Robot Cerdas Penembak Objek Bergerak Menggunakan Extended Kalman Filter Dengan Kontrol Pid Berbasis
-
Upload
imbang-ismail -
Category
Documents
-
view
254 -
download
1
description
Transcript of Robot Cerdas Penembak Objek Bergerak Menggunakan Extended Kalman Filter Dengan Kontrol Pid Berbasis
1
USULAN PROGRAM KREATIFITAS MAHASISWA
JUDUL PROGRAM
ROBOT CERDAS PENEMBAK OBJEK BERGERAK MENGGUNAKAN
EXTENDED KALMAN FILTER DENGAN KONTROL PID BERBASIS
ARM CORTEXM3
BIDANG KEGIATAN:
PKM- KARSA CIPTA (PKM-KC)
Diusulkan oleh :
Ketua : Agung Raharja Ishanjaya (7608040018) 2008
Anggota : Erlangga Dewantara (7608040001) 2008
M.Nhasa Nashiruddin (7608040008) 2008
M.Hildi Radya Nararya (7610040010) 2010
POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER
SURABAYA
2010
2
Halaman Pengesahan
1. Judul Kegiatan : Robot Cerdas Penembak Objek Bergerak Menggunakan
Extended Kalman Filter Dengan Kontrol Pid Berbasis
Arm Cortex M3
2. Bidang Kegiatan : ( ) PKM-P ( ) PKM-K ( √ ) PKM-KC
(Pilih salah satu) ( ) PKM-T ( ) PKM-M
3. Bidang Ilmu : ( ) Kesehatan ( ) Pertanian
(Pilih salah satu) ( ) MIPA (√ ) Teknologi dan
Rekayasa
( ) Sosial Ekonomi ( ) Humaniora
( ) Pendidikan
4. Ketua Pelaksana Kegiatan
a. Nama Lengkap : Agung Raharja Ishanjaya
b. NIM : 7608040018
c. Jurusan : Teknik Komputer
d. Universitas/Institut/Politeknik : Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
- ITS
e. Alamat Rumah dan No Tel./HP : Jl.Blitar Raya.No.6 Perum GKB Gresik
f. Alamat email : [email protected]
5. Anggota Pelaksana Kegiatan/Penulis : 4 orang
6. Dosen Pendamping
a. Nama Lengkap dan Gelar : Fernando Ardilla, SST
b. NIP : 19820203 200812 1 001
c. Alamat Rumah dan No Tel./HP : Sukolilo Dian Regency Makmur 4/23
Surabaya
7. Biaya Kegiatan Total :
a. Dikti : Rp 8.770.000,00
b. Sumber lain (sebutkan . . . ) : Rp 0,00
8. Jangka Waktu Pelaksanaan : 5 bulan
3
Surabaya, 12 Oktober 2010
Menyetujui,
Ketua Jurusan / Program Studi Ketua Pelaksana Kegiatan
Teknik Komputer
(Ir. Sigit Wasista, M.Kom) (Agung Raharja Ishanjaya)
NIP. 19660812 199303 1 005 NIM. 7608040018
Pembantu Direktur Bidang Kemahasiswaan Dosen Pendamping PKMKC
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
(Drs. Miftahul Huda, MT) (Fernando Ardilla, SST)
NIP. 19631012 199303 1 002 NIP. 19820203 200812 1 001
4
1. Judul
“ ROBOT CERDAS PENEMBAK OBJEK BERGERAK MENGGUNAKAN
EXTENDED KALMAN FILTER DENGAN KONTROL PID BERBASIS
ARM CORTEXM3 ”
2. Latar Belakang
Teknologi diciptakan manusia untuk menjalankan sebuah tugas, yaitu memudahkan
kehidupan manusia dalam berbagai bidang. Kemajuan teknologi dalam kehidupan manusia,
banyak dipengaruhi oleh berkembangnya peradaban dan kebutuhan manusia. Tidak terkecuali
di bidang pertahanan, keamanan, militer, informasi dan bahkan diplomasi begitu banyak
teknologi yang diciptakan manusia demi tercapainya efektivitas dan juga efisiensi hasil.
Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dalam bidang pertahanan utamanya, dapat
memberikan ancaman tersendiri, baik itu militer maupun non militer. Untuk itu, kemajuan
Iptek harus dimanfaatkan untuk mendukung terwujudnya pertahanan negara yang solid,
kokoh, dan kuat. Seiring derasnya arus globalisasi yang mempengaruhi segala aspek
kehidupan berbangsa dan bernegara, berbagai negara telah berlomba-lomba dalam
penguasaan dan penerapan ilmu pengetahuan dan teknologi untuk mendukung pertahanan
negaranya.
Dengan Iptek, sistem persenjataan dan alat peralatan baru dapat diciptakan untuk
mendukung keperluan militer/pertahanan yang lebih handal, lebih akurat, dan lebih cepat dan
fleksibel pengerahannya. Teknologi dalam memproduksi persenjataan dan alat peralatan
tersebut terus berkembang sejalan dengan perkembangan Iptek. Teknologi pada bidang
kemiliteran sangat penting diperlukan untuk pertahanan dan keamanan negara. Sekarang ini
penggunaan robot sebagai pengganti peran manusia telah banyak diterapkan di berbagai
bidang. Utamanya bidang yang sangat besar resikonya, sebagai contoh dalam pengintaian dan
penembakan musuh yang dianggap sangat penting pada sistem keamanan militer pada bidang
pertahanan dan keamanan.
Seperti yang kita ketahui bahwa mempertahankan lebih sulit daripada menyerang.
Untuk itulah diperlukan sebuah sistem keamanan yang mampu memberikan serangan. Dengan
harapan, sistem keamanan dengan pertahanan tipe seperti ini akan menimbulkan tekanan dan
kesan lebih sulit dan lebih berbahaya bagi musuh. Dalam proyek ini penyusun akan membuat
sebuah sistem pengamanan yang memanfaatkan ilmu robotika dan beberapa metode dari ilmu
Computer Vision. Dengan menerapkan berbagai teori dari kedua ilmu tersebut, penyusun
5
akan membangun sebuah robot penembak cerdas yang mampu melakukan scanning untuk
menemukan sasaran pada sebuah ruangan dengan jarak yang sudah ditentukan.
Berdasarkan dari latar belakang diatas, maka kami mencoba untuk membuat sebuah
prototipe robot penembak yang kedepannya nanti diharapkan menjadi pacuan untuk
mengembangkan lebih jauh teknologi militer Indonesia, mendorong para pengembang-
pengembang militer Indonesia, serta memberikan sebuah daya tarik terhadap masyarakat yang
tertarik dalam dunia militer Indonesia, yang akhir-akhir ini diragukan kemampuannya .
3. Rumusan Masalah
Berdasarkan dari penjelasan diatas, dapat diperoleh beberapa rumusan masalah yaitu :
1. Bagaimana rancangan mekanik robot penembak ?
2. Bagaimana cara sistem robot penembak mengenali objek?
3. Bagaimana mengimplementasikan metode PID untuk mengatur posisi pengarahan
penembak berdasarkan input koordinat yang diproses dari kamera USB menggunakan
metode kalman filter.
4. Tujuan Penelitian
1. Membuat sebuah robot penembak yang di gunakan untuk menembak objek tepat
sasaran secara otomatis.
2. Mengembangkan teknologi robot penembak yang telah digunakan sebelumnya.
5. Luaran yang diharapkan
Proyek pembuatan perangkat yang dibuat yaitu merupakan robot penembak yang
berfungsi sebagai penembak sasaran secara otomatis. Pada pembuatan robot penembak ini,
diharapkan objek dapat di tembak sesuai input koordinat objek yang di proses oleh kamera
dengan menggunakan metode extended kalman filter, sedangkan pergerakan penembak di
kontrol menggunakan metode PID yang di dapatkan dari koordinat objek.
6
Gambar 1 konsep robot penembak.
6. Kegunaan
Kegunaan bagi mahasiswa :
1. Meningkatkan pengetahuan mereka dibidangnya dan dapat mengembangkan sebuah
inovasi baru khususnya dibidang teknologi.
2. Melatih kemampuan mahasiswa untuk menggunakan komponen-komponen dasar
elektronika dan mampu mengimplementasikan ilmu-ilmu elektronika.
3. Mengaplikasikan ilmu-ilmu pengetahuan yang telah didapatkan diperkuliahan.
Kegunaan bagi masyarakat :
1. Mengembangkan teknologi kemiliteran dengan menjadikan sebuah peralatan tempur
yang canggih.
2. Dapat di gunakan sebagai pendukung sebuah sistem keamanan pada suatu tempat yang
membutuhkan keamanan yang sangat ketat.
7
7. Tinjauan Pustaka
1. Extended Kalman Filter
Filter Kalman merupakan bentuk prediktor-korektor digunakan secara luas dalam
rekayasa sistem kontrol untuk memperkirakan state dari sebuah proses. State
diperkirakan kemudian dapat digunakan sebagai bagian dari control law untuk
mengontrol satu atau lebih state.
(1)
(2)
(3)
Dengan k menunjukkan titik diskrit dalam waktu (dengan k-1 menjadi titik
waktu). uk adalah vektor input xk adalah vektor dari state yang sebenarnya, beberapa
yang mungkin tidak teramati. yk adalah vektor dari output proses yang sebenarnya.
adalah vektor dari output proses yang diukur. Wk dan vk adalah proses dan keluaran
suara masing-masing. Apabila diasumsikan nol berarti Gaussian dengan QK kovarians
dan Rk masing-masing. f (.) dan h (.) fungsi generik non-linear yang terkait keadaan
masa lalu, input dan waktu saat ini untuk keadaam berikutnya dan keluaran masing-
masing. Seperti Kalman Filter, Extended Kalman Filter menggunakan algoritma
prediktor-korektor 2 langkah. Langkah pertama melibatkan memproyeksikan baik
perkiraan state yang paling terakhir dan perkiraan dari kovarians kesalahan (dari
periode waktu sebelumnya) ke depan dalam waktu untuk menghitung estimasi
perkiraan dari state pada waktu saat ini. Langkah kedua melibatkan state mengoreksi
estimasi diperkirakan dihitung pada langkah pertama dengan memasukkan proses
pengukuran terbaru untuk menghasilkan perkiraan state baru.
Namun, karena sifat non-linear dari proses yang memperkirakan prediksi
kovarians dan persamaan update tidak dapat menggunakan f dan h langsung.
Sebaliknya mereka menggunakan Jacobian dari f dan h.
(4)
(5)
Untuk Extended Kalman Filter, matematis, langkah prediktor diberikan oleh
(6)
8
(7)
Dan langkah korektor diberikan oleh,
(8)
(9)
(10)
Dalam persamaan di atas Pk adalah perkiraan kovarians dari kesalahan
pengukuran dan Kk disebut gain Kalman. Setelah kedua prediksi dan langkah-
langkah koreksi telah dilakukan kemudian adalah perkiraan state saat ini dan dapat
dihitung secara langsung dari itu. Kedua dan disimpan dan digunakan dalam langkah
prediktor periode waktu berikutnya.
Jika proses linear maka runtuhnya persamaan di atas untuk persamaan asli
Kalman Filter. Namun, tidak seperti Filter Kalman, Extended Kalman Filter adalah
tidak optimal dalam arti apapun. Dan lebih lanjut, jika model proses tidak akurat
kemudian karena penggunaan Jacobian yang pada dasarnya merupakan linierisasi
dari model Extended Kalman Filter kemungkinan akan menyimpang yang mengarah
ke perkiraan yang sangat buruk.
2. Kontroler PID
Kontroler adalah komponen yang berfungsi meminimasi sinyal kesalahan. Keberadaan
kontroler atau pengendali dalam sebuah sistem kontrol mempunyai kontribusi yang
besar terhadap perilaku sistem. Pada prinsipnya hal itu disebabkan oleh model plant
yang diasumsikan tidak dapat diubah, sehingga untuk mengubah karakteristik dan
kinerja sistem secara keseluruhan seperti yang diinginkan, diperlukanlah suatu
pengendali. Pengendali inilah yang modelnya dapat diubah, sehingga model sistem
seluruhnya juga berubah sesuai yang dikehendaki. Selain itu, salah satu tugas
komponen kontroler adalah mereduksi sinyal kesalahan, yaitu perbedaan antara sinyal
setting dan sinyal actual yang dibandingkan melalui umpan balik. Kontroler akan
senantiasa mengubah sinyal aksi selama sinyal error terjadi.
9
input
umpan
e (t)
de(t)
dt
KP
1
T1 Kp
Kp Td
+
+ +
+ _
m (t)
Gambar 2. Diagram blok sistem pengaturan putaran motor DC
Kendali yang diaplikasikan pada sistem pengaturan putaran motor DC pada
laporan ini adalah kendali PID. Secara umum, blok diagram kontroler PID yang
digunakan, terlihat pada gambar 2 dibawah ini:
Gambar 3. Blok Kontroler PID
3. Motor DC
Prinsip Kerja
Motor DC atau motor arus searah adalah suatu mesin yang berfungsi untuk
mengubah tenaga listrik searah menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik berupa
putaran dari rotor. Prinsip kerja motor dc hampir sama dengan generator dc. Kecuali
pada konversi daya yang dihasilkan. Prinsip dasar motor dc yaitu : “ Apabila suatu
kawat berarus diletakkan diantara kutub-kutub magnet Utara dan selatan (U-S), maka
pada kawat itu akan bekerja suatu gaya yang menggerakkan kawat tersebut”.
Gambar 4. Prinsip kerja Motor DC
reference u
Kontrol
er
Motor
Rotary Encoder
e output
+
-
10
Pengaturan Kecepatan Motor DC
Salah satu pengaturan kecepatan motor dc adalah dengan mengatur tegangan
Vt, pada pengaturan kecepatan motor dc dengan penguat sendiri yang diatur adalah
tegangan jepit pada kumparan jangkar Vt atau Va. Hampir sama dengan motor dc
penguat terpisah hanya saja pada motor dc penguat sendiri pada proyek akhir ini adalah
menggunakan magnet permanen.
Pada saat start, motor dc penguat sendiri pertama kali berputar pada kecepatan
(ω) rendah dan torsi (τ) pada motor sangat tinggi. Kondisi seperti ini berlanjut
apabila kecepatan motor dc semakin tinggi maka torsi pada motor akan semakin
rendah. Hal ini sesuai dengan persamaan, bahwa :
dimana :
τ = torsi motor
P = daya motor
ω = kecepatan motor
Sesuai persamaan diatas bahwa kecepatan dan torsi saling berbanding terbalik.
Artinya semakin besar kecepatan motor maka torsi motor semakin kecil dan apabila
kecepatan motor semakin kecil maka torsi motor semakin besar. Gambar 6.
menunjukkan garfik fungsi torsi terhadap kecepatan.
Gambar 5. Grafik fungsi torsi terhadap kecepatan (secara umum)
4. Driver Motor DC
Gambar 6. H-Bridge Driver Motor DC
11
Rangkaian driver dirancang untuk mengaktifkan motor DC sebagai penggerak
kamera. Kombinasi rangkaian driver ini dirancang supaya motor DC dapat berputar
forward-reverse, menyesuaikan input program yang bekerja berdasarkan sinyal kontrol
PID.
5. Arm Cortex M3
Prosesor Cortex-M3, berdasarkan arsitektur ARMv7-M, memiliki struktur
hirarkis. Ini mengintegrasikan core prosesor pusat, yang disebut CM3Core, dengan
periferal sistem canggih untuk mengaktifkan kemampuan yang terintegrasi seperti
kontrol mengganggu, perlindungan memori dan debug sistem dan jejak. Peripheral
ini sangat dapat dikonfigurasi yang memungkinkan prosesor Cortex-M3 untuk
mengatasi berbagai-berbagai aplikasi dan menjadi lebih erat selaras dengan
persyaratan sistem. Cortex-M3 core dan komponen yang terintegrasi telah dirancang
khusus untuk memenuhi persyaratan pelaksanaan memori minimal, mengurangi
jumlah pin dan konsumsi daya rendah.
Gambar 7. Diagram Blok Arsitektur ARM ® Cortex ™-M3
12
8. Metode Pelaksanaan.
Sewaktu melakukan apapun terlebih dahulu harus diketahui urutan – urutan yang
benar sehingga dapat dikerjakan dengan baik, begitupula dengan pembuatan robot penembak
ini. Dengan penjadwalan dan urutan kegiatasn yang jelas, diharapkan pembuatan aplikasi ini
bisa berjalan dengan baik dan dengan hasil yang baik pula. Untuk dapat merancang dan
membuat robot penembak ini, maka perhatikan urutan flow chart berikut:
PEMBUATAN MEKANIK ROBOT
MERANCANG RANGKAIAN KONTROLER ROBOT
UJI COBA PENJEJAKAN SASARAN DENGAN
METODE EXTENDED KALMAN FILTER
SELESAI
MULAI
STUDI LITERATUR
OBSERVASI
PEMBELIAN BAHAN
UJI COBA PENGIRIMAN DATA KOORDINAT DARI
KAMERA USB KE ARM CORTEX M3
PENGUJIAN DAN EVALUASI SISTEM KESELURUHAN
PEMBUATAN LAPORAN
UJI COBA KONTROL MOTOR DENGAN METODE PID
13
1. Studi literatur
Dalam studi literatur ini kita akan mempelajari beberapa hal berikut ini :
o Mempelajari tentang bahasa pemrograman C.
o Mempelajari tentang modul Arm Cortex M3.
o Mempelajari tentang interfacing kamera .
o Mempelajari tentang metode extended kalman filter.
o Mempelajari tentang metode PID.
2. Blok diagram robot penembak
Gambar 7. Diagram Blok Keseluruhan Sistem Robot Penembak
9. Jadwal pelaksanaan program.
No Studi literatur
Bulan ke -
I II III IV V
1. Studi Literatur
2 Pembelian bahan yang dibutuhkan
3 Pembuatan alat secara lengkap
4 Pengujian Alat
5 Uji coba alat di lapangan
6 Pembuatan laporan akhir
Rancangan Proyek Akhir
Kamera Komputer
Di kerjakan orang lain
Arm Cortex M3
Motor DC 1
Motor DC 2
Air SoftGun
Rotary Encoder
Rotary Encoder
14
10. Rancangan Biaya
Adapun dana yang digunakan dalam pembuatan alat ini, yaitu:
Pengeluaran:
1. Studi literatur :
Internet = Rp. 200.000,00
Photocopy literatur = Rp. 50.000,00
Biaya transportasi = Rp. 100.000,00 +
Sub Total Rp. 350.000,00
2. Pembelian hardware dan sensor:
Modul Arm Cortex M3 = Rp. 800.000,00
Rotary Encoder = Rp. 2.000.000,00
2x@ Rp.1.000.000,00
Level Converter = Rp. 140..000,00
Power Supply Switching = Rp. 100.000,00
H-bridge driver Motor DC = Rp. 70.000,00
Motor DC = Rp. 400.000,00
2 x @200.000,00
Kamera USB = Rp. 500.000,00
Alumunium = Rp. 250.000,00
Acrylic = Rp. 250.000,00
Kabel = Rp. 50.000,00
Socket Kabel = Rp. 30.000,00
Bearing = Rp. 150.000,00
Baut + Mur = Rp. 30.000,00
AirSoft Electric Gun = Rp. 2.500.000,00
Komponen Lain-lain = Rp. 300.000,00
Biaya Implementasi = Rp. 700.000,00
Biaya testing = Rp. 500.000,00
Sub Total = Rp. 8.770.000,00
15
11. Daftar Pustaka
1. Lin, Abney, and Bekey .2008.”Autonomous Military Robotics: Risk, Ethics, and
Design”.
2. Shyam Sadasivan. 2006.”An Introduction to the ARM Cortex-M3 Processor”.
3. Andrew Caballero,Ian Stine,Steve Majo,Mike Bok.2008.”Auto-Targeting Sentry
Gun with Friend/Foe Recognition”, Project Documentation University of
Central Florida.
4. Matt Krass.2006.”PID Control Theory”,Team 358.
5. Setiawardhana. 2010. Rancang Bangun Sistem Penjejakan Wajah
Menggunakan Kamera PTZ dengan Metode Adaptive Neuro-Fuzzy. Tesis
Program Magister Teknik Elektro-Institut Teknologi Sepuluh Nopember.
Surabaya.
6. Arihutomo, Mukhlas. 2010. Rancang Bangun Sistem Penjejakan Objek
Menggunakan Metode Viola Jones untuk Aplikasi Eyebot. Proyek Akhir
Politeknik Elektronika Negeri Surabaya.
7. Ray, Ajoy K., Acharya, Tinku. 2005. Wiley Image Processing Principles and
Aplications . Aviser, Inc. Arizona.
8. Zhu, Yuliang. 2003”Hand Detection and Tracking in Active Vision System”.
Tesis Program Master of Computer Science York University ,
16
Lampiran
1. Biodata Ketua dan Anggaran Kelompok
a.) Ketua
Nama Lengkap : Agung Raharja Ishanjaya
NIM : 7608040018
Jurusan : Teknik Komputer
Universitas/Institut/Politeknik : Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Alamat Rumah dan No Tel./HP : Jl. Blitar Raya No.6 Perum GKB Gresik /
085755115941
Alamat email : [email protected]
Mengetahui,
(Agung Raharja Ishanjaya)
NIM.7608040018
b.) Anggota 1
Nama Lengkap : Erlangga Dewantara
NIM : 7608040001
Jurusan : Teknik Komputer
Universitas/Institut/Politeknik : Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Alamat Rumah : Jl.keputih Gg.2/34 Sukolilo Surabaya
No Tel./HP : 08993833011
Alamat email : [email protected]
Mengetahui,
(Erlangga Dewantara)
NIM.7608040001
17
c.) Anggota 2
Nama Lengkap : M. Nhasa Nashiruddin
NIM : 7608040008
Jurusan : Teknik Komputer
Universitas/Institut/Politeknik : Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Alamat Rumah : Suko Legok RT.15 RW.5 no.34A
Kec. Sukodono Kab. Sidoarjo
No Tel./HP : 03177989045
Alamat email : [email protected]
Mengetahui,
(M. Nhasa Nashiruddin)
NIM.7608040008
d.) Anggota 3
Nama Lengkap : M.Hildi Radya Nararya
NIM : 7610040010
Jurusan : Teknik Komputer
Universitas/Institut/Politeknik : Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Alamat Rumah : Keputih Gg.Makam Blok E10
No Tel./HP : 085655563667
Alamat email : [email protected]
Mengetahui,
(M.Hildi Radya Nararya)
NIM.7618040010
18
2. Biodata Dosen Pembimbing
Nama Lengkap : Fernando Ardilla, SST
NIP : 19820203 200812 1 001
Universitas/Institut/Politeknik : Politeknik Elektronika Negeri Surabaya
Alamat Rumah : Sukolilo Dian Regency makmur 4/23, Surabaya
No Tel./HP : 08563312336
Alamat email : [email protected]
Mengetahui,
( Fernando Ardilla, SST )
NIP. 19820203 200812 1 001