SENSOR DAN ROBOTIK

213 341 053TUTORIAL 9

TUGAS SENSORTUTORIAL 9

Disusun oleh:Nama: Dilla SelvianaNIM: 213 341 053Kelas: 3AEB

TEKNIK OTOMASI MANUFAKTUR DAN MEKATRONIKAPOLITEKNIK MANUFAKTUR NEGERI BANDUNG

20151. Time of Flight MeasurementPengukuran jarak dengan gelombang ultrasonik umumnya menggunakan metoda waktu tempuh (Time Of Flight), yaitu selang waktu yang dibutuhkan sejak gelombang ditransmisikan atau dipancarkan oleh transduser pemancar sampai gelombang tersebut diterima kembali oleh transduser penerima setelah dipantulkan oleh objek pemantul. Dengan mengetahui selang waktu tersebut maka jarak antara transduser dengan objek dapat ditentukan.

Gambar 2.1 Prinsip pengukuran jarak dengan metoda Time Of Flight

Gambar 2.1 menunjukan metoda pengukuran jarak menggunakan satu pemancar dan satu penerima dengan posisi transduser pemancar dan penerima sejajar. Pemancar terlebih dahulu memancarkan sinyal/gelombang ultrasonik melalui transduser pemancar dengan frekuensi 40 KHz selama beberapa mikrodetik dan saat itu penerima belum mendeteksi gelombang pantulan. Dalam selang waktu tertentu gelombang tersebut akan dideteksi oleh transduser penerima sebagai gelombang pantulan (echo) dari gelombang yang dipancarkan sebelumnya. Karena gelombang ultrasonik yang dipancarkan menempuh dua kali perjalanan, yaitu dari pemancar ke objek dan dari objek ke penerima, maka persamaan yang digunakan untuk menghitung jarak tersebut adalah :

S =

dimana:S = Jarak antara transduser dengan objek (m)t = Waktu tempuh (s)v = Cepat rambat gelombang suara di udara (m/s)

Gambar 2.2 Pemantulan gelombang oleh permukaan yang tegak lurus terhadap sumbu akustik transduser pemancar

Gambar 2.2 memperlihatkan posisi transduser tegak lurus terhadap objek sehingga gelombang ultrasonik yang dipancarkan akan diterima dengan baik oleh transduser penerima.

Gambar 2.3 Pemantulan gelombang oleh permukaan yang tidak tegak lurus terhadap sumbu akustik transduser pemancar

Gambar 2.3 memperlihatkan posisi transduser tidak tegak lurus terhadap objek sehingga gelombang ultrasonik yang dipancarkan tidak diterima kembali oleh transduser penerima. Jika sudut Q makin besar, maka gelombang pantulan akan menyebar ke arah yang lebih jauh transduser.

Gambar 2.4 : Pemantulan gelombang oleh objek lain

Gambar 2.4 menunjukan bahwa gelombang pantulan yang diterima oleh transduser bukan dari objek yang sebenarnya sehingga jarak yang dihasilkan oleh pengukuran ini kurang akurat karena dipengaruhi oleh permukaan objek.

2. TriangulationDalam trigonometri dan geometri dasar, triangulasi adalah proses mencari koordinat dan jarak sebuah titik dengan mengukur sudut antara titik tersebut dan dua titik referensi lainnya yang sudah diketahui posisi dan jarak antara keduanya. Koordinat dan jarak ditentukan dengan menggunakan hukum sinus.Beberapa identitas sering digunakan (hanya valid untuk geometri datar atau euklidean):1. Jumlah sudut sebuah segitiga adalah radian atau 180 derajad.2. Hukum sinus3. Hukum cosines4. Teorema Pythagoras

Triangulasi dapat digunakan untuk menentukan koordinat dan jarak dari pantai ke kapal. Pengamat di A mengukur sudut antara pantai dan kapal, dan pengamat di B melakukan hal yang sama untuk . Jika panjang l atau koordinat A dan B diketahui,maka hukum sinus dapat diterapkan dalam menentukan koordinat kapal di C dan jarak D.

3. Phase Shift MethodPhase Shift Keying (PSK) adalah modulasi yang menyatakan sinyal digital 1 sebagai suatu nilai tegangan tertentu dengan beda fasa tertentu pula (misalnya tegangan 1 Volt dengan beda fasa 0 derajat), dan sinyal digital 0 sebagai suatu nilai tegangan tertentu (yang sama dengan nilai tegangan sinyal PSK bernilai 1, misalnya 1 Volt) dengan beda fasa yang berbeda (misalnya beda fasa 180 derajat). Tentunya pada teknik-teknik yang lebih rumit, kita bisa melakukan modulasi dengan perbedaan fasa yang lebih banyak lagi.

Gambar 3.1 Jenis Modulasi Phase Shift Keying

Metoda ini merupakan suatu bentuk modulasi fasa yang memungkinkan fungsi pemodulasi fasa gelombang termodulasi di antara nilai-nilai diskrit yang telah ditetapkan sebelumnya. Dalam proses modulasi ini fasa dari frekuensi gelombang pembawa berubah-ubah sesuai denganperubahan status sinyal informasi digital. Sudut fasa harus mempunyai acuan kepada pemancar dan penerima. Akibatnya, sangat diperlukan stabilitas frekuensi pada pesawat penerima. Guna memudahkan untuk memperoleh stabilitas pada penerima, kadang-kadang dipakai suatu teknik yang koheren dengan PSK yang berbeda-beda. Hubungan antara dua sudut fasa yang dikirim digunakan untuk memelihara stabilitas. Dalam keadaan seperti ini , fasa yang ada dapat dideteksi bila fasa sebelumnya telah diketahui. Hasil dari perbandingan ini dipakai sebagai patokan (referensi).

Gambar 3.2 Jenis Modulasi PSK ( Phase Shift Keying )

a. Binary Phase Shift Keying (BPSK)

BPSK adalah format yang paling sederhana dari PSK. Menggunakan dua yang tahap yang dipisahkan sebesar 180 dan sering juga disebut 2-PSK. Modulasi ini paling sempurna dari semua bentuk modulasi PSK. Akan tetapi bentuk modulasi ini hanya mampu memodulasi 1 bit/simbol dan dengan demikian maka modulasi ini tidak cocok untuk aplikasi data-rate yang tinggi.

b. Quadrature Phase Shift Keying (QPSK)

Kadang-Kadang dikenal sebagai quarternary atau quadriphase PSK atau 4-PSK, QPSK menggunakan empat titik pada diagram konstilasi, terletak di sekitar suatu lingkaran. Dengan empat tahap, QPSK dapat mendekode dua bit per simbol. Hal ini berarti dua kali dari BPSK. Analisa menunjukkan bahwa ini mungkin digunakan untuk menggandakan data rate jika dibandingkan dengan sistem BPSK. Walaupun QPSK dapat dipandang sebagai sebagai suatu modulasi quaternary, lebih mudah untuk melihatnya sebagai dua quadrature carriers yang termodulasi tersendiri. Dengan penafsiran ini, maka bit yang digunakan untuk mengatur komponen phase pada sinyal carrier ketika digunakan untuk mengatur komponen quadrature-phase dari sinyal carrier tersebut. BPSK digunakan pada kedua carrier dan dapat dimodulasi dengan bebas. Phase Shift Keying (8 PSK) Sesuai dengan M-ary coding untuk modulasi 8 PSK jumlah n yang digunakan adalah n=3 sehingga menghasilkan beda fasa sebanyak delapan atau M=8. Modulasi 8 PSK memiliki delapan posisi beda fasa yang masing-masing sebesar 45 dengan 3 bit setiap simbol, diantaranya 000, 001, 010, 011, 100, 101, 110 dan 111.

4. InterferometerPemantauan dan pengendalian semua variabel proses seperti daya, temperatur, dan tekanan merupakan kebutuhan mutlak dalam bidang industri. Instrumentasi merupakan alat yang dapat digunakan untuk memantau dan mengendalikan variabel proses tersebut. Dari hasil pemantauan maka dapat diketahui apakah sistem berjalan sesuai dengan yang dikehendaki atau tidak. Bila terjadi penyimpangan, maka diperlukan tindakan kontrol sehingga proses dapat berjalan sesuai dengan yang diharapkan.Dengan ditemukannya sinar laser yang mempunyai sifat koheren, maka Interferometer dapat menjadi perangkat yang sangat berguna dalam industri. Interferometer dapat digunakan untuk mengukur getaran permukaan, simpangan, kecepatan partikel, temperatur dan sebagainya. Pengukuran berlangsung tanpa kontak mekanik sehingga tidak membebani obyek yang diukur. Disamping itu kepekaannya sangat tinggi: simpangan dengan orde kurang dari panjang gelombang cahaya dapat dideteksi dengan mudah.

Gambar 4.1 Skema sederhana perlengkapan interferometerJalannya sinar dari Source (sumber cahaya) melewati collimated beam menuju beam splitter menjadi dua yaitu sinar yang direfleksikan dan sinar yang ditransmisikan (diteruskan).

4.1 INTERFEROMETER MICHELSONInterferometer Michelson adalah salah satu jenis dari interferometer, yaitu suatu alat yang digunakan untuk menghasilkan suatu pola interferensi. Interferometer Michelson merupakan alat yang paling umum digunakan dalam mengukur pola interferensi untuk bidang optik yang ditemukan oleh Albert Abraham Michelson pada tahun 1887. Sebuah pola interferensi dihasilkan dengan membagi seberkas cahaya menggunakan sebuah alat yang bernama pembagi sinar (beam splitter). Interferensi terjadi ketika dua buah cahaya yang telah dibagi digabungkan kembali. Interferensi Michelson menghasilkan interferensi dari pembelokkan sinar cahaya dalam dua bagian. Setiap bagian dibuat melalui bagian yang berbeda dan membawa kembali semuanya menurut intreferensi panjang gelombang yang berbeda.

Dalam percobaan interferometer Michelson cahaya laser dibagi menjadi dua oleh beam divider, kemudian satu bagian dipantulkan ke cermin datar 1, dan satu bagian yang laindipantulkan ke cermin datar 2, sinar refleksi dari cermin datar 1 dan 2 akan bertemu kembalidibeam devider yang kemudian difokuskan oleh lensa sferis untuk kemudian berinterfesi dan terdeteksi dilayar penampang. Disini bisa terjadi dua kemungkinan yaitu interferensikonstruktif (penguatan sinar) terjadi ketika gelombang cahaya dalam keadan fase yang samasaling bebaur, dan interferensi destruktif (pelemaha cahaya atau keadan gelap) terjadi ketikadua gelombang cahaya yang memiliki beda fase 180o saling berbaur.

Pada percobaan Michelson dan morley, Eter diasumsikan memenuhi alam semesta dan berperan sebagai sebuah kerangka gerak. Jika seorang pengamat bergerak terhadap eter dengan kecepatan v, maka ia akan mengukur kecepatan cahaya sebesar c dengan c = c + v. Kedua ilmuwan itupun akan mengamati ether wind yang memiliki kecepatan relatif sebesar v terhadap bumi. Diasumsikan bahwa v sama besar dengan kecepatan bumi mengorbit matahari yaitu sebesar 30 km/s, maka . Michelson merancang sebuah inferometer optik dengan sensitivitas tinggi untuk dapat mendeteksi keberadaan eter ini.Michelson dan Morley melakukan percobaan dengan menggunakan sebuah interferometer yang di harapkan dapat menghasilkan pola interferensi. Interferensi terjadi ketika dua gelombang dating bersama pada suatu tempat, agar hasil interferensi dapat diamati maka syarat yang harus dipenuhi adalah dua sumber cahaya harus koheren keduanya memiliki beda fase yang selalu tetap (memiliki frekuensi dan amplitudo harus sama).Untuk mengukur panjang gelombang atau perubahan panjang gelombang dengan ketelitian sangat tinggi berdasarkan interferensi digunakana alat interferometer Michelson. Interferometer Michelson digunakan untuk mengukur panjang gelombang berdasarkan pergeseran salah satu cermin yang berhubungan dengan perubahan pola interferensi yang terjadi. Dasar pemikiran Michelson adalah sebagai berikut:Keterangan: T= sunnerM1M2= cermin datarM= beam spliterS= layar Sinar yang berasal dari sumber setelah melewati c2, terbagi menjadi dua gelombang, satu ditransmisikan menuju c1 tanpa perubahan fasa, oleh c1 dipantulkan lagi menuju c1 dengan mengalami loncatan fasa 180o, kemudian oleh ct dipantulkan menuju layar dengan fasa yang sama seperti cahaya dari sumber munuju ct yang kedua dipantulkan menuju oleh ct menuju c2 mengalami loncatan fasa 180o, oleh c2 dipantulkan menuju ctjuga dengan loncatan 180o kemudian oleh ct ditransmisikan menuju layar (disebut berkas).Berkas dua fasanya sama dengan gelombang dating dari sumber c1, jadi berkas 1 dari berkas 2 adalah cahaya berasal dari c1 dan c2 yang koheren karena beda fasanya tetap yaitu 00 (karena berkas 1 fasanya sama dengan berkas 2). Hal ini akan menimbulkan pola interferensi pada layar, apabila c1 dan c2 saling tegak lurus, efeknya sama dengan sinar yang jatuh pada udara dengan ketebalan (c1 c2). Jadi apabila c2 (cermin ke-2) digeser-geser akan terjadi kolom udara (c1 c2) akibatnya akan terjadi perubahan pola interferensi layar, apabila dengan menggeser c2 mengakibatkan terang pertama berubah menjadi pusat pola cahaya bolak-balik, dengan kata lain L berubah sebesar , jadi 2L = , L = n . Jika ada n perubahan pola interferensi maka:

L = n atau d sin = n Dimana : = panjang gelombang sinar = pergeseran cermin (c1 c2)n = jumlah pola interferensi yang hilang atau muncul

5. Ping ParallaxSensor PING merupakan sensor ultrasonik yang dapat mendeteksi jarak obyek dengan cara memancarkan gelombang ultrasonik dengan frekuensi 40 KHz dan kemudian mendeteksi pantulannya.

Gambar 5.1 Tampilan sensor jarak PING PARALAX

Sensor ini dapat mengukur jarak antara 3 cm sampai 300 cm. keluaran dari sensor ini berupa pulsa yang lebarnya merepresentasikan jarak. Lebar pulsanya bervariasi dari 115 uS sampai 18,5 mS. Pada dasanya, Ping Paralax terdiri dari sebuah chip pembangkit sinyal 40KHz, sebuah speaker ultrasonik dan sebuah mikropon ultrasonik. Speaker ultrasonik mengubah sinyal 40 KHz menjadi suara sementara mikropon ultrasonik berfungsi untuk mendeteksi pantulan suaranya.Pin signal dapat langsung dihubungkan dengan mikrokontroler tanpa tambahan komponen apapun. Ping 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 Ping Paralax. Selama menunggu pantulan, Ping Paralax akan menghasilkan sebuah pulsa. Pulsa ini akan berhenti (low) ketika suara pantulan terdeteksi oleh Ping. Oleh karena itulah lebar pulsa tersebut dapat merepresentasikan jarak antara Ping Paralax dengan objek.Untuk penjelasan atau prinsip aksesnya sama kok ma srf04, hanya saja untuk sensor PING hanya memakai 3 pin, pin trigger sama echo digunakan dalam 1 pin, sehingga dengan menggunakan sensor PING kita dapat menghemat penggunaan I/O mikrokontroler.

Gambar 5.2 Konfigurasi pin sensor PING

Gambar 5.3 Timming akses sensor PING PARALAX

6. Motion Control using GearboxKontrol gerakan adalah sub-bidang otomatisasi, di mana posisi atau kecepatan mesin yang dikontrol menggunakan beberapa jenis perangkat seperti pompa hidrolik, aktuator linear, atau motor listrik, umumnya servo. Kontrol gerak merupakan bagian penting dari robotika dan peralatan mesin CNC, namun lebih kompleks daripada dalam penggunaan mesin-mesin khusus, di mana kinematika biasanya sederhana. Yang terakhir ini sering disebut General Motion Control (GMC). Kontrol gerak secara luas digunakan dalam industri kemasan, percetakan, tekstil, produksi semikonduktor, dan perakitan.Arsitektur dasar dari sistem kontrol gerak berisi:1. Sebuah motion controller untuk menghasilkan set poin (output atau gerak profil yang diinginkan) dan menutup loop posisi atau kecepatan umpan balik. 2. Sebuah drive atau penguat untuk mengubah sinyal pengendali dari pengendali gerak menjadi listrik arus listrik yang lebih tinggi atau tegangan yang disajikan untuk aktuator. Baru "cerdas" drive dapat menutup posisi dan kecepatan loop internal, sehingga lebih banyak kontrol akurat.3. Aktuator seperti pompa hidrolik, silinder udara, aktuator linear, atau motor listrik untuk gerakan output.4. Satu atau lebih sensor umpan balik seperti encoders optik, resolvers atau perangkat efek Hall untuk mengembalikan posisi atau kecepatan aktuator untuk controller gerak untuk menutup posisi atau kecepatan kontrol.5. Komponen mekanis untuk mengubah gerakan aktuator ke gerakan yang diinginkan, termasuk: gigi, shafting, sekrup bola, ikat pinggang, hubungan, dan linear dan bantalan rotasi.Antarmuka antara motion controller dan drive mengontrol sangat penting ketika gerakan terkoordinasi diperlukan, karena harus menyediakan sinkronisasi ketat. Secara historis hanya antarmuka terbuka adalah sinyal analog, sampai antarmuka terbuka dikembangkan yang memenuhi persyaratan kontrol gerak terkoordinasi, pertama makhluk SERCOS pada tahun 1991 yang sekarang ditingkatkan untuk SERCOS III. Kemudian interface mampu kontrol gerak termasuk Ethernet / IP, PROFINET IRT, Ethernet Powerlink, dan EtherCAT.

Fungsi kontrol umum termasuk:1. Kontrol kecepatan.2. Posisi (point-to-point) kontrol: Ada beberapa metode untuk menghitung lintasan gerak. Ini sering didasarkan pada profil kecepatan bergerak seperti profil segitiga, profil trapesium, atau profil S-kurva.3. Tekanan atau kontrol Force.4. Gearing elektronik (atau cam profiling): Posisi sumbu budak matematis terkait dengan posisi sumbu utama. Sebuah contoh yang baik dari ini akan menjadi dalam sistem di mana dua drum yang berputar putar pada rasio yang diberikan satu sama lain. Kasus yang lebih maju dari gearing elektronik camming elektronik. Dengan camming elektronik, sumbu budak berikut profil yang merupakan fungsi dari posisi master. Profil ini tidak perlu asin, tetapi harus menjadi fungsi animasi