implementasi sistem otomatis pada robot kapal berbasis...
TRANSCRIPT
40
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Implementasi Sistem Otomatis pada Robot Kapal Berbasis
Komputer Vision Untuk Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional
Implementation of Autonomous System in Computer Vision-Based
Robotic Boat to Contest Nasional Unmanned Speedboat
Yogi Adi Nugraha Teknik Elektro, Fakultas Teknik dan Ilmu Komputer, UNIKOM
Jl. Dipati ukur No 112, Bandung
Email : [email protected]
Abstrak Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional (KKCTBN) merupakan kontes yang diselenggarakan oleh
Direktorat Penelitian dan Pengabdian kepada Masyarakat (DitLitabmas), kontes acara tahunan ini di ikuti
peserta dari berbagai universitas yang ada di Indonesia. Kontes ini terdiri dari 3 kategori yang
diperlombakan, yaitu : kategori sistem otomatis (autonomous), kategori manual (remote control), dan
kategori mesin (fuel engine). Dengan mengikuti kategori otomatis (autonomous), perancangan kapal
diharuskan dapat berdiri sendiri tanpa adanya bantuan operasi manual. Sistem kapal menggunakan sistem
pengolahan citra, dengan menggunakan software LabVIEW 2012, perangkat kamera dan mikrokontroler.
Tujuan dari perlombaan ini yaitu, merancang sistem kapal agar dapat melewati rintangan bola.
Kata Kunci : KKCTBN, pengolahan citra, LabVIEW 2012
Abstract “Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional” (KKCTBN) is a contest organized by the Directorate of
Research and Community Service “ Direktorat Penelitian dan Pengabdian Kepada Masyarakat”
(DitLitabmas), the contest is an annual event in the follow participants from various universities in
Indonesia. This contest consists of 3 category that is, namely: the category of automated systems
(autonomous), the category of manual (remote control), and the category of the engine (engine fuel). By
following categories of automatically (autonomous), the design of the vessel is required to be able to stand
alone without the help of manual operation. Ship system uses image processing system, using the LabVIEW
2012 software, camera and microcontroller devices. The purpose of this race is, design the system so that
ships can pass through obstacles ball.
Keywords : KKCTBN, image processing, LabVIEW 2012
I. PENDAHULUAN
Fungsi dari sebuah kapal tak berawak ini
sudah banyak dikembangkan oleh negara-negara
maju. Kapal tersebut di fungsikan sebagai alat
pertahanan militer dengan tujuan untuk
mengurangi korban jiwa saat perang. Kapal yang
akan dirancang ini difungsikan berbeda, yaitu
merancang sistem kapal yang bersifat otomatis
yang bertujuan agar kapal dapat melewati
rintangan bola warna, sebagai navigasi sistem
kapal dilengkapi sensor kompas sebagai nilai
referensi untuk masukan pengontrol proportional
dan derivatif (PD). Pengontrol PD tersebut
difungsikan untuk menstabilkan posisi kapal
ketika lintasan lurus. Untuk mendeteksi bola
warna, terpasang perangkat kamera yang
terhubung dengan software LabVIEW 2012
sebagai navigasi ketika kapal akan belok. Di
LabVIEW tersebut terinstal toolkit vision dari
produk National Instrument (NI), dengan toolkit
tersebut untuk mempermudah pengguna untuk
mengolah data gambar yang akan diproses.
II. DASAR TEORI
Model Warna Hue Saturation Value A.
(HSV)
Model warna HSV merupakan kepanjangan
dari Hue Saturation dan Value. Dari pengertian
tersebut memiliki fungsi masing-masing yang
berbeda. Hue merupakan suatu ukuran panjang
gelombang dari warna utama, hue mempunyai
41
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
ukuran berkisar antara 0-255. 0 mewakili warna
merah hingga melalui suatu spektrum kembali
bernilai 256. Saturation merupakan suatu proses
untuk meningkatkan kecerahan warna yang di
dasari dari jumlah hue murni pada warna akhir.
Value merupakan sebuah ukuran seberapa besar
kecerahan dari suatu warna. Apabila warna itu
memiliki ukuran 100% maka akan terlihat sangat
cerah, dan ketika 0% maka akan terlihat gelap.
Berikut ilustrasi dari model warna HSV
terlihat pada Gambar 1.
Gambar 1. Model Warna HSV
Untuk mendapatkan nilai HSV ini dapat di
konversi dari nilai RGB HSV dengan
persamaan sebagai berikut :
{
(
)
(
)
(
)
(1)
{
dan
(2)
Metode Threshold B.
Threshold merupakan salah satu metode
proses pemisahan citra dari nilai derajat keabuan
menjadi nilai biner (hitam putih), sehingga akan
memudahkan proses identifikasi. Citra yang di
threshold g(x,y) dapat didefinisikan sebagai
berikut :
{
T = Threshold
(3)
f(x,y) T disebut object point
Pengontrol Proportional dan Derivative C.
Pengontrol PD merupakan pengontrol sistem
umpan balik yang banyak digunakan di sistem
kontrol. Tujuannya untuk mengurangi nilai error
dan menghasilkan nilai output sesuai dengan set
point. Berikut blok diagram pengontrol PD yang
diperlihatkan pada Gambar 2.
Gambar 2. Blok diagram pengontrol PD
Blok diagram di atas merupakan sistem
pengontrol Proportional dan Derivative (PD)
yang menggunakan sistem close loop artinya saat
nilai error muncul sistem akan memperkecil nilai
error tersebut, kemudian menjalankan penggerak
aktuator, dan mengeluarkan hasil output proses.
Dari hasil output tersebut di umpan balikan ke
sensor yang akan diproses kembali untuk
mencapai nilai set point yang telah ditentukan.
Sehingga persamaan pengontrol PD adalah
sebagai berikut :
(3)
Keterangan :
: output dari pengontrol PD
: gain proportional dan derivative
: gain derivative
e(t) : nilai error
Persamaan (3) apabila didiskritisasi maka akan
menjadi :
Pout u(t)= Kp.e(t) (4)
dan
Dout u(t)= Kd. –
(5)
Pada dasarnya aksi kontrol P dan D bertujuan
untuk menggabungkan kelebihan komponen-
komponen dasar P dan D, komponen dasar
tersebut antara lain:
42
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Gambar 3. Blok diagram sistem
1. Kontrol Proportional (KP), berfungsi
sebagai kontrol untuk mempercepat respons
mencapainya set point.
2. Kontrol Derivative (KD), berfungsi sebagai
kontrol untuk mengurangi nilai overshot.
III. PERANCANGAN
Perancangan ini akan terbagi menjadi lima
bagian utama, yaitu : blok diagram sistem,
pemilihan komponen, anggaran rincian biaya,
perancangan mekanik, perancangan hardware dan
perancangan software.
Blok Diagram Sistem D.
Gambaran dari blok diagram sistem yang akan
dirancang ditunjukkan pada Gambar 3.
Berdasarkan blok diagram tersebut untuk input
sistem digunakan perangkat kamera webcam yang
berfungsi untuk mendeteksi adanya bola, kamera
tersebut terhubung dengan laptop yang berfungsi
sebagai pemrosesan untuk pengolahan data
gambar. Dari laptop tersebut akan mengirimkan
karakter ke mikrokontroer untuk memberikan
pulsa ke Electronic Speed Control (ESC) dan
selanjutnya akan menjalankan motor brushless.
Sebagai nevigasi kapal digunakan perangkat
sensor kompas untuk mengetahui posisi kapal.
Licuid Crystal Diode (LCD) berfungsi untuk
menampilkan karakter keluaran dari
mikrokontroler.
Perancangan Mekanik Kapal E.
Jenis dari kapal yang akan dirancang yaitu
berjenis monohull, dimana jenis monohull kapal
memiliki kelebihan dalam bermaneuver yang
cepat. Untuk ukuran maksimal panjang kapal
keseluruhan LOA (Length Over All) = 130 cm,
Lebar kapal maksimal = 70 cm, dan tinggi kapal
maksimal = 90 cm. Sedangkan untuk berat kapal
dibatasi sebesar 30 kg. Gambar dari kapal yang
akan dirancang ditunjukan pada Gambar 4 dan
Gambar 5.
Gambar 4. Ukuran kapal yang akan dirancang
Gambar 5. Tampak atas keseluruhan kapal
43
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Gambar 6. Skematik rangkaian modul arduino uno
Perancangan Hardware F.
Pada perancangan perangkat keras (hardware)
ini meliputi pembahasan mengenai:
mikrokontroler, sensor, aktuator, ESC, kamera
webcam, catu daya dan LCD 2X16.
1) Mikrokontroler Arduino uno
Mikrokontroler arduino uno merupakan modul
kontroler dalam perancangan sistem kapal.
Mikrokontroler arduino uno memiliki fasilitas
USB sebagai jalur komunikasi antara perangkat
PC/Laptop dengan mikrokontroler dengan
eksekusi data sebesar 16000 instruksi/detik dan
memiliki pin ADC. Gambar 6 menunjukkan
skematik rangkaian dari modul arduino uno rev 3.
2) Modul sensor kompas (HMC5883L)
Pada perancangan ini sensor kompas
HMC5883L digunakan untuk mengetahui posisi
sudut, dengan tujuan sebagai navigator untuk
pergerakan kapal. Berikut skematik dari rangkaian
HMC5883L :
Gambar 7. Skematik rangkaian HMC5883L
3) Kamera Webcam C310
Modul kamera yang digunakan di perancangan
ini adalah webcam C310 untuk mengambil data
berupa gambar/citra analog yang diolah menjadi
citra digital. Berikut konfigurasi dari kamera
webcam C310.
Gambar 8. Skematik konektor webcam
44
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
4) Electronic Speed Control (ESC)
ESC yang digunakan di perancangan ini adalah
ESC Brushless Pro 30A. ESC ini digunakan
sebagai penguat sinyal pulsa dari mikrokontroler
dan mengeluarkan arus yang besar digunakan
untuk menjalankan motor brushless.
Gambar 9. Skematik konektor ESC
5) Motor Brushless BL 2212/13B
Motor Brushless yang digunakan di
perancangan ini adalah motor brushless BL
2212/13B. Motor ini digunakan sebagai aktuator
(penggerak) kapal agar kapal bisa melaju dengan
baik,
Gambar 10. Skematik konektor motor brushless
6) Licuid Crystal Diode (LCD) 2x16
LCD ini digunakan sebagai indikator keluaran
dari mikrokontroler yang menampilkan data
kompas dan data pulsa motor. Berikut skematik
rangkaian dari LCD 2x16.
Gambar 11. Skematik rangkaian LCD 2x16
Perancangan Software G.
Aplikasi komputer vision sendiri dibuat
menggunakan software LabVIEW dengan bantuan
toolkit image processing yang sudah tersedia di
National Instrument. Gambar 12 menunjukkan
tampilan front panel navigasi control. Gambar 13
dan Gambar 14 menunjukkan alir program
LabVIEW yang disajikan dalam bentuk flowchart.
IV. PENGUJIAN
A. Pengujian Tuning Pengontrol PD
Tuning ini bertujuan untuk menentukan
konstanta parameter aksi kontrol proportional dan
derivative. Proses tuning yang dilakukan
menggunakan metode tuning trial and error
artinya melakukan percobaan pengulangan
berkali-kali dengan memberikan nilai konstanta
proportional dan derivative hingga diperoleh hasil
yang diinginkan. Tabel 1 menunjukkan hasil uji
coba tuning kontrol P dan D.
B. Pengujian Kamera
Pengujian ini bertujuan untuk mengetahui
seberapa sensitif kamera saat menangkap objek
bola berwarna dalam keadaan kondisi tertentu,
dengan mengacu pada nilai particle yang
ditangkap yang diolah dengan software LabVIEW
2012. Gambar 15 menunjukkan hasil uji coba
threshold dan Tabel 2 menunjukkan pengujian
threshold di segala kondisi pencahayan.
Sedangkan Tabel 3 menunjukkan hasil pengujian
kamera dan LabVIEW.
C. Pengujian Speed Test
Speed test ini bertujuan agar kapal dapat
melewati batas bola tengah yang sudah ditentukan
dengan jarak panjang kolam sebesar 8 meter.
Gambar 16 menunjukkan ilustrasi lintasan uji
speed test, bola yang dideteksi yaitu
menggunakan bola berwarna hijau. Gambar 17
menunjukkan hasil pengujian speed test. Dan
Tabel 4 menunjukkan hasil pengujian speed test.
45
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Gambar 12. Front panel navigasi kontrol
Start
Inisialisasi
nilai HSV
Inisialisasi I/O
Apakah
Speed Test
Apakah
Maneuver Test
Speed test Maneuver test
Selesai
Y Y
TT
Gambar 13. Flowchart utama Labview
46
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Filter objek
Grab Cam R RGB
Skala di perkecil
Threshold mode HSV
mulai
Prosedur Speed test
Cam R ON
Apakah
Cam R deteksi
Hijau?
Indikator 2 Menyala
Kirim karakter 2
Tunggu 3 detik
Return
Filter objek
Grab Cam L RGB
Skala di perkecil
Threshold mode HSV
mulai
Prosedur Maneuver
test
Apakah
Cam L deteksi
Hijau?
Indikator 1 Menyala
Kirim karakter 1a
Filter objek
Grab Cam R RGB
Skala di perkecil
Threshold mode HSV
Apakah
Cam R deteksi
Hijau?
Indikator 2 Menyala
Kirim karakter 1b
Return
Cam L ON Cam R ON
Y
T
YTT
T
Y
YY
T
Gambar 14 Flowchart prosedur LabVIEW speed test dan maneuver test
47
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Tabel 1. Hasil uji coba tuning kontrl P dan D
Gambar 15 Hasil uji coba threshold
Gambar 16. Ilustrasi lintasan uji speed test
Kp Kd Kanan Kiri
1 1 0 43 -2 11,08 Tidak Stabil
2 1 1 47 -5 12,84 Tidak Stabil
3 2 0 11 -29 10,85 Tidak Stabil
4 2 1 4 -12 10,63 Tidak Stabil
5 2 2 14 -35 10,16 Tidak Stabil
6 3 0 17 -25 10,18 Tidak Stabil
7 3 1 6 -8 10,79 Stabil
8 3 2 26 -40 11,36 Tidak Stabil
9 3 3 11 -20 10,56 Tidak Stabil
10 4 0 21 -43 11,44 Tidak Stabil
11 4 1 11 -18 12,45 Tidak Stabil
12 4 2 7 -14 10,38 Tidak Stabil
13 4 3 13 -23 11,18 Tidak Stabil
14 4 4 9 -13 10,59 Tidak Stabil
15 5 0 15 -21 12,22 Tidak Stabil
16 5 1 7 -6 10,51 Stabil
17 5 2 4 -4 11,01 Stabil
18 5 3 3 -3 11,2 Stabil
19 5 4 4 -2 10,53 Stabil
20 5 5 11 -12 11,16 Tidak Stabil
KeteranganParameter Kontrol
No Waktu Error
48
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Tabel 2. Pengujian threshold di segala kondisi pencahayaan
Batas Nilai
Particle Particle Analisis
1010
Hasil ThresholdGambar Asli
Jam (21.04) WIB
Malam Hari
Jam (23.00) WIB
Keterangan
Malam Hari
4
1
2
3
20 23
2525
Sore Hari
Jam (15.00) WIB
5
Siang Hari
No
Lampu Menyala
Lampu Menyala
Jam (13.50) WIB
Pagi Hari
Jam (06.25) WIB
Pagi Hari
Jam (08.00) WIB
16 18
27 29Lampu Menyala
Lampu Padam
Lampu Menyala
Lampu Padam
Kondisi Penerangan
7
Jam(14.00)WIB
Siang Hari
Jam (16.15)WIB
Sore Hari
Lampu Menyala 18 19
6 Lampu Padam 21 23
6 20 21
49
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Tabel 3. Hasil pengujian kamera dan LabVIEW
Gambar 17. Pengujian speed test
Kondisi Jumlah Keberhasilan
Malam Hari
(lampu hidup)
Pagi Hari
(lampu hidup)
Pagi Hari
(lampu mati)
Siang Hari
(lampu hidup)
Siang Hari
(lampu mati)
Sore Hari
(lampu hidup)
Sore Hari
(lampu mati)
Total 70 52 88,50%
10 7 70%
10 9 90%
10 9 90%
10 9 90%
10 9 90%
Persentase
Keberhasilan
10 9 90%
10 10 100%
50
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Tabel 4. Hasil pengujian Speed test
Gambar 18. Ilustrasi lintasan uji maneuver test
51
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Gambar 19. Pengujian maneuver test
52
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
Tabel 5. Hasil pengujian maneuver test
D. Pengujian Maneuver test
Pengujian maneuver test ini bertujuan agar
kapal dapat bermaneuver melewati bola-bola yang
tersusun dengan susunan jarak bola sekitar -/+ 1,5
meter, bola warna yang akan di deteksi yaitu
menggunakan bola warna hijau dengan jumlah
susunan 3 buah bola. Gambar 18 menunjukkan
ilustrasi lintasan maneuver test dengan 4 bola
warna yang tersusun. Gambar 19 menunjukkan
contoh hasil pengujian maneuver test. Tabel 5
menunjukkan hasil pengujian maneuver test.
V. KESIMPULAN DAN SARAN
A. Kesimpulan Berikut ini merupakan kesimpulan dari
penelitian ini yang telah dilaksanakan beberapa
pengujian.
1. Sistem robot kapal sudah berhasil untuk
dikendalikan secara otomatis, dengan
tingkat keberhasilan untuk speed test
sebesar 80% dan maneuver test sebesar ?%.
2. Hasil data uji speed test, didapatkan kondisi
kapal lebih stabil saat nilai pulsa motor
diberi nilai 1200, serta tingkat persentase
yang didapat lebih baik sebesar 80%.
3. Hasil data uji software LabVIEW telah
berhasil dilakukan, dengan mengatur nilai
Hue Saturation Value (HSV) secara tetap.
Di dapatkan persentasi keberhasilan 88,5%,
dari tingkat pencahayaan yang berbeda-
beda.
4. Hasil dari data pengujian tuning kontrol P
dan D, hasil data menunjukan nilai overshot
membesar ketika diberi nilai konstanta
kecil, sehingga membuat kondisi kapal
tidak stabil. Dengan memberi nilai Kp =5
dan Kd=3, overshot yang didapat bisa
diredam.
B. Saran Adapun saran bagi pengembangan penelitian
ini adalah sebagai berikut.
1. Merubah masukan nilai referensi dari
sensor kompas menggunakan Global
Positioning System (GPS), sehingga arah
53
TELEKONTRAN, VOL. 2, NO. 1, NOVEMBER 2014
dan pergerakan kapal dapat diposisi yang
tepat.
2. Merubah aktuator motor brushless out
runner dengan aktuator brushless in runner
karena torsi rpm yang dihasilkan brushless
in runner lebih besar sehingga untuk
pengontrolan kapal lebih mudah
dikendalikan saat maneuver test.
DAFTAR PUSTAKA
[1] Darma Putra.(2010). Pengolahan Citra Digital.
Yogyakarta : Penerbit Andi Offset.
[2] Shapiro, Linda & Stockman, George.(2000). Computer Vision, paper 13.
[3] https://lecturer.eepis-
its.edu/~nana/indexfiles/referensi/computervision/Compute%20Vision.pdf diakses pada 18-04-2014.
[4] National Instruments, NI-IMAQ for USB Cameras User
Guide, Januari 2005 [5] National Instruments, NI-Vision for LabVIEW User
Manual, November 2005
[6] Syahrul.(2014).Pemrograman Mikrokontroler AVR. Penerbit Informatika.
[7] Kadir, Abdul. (2012). Panduan Praktis Mempelajari
Aplikasi Mikrokontroler dan Pemrograman menggunakan Arduino. Andi Offset
[8] Panduan Kontes Kapal Cepat Tak Berawak Nasional
2013