Sistem Pengendalian Ball-Balancing Robot secara...

SISTEM PENGENDALIAN BALL-BALANCING ROBOT SECARA NIRKABEL

Oleh

Edwin Constantin Mone

NIM: 612008035

Skripsi

Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh

Gelar Sarjana Teknik

Program Studi Teknik Elektro

Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer

Universitas Kristen Satya Wacana

Salatiga

Januari 2014

i

INTISARI

Sistem kendali dan algoritma pengendalian robot terus mengalami perkembangan

dewasa ini, salah satunya adalah pengendalian keseimbangan balancing robot dimana

sistem ini bersifat tidak stabil. Salah satu balancing robot yang mulai dikembangkan akhir-

khir ini adalah ball-balancing robot. Ball-balancing robot sendiri merupakan

pengembangan dari two-wheel balancing robot. Ball-balancing robot memiliki tantangan

tersendiri dari pada two-wheel balancing robot dimana jika pada two-wheel balancing

robot, sistem dikendalikan keseimbangannya pada kemiringan sudut θ atau ψ saja, maka

maka pada ball balancing robot, sistem dikendalikan keseimbangannya pada kemiringan

sudut θ dan ψ sekaligus.

Sistem yang dirancang terdiri atas dua bagian, yaitu modul ball-balancing robot dan

modul pengendali gerakan. Modul ball-balancing robot adalah modul utama dari skripsi

ini dimana robot dikendalikan keseimbangannya pada titik 0° baik untuk kemiringan sudut

θ maupun ψ , dengan menggunakan dua buah sistem kendali PID. Inputan data kemiringan

sudut mengggunakan sensor akselerometer dan sensor giroskop. Pengolahan data dan

pengendalian robot diproses oleh sebuah mikrokontroler Atmega2560. Modul pengendali

gerakan sendiri bertugas untuk menampilkan data kemiringan sudut dari ball-balancing

robot pada LCD serta bertugas untuk mengendalikan arah gerak robot. Semua tugas dari

modul ini dikerjakan oleh sebuah mikrokontroler Atmega328. Komunikasi data antar

modul berlangsung secara nirkabel menggunakan modul RF Serial Transceiver.

Pengujian sistem meliputi pengujian keakuratan pengolahan data-data sensor yang

digunakan terutama sensor kemiringan sudut, sistem kendali PID dan pengendalian gerak

robot. Dari pengujian didapatkan bahwa pengendalian keseimbangan dan pengendalian

gerak belum sempurna.

ii

ABSTRACT

Control system and robot control algorithms had been developed these days , one of

them is the control of balancing robot where the system is unstable. One of the balancing

robot that was developed these days is ball - balancing robot. Ball - balancing robot is a

development of two-wheel balancing robot. Ball - balancing robot has its own challenges

of the two-wheel balancing robot which if the two-wheel balancing robot system is

controlled it balance on the slope angle θ or ψ only, then on the ball balancing robot,

system is controlled it balance on the slope angle θ and ψ at once.

Designed system consists of two parts , that are ball - balancing robot modules and

motion control modules. Ball - balancing robot module is the main module of this thesis

where the robot is controlled equilibrium at point 0 ° for both θ and ψ tilt angle, by using

two PID control system. The data input of the tilt angle use accelerometer sensor and

gyroscope sensors . Data processing and robotic control are processed by a ATmega2560

microcontroller . Motion controller module is responsible for displaying data tilt angle of

ball - balancing robot on the LCD as well as the duty to control the direction of motion of

the robot. All the tasks of this module is done by an ATmega328 microcontroller .

Communication of data between modules takes place wirelessly using RF

SerialTransceiver module.

System testing includes testing the accuracy of sensor data processing especially tilt

angle sensors , PID control system and robot motion control. From the testing, the stabilty

control and motion control of the robot is not perfect.

iii

KATA PENGANTAR

Segala puji syukur penulis panjatkan hanya pada Tuhan Yesus Kristus atas segala

berkat dan anugerah-Nya, sehingga penulis dapat menyelesaikan perancangan serta

penulisan skripsi ini dengan baik tanpa kurang suatu apapun. Hanya karena penyertaan-

Nya sehingga penulis dapat menyelesaikan studi di Fakultas Teknik Elektronika dan

Komputer, Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga dengan tepat waktu.

Segala usaha yang penulis lakukan tidak akan berarti dan berhasil tanpa bantuan,

dukungan, serta bimbingan dari berbagai pihak baik. Oleh karena itu pada kesempatan ini

penulis hendak mengucapkan terima kasih pada:

1. Keluargaku tercinta di Kupang, Papa C.Anton Mone, Mama Idda Yuni Astuti,

seta adik-adik Iren dan Angel. Terima kasih untuk segala doa kalian sepanjang

waktu untukku. Kalianlah sumber semangatku dalam menyelesaikan skripsi ini.

2. Bapak Gunawan Dewantoro, M.Sc.Eng. dan Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M.T. dan

selaku pembimbing I dan II, terima kasih atas bimbingan, arahan, serta kesediaan

waktu,tenaga, dan pikiran dalam membimbing penulis selama mengerjakan

skripsi ini.

3. Seluruh dosen, karyawan, dan laboran FTEK atas segala bimbingan, ajaran, dan

dukunganya selama penulis berkuliah di fakultas tercinta ini.

4. Sahabat-sahabat terdekat selama berkuliah di fakultas tercinta ini, Andre, Henry,

Ernanda, Visi, Sukra, Reva. Terimakasih untuk segalanya.

5. Sahabat setiaku Irene Santika Vidiadari, terimakasih untuk segala dukungan dan

semangatnya selama 7 tahun ini.

6. Teman-teman sesama penghuni lab skripsi selama penulis berkarya di sana, Riyo

08, Ditya 08, Yahya 08, Yudha 08, Ricky 08, Dhika 08, Danus 06, Penda 06,

Rofian 07, Evan 07, Toras 07, Roy 07, Indra 07, Putu 07, Eko 07, Handoko 09.

7. Seluruh pihak yang telah membantu pengerjaan skripsi ini, toko Gloria, Digital,

Bina Jaya, toko-toko online seperti Sadewa Electronics, Digi-Ware, Indo-Ware,

Kamkits, Total Elektronik serta seluruh pihak yang tidak dapat disebutkan satu-

persatu. Terima kasih untuk semuanya.

iv

Penulis menyadari bahwa skripsi ini masih jauh dari kata sempurna, oleh karena itu

penulis sangat mengharapkan kritik maupun saran yang membangun dari pembaca sekalian

sehingga skripsi ini dapat lebih berguna, khususnya bagi kemajuan teknik elektronika.

Akhir kata, semoga skripsi ini dapat bermanfaat dan menjadi inspirasi bagi yang

membacanya.

Salatiga, Januari 2014

Penulis

v

DAFTAR ISI

INTISARI ........................................................................................................................................ i

ABSTRACT .................................................................................................................................... ii

KATA PENGANTAR ................................................................................................................... iii

DAFTAR ISI ................................................................................................................................... v

DAFTAR GAMBAR .................................................................................................................... vii

DAFTAR TABEL ........................................................................................................................... x

DAFTAR SINGKATAN ............................................................................................................... xi

BAB I PENDAHULUAN ............................................................................................................... 1

1.1. Tujuan .............................................................................................................................. 1

1.2. Latar Belakang ................................................................................................................. 1

1.3. Spesifikasi Sistem ............................................................................................................ 3

1.4. Sistematika Penulisan ...................................................................................................... 4

BAB II DASAR TEORI ................................................................................................................. 5

2.1. Sistem Kendali PID ......................................................................................................... 5

2.2. IMU .................................................................................................................................. 7

2.3. Sensor Akselerometer Digital ADXL345 ........................................................................ 9

2.4. Sensor Giroskop Digital L3G4200D ............................................................................. 13

2.5. Sensor Kompas Digital HMC5883L .............................................................................. 16

2.6. Mikrokontroler AVR ..................................................................................................... 18

2.6.1. Mikrokontroler Atmega2560 .................................................................................. 19

2.6.2. Mikrokontroler ATMega328 .................................................................................. 20

2.7. LCD 16x4 ...................................................................................................................... 21

2.8. Driver Motor EMS 5A H-Bridge ................................................................................... 22

2.9. Motor DC ....................................................................................................................... 26

2.10. Komunikasi Nirkabel Serial RF RC Timer Radio Telemetry ........................................ 27

2.11. Complementary Filter .................................................................................................... 27

2.11.1. Persamaan Low Pass Filter Waktu Diskrit ............................................................. 28

2.11.2. Persamaan High Pass Filter Waktu Diskrit ............................................................ 30

2.11.3. Persamaan Complementary Filter .......................................................................... 32

BAB III PERANCANGAN ALAT .............................................................................................. 35

vi

3.1. Gambaran Alat ............................................................................................................... 35

3.2. Perancangan Mekanik Ball-Balancing Robot ................................................................ 36

3.3. Perancangan Elektronika Modul Ball-Balancing Robot ................................................ 38

3.3.1. Pengendali Utama .................................................................................................. 38

3.3.2. Rangkaian Tachometer ........................................................................................... 41

3.4. Perancangan Elektronika Modul Pengendali Gerakan .................................................. 42

3.4.1. Pengendali Utama .................................................................................................. 42

3.5. Perancangan Perangkat Lunak ....................................................................................... 44

3.5.1. Pengolahan Data Akselerometer Digital ................................................................ 44

3.5.2. Pengolahan Data Giroskop Digital ......................................................................... 48

3.5.3. Pengolahan Data Kompas Digital .......................................................................... 49

3.5.4. Sistem Kendali PID ................................................................................................ 50

3.5.5. Diagram Alir Perangkat Lunak Modul Ball-Balancing Robot ............................... 52

3.5.6. Diagram Alir Perangkat Lunak Modul Pengendali Gerakan ................................. 53

3.5.7. Komunikasi Data Serial Nirkabel .......................................................................... 54

BAB IV PENGUJIAN DAN ANALISIS ..................................................................................... 56

4.1. Pengujian Sensor Akselerometer ....................................................................................... 56

4.1.1. Pegujian Data Percepatan Gravitasi ............................................................................ 56

4.1.2. Pengujian Data Kemiringan Sudut θ dan ψ Akselerometer ........................................ 60

4.2. Pengujian Sensor Giroskop ................................................................................................ 64

4.2.1. Pengujian Data Kemiringan Sudut θ dan ψ Giroskop ................................................. 64

4.3. Pengujian Data Kemiringan Sudut θ dan ψ Hasil Complementary Filter .......................... 67

4.4. Pengujian Sensor Kompas Digital ..................................................................................... 67

4.5. Pengujian PWM dan Output Tegangan Motor DC ............................................................ 72

4.6. Pengujian Tegangan Motor DC dan Output Tachometer .................................................. 74

4.7. Pengujian Sistem Kendali PID Kecepatan Motor DC ....................................................... 74

4.8. Pengujian Sistem Kendali PID Keseimbangan Ball-Balancing Robot .............................. 75

4.9. Pengujian Pengendalian Gerakan Robot ............................................................................ 76

BAB V KESIMPULAN DAN SARAN ....................................................................................... 78

5.1. Kesimpulan .................................................................................................................... 78

5.2. Saran Pengembangan ..................................................................................................... 79

DAFTAR PUSTAKA ................................................................................................................... 80

vii

DAFTAR TABEL

Tabel 2.1. Pengaruh penalaan parameter pid terhadap unjuk kerja proses. ........................... 7

Tabel 2.2. Deskripsi pin ADXL345. .................................................................................... 11

Tabel 2.3. Spesifikasi ADXL345. ........................................................................................ 12

Tabel 2.4. Deskripsi pin L3G4200D. ................................................................................... 14

Tabel 2.5. Spesifikasi L3G4200D. ....................................................................................... 15

Tabel 2.6. Deskripsi pin HMC5883l. ................................................................................... 17

Tabel 2.7. Spesifikasi HMC5883L. ..................................................................................... 18

Tabel 2.8. Deskripsi pin LCD 16x4. .................................................................................... 21

Tabel 2.9. Deskripsi dan fungsi pin-pin Power & Motor header (J1). ................................ 23

Tabel 2.10. Deskripsi dan fungsi pin-pin Interface header (J2). .......................................... 23

Tabel 2.11. Tabel Kebenaran Driver EMS 5A H-Bridge. ................................................... 25

Tabel 3.1. Konfigurasi pin mikrokontroler AVR ATmega2560 yang digunakan ............... 39

Tabel 3.2. Konfigurasi pin mikrokontroler AVR ATMega328 yang digunakan ................. 43

Tabel 4.1. Data pengujian percepatan gravitasi dan kemiringan sudut sensor akslerometer

sebelum dikalibrasi. ............................................................................................................. 57

Tabel 4.2. Percepatan gravitasi dan kemiringan sudut ideal sensor akselerometer. ........... 57

Tabel 4.3. Data pengujian percepatan gravitasi dan kemiringan sudut sensor

akselerometer setelah dikalibrasi. ........................................................................................ 59

Tabel 4.4. Perbandingan data kemiringan sudut θ antara waterpass digital dengan data

kemiringan sudut akselerometer digital ............................................................................... 60

Tabel 4.5. Perbandingan data kemiringan sudut ψ antara waterpass digital dengan data

kemiringan sudut akselerometer digital ............................................................................... 61

Tabel 4.6. Data pengujian kuat medan magnet dan azimuth kompas digital sebelum

dikalibrasi. ............................................................................................................................ 70

Tabel 4.7. Data pengujian kuat medan magnet dan azimuth kompas digital setelah

dikalibrasi. ............................................................................................................................ 72

Tabel 4.8. Data hubungan antara PWM dan tegangan motor DC yang dihasilkan. ............ 73

Tabel 4.9. Data pengujian pengendalian gerakan robot. ...................................................... 77

viii

DAFTAR GAMBAR

Gambar 1.1. BallIP. ............................................................................................................... 2

Gambar 1.2. Kiri, Ball Bot. Kanan, Ball Balancer. ............................................................... 3

Gambar 2.1. Bagan Sistem Kendali PID. .............................................................................. 6

Gambar 2.2. Six degree of freedom. ...................................................................................... 8

Gambar 2.3. 10DOF IMU Multi Sensor Board GY-80. ........................................................ 9

Gambar 2.4. Sumbu pengukuran akselerometer ADXL345. ............................................... 10

Gambar 2.5. Keluaran data akslerometer ADXL345 pada berbagai orientasi posisi

terhadap percepatan gravitasi. ............................................................................................. 10

Gambar 2.6. Konfigurasi pin ADXL345 dan posisi sumbu x, y, dan z. .............................. 11

Gambar 2.7. Contoh Rangkaian ADXL345 dengan komunikasi I2C ke

mikroprosesor/mikrokontroler. ............................................................................................ 13

Gambar 2.8. Konfigurasi pin L3G4200D dan arah putaran pitc, roll, dan yaw pada

sumbu x, y, dan z. ................................................................................................................ 14

Gambar 2.9. Contoh rangkaian LG34200D dengan komunikasi I2C ke


Gambar 2.10. Konfigurasi pin HMC5883L dan arah sumbu x, y, dan z. ............................ 17

Gambar 2.11. Blok-diagramHMC5883L dengan contoh komunikasi I2C ke


Gambar 2.12. Konfigurasi pin ATtmega2560. .................................................................... 20

Gambar 2.13. Konfigurasi pin ATmega328. ....................................................................... 21

Gambar 2.14. LCD 16x4. ..................................................................................................... 21

Gambar 2.15. Driver EMS 5A H-Bridge. ............................................................................ 22

Gambar 2.16. Konfigurasi header pin EMS 5A H-Bridge. ................................................. 24

Gambar 2.17. Contoh koneksi EMS 5A H-Bridge dengan motor DC. ............................... 24

Gambar 2.18. Rangkaian Modul Driver EMS 5A H-Bridge. .............................................. 26

Gambar 2.19. Motor DC. ..................................................................................................... 26

Gambar 2.20. RC Timer Radio Telemetry. ......................................................................... 27

Gambar 2.21. Blok diagram complementary filter. ............................................................. 28

Gambar 2.22. Rangkaian low pass filter. ............................................................................. 28

Gambar 2.23. Rangkaian high pass filter. ............................................................................ 30

Gambar 3.1. Blok diagram modul ball-balancing robot. ..................................................... 36

ix

Gambar 3.2. Blok diagram modul pengendali gerakan. ...................................................... 36

Gambar 3.3. Desain modul ball-balancing robot ................................................................. 37

Gambar 3.4. Realisasi modul ball-balancing robot .............................................................. 37

Gambar 3.5. Skema perancangan elektronika modul Ball-Balancing Robot ...................... 40

Gambar 3.6. Realisasi elektronika modul Ball-Balancing Robot ........................................ 40

Gambar 3.7. Perancangan dan simulasi tachometer ............................................................ 41

Gambar 3.8. Skema perancangan elektronika modul pengendali gerakan .......................... 43

Gambar 3.9. Realisasi Modul Pengendali Gerakan ............................................................. 44

Gambar 3.10. Berbagai posisi kemiringan sudut dari sensor akselerometer ....................... 45

Gambar 3.11. Posisi kemiringan sudut θ dan ψ .................................................................. 50

Gambar 3.12. Penyederhanaan model ball-balancing robot untuk sudut θ dan ψ ............... 51

Gambar 3.13. Blok diagram sistem kendali PID untuk kemiringan sudut θ dan ψ ............. 51

Gambar 3.14. Blok diagram sistem kendali PID keseluruhan ............................................. 52

Gambar 3.15. Diagram alir perangkat lunak modul ball-balancing robot ........................... 53

Gambar 3.16. Diagram alir perangkat lunak modul pengendali gerakan ............................ 54

Gambar 3.17 Format pengiriman paket data ball-balancing robot ...................................... 55

Gambar 3.18. Format pengiriman paket data ball-balancing robot ..................................... 55

Gambar 4.1. Grafik sudut θ akselerometer saat sensor tidak digerakkan ............................ 62

Gambar 4.2. Grafik sudut θ akselerometer saat sensor digerakkan pada sudut θ ................ 62

Gambar 4.3. Grafik sudut ψ akselerometer saat sensor tidak digerakkan ........................... 63

Gambar 4.4. Grafik sudut ψ akselerometer saat sensor digerakkan pada sudut ψ ............... 63

Gambar 4.5. Grafik sudut θ giroskop saat sensor tidak digerakkan .................................... 65

Gambar 4.6. Grafik sudut θ giroskop saat sensor digerakkan pada sudut θ ........................ 65

Gambar 4.7. Grafik sudut ψ giroskop saat sensor tidak digerakkan .................................... 66

Gambar 4.8. Grafik sudut ψ giroskop saat sensor digerakkan pada sudut ψ ....................... 66

Gambar 4.9. Grafik perbandingan data kemiringan sudut akselerometer dan data

kemiringan sudut giroskop ................................................................................................... 67

Gambar 4.10. Data kemiringan sudut θ hasil complementary filter .................................... 68

Gambar 4.11. Data kemiringan sudut ψ hasil complementary filter ................................... 69

Gambar 4.12. Grafik hubungan antara PWM dan tegangan motor DC yang dihasilkan. ... 73

Gambar 4.13. Grafik hubungan tegangan motor DC dan output tachometer ...................... 74

Gambar 4.14. Grafik respon pengendalian kecepatan putar motor DC ............................... 75

x

Gambar 4.15. Grafik respon keseimbangan ball-balancing robot ....................................... 76

xi

DAFTAR SINGKATAN

AVR Advanced Virtual RISC/ Alf and Vegard RISC Processor

CPU Central Processing Unit

DC Direct Current

DOF Degree of Freedom

EEPROM Electrically Erasable Programmable Read Only Memory

EMS Embedded Module Series

IC Integrated Circuit

IMU Inertial Measurement Unit

I2C Inter-Integrated Circuit

I/O Input-Output

KB Kilo Byte

LCD Liquid Crystal Display

LIPO Lithium Polymer

LSB Least Significant Byte

PID Propotional Integral Derivative

PS2 Play Station 2

PWM Pulse Width Modulation

RISC Reduced Instruction Set Computer

RF Radio Frequency

SCL Serial Clock

SDA Serial Data

SPI Serial Peripheral Interface

SRAM Static Random Acces Memory

TTL Transistor-Transistor Logic

UART Universal Asynchronous Receiver Transmitter

USART Universal Synchronous Asynchronous Receiver Transmitter

Sistem Pengendalian Ball-Balancing Robot secara...

Documents

Transcript of Sistem Pengendalian Ball-Balancing Robot secara...