robot cerdas penembak objek bergerak menggunakan extended kalman filter dengan kontrol pid berbasis

1

USULAN PROGRAM KREATIFITAS MAHASISWA

JUDUL PROGRAM

ROBOT CERDAS PENEMBAK OBJEK BERGERAK MENGGUNAKAN

EXTENDED KALMAN FILTER DENGAN KONTROL PID BERBASIS

ARM CORTEXM3

BIDANG KEGIATAN:

PKM- KARSA CIPTA (PKM-KC)

Diusulkan oleh :

Ketua : Agung Raharja Ishanjaya (7608040018) 2008

Anggota : Erlangga Dewantara (7608040001) 2008

M.Nhasa Nashiruddin (7608040008) 2008

M.Hildi Radya Nararya (7610040010) 2010

POLITEKNIK ELEKTRONIKA NEGERI SURABAYA INSTITUT TEKNOLOGI SEPULUH NOPEMBER

SURABAYA

2010

2

Halaman Pengesahan

1. Judul Kegiatan : Robot Cerdas Penembak Objek Bergerak Menggunakan

Extended Kalman Filter Dengan Kontrol Pid Berbasis

Arm Cortex M3

2. Bidang Kegiatan : ( ) PKM-P ( ) PKM-K ( √ ) PKM-KC

(Pilih salah satu) ( ) PKM-T ( ) PKM-M

3. Bidang Ilmu : ( ) Kesehatan ( ) Pertanian

(Pilih salah satu) ( ) MIPA (√ ) Teknologi dan

Rekayasa

( ) Sosial Ekonomi ( ) Humaniora

( ) Pendidikan

4. Ketua Pelaksana Kegiatan

a. Nama Lengkap : Agung Raharja Ishanjaya

b. NIM : 7608040018

c. Jurusan : Teknik Komputer

d. Universitas/Institut/Politeknik : Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

- ITS

e. Alamat Rumah dan No Tel./HP : Jl.Blitar Raya.No.6 Perum GKB Gresik

f. Alamat email : [email protected]

5. Anggota Pelaksana Kegiatan/Penulis : 4 orang

6. Dosen Pendamping

a. Nama Lengkap dan Gelar : Fernando Ardilla, SST

b. NIP : 19820203 200812 1 001

c. Alamat Rumah dan No Tel./HP : Sukolilo Dian Regency Makmur 4/23

Surabaya

7. Biaya Kegiatan Total :

a. Dikti : Rp 8.770.000,00

b. Sumber lain (sebutkan . . . ) : Rp 0,00

8. Jangka Waktu Pelaksanaan : 5 bulan

mailto:[email protected]

3

Surabaya, 12 Oktober 2010

Menyetujui,

Ketua Jurusan / Program Studi Ketua Pelaksana Kegiatan

Teknik Komputer

(Ir. Sigit Wasista, M.Kom) (Agung Raharja Ishanjaya)

NIP. 19660812 199303 1 005 NIM. 7608040018

Pembantu Direktur Bidang Kemahasiswaan Dosen Pendamping PKMKC

Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

(Drs. Miftahul Huda, MT) (Fernando Ardilla, SST)

NIP. 19631012 199303 1 002 NIP. 19820203 200812 1 001

4

1. Judul

“ ROBOT CERDAS PENEMBAK OBJEK BERGERAK MENGGUNAKAN

EXTENDED KALMAN FILTER DENGAN KONTROL PID BERBASIS

ARM CORTEXM3 ”

2. Latar Belakang

Teknologi diciptakan manusia untuk menjalankan sebuah tugas, yaitu memudahkan

kehidupan manusia dalam berbagai bidang. Kemajuan teknologi dalam kehidupan manusia,

banyak dipengaruhi oleh berkembangnya peradaban dan kebutuhan manusia. Tidak terkecuali

di bidang pertahanan, keamanan, militer, informasi dan bahkan diplomasi begitu banyak

teknologi yang diciptakan manusia demi tercapainya efektivitas dan juga efisiensi hasil.

Kemajuan ilmu pengetahuan dan teknologi dalam bidang pertahanan utamanya, dapat

memberikan ancaman tersendiri, baik itu militer maupun non militer. Untuk itu, kemajuan

Iptek harus dimanfaatkan untuk mendukung terwujudnya pertahanan negara yang solid,

kokoh, dan kuat. Seiring derasnya arus globalisasi yang mempengaruhi segala aspek

kehidupan berbangsa dan bernegara, berbagai negara telah berlomba-lomba dalam

penguasaan dan penerapan ilmu pengetahuan dan teknologi untuk mendukung pertahanan

negaranya.

Dengan Iptek, sistem persenjataan dan alat peralatan baru dapat diciptakan untuk

mendukung keperluan militer/pertahanan yang lebih handal, lebih akurat, dan lebih cepat dan

fleksibel pengerahannya. Teknologi dalam memproduksi persenjataan dan alat peralatan

tersebut terus berkembang sejalan dengan perkembangan Iptek. Teknologi pada bidang

kemiliteran sangat penting diperlukan untuk pertahanan dan keamanan negara. Sekarang ini

penggunaan robot sebagai pengganti peran manusia telah banyak diterapkan di berbagai

bidang. Utamanya bidang yang sangat besar resikonya, sebagai contoh dalam pengintaian dan

penembakan musuh yang dianggap sangat penting pada sistem keamanan militer pada bidang

pertahanan dan keamanan.

Seperti yang kita ketahui bahwa mempertahankan lebih sulit daripada menyerang.

Untuk itulah diperlukan sebuah sistem keamanan yang mampu memberikan serangan. Dengan

harapan, sistem keamanan dengan pertahanan tipe seperti ini akan menimbulkan tekanan dan

kesan lebih sulit dan lebih berbahaya bagi musuh. Dalam proyek ini penyusun akan membuat

sebuah sistem pengamanan yang memanfaatkan ilmu robotika dan beberapa metode dari ilmu

Computer Vision. Dengan menerapkan berbagai teori dari kedua ilmu tersebut, penyusun

5

akan membangun sebuah robot penembak cerdas yang mampu melakukan scanning untuk

menemukan sasaran pada sebuah ruangan dengan jarak yang sudah ditentukan.

Berdasarkan dari latar belakang diatas, maka kami mencoba untuk membuat sebuah

prototipe robot penembak yang kedepannya nanti diharapkan menjadi pacuan untuk

mengembangkan lebih jauh teknologi militer Indonesia, mendorong para pengembang-

pengembang militer Indonesia, serta memberikan sebuah daya tarik terhadap masyarakat yang

tertarik dalam dunia militer Indonesia, yang akhir-akhir ini diragukan kemampuannya .

3. Rumusan Masalah

Berdasarkan dari penjelasan diatas, dapat diperoleh beberapa rumusan masalah yaitu :

1. Bagaimana rancangan mekanik robot penembak ?

2. Bagaimana cara sistem robot penembak mengenali objek?

3. Bagaimana mengimplementasikan metode PID untuk mengatur posisi pengarahan

penembak berdasarkan input koordinat yang diproses dari kamera USB menggunakan

metode kalman filter.

4. Tujuan Penelitian

1. Membuat sebuah robot penembak yang di gunakan untuk menembak objek tepat

sasaran secara otomatis.

2. Mengembangkan teknologi robot penembak yang telah digunakan sebelumnya.

5. Luaran yang diharapkan

Proyek pembuatan perangkat yang dibuat yaitu merupakan robot penembak yang

berfungsi sebagai penembak sasaran secara otomatis. Pada pembuatan robot penembak ini,

diharapkan objek dapat di tembak sesuai input koordinat objek yang di proses oleh kamera

dengan menggunakan metode extended kalman filter, sedangkan pergerakan penembak di

kontrol menggunakan metode PID yang di dapatkan dari koordinat objek.

6

Gambar 1 konsep robot penembak.

6. Kegunaan

Kegunaan bagi mahasiswa :

1. Meningkatkan pengetahuan mereka dibidangnya dan dapat mengembangkan sebuah

inovasi baru khususnya dibidang teknologi.

2. Melatih kemampuan mahasiswa untuk menggunakan komponen-komponen dasar

elektronika dan mampu mengimplementasikan ilmu-ilmu elektronika.

3. Mengaplikasikan ilmu-ilmu pengetahuan yang telah didapatkan diperkuliahan.

Kegunaan bagi masyarakat :

1. Mengembangkan teknologi kemiliteran dengan menjadikan sebuah peralatan tempur

yang canggih.

2. Dapat di gunakan sebagai pendukung sebuah sistem keamanan pada suatu tempat yang

membutuhkan keamanan yang sangat ketat.

7

7. Tinjauan Pustaka

1. Extended Kalman Filter

Filter Kalman merupakan bentuk prediktor-korektor digunakan secara luas dalam

rekayasa sistem kontrol untuk memperkirakan state dari sebuah proses. State

diperkirakan kemudian dapat digunakan sebagai bagian dari control law untuk

mengontrol satu atau lebih state.

(1)

(2)

(3)

Dengan k menunjukkan titik diskrit dalam waktu (dengan k-1 menjadi titik

waktu). uk adalah vektor input xk adalah vektor dari state yang sebenarnya, beberapa

yang mungkin tidak teramati. yk adalah vektor dari output proses yang sebenarnya.

adalah vektor dari output proses yang diukur. Wk dan vk adalah proses dan keluaran

suara masing-masing. Apabila diasumsikan nol berarti Gaussian dengan QK kovarians

dan Rk masing-masing. f (.) dan h (.) fungsi generik non-linear yang terkait keadaan

masa lalu, input dan waktu saat ini untuk keadaam berikutnya dan keluaran masing-

masing. Seperti Kalman Filter, Extended Kalman Filter menggunakan algoritma

prediktor-korektor 2 langkah. Langkah pertama melibatkan memproyeksikan baik

perkiraan state yang paling terakhir dan perkiraan dari kovarians kesalahan (dari

periode waktu sebelumnya) ke depan dalam waktu untuk menghitung estimasi

perkiraan dari state pada waktu saat ini. Langkah kedua melibatkan state mengoreksi

estimasi diperkirakan dihitung pada langkah pertama dengan memasukkan proses

pengukuran terbaru untuk menghasilkan perkiraan state baru.

Namun, karena sifat non-linear dari proses yang memperkirakan prediksi

kovarians dan persamaan update tidak dapat menggunakan f dan h langsung.

Sebaliknya mereka menggunakan Jacobian dari f dan h.

(4)

(5)

Untuk Extended Kalman Filter, matematis, langkah prediktor diberikan oleh

(6)

8

(7)

Dan langkah korektor diberikan oleh,

(8)

(9)

(10)

Dalam persamaan di atas Pk adalah perkiraan kovarians dari kesalahan

pengukuran dan Kk disebut gain Kalman. Setelah kedua prediksi dan langkah-

langkah koreksi telah dilakukan kemudian adalah perkiraan state saat ini dan dapat

dihitung secara langsung dari itu. Kedua dan disimpan dan digunakan dalam langkah

prediktor periode waktu berikutnya.

Jika proses linear maka runtuhnya persamaan di atas untuk persamaan asli

Kalman Filter. Namun, tidak seperti Filter Kalman, Extended Kalman Filter adalah

tidak optimal dalam arti apapun. Dan lebih lanjut, jika model proses tidak akurat

kemudian karena penggunaan Jacobian yang pada dasarnya merupakan linierisasi

dari model Extended Kalman Filter kemungkinan akan menyimpang yang mengarah

ke perkiraan yang sangat buruk.

2. Kontroler PID

Kontroler adalah komponen yang berfungsi meminimasi sinyal kesalahan. Keberadaan

kontroler atau pengendali dalam sebuah sistem kontrol mempunyai kontribusi yang

besar terhadap perilaku sistem. Pada prinsipnya hal itu disebabkan oleh model plant

yang diasumsikan tidak dapat diubah, sehingga untuk mengubah karakteristik dan

kinerja sistem secara keseluruhan seperti yang diinginkan, diperlukanlah suatu

pengendali. Pengendali inilah yang modelnya dapat diubah, sehingga model sistem

seluruhnya juga berubah sesuai yang dikehendaki. Selain itu, salah satu tugas

komponen kontroler adalah mereduksi sinyal kesalahan, yaitu perbedaan antara sinyal

setting dan sinyal actual yang dibandingkan melalui umpan balik. Kontroler akan

senantiasa mengubah sinyal aksi selama sinyal error terjadi.

9

input

umpan

e (t)

de(t)

dt

KP

1

T1 Kp

Kp Td

+

+ +

+ _

m (t)

Gambar 2. Diagram blok sistem pengaturan putaran motor DC

Kendali yang diaplikasikan pada sistem pengaturan putaran motor DC pada

laporan ini adalah kendali PID. Secara umum, blok diagram kontroler PID yang

digunakan, terlihat pada gambar 2 dibawah ini:

Gambar 3. Blok Kontroler PID

3. Motor DC

Prinsip Kerja

Motor DC atau motor arus searah adalah suatu mesin yang berfungsi untuk

mengubah tenaga listrik searah menjadi tenaga gerak atau tenaga mekanik berupa

putaran dari rotor. Prinsip kerja motor dc hampir sama dengan generator dc. Kecuali

pada konversi daya yang dihasilkan. Prinsip dasar motor dc yaitu : “ Apabila suatu

kawat berarus diletakkan diantara kutub-kutub magnet Utara dan selatan (U-S), maka

pada kawat itu akan bekerja suatu gaya yang menggerakkan kawat tersebut”.

Gambar 4. Prinsip kerja Motor DC

reference u

Kontrol

er

Motor

Rotary Encoder

e output

+

-

10

Pengaturan Kecepatan Motor DC

Salah satu pengaturan kecepatan motor dc adalah dengan mengatur tegangan

Vt, pada pengaturan kecepatan motor dc dengan penguat sendiri yang diatur adalah

tegangan jepit pada kumparan jangkar Vt atau Va. Hampir sama dengan motor dc

penguat terpisah hanya saja pada motor dc penguat sendiri pada proyek akhir ini adalah

menggunakan magnet permanen.

Pada saat start, motor dc penguat sendiri pertama kali berputar pada kecepatan

(ω) rendah dan torsi (τ) pada motor sangat tinggi. Kondisi seperti ini berlanjut

apabila kecepatan motor dc semakin tinggi maka torsi pada motor akan semakin

rendah. Hal ini sesuai dengan persamaan, bahwa :

dimana :

τ = torsi motor

P = daya motor

ω = kecepatan motor

Sesuai persamaan diatas bahwa kecepatan dan torsi saling berbanding terbalik.

Artinya semakin besar kecepatan motor maka torsi motor semakin kecil dan apabila

kecepatan motor semakin kecil maka torsi motor semakin besar. Gambar 6.

menunjukkan garfik fungsi torsi terhadap kecepatan.

Gambar 5. Grafik fungsi torsi terhadap kecepatan (secara umum)

4. Driver Motor DC

Gambar 6. H-Bridge Driver Motor DC

11

Rangkaian driver dirancang untuk mengaktifkan motor DC sebagai penggerak

kamera. Kombinasi rangkaian driver ini dirancang supaya motor DC dapat berputar

forward-reverse, menyesuaikan input program yang bekerja berdasarkan sinyal kontrol

PID.

5. Arm Cortex M3

Prosesor Cortex-M3, berdasarkan arsitektur ARMv7-M, memiliki struktur

hirarkis. Ini mengintegrasikan core prosesor pusat, yang disebut CM3Core, dengan

periferal sistem canggih untuk mengaktifkan kemampuan yang terintegrasi seperti

kontrol mengganggu, perlindungan memori dan debug sistem dan jejak. Peripheral

ini sangat dapat dikonfigurasi yang memungkinkan prosesor Cortex-M3 untuk

mengatasi berbagai-berbagai aplikasi dan menjadi lebih erat selaras dengan

persyaratan sistem. Cortex-M3 core dan komponen yang terintegrasi telah dirancang

khusus untuk memenuhi persyaratan pelaksanaan memori minimal, mengurangi

jumlah pin dan konsumsi daya rendah.

Gambar 7. Diagram Blok Arsitektur ARM ® Cortex ™-M3

12

8. Metode Pelaksanaan.

Sewaktu melakukan apapun terlebih dahulu harus diketahui urutan – urutan yang

benar sehingga dapat dikerjakan dengan baik, begitupula dengan pembuatan robot penembak

ini. Dengan penjadwalan dan urutan kegiatasn yang jelas, diharapkan pembuatan aplikasi ini

bisa berjalan dengan baik dan dengan hasil yang baik pula. Untuk dapat merancang dan

membuat robot penembak ini, maka perhatikan urutan flow chart berikut:

PEMBUATAN MEKANIK ROBOT

MERANCANG RANGKAIAN KONTROLER ROBOT

UJI COBA PENJEJAKAN SASARAN DENGAN

METODE EXTENDED KALMAN FILTER

SELESAI

MULAI

STUDI LITERATUR

OBSERVASI

PEMBELIAN BAHAN

UJI COBA PENGIRIMAN DATA KOORDINAT DARI

KAMERA USB KE ARM CORTEX M3

PENGUJIAN DAN EVALUASI SISTEM KESELURUHAN

PEMBUATAN LAPORAN

UJI COBA KONTROL MOTOR DENGAN METODE PID

13

1. Studi literatur

Dalam studi literatur ini kita akan mempelajari beberapa hal berikut ini :

o Mempelajari tentang bahasa pemrograman C.

o Mempelajari tentang modul Arm Cortex M3.

o Mempelajari tentang interfacing kamera .

o Mempelajari tentang metode extended kalman filter.

o Mempelajari tentang metode PID.

2. Blok diagram robot penembak

Gambar 7. Diagram Blok Keseluruhan Sistem Robot Penembak

9. Jadwal pelaksanaan program.

No Studi literatur

Bulan ke -

I II III IV V

1. Studi Literatur

2 Pembelian bahan yang dibutuhkan

3 Pembuatan alat secara lengkap

4 Pengujian Alat

5 Uji coba alat di lapangan

6 Pembuatan laporan akhir

Rancangan Proyek Akhir

Kamera Komputer

Di kerjakan orang lain

Arm Cortex M3

Motor DC 1

Motor DC 2

Air SoftGun

Rotary Encoder

Rotary Encoder

14

10. Rancangan Biaya

Adapun dana yang digunakan dalam pembuatan alat ini, yaitu:

Pengeluaran:

1. Studi literatur :

Internet = Rp. 200.000,00

Photocopy literatur = Rp. 50.000,00

Biaya transportasi = Rp. 100.000,00 +

Sub Total Rp. 350.000,00

2. Pembelian hardware dan sensor:

Modul Arm Cortex M3 = Rp. 800.000,00

Rotary Encoder = Rp. 2.000.000,00

2x@ Rp.1.000.000,00

Level Converter = Rp. 140..000,00

[email protected],00

Power Supply Switching = Rp. 100.000,00

H-bridge driver Motor DC = Rp. 70.000,00

Motor DC = Rp. 400.000,00

2 x @200.000,00

Kamera USB = Rp. 500.000,00

Alumunium = Rp. 250.000,00

Acrylic = Rp. 250.000,00

Kabel = Rp. 50.000,00

Socket Kabel = Rp. 30.000,00

Bearing = Rp. 150.000,00

Baut + Mur = Rp. 30.000,00

AirSoft Electric Gun = Rp. 2.500.000,00

Komponen Lain-lain = Rp. 300.000,00

Biaya Implementasi = Rp. 700.000,00

Biaya testing = Rp. 500.000,00

Sub Total = Rp. 8.770.000,00

15

11. Daftar Pustaka

1. Lin, Abney, and Bekey .2008.”Autonomous Military Robotics: Risk, Ethics, and

Design”.

2. Shyam Sadasivan. 2006.”An Introduction to the ARM Cortex-M3 Processor”.

3. Andrew Caballero,Ian Stine,Steve Majo,Mike Bok.2008.”Auto-Targeting Sentry

Gun with Friend/Foe Recognition”, Project Documentation University of

Central Florida.

4. Matt Krass.2006.”PID Control Theory”,Team 358.

5. Setiawardhana. 2010. Rancang Bangun Sistem Penjejakan Wajah

Menggunakan Kamera PTZ dengan Metode Adaptive Neuro-Fuzzy. Tesis

Program Magister Teknik Elektro-Institut Teknologi Sepuluh Nopember.

Surabaya.

6. Arihutomo, Mukhlas. 2010. Rancang Bangun Sistem Penjejakan Objek

Menggunakan Metode Viola Jones untuk Aplikasi Eyebot. Proyek Akhir

Politeknik Elektronika Negeri Surabaya.

7. Ray, Ajoy K., Acharya, Tinku. 2005. Wiley Image Processing Principles and

Aplications . Aviser, Inc. Arizona.

8. Zhu, Yuliang. 2003”Hand Detection and Tracking in Active Vision System”.

Tesis Program Master of Computer Science York University ,

16

Lampiran

1. Biodata Ketua dan Anggaran Kelompok

a.) Ketua

Nama Lengkap : Agung Raharja Ishanjaya

NIM : 7608040018

Jurusan : Teknik Komputer

Universitas/Institut/Politeknik : Politeknik Elektronika Negeri Surabaya

Alamat Rumah dan No Tel./HP : Jl. Blitar Raya No.6 Perum GKB Gresik /

085755115941

Alamat email : [email protected]

Mengetahui,

(Agung Raharja Ishanjaya)

NIM.7608040018

b.) Anggota 1

Nama Lengkap : Erlangga Dewantara

NIM : 7608040001



Alamat Rumah : Jl.keputih Gg.2/34 Sukolilo Surabaya

No Tel./HP : 08993833011


Mengetahui,

(Erlangga Dewantara)

NIM.7608040001



17

c.) Anggota 2

Nama Lengkap : M. Nhasa Nashiruddin

NIM : 7608040008



Alamat Rumah : Suko Legok RT.15 RW.5 no.34A

Kec. Sukodono Kab. Sidoarjo

No Tel./HP : 03177989045


Mengetahui,

(M. Nhasa Nashiruddin)

NIM.7608040008

d.) Anggota 3

Nama Lengkap : M.Hildi Radya Nararya

NIM : 7610040010



Alamat Rumah : Keputih Gg.Makam Blok E10

No Tel./HP : 085655563667


Mengetahui,

(M.Hildi Radya Nararya)

NIM.7618040010



18

2. Biodata Dosen Pembimbing

Nama Lengkap : Fernando Ardilla, SST

NIP : 19820203 200812 1 001


Alamat Rumah : Sukolilo Dian Regency makmur 4/23, Surabaya

No Tel./HP : 08563312336


Mengetahui,

( Fernando Ardilla, SST )

NIP. 19820203 200812 1 001


robot cerdas penembak objek bergerak menggunakan extended kalman filter dengan kontrol pid berbasis

Documents