ROBOT LINE TRACER

A. Pendahuluan

A.1 PengertianRobot line tracer atau robot penelusur garis merupakan mobile

robot yang memiliki kemampuan sensorik untuk mendeteksi suatu garis pada suatu background tertentu dan digunakan sebagai penuntun (guide line). Pada umumnya lintasan garis berwarna hitam dengan lebar 2 cm dan memiliki latar / background putih, atau sebaliknya.

A.2 Cara KerjaRobot line tracer terdiri dari dua sistem kontrol yang terpisah

yaitu sistem kontrol motor kiri dan sistem kontrol motor kanan. Walaupun terpisah, kedua sistem tersebut mempunyai komposisi yang sama. Sistem kontrol motor tersebut mengatur arah putar masing-masing motor yang terhubung pada roda di masing-masing sisi. Sehingga arah gerak dari line tracer dapat dikendalikan melalui kedua roda tersebut (roda kanan dan roda kiri). Cara berjalan pada line tracer dapat dilihat pada gambar 1.2.

Gambar 1.1 Line tracer sederhana

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

Gambar 1.2 Gerak standar line tracer

Menggunakan sistem kontrol “ON-OFF”System kontrol yang digunakan pada Line Tracer ini adalah

teknik “ON-OFF” biasa mengingat memang Line Tracer ini dibuat sangat sederhana. Dimana digunakan kontrol open-loop yang tidak memilki inputan umpan balik selain inputan dari sensor Photodioda, sehingga apabila Line Tracer tersebut dibuat untuk membawa sesuatu diatasnya maka tidak ada kompensasi kecepatan sehingga kecepatan Line Tracer tersebut tidak stabil.

Blok diagram dari sistem kontrol motor sederhana pada line tracer tersebut dijelaskan pada gambar 1.3

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

Gambar 1.3 Diagram blok

Pada Blok diagram tersebut dapat disjelaskan bahwa line tracer sederhana memiliki 3 bagian utama aitu sensor, komparator, dan driver motor. Sensor berfungsi untuk mendeteksi warna hitam atau putih serta membedakan kedua warna tersebut. Kemudian sensor akan mengeluarkan nilai tegangan sesuai warna yang di deteksi. Nilai tegangan tersebut akan dibandingkan dengan nilai tegangan referensi oleh komparator untuk menghasilkan tegangan High dan Low untuk mengontrol ON-OFF Driver motor. Kemudian driver motor tersebut akan mengubah polaritas tegangan yang mengeksitasi motor DC sehingga motor DC dapat berputar dimana arah putarna sesuai polaritas tegangan yang mengeksitasinya.

Gambar 1.4 Line tracer di atas lintasan

Apabila line tracer diilustrasikan pada lintasan seperti gambar 1.4. dimana bagian sisi kanan line tracer berada pada garis hitam,

Sensor(Transmitter dan Receiver)

Comparator(Pembanding)

Driver (H-Bridge)danPlant (Motor)

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

sedangkan pada bagian kiri berada pada latar putih, maka flowchart untuk kondisi tersebut adalah dijelaskan pada gambar 1.5

Gambar 1.5 flowchart

NB : Sebenarnya proses kontrol dari Line Tracer sendiri adalah kombinasional (jika input diberi nilai maka saat itu juga output akan merespon)

Namun untuk setiap posisi line tracer yang berbeda serta penempatan line tracer pada bentuk lintasan tertentu, maka

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

flowchart yang dipakai juga berbeda pula. Untuk line tracer sederhanan ini tidak mengubah konsep flowchart secara keseluruhan namun hanya pada blok arah pemutaran roda kanan dan kiri saja.

Gambar 1.6. Macam-macam posisi Line Tracer pada berbagai lintasan

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

B. Dasar teori

B.1. Sensor (Transmitter dan Receiver)Bagian ini dapat dianggap sebagai mata dari robot line tracer yang akan dibuat. Perbedaan warna dari garis dan background garis yang akan ‘dilihat’ oleh bagian ini. Perbedaan warna tersebut yang akan dikonversikan menjadi perbedaan resitansi oleh suatu komponen pengubah level intensitas cahaya menjadi resistansi, Photodioda (pada modul akan digunakan komponen ini, namun dapat pula digunakan komponen lain seperti Fototransistor, LDR(Light Dependent Resistance), maupun komponen lain yang masuk dalam kriteria). Dengan sedikit menggunakan Hukum Pembagian Tegangan dan penambahan komponen resistor maka Sensor tersebut akan diubah menjadi tranduscer yang mengubah suatu level satuan (resistansi misalnya) menjadi level listrik (tegangan), dan level tegangan inilah yang selanjutnya diproses. Untuk lebih jelasnya lihat gambar 2.1 dibawah.

Tips : Lebih baik gunakan LED jenis Super-Bright daripada Infra-Red sebagai Transmitternya yang memiliki intensitas pancaran cahaya lebih besar dan lebih tampak.

Gambar 2.1 Tranduscer (memakai sensor Photodioda)

B.2. Comparator (Pembanding)Comparator atau Pembanding adalah sebuah bagian dari line tracer yang berfungsi untuk mengubah level tegangan dari tranduscer yang bervariasi menjadi level logika HIGH atau LOW. Device pengubah level ini digunakan IC Op-Amp (Operational

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

OutputTeganganTranduscer

Photodioda(receiver)

Infra-Red(transmitter)

Teknik Pembagian Tegangan

Amplifier). Tipe IC yang digunakan adalah LM324 dengan package DIL-14 yang umum dipasaran dan low-cost. Didalam IC ini terdapat 4 buah Op-Amp dimana dibagi 2 group untuk sistem kontrol sebelah kanan dan sebelah kiri, yang masing-masing bekerja saling berkebalikan outputnya. Untuk lebih jelasnya lihat prinsip kerja dari Op-Amp berikut.

Gambar 2.2 Simbol Op-Amp

Untuk kondisi open-loop (tanpa Feedback) maka nilai penguatan dari Op-Amp tersebut adalah

Keterangan : Vo = nilai tegangan outputAol = nilai penguatan saat open-loopEd = nilai tegangan Non-Inverting Input dikurangi

tegangan Inverting Input

Jika dimisalkan Op-Amp tersebut diberi tegangan supply sebesar 9 Volt maka output tegangan dari Op-Amp tidak mungkin lebih besar dari 9 Volt, dimana Op-Amp secara umum nilai tegangan saturasi-nya adalah sekitar lebih kecil 1 atau 2 Volt dari tegangan catu, sehingga kemungkinan tegangan saturasi-nya adalah 8 atau 7 Volt. Tegangan saturasi adalah tegangan puncak (maksimal) dari Op-Amp. Dari rumus diatas jika nilai tegangan output (Vo) adalah 9 Volt dan nilai penguatan tegangan internal Op-Amp saat kondisi open-loop adalah sekitar kurang lebih 200.000 maka nilai tegangan maksimum agar Op-Amp tidak saturasi adalah 45 uV. Hal ini mengindikasikan bahwa jika terjadi perbedaan tegangan lebih besar dari 45 uV Op-Amp akan selalu dalam kondisi saturasi. Hal inilah yang kemudian dijadikan patokan untuk membuat konversi level tegangan yang variatif menjadi level logika HIGH (Saturasi Positif) dan LOW (Saturasi Negatif). Pada Op-Amp dengan catu tunggal nilai Tegangan Saturasi Negatif adalah sama dengan nol. Sehingga dapat ditarik kesimpulan bahwa:

Non-Inverting Input

Inverting Input

Ed

Output

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

Vo = Aol . Ed

“Jika nilai tegangan Non-Inverting Input lebih besar dari Inverting Input maka tegangan output Op-Amp adalah HIGH dan sebaliknya jika nilai tegangan Inverting lebih besar dari Non-Inverting input maka tegangan output Op-Amp adalah LOW”. (Harap selalu diingat, agar memudahkan proses Troubleshooting)

B.3. Driver motor (Kemudi)Bagian ini merupakan bagian yang berfungsi untuk

menggerakkan Plant (Objek) yaitu Motor DC dimana perubahan arah motor DC tersebut bergantung dari potensial tegangan yang diinputkan pada input dari Driver itu sendiri. Pada modul ini dibuat suatu konsep Driver H-Bridge (dinamakan H-Bridge sebab bentuk driver ini jika dicermati mirip huruf H dan bekerja seperti Bridge atau Jembatan yang berfungsi melewatkan arus dari tegangan supply positif ke motor kemudian ke ground) sehingga diharapkan respon dari komparator ke pergerakan motor sangat cepat. Untuk itu digunakan transistor tipe 901x yang mampu memadukan antara kecepatan dan transfer arus yang besar. Selain itu transistor jenis ini juga low cost.

Pada dasarnya jenis transistor dibedakan menjadi 2 yaitu transistor tipe NPN (Negatif - Positif - Negatif) dan PNP(Positif – Negatif - Positif). Dan perbedaan ini secara garis besar terletak pada arah arus yang melewati tiap terminal dari komponen ini. Pada tipe NPN arah arus ditunjukkan pada gambar 2.3.a dan tipe PNP pada gambar 2.3.b.

Gambar 2.3.a Gambar 2.3.bArah arus pada NPN Arah arus pada PNP

Tiap transistor memliki penguatan intern (hFE) sendiri, penguatan ini sesuai dengan rumus dasar transistor.

dan

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

IC = hFE . IB IE = IB + IC

namun karena nilai IB sangat kecil dibanding IC maka dapat dianggap

Keterangan : IE = Arus yang melalui Emitor IC = Arus yang melalui Collector

IB = Arus yang melalui Basis

Dan secara umum transistor memiliki tegangan saturasi antara basis dan emitor sebesar 0,7 Volt untuk transistor tipe Silikon dan 0,2 untuk transistor tipe Germanium. Nilai tegangan yang melebihi batas saturasi tersebut menyebabkan transistor rusak (terbakar).

Gambar 2.4Transistor sebagai saklar

Dalam driver transistor berfungsi sebagai saklar yang mengalirkan arus ke motor. Arus yang mampu melewati Collector – Emitor transistor tipe 901x adalah maksimum sebesar 800 mA dan memiliki hFE sebesar 300, maka nilai arus basis maksimum yang dapat disuplaikan ke basis setelah dikalkulasi adalah sebesar 2,6 mA.Untuk lebih jelasnya mengenai prinsip kerja dari driver ini, lihat gambar 2.4. Motor akan bergerak ke suatu arah tertentu (misalnya arah Kanan) jika saklar A dan D ‘ON’, serta saklar B dan C ‘OFF’, sebaliknya jika saklar A dan D ‘OFF’ serta saklar B dan C ‘ON’ maka motor akan bergerak ke arah sebaliknya (misalnya Kiri). Pada driver ,kondisi realnya arah arus ditunjukan pada gambar berikut :

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

IE = IC

V IN1 V IN2

Gambar 2.5.a.Arah Arus saat kondisi VIN1 “HIGH” dan VIN2 “LOW”

V IN1 V IN2

Gambar 2.5.b.Arah Arus saat kondisi VIN2 “HIGH” dan VIN1 “LOW”

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

Tips : Untuk memahami gambar 2.5.a dan 2.5.b, perhatikan arah panah dari komponen transistor (terminal Emitor nya) untuk mengetahui hubungan arah panah yang menunjukkan perjalanan arus dan arah arus yang melewati transistor.

Motor (Plant)Motor merupakan bagian penting dari Line Tracer, tanpa adanya motor tentu saja Line Tracer yang akan dibuat tidak akan nampak layaknya Robot.

Gambar 2.6.Motor DC

Tips : Hendaknya dalam membuat Line Tracer, perhatikan hubungan antara Supply (Catu / Baterai) dengan tipe motor yang akan digunakan. Apabila digunakan baterai yang memiliki daya kecil (khususnya memiliki arus yang kecil) maka pilih motor yang memiliki torsi yang besar daripada kecepatan yang tinggi hal ini berpengaruh pada efisiensi baterai yang digunakan serta mobilitas dari Line Tracer itu sendiri (khususnya saat melintasi suatu belokan). Untuk mengetahui apakah motor tersebut memiliki torsi yang besar maka dapat dilihat lilitan (gulungan) dalam pada motor tersebut. Jika lilitan tersebut banyak (dalam arti diameter dari kawat tembaga yang dililitkan lumayan kecil sehingga jumlah gulungan sangat banyak )dan penuh (memenuhi kapasitas inti kumparan yang disediakan) maka motor tersebut cenderung memilki torsi yang besar, namun memilki kecepatan yang rendah. Tipe seperti inilah yang sesuai untuk Line Tracer sederhana yang akan dibuat.

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

C. Komponen

C.1. Skematik dan Komponen

D5 D6

Daftar Komponen :

R1 : 330 OhmR2,R4,R7 : 10 KOhmR3,R5,R6,R8 : 1 KOhmVR1 : 10 KOhm (Trimpot)D1,D2,D3,D4 : 1N 4002 atau 1N 4148T1,T2 : C-9012 (atau S-9012) atau C-9015 (atau S-

9015)T3,T4,T5,T6: C-9013 (atau S-9013) atau C-9014 (atau S-

9014)IR : Infra Red (Infra Merah) atau Super-Bright

LEDPD : Photodioda D5,D6 : LED (Light Emmiting Dioda)IC : LM324N (Package : DIL-14)

Catatan : Masing-masing komponen diatas dikali 2, kecuali IC LM324N

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

Lampiran 1Transistor C901x atau S901x

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

Lampiran 2

IC LM324N

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15

Laboratorium Pengukuran Teknik Fisika ITS Page 15