula-mula gelombang ultrasonik dengan amplitudo tertentu mengenai

jaringan, kemudian gelombang ultrasonik tersebut akan dipantulkan permukaan

jaringan. Perbandingan amplitudo tekanan pantulan (R) terhadap amplitudo tekanan

datang (Ao) bergantung pada impedansi akustik (Z) dari dua medium itu. Hubungan

pernyataan itu :

21

21

ZZ

ZZ

Ao

R

(3.8)

dengan : 1 Z dan 2 Z = impedansi akustik dari kedua medium (kg/m2.s).


40


Telah dikemukakan bahwa gelombang ultrasonik sebagian akan

diteruskan/ditransmisikan. Perbandingan antara amplitudo tekanan transmisi (T) dan

amplitudo tekanan gelombang datang (Ao) adalah :

21

12

ZZ

Z

Ao

T

(3.9)

Pada hukum geometri diketahui bahwa cahaya bisa refleksi (pantul) dan refraksi

(bias). Demikian pula pada gelombang ultrasonik dapat dipatahkan (didefraksi) dan

gelombang ultrasonik yang masuk ke dalam jaringan akan menyebabkan efek friksi

(friction). Penyerapan energi gelombang ultrasonik ini akan mengakibatkan

berkurangnya amplitudo gelombang ultrasonik. Nilai amplitudo gelombang

ultrasonik pada jaringan dinyatakan dalam persamaan :

A = Ao x (3.10)

Dengan

A = amplitudo gelombang ultrasonik yang menetap pada jaringan dengan

tebal x (m)

Ao = amplitudo gelombang ultrasonik mula-mula (m)

= koefisien absorbsi jaringan (m 1 )

Berikut adalah aplikasi sensor ultrasonik sebagai pengukur jarak obyek. Sensor

ultrasonik mendeteksi objek dengan cara mengirimkan suara ultrasonik dan

kemudian “mendengarkan” pantulan suara tersebut. Sensor ultrasonik hanya akan

mengirimkan suara ultrasonik ketika ada pulsa trigger dari mikrokontroler (Pulsa

high selama 5uS). Suara ultrasonik dengan frekuensi sebesar 40KHz akan

dipancarkan selama 200uS. Suara ini akan merambat di udara dengan kecepatan

344.424m/detik (atau 1cm setiap 29.034uS), mengenai objek untuk kemudian

terpantul kembali ke Sensor ultrasonik. Selama menunggu pantulan, Sensor

ultrasonik akan menghasilkan sebuah pulsa. Pulsa ini akan berhenti (low) ketika


41


suara pantulan terdeteksi oleh Sensor ultrasonic. Gambar 3.19 dibawah ini

merupakan gambar diagram waktu sensor ultrasonik.

Gambar 3.14 Diagram waktu modul Sensor Ultrasonik

Oleh karena itulah lebar pulsa tersebut dapat merepresentasikan jarak antara

Sensor ultrasonik dengan objek. Selanjutnya mikrokontroler cukup mengukur

lebar pulsa tersebut dan mengkonversinya dalam bentuk jarak dengan

perhitungan sebagai berikut :

(3.11)

atau

(3.12)

Karena 1/29.034 = 0.034442

Dimana : S = jarak (cm)

t = lebar pulsa

Satu hal yang perlu diperhatikan adalah bahwa Sensor ultrasonik tidak dapat

mengukur objek yang permukaannya dapat menyerap suara, seperti busa atau sound

damper lainnya. Pengukuran jarak juga akan kacau jika permukaan objek bergerigi

dengan sudut tajam. Berikut adalah listing program aktivasi sensor ultrasonik yang

menhasilkan keluran digital.


42


; p84s02;-----------------------------------------------------------; 10msec timer @20MHz;-----------------------------------------------------------

list p=pic16f84ainclude <p16f84a.inc>

;-----------------------------------------------------------; File Register;-----------------------------------------------------------

w_tmp EQU 0CHs_tmp EQU 0DHstatus equ 0x03porta equ 0x05trisa equ 0x85TRISB equ 0x86rp0 equ 5OPTIONREG EQU h'0001'TOIF equ h'0002'TOIE equ h'0005'count EQU 12Hcount2 equ 13hcount3 equ 14h

;-----------------------------------------------------------org 0goto start ;goto main routine

;-----------------------------------------------------------; interupted to timer;-----------------------------------------------------------

org 4 ;interrupt processmovwf w_tmp ;save W reg.swapf STATUS,W ;by using swapfmovlw s_tmp ;save STATUSmovlw b'0010000'movwf INTCON ;disable interruptcall SubInt ;call interrupt service routinemovlw b'10100000'movwf INTCON ;enable TMR0 intteruptswapf s_tmp,W ;restor STATUSmovwf STATUSswapf w_tmp,F ;by using swapfswapf w_tmp,W ;restor W reg.retfie ;return from interrupted process

;-----------------------------------------------------------; main program;-----------------------------------------------------------start

call Portset ;Initialize Portsta call ultra_on

goto sta;------------------------------------------------------------; sensor ultra sonic 1 = RA0;------------------------------------------------------------ultra_on

bcf PORTA,1bsf status,rp0


43


bcf TRISA,2bcf status,rp0movfw h'0'movwf PORTBbsf PORTA,2call t3usbcf PORTA,2call t700usbsf PORTA,2call t3usbsf status,rp0bsf TRISA,2bcf status,rp0call waktu

chekbtfss PORTA,2goto kirigoto chekreturn

kirimovf TMR0,Wmovwf PORTB;movfw count2;movwf PORTAcall waktu1return;goto kiri

;-----------------------------------------------------------Portset

bsf status,rp0 ;change to BANK1movlw b'00011101' ;PORTA:OOOIIIIImovwf TRISAmovlw b'00000000' ;PORTB:OOOOOOOO;movlw b'11111111' ;PORTB:OOOOOOOOmovwf TRISBmovlw b'00000111' ;Use TMR0movwf OPTION_REG ;prescaler rate = 1/256bcf status,rp0 ;change to BANK0return

waktumovlw d'1' ;60=255-195movwf TMR0 ;set to TMR0movlw b'10100000' ;enable TMR0 interrupt andmovwf INTCON ;enable Grobal interruptreturn

;-----------------------------------------------------------; counter untuk timerSubInt

movlw d'1' ;208=255-48(48 x counter)movwf TMR0 ;set to TMR0incf count,Freturn

t700usmovlw d'7' ;time 700 uS


44


movwf 0x0ftunda7

movlw d'40'movwf 0x10

tunda71decfsz 0x10goto tunda71decfsz 0x0fgoto tunda7return

t3usnopnopnopreturn

waktu1movlw d'100'movwf 0x13

tunda73movlw d'150'movwf 0x14

tunda72decfsz 0x14goto tunda72decfsz 0x13goto tunda73return

end

3.2.2. Sensor Infra Merah (GP2D12)

Sensor jarak infra merah jenis GP2D12 adalah sensor untuk mengukur jarak

suatu obyek dengan menggunakan media infra merah. Sensor ini mengeluarkan

sinyal analog dan mampu mengukur jarak pada rentang 10 cm sampai dengan 80

cm. Konfigurasi sensor jenis ini dapat dilihat dalam Gambar 3.15 (a) dan (b) berikut

ini.


45


(a) Fisik Sensor (b) Konfigurasi SensorGambar 3.15 Sensor jarak

Berikut adalah fitur-fitur yang dimiliki oleh salah satu sensor jarak :

1. keluaranya berupa sinyal analog,

2. pembacaan efiktif mulai dari 10 cm s.d 80 cm,

3. konsumsi tegangan 5 Vdc,

4. konsumsi arus 33 mA s.d 50 mA,

5. hampir tidak terpengaruh oleh warna yang terdeteksi.

Sensor ini terdiri satu buah pemancar (transciever) dan satu buah penerima

(reciever). Keluaran sensor ini bersifat tidak linier yang dapat dilihat dari bentuk

gelombang keluaranya. Tegangan keluaran hasil proses pengukuran adalah tegangan

analog. Pada jarak 10 cm tegangan keluaran sebesar 2,4 Vdc dan akan terus turun

sampai 0.4 Vdc pada jarak 80 cm. Gambar 2.11 merupakan gambar karakteristik

keluaran sensor GP2D12.

Sensor infra merah menggunakan media cahaya dalam hal pengukuran posisi

obyek. Frekuensi cahaya infra merah berada pada rentang daerah frekuensi 1011Hz

sampai dengan 1014 Hz. Prinsip kerja sensor adalah mula-mula cahaya infra merah

dipancarkan oleh tranciever secara terus menerus. Setelah mengenai obyek, cahaya

akan dipantulkan kembali dan hasil pantulannya akan diterima oleh susunan detektor

infra merah (reciever). Sudut pantul cahaya infra merah akan berubah sesuai dengan


46


perubahan jarak sensor terhadap obyek. Gambar 3.16 merupakan gambar karakteristi

sensor GP2D12

Gambar 3.16 Karakteristik keluaran sensor GP2D12.

Dalam aplikasi yang menggunakan mikrokontroler sebagai pengolah data,

sinyal keluaran analog tidak dapat langsung digunakan. Ini disebabkan sinyal I/O

yang diproses dalam mikrokontroler adalah sinyal digital. Maka sinyal keluaran

analog harus terlebih dahulu diubah kedalam sinyal digital dengan menggunakan

komponen analog to digital converter (ADC).

Berikut adalah contoh aplikasi sensor infra merah untuk mengukur jaraj

obyek. Setiap sensor diproses dalam pin ADC pada mikrokontroler dengan nilai

konversi 10 bit. Nilai konversi mulai dari 0 desimal sampai dengan 1023 desimal.

Karena mikrokontroler mimiliki lebar data 8 bit, maka jarak maksimal yang dapat

ditampilkan oleh mikrokontroler hanya 8 bit. Dalam perancangan ini nilai konversi

ADC diambil mulai dari bit 2 sampai dengan bit 9, sedangkan bit 0 dan bit 1

diabaikan. Data sensor merupakan besaran analog yang diubah kedalam data

desimal dan biner. Konversi ini dilakukan dengan rumusan sebagai berikut.

Konversi ADC = (3.13)


47


Dari rumusan di atas dapat dilakukan perhitungan menentukan konversi ADC untuk

data jarak jangkauan terjauh dan terdekat dari besaran analog ke dalam data digital.

Spesifikasi data konversi adalah sebagai berikut.

Lebar data ADC 10bits = 1023

Jarak jangkauan sensor = 10cm s.d 80cm = 80 – 10 = 70 cm

Vreff =5V (ideal)

Vreff = 4.8V (Pengukuran)

Vin max=2.4V (nilai maksimal tegangan sensor)

Konversi untuk data ideal :

ADC =

Berikut adalah listing program untuk aktivasi sensor GP2D12 dengan menghasilkan

keluran digital 8 bits.

; p88s01 A/D test;-----------------------------------------------------------

list p=pic16f88#include <p16f88.inc>

;-----------------------------------------------------------; File Register;-----------------------------------------------------------adcon EQU 20Hadcon1 equ 21hadcon2 equ 22hjarak equ 23hjarak1 equ 24hjarak2 equ 25hjoypad equ 26h;-----------------------------------------------------------

org 0goto start

;start

call Portset ;Initialize Portgoto LoopSt

;-----------------------------------------------------------LoopSt

movlw h'0a'movwf PORTA


48


jaraks1call adconRA4movf adcon, Wandlw h'40'movwf jarakrrf jarak

call adconRB6movf adcon1,Wandlw h'40'addwf jarakrrf jarak

call adconRB7movf adcon2,Wandlw h'40'addwf jarak

btfsc jarak,4goto putar ;goto kananbtfsc jarak,5goto putar1 ;goto kiribtfsc jarak,6goto putar2 ;goto kirigoto LoopSt

putarbtfsc jarak,5goto kirigoto kanan

putar1btfsc jarak,6goto kanangoto kiri

putar2btfsc jarak,5goto kanangoto kiri

kirimovlw h'0b'movwf PORTAgoto jaraks1

kananmovlw h'0e'movwf PORTAgoto jaraks1

;-----------------------------------------------------------

Portsetbsf STATUS, RP0 ;Bank Change(Bank 1)movlw b'00010000'movwf TRISA ;RA4 input


49


movlw b'11110000' ;A/D => Channel 4movwf ANSEL ;digital(0)/analog(1) inputmovlw b'11111111'movwf TRISB ;RB outputmovlw b'00000000'movwf ADCON1 ;A/D settingbcf STATUS,RP0 ;(BANK0)

bsf ADCON0,0 ;A/D onreturn

;-------------------------------------------------------------------adconRA4

movlw b'10100101' ;**100*** => Channel 0(RA4/AN4)movwf ADCON0nop

adwait ;wait until conversionbtfsc ADCON0,2goto adwait

movf ADRESH,W movwf adcon ;result => adcon

return;********************************************************************adconRB6


adwait1 ;wait until conversionbtfsc ADCON0,2goto adwait1

movf ADRESH,W movwf adcon1 ;result => adcon

return;********************************************************************adconRB7


adwait2 ;wait until conversionbtfsc ADCON0,2goto adwait2

movf ADRESH,W movwf adcon2 ;result => adcon

returnend

3.2.3. Sensor Suhu LM35

Sensor suhu pada rangkaian elektronik, merupakan suatu alat yang berfungsi

mengubah besaran suhu menjadi besaran elektrik. Ada beberapa macam sensor yang

dapat digunakan sebagai sensor suhu pada rangkaian elektronik, salah satu

diantarnya adalah IC LM35. Untuk lebih jelasnya dapat dilihat dalam Gambar 3.17.


50


Gambar 3.17 Sensor LM35

LM35 adalah sensor suhu yang presisi gambar fisik seperti terlihat pada

gambar 3.17. Perubahan tegangan keluarannya proporsional terhadap perubahan

suhu dalam derajat celcius (centigrade). LM35 tidak membutuhkan proses kalibrasi

untuk mendapatkan akurasi 0,24 0C pada suhu -55 s/d +150 0C. Impedansi keluaran

yang rendah dan tegangan keluarannya yang linier mempermudah dalam interfacing

ke pengkondisi sinyal. LM35 dapat beroperasi pada catu daya tunggal atau catu plus

minus. Konsumsi arus hanya 60uA, sehingga memiliki heating yang sangat rendah

kurang dari 0,1 0C. Fitur LM35 adalah sbb:

Centigrade atau celcius

Sensitivitas10 mV/ 0C

Akurasi 0,5 C pada suhu 25 0C

Handal dalam pengukuran jarak jauh

Tegangan operasi 4 s/d 30 V

Konsumsi arus 60 uA

Selt heating rendah 0,08 0C

Non linieritas ± 0,25 0C

Impedansi keluaran 0,1 Ώ untuk arus beban 1 mA.


51


Vs(4-20v)

VoLM35

Gambar 3.18 Rangkaian sensor LM35

Rangkaian pengkondisi sinyal digunakan dalam perancangan alat ini adalah untuk

mengubah masukan yang berupa masukan analog menjadi keluaran digital. Masukan

yang yang diberikan oleh sensor suhu yang merupan besaran analog yaitu tegangan,

terlebih dahulu dikuatkan dengan rangkaian penguat dan kemudian diubah dalam

bentuk keluaran digital oleh IC ADC0804, yang memiliki satu buah masukan dan 8

bit keluran digital. Rangkaian pengkondisi sinyal secara keseluruhan dapat dilihat

dalam Gambar 3.19.

Gambar 3.19 Rangkaian Pengkondisi Sinyal

Dalam Gambar 3.19. terlihat bahwa rangkaian pengkondisi sinyal terdiri dari tiga

buah komponen utama, yaitu :

1. Sensor suhu LM35

2. Rangkaian Penguat (Op-Amp)

3. ADC0804

LM35

Vcc

-IN +

CLK OUT

CLK IN

WR

RD

INTR

CS

D0D1D2D3D4D5D6D7

IN - AGNDGNDVref

Vcc1817161514131211

6

194

3

1

2

5

97

810

+3

2

6

150pF

+5V

ADC0804

MCU

R1

Rf

R2


52


Berdasarkan rangkaian diatas dapat kita dapat menghitung parameter-parameter

rangkaian pengkondisi sinyal untuk tegangan referensi (VR) sebesar 5 Volt adalah

sebagai berikut,

Sensor suhu LM35 memiliki sensiivitas sebesar 10mV/0C, yang digunakan untuk

mengukur suhu 0 0C–150 0C. Tegangan maksimum sensor pada suhu 150 0C

adalah

Vmax Sensor = (suhu) x (sensitivitas) .(3.14)

= 150 0C . 10mV/0C = 1,5 Volt

ADC0804 memiliki keluran bit sebanyak 8 bit dengan tegangan referensi (VR)

sebesar +5 Volt. Pada suhu 150 0C keluaran ADC harus menunjukkan 1111 1111

atau FFH. Jadi tegangan masukan yang dihasilkan pada bit penuh (FFH) adalah

Vin = VR . ( 2-1 + 2-2 +…..+ 2-8) …(3.15)

= 5 Volt . 0,9961 = 4,9805 Volt

Tegangan per step (VStep) yang dihasilkan adalah

VStep = VR . (2– n – 1) (3.16)

VStep = 5 Volt . ( 1/255)

= 0,0196 Volt

Penguatan (A) yang dihasilkan adalah :

A = Sensor

out

V

V

max

(3.17)

= Volt

Volt

.5,1

.9805,4= 3,32

Perubahan tegangan keluaran sensor (VT) yang dihasilkan adalah :

VT = A

VStep (3.18)


53


VT = 0059,032,3

0196,0 Volt

Resolusi pembacaan suhu (T) adalah:

T = asSensitivit

VT (3.19)

= CVolt

Volt

./.01,0

.0059,0= 0,59 0C

Nilai tahanan untuk Rf dan R1 adalah:

A = 1 + (Rf / R1) (3.20)

Rf = 2,3 k dan R1 = 1 k

3.2.4. Sensor Vision

Penggunaan kamera (digital) dalam dunia robotik dikenal dengan robotics

vision, teknologi ini berkembang sangat pesat. Kemajuan ini dicapai berkat

perkembangan teknologi chip IC yang makin kompak dan cepat, dan kemajuan

dibidang komputer (sebagai pengolah). Kemampuan kamera digital biasanya diukur

dari resolusi tangkapan gambarnya dalam pixel/inch atau pixels/cm. Resolusi

menunjukan berapa banyak pixel yang terdapat pada sebuah sensor. Gambar 3.20

dibawah ini merupakan sensor vision.

Gambar 3.20 Sensor vision


54


Sensor pada kamera digital secara umum terbagi menjadi dua jenis yaitu,

a. Sensor CCD ( Charged- coupled device )

b. Sensor CMOS ( Complementary metal–oxide–semiconductor )

Sensor vision berhubungan erat dengan citra (image). Citra digital adalah

gambar pada bidang dwimatra (dua dimensi). Citra adalah angka, dari segi estetika,

citra atau gambar adalah kumpulan warna yang bisa terlihat indah, memiliki pola,

berbentuk abstrak dan lain sebagainya. Citra dapat berupa foto udara, penampang

lintang (cross section) dari suatu benda, gambar wajah, hasil tomografi otak dan lain

sebagainya. Berdasarkan jenis nya citra terdiri dari dua jenis yaitu citra diam (still

images) adalah citra tunggal yang tidak bergerak, dan citra bergerak (moving images)

adalah rangkaian citra diam yang ditampilkan secara beruntun (sekuensial) sehingga

member kesan pada mata kita sebagai gambar yang bergerak. Setiap citra dalam

rangkaian itu disebut frame.

Dasar dari pengolahan citra adalah pengolahan warna RGB pada posisi

tertentu. Dalam pengolahan citra warna direpresentasikan dengan nilai

hexadesimal dari 0x00000000 sampai dengan 0x00ffffff. Warna hitam dengan nilai

0x00000000, dan warna putih bernilai 0x00ffffff. Presentasi pola citra RGB

digambarkan pada Gambar 3.21 berikut.

Gambar 3.21 Representasi Hexadesimal Citra RGB

Nilai warna diatas merupakan gabungan antara 3 warna primer yaitu merah (Red),

hijau (Green), biru (Blue), seperti yang terlihat pada Gambar 3.21 Ada beberapa

mikrokontroler yang telah menyediakan piranti ADC secata terpadu dalam


55


sistemnya, diantaranya mikrokontroler PIC dan AVR. Gambar 3.22 dibawah ini

merupakan aplikasi I/O.. Sehingga untuk memperoleh warna lain selain warna

primer, perlu menggabungkan skala kecerahan dari tiap warna.

Gambar 3.22. Kombinasi Citra RGB

Citra yang nilai pixel-nya merepresentasikan derajat keabuan atau intensitas

warna putih. Nilai intensitas paling rendah merepresentasikan warna hitam dan nilai

intensitas paling tinggi merepresentasikan warna putih. Pada umumnya citra

grayscale memiliki kedalaman pixel 8 bit (256 derajat keabuan), tetapi ada juga citra

grayscale yang kedalaman pixel-nya bukan 8 bit, misalnya 16 bit untuk penggunaan

yang memerlukan ketelitian tinggi. Proses mengubah citra warna menjadi citra

grayscale digunakan dalam image processing untuk menyederhanakan model citra.

Citra berwarna terdiri dari 3 layer matriks yaitu R-layer, G-layer, B-layer.

Untuk melakukan proses – proses selanjutnya perlu diperhatikan 3 layer

diatas, Jika setiap proses perhitungan dilakukan menggunakan 3 layer maka

dilakukan 3 perhitungan yang sama. Mengubah 3 layer diatas menjadi 1 layer matrik

grayscale. Dalam citra ini tidak ada lagi warna, yang ada adalah derajat keabuan.

Untuk mengubah citra berwarna yang mempunyai nilai matrik masing – masing r, g,

b menjadi citra grayscale dengan nilai s.


56


Gambar 3.23. (a) Citra Asli, (b) Citra Grayscale

Dalam banyak aplikasi yang melibatkan citra, sangat berguna untuk

memisahkan wilayah objek yang kita perlukan dari wilayah-wilayah lain yang tidak

kita perlukan yang dikenal sebagai background. Proses thresholding sering

menyediakan cara yang mudah dan nyaman untuk melakukan segmentasi citra ini

dengan cara membedakan intensitas atau warna antara objek (foreground) dengan

latar belakang (background). Kadang thresholding juga sangat penting untuk dapat

melihat daerah dari sebuah citra yang nilai pixelnya terletak dalam range atau band

intensitas (atau warna). Proses thresholding ini akan menghasilkan citra biner. Citra biner, yaitu citra yang hanya terdiri atas dua warna, yaitu hitam dan

putih. Pada waktu menampilkan gambar, 0 adalah putih dan 1 adalah hitam, jadi

pada citra biner, latar belakang berwana putih dengan objeknya berwarna hitam.

Oleh karena itu, setiap pixel pada citra biner cukup direpresentasikan dengan 1 bit.

Keuntungan citra biner antara lain :

Kebutuhan memori kecil,

Waktu pemrosesan lebih cepat.

Citra biner didapatkan dengan cara meng-threshold-kan citra grayscale.

Operasi thresholding akan mengelompokkan nilai derajat keabuan setiap pixel

kedalam 2 kelas, yaitu hitam dan putih. Contoh citra biner seperti terlihat pada

gambar 3.24.


57


Gambar 3.24. (a) Citra Hitam Putih, (b) Citra Biner

Dalam aplikasi robotik sensor vision sering digunakan unutk mengenali

lingkungan atau obyek tertentu. Misalnya bola, kotak warna dan banyak lagi. Pada

bagian ini akan dibahas penerapan sensor vision pada robot line tracking. Gambar

3.25 merupakan gambar robot line tracking yang menggunakan kamera sebagai

pendeteksi garis berwarna. Jalur yang digunakan berfariasi sesuai dengan warna

yang diberikan. Proses mengolahan citra gambar ke dalam citra biner akan dijelaskan

pada bagian berikut.

Gambar 3.25. Robot line tracking sensor kamera

Berikut adalah langkah-langkah yang dilalui untuk proses pengolahan gambar pada

sensor vision.

3.2.4.1. Proses Capture Image

Capture image dengan resolusi untuk webcam berukuran 320x240 pixel.

Ukuran ini merupakan ukuran standar untuk resolusi video dari webcam yang


58


digunakan sebagai pengganti sensor pada robot line follower ini. Gambar untuk

capture image berukuran 320x240 dapat dilihat pada Gambar 3.26.

Gambar 3.26. Capture image dengan ukuran 320x240 pixel

3.2.4.2. Proses Cropping Image

Tahapan cropping image adalah tahapan yang dilakukan untuk mengambil

sebagian dari suatu citra, dimana proses ini dilakukan dengan membatasi pixel –

pixel tertentu dari citra tersebut. Citra akan diambil pada bagian tengah citra, dengan

membatasi tinggi dan lebar dari citra tersebut, dan hasi dari cropping akan

menghasilkan suatu citra yang mempunyai ukuran 320 x 40 pixel, dengan membatasi

dan mengambil sebagian dari citra tersebut dapat mempersingkat proses pengolahan

citranya karena ukuran dari citra tersebut sudah diperkecil. Proses cropping image

dari ukuran 320 x 240 menjadi 320 x 40 pixel dapat dilihat pada gambar 3.27.

Gambar 3.27. (a) Citra 320 x 240 (b) Citra hasil cropping image 320 x 40


59


Pada gambar diatas (a) merupakan citra 320 x 240, pada citra tersebut dapat dilihat

daerah citra yang telah ditentukan yang akan dicrop, dan pada gambar (b)

merupakan citra hasil dari cropping. Citra hasil cropping tersebut berukuran 320 x

40.

3.2.4.3. Proses Grayscale Image

Grayscale image merupakan tahapan dari pengolahan citra, dimana tahapan

ini merupakan proses untuk mengubah citra RGB menjadi citra abu-abu. Proses ini

harus dilakukan karena merupakan tahapan sebelum merubah citra menjadi citra

biner. Citra grayscale ini didapat dengan penambahan dari masing-masing nilai dari

nilai red, nilai green, dan nilai blue, dan kemudian nilai tersebut dibagi 3, atau

dengan kata lain citra grayscale didapat jika nilai red = green = blue, dengan

perubahan citra RGB menjadi citra grayscale akan semakin menyederhanakan citra

tersebut dan prosesnya kan semakin cepat. Proses dari perubahan citra RGB menjadi

citra grayscale dapat dilihat pada gambar 3.28.

Gambar 3.28. (a) Citra RGB (b) Citra Grayscale

3.2.4.4. Proses Thresholding

Tahapan ini merupakan tahapan untuk mengubah citra dari citra grayscale ke

citra biner, dimana citra biner ini merupakan citra yang bernilai 0 dan 1. Pada tugas

akhir ini citra yang berwarna hitam yaitu garis akan diberikan nilai 1, sedangkan

citra yang berwarna putih yaitu background akan diberikan nilai 0. Proses

thresholding ini akan semakin memperkecil ukuran dari citra, karena hasil dari

thresholding ini yaitu citra biner hanya terdiri dari bit 0 dan 1, sehingga proses

pengolahan citra yang akan dilakukan akan lebih cepat pemrosesannya, tetapi cahaya


60


yang terlalu terang akan mempengaruhi hasil dari proses thresholding. Gambar 2.35

berikut merupakan gambar dari proses thresholding image

Gambar 3.29. Citra Grayscale (b) Citra Biner

3.2.4.5. Proses Segmentation

Proses segmentasi merupakan proses pembagian citra menjadi beberapa

bagian. Pada tugas akhir ini citra yang akan disegmentasi adalah citra biner yang

telah didapat. Citra ini akan dibagi menjadi 8 bagian, setiap bagian-bagian tersebut

mewakili satu bit. Bagian-bagian citra tersebut berukuran 40 x 40 pixel, segmentasi

ini dilakukan untuk memudahkan mengelompokan citra tersebut. Hasil dari

pembagian citra inilah yang nantinya akan menjadi masukan untuk gerak dari motor.

Gambar 3.30 berikut merupakan hasil dari proses segmentasi.

Gambar 3.30. (a) Citra Biner (b) Hasil segmentasi


61


BAB 4

MOTOR DC

4.1. Definisi Motor DC

Motor DC adalah alat yang dapat mengubah daya listrik DC menjadi daya

mekanik. Apabila pada penghantar yang dialiri listrik dan terletak diantara dua buah

kutub magnet (kutub utara dan kutub selatan), maka pada penghantar tersebut akan

terjadi gaya yang menggerakkan penghantar tersebut. Suatu kumparan yang terletak

dalam medan magnet yang arah arus dari kedua sisinya berlawanan sehingga arah

gerak terhadap putaran berbeda selanjutnya akan menghasilkan gaya gerak putar atau

kopel.

Semakin besar arusnya maka akan semakin besar kopelnya, juga jika gaya

magnetnya makin kuat kopelnya makin berat. Jika kumparan terletak diantara kutub

magnet yang sedang berputar maka pada kumparan tersebut akan timbul suatu

tegangan dari luar yang disebut gaya gerak listrik (ggl) lawan. Besar kecilnya ggl

lawan tergantung dari tahanan jangkarnya. Adapun bentuk dari bagian dalam motor

DC dapat dilihat pada gambar 4.1.

Gambar 4.1 Bagian Dalam Motor DC


62


Keuntungan utama motor DC adalah sebagai pengendali kecepatan, yang

tidak mempengaruhi kualitas pasokan daya. Motor ini dapat dikendalikan dengan

mengatur:

1. Tegangan dinamo – meningkatkan tegangan dinamo akan meningkatkan

kecepatan.

2. Arus medan – menurunkan arus medan akan meningkatkan kecepatan.

Motor DC bekerja bedasarkan prinsip gaya Lorentz yang menyatakan ketika

sebuah konduktor beraliran arus diletakkan dalam sebuah medan magnet maka

sebuah gaya akan tercipta secara ortogonal diantara arah medan magnet dan arah

aliran arus, gaya tersebut dikenal dengan gaya Lorentz. Pada gambar 4.2

menunjukkan motor DC beserta gear-box nya.

Gambar 4.2. Motor DC Beserta Gear-Box.

Kecepatan dari motor DC diatur dengan mengubah-ubah tegangan pada motor

tersebut. Jadi, ketika motor DC 5 V diberikan tegangan 2.5 V, maka motor ini hanya

akan berputar pada setengah kecepatan maksimalnya. Pada motor DC dianjurkan

untuk menambahkan gear-box, karena gear-box tersebut berfungsi sebagai pereduksi

putaran atau rotate per minutes (rpm) dari motor dan juga berfungsi menghasilkan

kekuatan putar (torsi) yang paling besar. Bahwa sebuah robot tidak hanya

memerlukan kecepatan motor yang tinggi, tetapi juga torsi yang besar.


63


Penggunaan motor DC dengan pengendali (driver) berupa rangkaian H-

Bridge (IC L293D) merupakan teknik yang paling umum digunakan pada sistem

kendali. IC L293D ini merupakan driver motor DC dua arah yang bisa

menggerakkan motor untuk bergerak maju atau mundur.

4.2. Perangkat H – Bridge

Rangkaian dasar yang biasa digunakan untuk menggerakkan motor DC dikenal

dengan nama rangkaian H-Bridge, rangkaian ini digunakan jika motor akan

digerakkan dalam dua arah. H-Bridge adalah suatu rangkaian elektronik yang

memungkin motor DC dapat berputar ke depan (forward) atau ke belakang

(backward). H-Bridge tersedia dalam bentuk Integrated Circuit (IC) atau dapat

dirangkai sendiri dari komponen-komponen elektronika. Saat ini IC penggerak motor

DC sudah banyak beredar dipasaran, diantaranya L293D, L298, UCN 2998, dan

lain-lain.

Pemilihan tipe IC (chip) yang digunakan berdasarkan nilai tegangan dan arus

motor yang mampu dikendalikannya. Untuk motor kecil (< 600 mA), salah satu

driver tesebut yaitu L293D, sedangkan kebutuhan arus motor yang lebih besar (< 4

A) dapat digunakan L298. IC L293D berisi empat driver H berarus tinggi. IC

tersebut didesain guna menyediakan pengatur (driver) arus listrik secara dua arah

(bidirectional) hingga mencapai lebih dari 1 A pada tegangan dari 4.5 V sampai

dengan 36 V. Gambar skematis pin-pin pada IC L293D yang ditunjukkan pada

gambar 4.3.


64


Gambar 4.3 Konfigurasi Pin Driver Motor DC (L293D).

Pada IC L293D dapat digunakan untuk mengendalikan dua motor sekaligus,

yang dikendalikan yaitu kecepatan putar (dengan PWM) dan arah putar. Sinyal

PWM yang berasal dari mikrokontroler menjadi masukkan kaki EN (Enable)

L293D, sedangkan IN1 dan IN2 mendapat masukkan sumber tetap.

Namun, jika dikehendaki, dapat mengendalikannya dengan kontroler, maka

perlu menghubungkan ke mikrokontroler. Jadi, secara ideal, sebuah motor

membutuhkan 3 pin I/O mikrokontroler. Adapun tabel kebenaran L293D terdapat

pada tabel 4.2.

Tabel 4.1. Tabel Kebenaran L293D.EN (Enable) IN1 IN2 Fungsi1 1 0 Putar Kanan1 0 1 Putar Kiri1 0 0 Henti Segera1 1 1 Henti Segera0 X x Henti Lambat

4.3. Pulse Width Modulation (PWM)

Kecepatan motor listrik (termasuk motor DC) tergantung dari daya yang

diberikan (pada arus yang konstan maka kecepatan motor tergantung dari tegangan).

Makin besar tegangan, maka semakin cepat pula putarannya. Salah satu metode yang

paling sering digunakan dalam pengaturan kecepatan motor ini yaitu dengan Pulse


65


Width Modulation (PWM). PWM merupakan suatu teknik yang powerful untuk

mengendalikan rangkaian analog dengan keluaran digital suatu mikroprosesor.

Pada PWM, tegangan tidak secara kontinu diberikan, melainkan berupa

gelombang segi empat. Prinsip pengendaliannya dengan cara mengubah duty cycle

atau lebar pulsanya. Gambar 4.5 menunjukkan bentuk sinyal PWM pada berbagai

nilai duty cycle (siklus kerja).

Gambar 4.4 Bentuk Sinyal PWM Pada Berbagai Nilai Duty Cycle.

Dari gambar 4.4 ketika duty cycle 0 %, maka motor benar-benar mati karena

tidak ada beda tegangan. Saat kondisi PWM 25 %, maka tegangan motor akan

diberikan pada seperempat periode. Ketika PWM dalam kondisi 50 %, maka motor

berputar dengan setengah karena tegangan rata-rata yang diberikan setengah dari

tegangan penuh. Pada saat PWM 75 %, maka tegangan motor akan diberikan pada

tiga perempat peride. Namun ketika PWM mencapai 100 %, maka motor akan

berputar dengan kecepatan penuh karena keluaran dari PWM 5 V terus menerus.


66


Pada dasarnya sebuah rangkaian penghasil PWM merupakan sebuah counter,

biasanya up and down counter, yang men-toggle keluarannya apabila mencapai nilai

tertentu. Ada beberapa mode operasi PWM pada mikrokontroler ATMega 8535,

namun akan dibahas dua mode saja, yaitu :

4.3.1. Fast PWM Mode.

Timer/Counter 1 dalam mode fast PWM digunakan untuk mengendalikan lama t

on dan t off melalui isi register pembanding OCR1A atau OCR1B yang akan

berakibat kepada besar duty cycle yang dihasilkan. Untuk saluran (channel) PWM

timer / counter 1 yaitu pin OC1A dan OC1B sebagai keluaran saluran PWM. Dalam

mode fast PWM sifat cacahan register pencacah TCNT1 mencacah dari BOTTOM

(0x0000) terus mencacah naik (counting up) hingga mencapai TOP (nilai maksimal

yang ditentukan sesuai resolusi yang diinginkan, misalnya resolusinya 10 bit, maka

nilai TOP = 0x03FF) kemudian mulai dari BOTTOM lagi dan begitu seterusnya atau

yang dinamakan single slope (satu arah cacahan).

Resolusi fast PWM dapat ditentukan dengan resolusi yang sudah tetap seperti 8,

9, 10 bit. Resolusi minimal yang diizinkan yaitu 2 bit (0x0003), dan resolusi

maksimal yang diizinkan yaitu 16 bit (0xFFFF). Resolusi dapat dihitung dengan

menggunakan persamaan (4.1).

…………………… (4.1)

Dalam mode output PWM pada ATMega 8535 mempunyai dua tipe output, yaitu

non-inverting dan inverting. Pada gambar 4.5 memperlihatkan grafik pulsa fast

PWM.

Dalam mode non-inverting saluran kelauaran PWM pin OC1x di clear pada

saat compare match (TCNT1 = OCRx) dan di set ketika BOTTOM (TCNT1 =

0x0000). Sedangkan dalam mode inverting saluran keluaran pin OC1x di set pada

saat compare match (TCNT1 = OCRx) dan di clear ketika BOTTOM (TCNT1 =

0x0000). Alasan penggunaan PWM jenis inverting dan non-inverting yaitu karena


67


terdapat dua jenis perangkat keras yang menggunakan PWM, yaitu yang

menggunakan active low dan yang menggunakan active high.

Perbedaan non-inverting dan inverting dalam mode fast PWM yaitu dilihat dari

bentuk pulsanya, dimana PWM non-inverting yang dikendalikan yaitu lama t on nya

melalui isi OCR1x, sedangkan PWM inverting yang dikendalikan yaitu lama t off

nya melaui isi OCR1x.

Gambar 4.5. Pulsa Fast PWM.

Adapun frekuensi fast PWM dihitung dengan menggunakan persamaan (4.2).

…………………… (4.2)

Dimana F clk_I/O yaitu frekuensi clock chip yang digunakan, sedangkan N yaitu

prescaler sumber clock yang digunakan (1,8,64,256,1024).

4.3.2. Phase Correct PWM Mode

Pada mode phase correct PWM, cara operasi cacahan register TCNT1 yaitu

menggunakan dual slope (dua arah cacahan / bolak-balik) dimana TCNT1 mencacah

dari BOTTOM (0x0000) counting up hingga mencapai TOP (resolusi yang


68


diinginkan) kemudian counting down hingga BOTTOM (0x0000) dan begitu

seterusnya.

Resolusi mode phase correct PWM dapat ditentukan dengan resolusi yang sudah

tetap seperti 8, 9, 10 bit. Resolusi minimal yang diizinkan yaitu 2 bit (0x0003), dan

resolusi maksimal yang diizinkan yaitu 16 bit (0xFFFF). Resolusi dapat dihitung

dengan menggunakan persamaan (4.3).

…………………… (4.3)

Dalam mode output PWM pada ATMega 8535 mempunyai dua tipe output,

yaitu non-inverting dan inverting. Pada gambar 4.7 memperlihatkan grafik pulsa

phase correct PWM.

Gambar 4.7. Pulsa Phase Correct PWM.

Dalam mode non-inverting saluran keluaran PWM pin OC1x di clear pada saat

compare match (TCNT1 = OCRx) ketika counting up dan di set pada saat compare

match ketika counting down. Sedangkan mode inverting saluran keluaran PWM pin


69


OC1x di set pada saat compare match (TCNT1 = OCRx) ketika counting up dan di

clear pada saat compare match ketika counting down.

Perbedaan non-inverting dan inverting dalam mode phase correct PWM yaitu

dilihat dari bentuk pulsanya, dimana PWM non-inverting yang dikendalikan yaitu

lama t on nya melalui isi OCR1x, sedangkan PWM inverting yang dikendalikan

yaitu lama t off nya melaui isi OCR1x.

Adapun frekuensi phase correct PWM dihitung dengan menggunakan

persamaan (4.4).

…………………… (4.4)

Dimana F clk_I/O yaitu frekuensi clock chip yang digunakan, sedangkan N yaitu

prescaler sumber clock yang digunakan (1,8,32,64,128,256,1024).

Frekuensi yang terlalu tinggi mengakibatkan pengaturan menggunakan PWM

tidak berpengaruh karena tegangan yang masuk terlalu rapat, hal tersebut tergantung

pada respon frekuensi dari motor DC yang digunakan.


70


DAFTAR PUSTAKA

1. Pitowarno E, 2006. Robotika Desain, Kontrol dan Kecerdasan Buatan. Buku Teks. Penerbit ANDI, Indonesia

2. Ming Xie, 2003. Fundamentals of Robotic: Linking Perception to Action. World Scientific Publishing Co.

3. Nurmaini, S. 2012. Intelligent Navigation for Embedded Mobile Robot: The Application of Embedded Controller. Lap Lambert Academic Publishing; ISBN: 9783659001055

4. Robin R. Murphy, 2000. Introduction to AI Robotic. A Bradford Book The MIT Press Cambridge, Massachusetts London, England

5. Jonathan Courbon, Youcef Mezouar dan Philippe Martinet, 2008. Indoor Navigation of a Non-Holonomic Mobile Robot Using a Visual Memory. Springer Science+Business Media, LLC 2008

6. Winoto A, 2008. Mikrokontroler AVR ATMega8/32/16/8535 dan Pemrogramannya dengan Bahasa C pada WinAVR. Buku Teks. Penerbit Informatika. Bandung, Indonesia

Materi Ajar Robotika

Documents

Transcript of Materi Ajar Robotika