23886702 rancangan mekanik sistem sensor dan algoritma robot cerdas secara umum

5/10/2018 23886702 Rancangan Mekanik Sistem Sensor Dan Algoritma Robot Cerdas Secara U...

http://slidepdf.com/reader/full/23886702-rancangan-mekanik-sistem-sensor-dan-algoritma-robot-ce

1

RANCANGAN MEKANIK ROBOT:

1.1 Chasis (rangka):

Robot menggunakan acrylic sebagai rangka dengan ketebalan 3 mm. Bahan ini

dipilih karena mudah didapat dan mudah untuk dibentuk. Rangka terdiri dari tiga bagian.

Bagian pertama merupakan bagian dasar yang mana roda, gear, proximity sensor,

rangkaian utama serta baterai berada pada pada bagian ini.

Pada bagian kedua ditempatkan 6 buah sensor ultrasonic. 4 buah sensor

diletakkan pada keempat sisinya yang sejajar pada sumbu X,Y. Kemudian 2 buah sensor

ultrasonic diletakkan dengan sudut 45˚. Hal ini untuk mendeteksi adanya pesimpangan

atau belokan. Bagian utuh rancangan dapat dilihat pada gambar dibawah ini:

Gambar penepatan sensor Ultrasonic pada lantai dua

Pada bagian ketiga dari robot berisi rangkain sensor Api (Hamamatsu R2868),

kipas pemadam bersama pengungkitnya, motor servo dan sensor PIR yang diletakkan



2

digantung pada bagian bawah lantai. Secara utuh bagian robot keseluruhan dapat dilihat

pada gambar dibawah ini:

Gambar Utuh robot

1.2 Roda

Robot menggunakan tiga buah roda yang terdiri dari dua buah didepan sebagai

roda penggerak utama. Free thri-star wheels di bagian belakang. Pada bagian depan

kedua roda dibuat menggunakan 3 buah minidisc yang di gabung menjadi satu roda. Hal

ini dipilih mempermudah pembuatan robot. Untuk membuat roda memiliki daya

cengkram yang baik roda tersebut dilapisi karet. Kemudian roda dirangkaikan dengan

gear sistem penggerak.



3

Gambar sistem pengerak robot (tampak samping)

Gambar sistem pengerak robot (tampak Depan)

Pada bagian belakang menggunakan roda dengan jenis Free thri-star wheels. Jenis

roda ini dipilih untuk memudahkan robot untuk menaiki tangga. Roda ini dipasang untuk

bergerak bebas mengikuti arah robot. Jenis roda ini meliki 3 buah roda yang dirangkai

membentuk tri-star.

Pada saat bergerak ketiga roda akan bergerak berotasi tapi pada saat robot

bergerak hanya dua buah roda bergerak yang menyetuh jalur yang akan beroperasi. Pada

saat meniki tangga, ketika salah satu roda menyentuh tepian tangga maka roda akan

berotasi sehingga roda kedua akan menaiki tangga.



4

TANGGA STAIR CASE

Gambar Ilustrasi Roda Menaiki Tangga

1.3 Gear

Salah satu bagian penting dalam mekanik robot adalah penggunaan gearnya dan

untuk penggunan gear pada robot ini digunakan transmisi gear hubungan ohmic atau

worm gear. Transmisi ini memiliki keunggulan yaitu dari segi efisiensi mekanik karena

rasio gear yang dihasilkan dari perbandingan antara jumlah gigi gear pada poros motor

dan poros output dapat dibuat sangat besar dengan hanya sekali konversi.

Gambar gear robot pada roda

Penggunaan transmisi worm gear juga lebih baik dari transmisi hubungan

langsung yang memiliki kelemahan yaitu memiliki waktu jedah ketika dikemudikan

dalam arah yang berlawanan. Gear tipe ini baik juga digunakan untuk menaiki tangga

stair case karna jarak antara ulir kecil sedangkan keliling gear outputnya besar sehinga

menghasilkan daya putar roda yang sangat kuat ketika menaiki tanggan (tidak mudah

terkilir).



5

SISTEM KONTROL ROBOT

Sistem robot secara umum dapat dilihat pada gambar dibawah ini

AKTUATOR SENSOR

ada 3 bagian penting dalam sistem robot ini yaitu Sensor, Rangkaian Mikrokontroler (otak) dan Aktuator (Penggerak). Blok diagram rancangan robot secara keseluruhan dapat

dilihat pada gambar dibawah ini.

Bagian Sensor Robot Bagian Aktuator

Blok diagram Bagian Rancangan Robot

RANGKAIAN

MIKROKONTROLER

ROBOT

Mikrokontroler

Atmega 103

Motor DC

(Kipas)Sensor Api

Hamamatsu R2868

Sensor Jarak (ping)Ultrasonic

Driver Servo

(Pengunkit kipas)

Motor servoSensor PIR Pyroelectric Infra Red

Drive Motor DC

H.-Bridge (Navigasi)

Motor DC

Sensor Proximity Encoder

Catu Daya

(Baterai)



6

Sistem Navigasi Sistem Pemadam

Blok Diagram Rancangan Sistem Kontrol Robot

2.1 Mikrokontroler

Sistem pengendali utama dari robot adalah mikrokontroler Atmega103.

mikrokontroler ini dipakai untuk mengendalikan motor DC (H-brige), motor servo,

sensor API (Hamamatsu R2868), Proximity sensor, PIR sensor, Ultrasonic sensor, Rotary

Encoder dan kipas pemadam api. Mikrokontroler ini juga menghandle sistem Navigasi

dan algoritma.

Dipilihnya mikrokontroler ini karena memiliki memori flash yang besar yaitu

128Kb, keunggulan lainnya memiliki kecepatan yang tinggi 6 MIPS pada kristal 6Mhz,

konsumsi daya yang rendah. Untuk sistem pemprogrammannya secara SPI untuk In

system Programable yaitu pemprograman secara langsung, dapat diprogram

menggunakan bahasa C (CodeVision AVR). Memiliki I/O yang cukup (32 programable

Sensor Proximity

Mikrokontroler

Atmega 103

Sensor Api

Hamamatsu R2868Sensor Jarak (ping)

Ultrasonic

Sensor PIR Pyroelectric Infra Red

Driver Motor DC

H-Bridge

Driver Motor

Servo

Motor DC Motor Servo

Encoder Motor DC(Kipas)

Catu Daya

Baterai

Sistem Scaner

Titik Api



7

I/O port, 8 ouput line, 8 Analog input line) sehingga semua sistem robot dapat di handle

oleh mikrokontroler Atmega 103.

Dengan dipilihnya mikrokontroler ini robot dapat bermanuver, navigasi dengan

kecapatan dan ketepatan yang maksimal dibandingkan dengan dua buah mikrokontroler

sebab dapat bekerja secara realtime (distribute system) tanpa harus menunggu data dari

mikrokontroler lainnya.

2.2 Rotary Encoder

Rotary encoder digunakan untuk mengubah atau mengkonversi posisi sudut ke

dalam kode digital yang nanti akan dibaca oleh mikrokontroler. Rotary encoder berfungsi

sebagai feedback yang akan memberitahukan besar sudut putaran dari motor dc. Dengan

rotary encoder diharapkan motor dc pada robot dapat dikendalikan dengan baik.

Gambar Rotary Encoder

2.3 Motor DC

Motor dc (2 Buah) digunakan sebagai penggerak utama robot dimana motor ini

berfungsi untuk mengerakkan roda dari robot. Pada robot ini diperlukan arah putaran

motor yang berubah-ubah. Berjalan maju atau mundurnya robot sesuai dengan keadaan

lapangan diatur dengan membalikkan polaritas pada catu tegangannya. Untuk mencapaikecepatan dan torsi yang diinginkan maka digunakan motor dc12V.

Untuk mengatur kecepatan motor maka digunakan Pulse width modulation

(PWM). disamping itu PWM berfungsi untuk mengurangi konsumsi daya yang

berlebihan dari rangkaian. Cara kerja dari PWM yaitu dengan mengatur arus yang masuk


http://slidepdf.com/reader/full/23886702-rancangan-mekanik-sistem-sensor-dan-algoritma-robot-c

8

atau dengan prinsip duty cycle yaitu rasio waktu ON terhadap waktu total (dinyatakan

dalam %).

Motor DC digunakan pula untuk memutar kipas yang akan mematikan lilin yang

ada didalam ruangan. Penggunaan motor dc untuk memutar kipas dengan alasan mudah

dalam pengendaliannya dengan hanya menggunakan sistem saklar ON OFF. Apabila api

telah terditeksi dan terkunci posisinya maka saklar pada motor akan ON ketika api padam

maka saklar OFF.

2.4. Driver Motor DC

Untuk dapat mengendalikan/ menggerakkan arah putaran motor sesuai dengan

keinginan (maju, mundur dan berhenti) maka digunakan drive motor DC dengan

Topologi H-Bridge dengan menggunakan IC L293D dari ST-Thomson yang memiliki

arus output yang cukup besar untuk memacu putaran motor dc secara optimal.

Gambar Rangkaian Dirver Motor DC

Pada gambar diatas di hubungkan pada PWM dari mikrokontroler. Penggunaan inverter

pada direction hal ini untuk memudahkan pengontrolan arah motor (maju atau mundur).

2.5 Motor Servo

Motor servo digunakan untuk menggerakkan gear pada ssytem pengungkit kipas

pemadaman yang posisinya ada diatas robot. Sehingga pada saat robot akan mematikan

lilin posisi kipas berdiri tegak.



9

Alasan utama pemakaian motor servo kerena lebih mudah dalam pengontrolan

dalam menggerakkan pengungkit kipas.

2.6 Batterai

Sumber tegangan utama robot ini berasal dari batterai NI-cad 12V 600mAh.

Namun mengingat motor dc memerlukan daya yang lumayan besar maka dipasang

sebuah batterai NI-CAD 12V lagi untuk motor dc. Jadi jumlah baterai yang dipakai

sebanyak 2 buah.

Gambar Rangkaian Catu Daya

Rangkaian catudaya ini menggunakan tiga buah IC regulator yaitu 7812, 7809 dan

7805. IC 7812 digunakan untuk menstabilkan tegangan input dari baterai. Ic ini mampu

menangani daya sampai 1A hal ini sangat penting untuk mensuplai motor dc.

Penggunaan kapasitor elektrolit diperlukan untuk memfilter tegangan dari distorsi pada

rangkaian.

IC 7805 sebagai penstabil tegangan sebasar 5 V untuk mensuplai rangkaian

mikrokontroler. IC 7809 diperlukan untuk menghasilkan tegangan sebesar 9V


http://slidepdf.com/reader/full/23886702-rancangan-mekanik-sistem-sensor-dan-algoritma-robot-cer

10

SENSOR DAN INTERFACE

3.1 Sensor Ultrasonic (Ping)

Untuk mengetahui jarak (area) dalam maze robot menggunakan sensor ultrasonic.

Sensor ini berguna untuk untuk mengukur jarak robot terhadap dinding ataupun lintasan

serta sebagi input panduan posisi robot. Sensor ini bekerja berdasarkan prinsip ultrasonic

yang mana memanfaatkan suara berfrekuensi tinggi sebagai media untuk mengukur jarak.

Suara tersebut dipancarkan oleh transmitter ultrasonic dan dipantulkan kesuatu benda

(dinding), hasil pantulan tersebut diterima kembali oleh receiver ultrasonic. Hasil

pantulan yang diterima oleh rx diubah menjadi pulsa oleh sensor penerima ultrasonic,

lebar pulsa pantulan tersebut merupakan informasi jarak benda terhadap robot.

Gambar modul sensor ultrasonic

Sensor ultrasonic yang digunakan sebanyak 6 buah sensor yang peletakannya

dibagi menjadi dua bagian yang mana 4 buah sensor diletakan pada bagian depan,

belakang serta samping kiri dan kanan robot. 2 buah lagi sensor diletakkan pada sisi 45°

pada kiri dan kanan robot. Penempatan 4 buah sensor pada bagian pertama digunakan

untuk navigasi robot berjalan maju atau mundur tidak menyetuh atau menabrak dinding

pada lorong ataupun di dalam ruangan. 2 buah sensor lagi diletakkan 45° terhadap sensor

bagian depan dimaksudkan sebagai alat bantu panduan pada saat robot bermanuver belok

kiri dan kanan serta memutar agar tidak mengenai dinding pembatas atau lainnya. Pada

saat bermanuver, robot tidak hanya menggunakan 2 sensor bagia kedua tapi juga

menmanfaatkan 4 buah sensor yang lain. Pembagian dua buah posisi sensor ini

dimaksudkan untuk menyederhanakan algoritma pada pengontrol agar robot dapat

berreaksi lebih cepat dan gesit.



11

3.2 Proximity Sensor

Karena batas ruangan dengan lorong diberi tanda dengan garis berwarna putih

serta batas memadamkan lilin juga ditandai dengan garis berwarna putih maka robot

membutuhkan sebuah sensor garis. Robot menggunakan proximity sensor sebagai

pendeteksi garis. Sensor proximity berupa 4 pasang led infrared yang terdiri dari infrared

tx dan infrared receiver yang berupa fototransistor. Pemilihan infrared sebagai sensor

proximity dimaksudkan agar robot tidak terpengaruh pada cahaya tampak serta ambien

cahaya ruangan lomba. Sensor proximity ini dihubungkan kesebuah komparator

(pembanding) yang berupa IC opamp komparator LM339N. Ic ini berisi 4 buah opamp

komparator sehingga dihasilkan 4 buah sensor proximity yang identik. Untuk pengaturan

sensitivitasnya digunakan masing – masing sebuah trimmer resistor.

3.3 Sensor Api Hamamatsu R2868

Pencarian api lilin merupakan salah satu tujuan lomba robot ini, sehingga

dibutuhkan suatu sensor yang hanya mendeteksi api dengan jarak tertentu. Penggunaan

sensor api dengan tipe Hamamatsu R2868 dapat mendeteksi api pada jarak 5 meter.

Sensor ini bekerja pada cahaya ultaraviolet dengan range 185-260 nm. Pada range

tersebut cahaya lilin dapat dideteksi dengan baik oleh sensor hamamatsu R2838. sensor

ini memerlukan tegangan yang cukup besar yaitu 400 VDC, untuk itu sensor ini. Driver dari sensor ini menggunakan Hamamatsu C3704. driver ini menggunakan input 10V-

30V. karakteristik sensor hamamatsu R2868 sebagai berikut:

Gambar Karakteristik Sensor Api Hamamatsu



12

Dari karakteristik sensor diatas bahwa api lilin termasuk cahaya yang tampak

maka penggunaan sensor hamamatsu R2868 sebagai sensor api sangat cocok, selain itu

ditunjang oleh lebar deteksi spectrum yang tidak terlalu lebar membuat sensor ini hanya

akan mendeteksi api saja tidak mendeteksi cahaya yang tampak lainnya seperti cahaya

lampu atau lainnya

Gambar Sensor dan Modul Rangkaian Sensor Api Hamamatsu R2868

3.4 Sensor PIR (Pyroelectric Infra Red)

Agar lebih tepat mendeteksi api lilin, robot menggunakan sebuah Pyroelectric

infrared (PIR) dengan tipe RE200B. PIR sensor cukup sensitive terhadap radiasi

inframerah dari api. Sensor ini akan mendeteksi perubahan ambient radiasi inframerahdari api lilin, pada area deteksi yang dapat di cover oleh sensor PIR. Perubahan nyala api

lilin cukup untuk mentriger sensor PIR. Untuk memfokuskan hanya pada api lilin saja

maka sensor PIR dikurangi sudut deteksinya sehingga hanya mendeteksi api kecil saja

(api lilin). Dengan sudut deteksinya yang kecil maka perubahan magnitudenya juga

diperkecil sehingga robot harus melakukan scanning (sweeping) pada ruangan

meggunakan PIR yang dirangkaikan dengan stepper motor agar robot dapat mengetahui

apakah diruangan tersebut ada api lilin atau tidak.



13

PIR Sensor (Pyroelectric Infra Red) dan Lensa Fresnel

Untuk sudut fokusnya PIR menggunakan lensa fresnel. Dengan lensa fresnel PIR

akan mendeteksi radiasi elektromagnetik dalam area inframerah

3.5 Sistem Pemadam Api

Robot ini menggunakan Sensor api Hamamatsu untuk menemukan zona api lilin

pada salah satu raungan. Setelah berhasil menemukan api lilin mikrokontroler akan

mengaktifkan system scanning yang mana robot akan bermanuver untuk mendapatkan

sudut yang tepat kearah sumber api. Apabila sensor PIR telah menemukan posisi titik api

maka PIR akan mengunci titik api tersebut. Robot akan mengarah sejajar dengan posisi

PIR kemudian bergerak mendekati titik api. Ketika sensor proximity menangkap adanya

garis berwara putih maka robot akan berhenti.

Untuk memadamkan api, mikrokontroler akan menggerakkan motor stepper yang

akan untuk menarik kipas kedepan dengan menjalankan gear pada rel kipas pemadam

sehingga posisi kipas berada pada posisi siap. Setelah sudut dikunci maka mikrokontroler

akan mengaktifkan motor dc dan kipas akan berputar meniup sumber api.



14

ALGORITMA ROBOT

Untuk algoritma robot ini pertama kami memetakan lapangan kedalam matriks

berukuran 6x6 dimana ukuran panjang dan lebar satu sel matriks adalah 41cm. Robot

akan menyimpan perpindahan sel yang dilakukan ke dalam indeks matriks sehingga

keberadaan api dala sel yang telah dilalui tidak akan diperiksa dua kali. Robot

dimungkinkan melintasi sel yang sama jika tidak ada alternative jalan lain dan tidak

menemukan titik api. Hal ini untuk menghindari penggunaan death reckoning.

Robot tidak akan memerikasa keberadaan titik api pada setiap sel hal ini

dimungkinkan karena kemampuan dari sensor api yang bias mendeteksi adanya api dari

jarak 5 meter. Maka dari itu sensor hanya memeriksa keberadaan api pada setiap

persimpangan. Apabila sensor api menangkap adanya sinyal api pada satu arah maka

robot akan berpindah satu sel kearah tersebut dan kembali melakukan pemeriksaan

apabila sinyal melemah maka robot akan kembali kepersimpangan dengan cara

mengingat mepping sel yang tersimpan dimemori robot, kemudian robot akan bergerak

memilih jalan yang lain dipersimpangan tersebut dan mengulangi kembali prosedur

diatas.

Agar tidak masuk keruangan yang telah dimasuki sebelumnya robot

menggunakan sensor proximity yaitu dengan cara mendeteksi adanya garis ketika akanmasuk kesalah satu ruangan. Ruangan yang telah dimasuki akan dimaping ke dalam

memori untuk menjaga kemungkinan robot tidak kembali masuk keruanggan sebelum

atau setelah pemadaman.



15

4.1 Algoritma Pencarian zona Api dan Pemadaman Api

Berikut ini adalah asumsi kemungkinan peletakan lilin dan layout lapangan:

Saat start dari home base, hal pertama yang dilakukan oleh robot adalah

mengidentifikasi terhadap lingkungan sekitar. Ketika start diperoleh persimpangan maka

robot akan mengukur sempel input dari Sensor api kedua persimpangan. Ketika diperoleh

bahwa sample input sinyal arah 2 lebih besar maka robot akan bergerak maju kearah 2.

kemudian robot akan menyimpan sample awal dari pergerakan Saat start dengan indeks

sel (0,0) ketika robot mencapai step selanjutnya (1) maka robot akan menyimpan indeks

sel pada step ini. Ketika pada step selanjutnya robot mendapat persimpangan maka robot

harus mengecek (mengambil sample sinyal input sensor api) kemudian

membandingkannya. Setiap perpindahan gerak robot per sel langsung disimpan ke dalammemori agar tidak melalui jalan yang sama ketika mencari sumber api. Setelah diperoleh

sample input sinyal ternyata arah 6 mempunyai intensitas yang tinggi, maka robot akan

bergerak keaarah 6. selanjutnya tidak mendapat persimpangan maka robot maju kearah 7

robot setelah itu robot masuk ke ruangan zona api di sel selanjutnya dan di sel ini robot

akan bergerak maju dengan cara sistem pemadaman api.



16

Jika pada saat memeriksa ruangan sensor api mendeteksi adanya sumber api (api

lilin) robot akan memasuki ruangan dan memastikan bahwa itu sumber api. Kemudian

robot akan mendekati sumber api samabil terus memastikan bahwa dalam ruangan

tersebut ada sumber api.

Karena jarak robot ketika melakukan pemadaman api harus sekitar 30 cm serta

jarak tersebut ditandai dengan garis putih maka proximity sensor mendeteksi garis

tersebut agar robot dapat melakukan pemadaman api dari jarak yang telah ditentukan.

Pada saat robot mendeteksi garis tersebut, robot akan melakukan manuver deteksi sumber

api, jika robot sudah memastikan bahwa sumber api sudah sesuai jaraknya dengan jarak

pemadaman maka sensor api akan medeteksi posisi sumber api. Hal ini dilakukan untuk

mengetahui posisi sumber api apakah disisi kiri atau sisi kanan dari robot. Jika posisi

sumber api sudah didapatkan PIR sensor akan mengunci posisi robot agar sesuai dengan

posisi kipas pemadam api yang ada pada robot.

Karena posisi kipas berapa pada bagian atas robot. Mikrokontroler akan

menginstruksikan motor servo untuk menarik kipas kedepan dengan menjalankan gear

pada pengungkit kipas pemadam sehingga posisi kipas berada pada posisi siap untuk

memadamkan api lilin. Setelah kipas on selama 3 detik, sensor api dan PIR sensor akan

mendeteksi lagi apakah api sudah padam atau belum. Jika belum motor pada kipas

pemadam akan di on kan kembali selama 3 detik lagi hingga api padam.

4.2 Algoritma Kembali ke Home base

Karena robot telah menyimpan titik start sebagai sel dengan indeks (0,0) maka ia

akan kembali ke titik itu dengan cara mencari jalan tercepat. Setiap robot melakukan

pergerakan (perubahan Indeks sel) maka ia akan menyimpannya ke dalam memori dan

ketika ia kembali ia akan menghitung jarak tempuh minimumnya. Maka robot akan terus

melakukan pergeseran indeks sel dengan cara memeriksa daerah sekitarnya. Jika jalan

tercepat yang dilalui adalah buntu maka robot akan kembali mengambil jalan lain sambil

mengacu pada indeks sel.

By. Mario Enstein Poli/020213044Teknik Elektro-Universitas Sam Ratulangi

23886702 rancangan mekanik sistem sensor dan algoritma robot cerdas secara umum

Documents