Jurnal Robot, Sistem Komputer UNSRI

ROBOT KESEIMBANGAN DENGAN RODA DUA YANG MEMBAWA BEBAN

Amirullah, Asti Yulia Sari, Ayu Rahayu, Edi Sukrisno, Rahma Ricadonna, Yogi Tiara Pratama

Fakultas Ilmu Komputer

Universitas Sriwijaya

Ayurahayuakansukses@gmail.com, Rahmaricadonna@gmail.com,

Abstrak

            Robot keseimbangan dengan roda dua yang membawa beban ini merupakan suatu robot mobile yang memiliki roda disisi kanan dan kirinya yang tidak stabil dan harus diseimbangkan secara aktif untuk menjaganya tetap tegak. Selain seimbang robot ini mampu membawa beban yang berukuran kecil misal nya hp, botol minuman, dan sebagainya. Kedua roda dari robot ini dihubungkan pada motor DC untuk alat penggerak, robot ini juga berbasis mikrokontroller dengan menggunakan arduino dan menggunakan sensor mpu 6050. Tujuan pembuatan robot ini agar robot dapat berdiri seimbang, apabila robot berada pada sudut kemiringan selain dari pada 0 derajat maka robot tidak akan seimbang. Robot ini tidak akan seimbang tanpa adanya kontroler.Pada robot ini digunakan sebuah metode tuning control PID pada robot ini dilakukan dengan cara “trial and error” artinya adalah dengan cara coba – coba dalam memasukan nilai ke parameter – parameter yg digunakan sampai didapatkan hasil yang diinginkan.Kontroler PID bertujuan untuk memuluskan pergerakan robot saat mempertahankan posisi tegak dan tidak terjatuh terhadap permukaan bumi. Dengan bantuan kontroler PID, robot beroda dua mampu mempertahankan posisi tegak dengan aman, responsif dan cepat. Hasil parameter kontroler PID yang dicapai dari penelitian  ini diperoleh nilai Kp=10 Ki=35 dan Kd=20.

Kata Kunci : Balancing Robot, sensor, motor DC, kontroler PID

         I.          PENDAHULUAN

1.1  Latar Belakang

Saat ini perkembangan teknologi robotika telah mampu meningkatkan kualitas maupun kuantitas berbagai industri. Teknologi robotika juga telah menjangkau sisi hiburan dan pendidikan bagi manusia. salah satu cara menambah tingkat kecerdasan suatu robot yaitu dengan menambah metode kontrol bahkan memberikan kecerdasan buatan pada robot tersebut. Salah satunya adalah balancing robot atau robot keseimbangan.

Balancing robot (robot penyeimbang) merupakan suatu robot mobile yang memiliki roda di sisi kanan dan kirinya yang tidak akan seimbang tanpa adanya kontroler. Menyeimbangkan balancing robot memerlukan suatu metode kontrol yang baik untuk mempertahankan posisi robot dalam keadaan tegak lurus. Masalah pengendalian sistem balancing robot berbasis mikrokontroller dengan menggunakan arduino dan menggunakan sensor  Gyro untuk membaca sudut kemiringan agar robot dapat balance.

1.2 Tujuan

Robot akan berusaha untuk menyeim bangkan keadaan akan sudut kemiringan yang diterima, dan juga robot akan bergerak maju dan mundur untuk mendapatkan titik keseimbangan dan dapat membawa beban yang kita inginkan.

1.3 Pembatasan Masalah

Batasan masalah pada penelitian Tugas pengantar robotika adalah:

1. Robot ini hanya dapat menyeimbangkan diri tegak lurus dengan permukaan bumi pada bidang datar.

2. Robot ini hanya dapat bergerak maju mundur untuk menyeimbangkan diri di bidang datar tanpa mengikuti garis atau jalur tertentu.

3. Robot ini di kasih beban agar robot langsung dapat menyeimbangkan diri tanpa garus maju dan mundur mencari titik keseimbangan dahulu.

II. TINJAUAN PUSTAKA

2.1 Robot Keseimbangan

Robot keseimbangan merupakan robot yang dapat beridri dengan seimbang menggunakan dua roda sebagai tumpuan, sehingga robot tidak akan jatuh. Dimana robot ini akan berusaha untuk berdiri dan menyeimbangkan keadaan.

Pada gambar diatas menjelaskan bahwa permasalahannya ada pada kereta beroda yang bisa bergerak maju dan mundur dan pendulum yang ujungnya menyatu pada kereta beroda sehingga ketika kereta beroda bergerak maka pendulum akan jatuh. Oleh karena itu dibutuhkan kendali sehingga pendulum tetap seimbang dan berdiri tegak.

Prinsip kerja robot ini sangat sederhana yaitu robot akan berusaha untuk menyeimbangkan keadaan akan sudut kemiringan yang diterima dan robot akan bergerak maju atau mundur untuk mendapatkan titik keseimbangan.

2.2 Prinsip kerja Robot

—  Robot akan berusaha untuk menyeimbangkan keadaan akan sudut kemiringan yang diterima, dan juga robot akan bergerak maju dan mundur untuk mendapatkan titik keseimbangan. Robot ini menggunakan system minimum Arduino Uno R3 sebagai otak dan pusat kendali robot, Arduino ini cukup untuk men jalankan program robot balancing ini secara bagus dan tepat. Robot balancing ini akan berusaha untuk menyeimbangkan diri keadaan akan sudut kemiringan yang diterima

—  Robot akan bergerak maju dan mundur dan berusaha untuk mendapatkan titik keseimbangan.

—  Robot ini menggunakan system minimum arduino sebagai otak dan pusat kendali robot.

—  Robot ini menggunakan sensor kemiringan yaitu sensor MPU 6050 yang terdapat sensor giro dan accelerometer yang mana Accelerometer adalah sensor yang digunakan untuk mengukur percepatan suatu objek.

—  Jadi robot ini hanya mengandalkan sensor MPU 6050 sebagai mata dari robot, yang  mana data dari sensor akan dikirimkan  ke arduino untuk  diolah sehingga mendapatkan nilai dan kondisi-kondisi untuk mengendalikan motor DC melalui motor driver.

—  Sedangkan sensor Gyroscope yaitu berupa sensor gyro untuk menentukan orientasi gerak dengan bertumpu pada roda atau cakram yang berotasi dengan cepat pada sumbu.

—  Robot ini juga menggunakan motor driver dua arah atau  bi-direction, yaitu  motor driver yang dapat mengendalikan motor DC kearah depan dan belakang, sehingga akan membuat robot dapat berjalan ke depan dan mundur kebelakang serta dapat melewati tanjakan yang ada dan berusaha untuk memperoleh titik seimbang.

2.3  Tuning control PID pada robot

metode tuning control PID pada robot ini dilakukan dengan cara “trial and error” artinya adalah dengan cara coba – coba dalam memasukan nilai ke parameter – parameter yg digunakan sampai didapatkan hasil yang diinginkan.Berikut ini dijelaskan step by step metode tuning dengan cara “trial and error”:
1.masukan nilai“pwm” untuk batas kecepatan motor yang diinginkan.
2.masukan nilai time sampling “ts” yang diinginkan.

3.masukan nilai “kp” berulang kali seiring berjalan sampai di dapat kan hasil / gerakan robot yg di inginkan (gerakan gedek – gedek yang diinginkan). tapi dengan catatan abaikan dulu parameter “ki” dan “kd” dgn cara memberi kan nilai 0 pada “ki”  dan “kd”.

4.masukan nilai “kd” berulang kali seiring berjalan sampai didapatkan hasil/gerakan yang halus atau smoot pada robot (artinya gerakan gedek – gedek pada robot berkurang sampai seolah hampir tidak kelihatan). di step ini nilai “ki” masih di abaikan dengan cara memberinya nilai 0 pada “ki”.
5.Terakhir masukan nilai “ki” kehadiran parameter “ki” pada robot line follower sebenarnya optional artinya nilai pada “ki” boleh dikosongkan boleh juga diisi. jika ingin mencoba – coba silahkan masukan nilai “ki” sampai didapatkan hasil yang diinginkan.

2.3 Sensor Accelero dan Gyro MPU 6050

            Sensor MPU-6050 Module adalah sebuah modul berinti MPU-6050 yang merupakan 6 axis Motion Processing Unit dengan penambahan regulator tegangan dan beberapa komponen pelengkap lainnya yang membuat modul ini siap dipakai dengan tegangan supply sebesar 3-5VDC.  Modul ini memiliki interface I2C yang dapat disambungkan langsung ke MCU yang memiliki fasilitas I2C.

Sensor MPU-6050  berisi sebuah MEMS Accelerometer dan sebuah MEMS Gyro yang saling terintegrasi. Sensor ini akan menangkap nilai kanal axis  X, Y dan Z bersamaan dalam satu waktu.Accelerometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur percepatan, mendeteksi dan mengukur getaran (vibrasi), dan mengukur percepatan akibat gravitasi. Sensor accelerometer mengukur percepatan akibat gerakan benda yang melekat padanya. Pendeteksian gerakan berdasarkan pada 3 sumbu yaitu kanan-kiri, atas-bawah dan depan-belakang. Sensor Gyroscope adalah sensor yang dapat membaca kecepatan sudut yang dinamis. Prinsip kerja dari gyroscope ini adalah pada saat gyroscope berotasi maka gyroscope akan memiliki nilai keluaran. Dengan menggunakan kombinasi accelerometer dan gyroscope pada suatu sistem maka accelerometer dapat memberikan pengukuran sudut saat sistem berada pada kondisi diam. Sedangkan pada saat sistem berotasi accelerometer tidak bisa bekerja secara maksimal karena memiliki respon yang lambat. Kelemahan inilah yang dapat diatasi oleh gyroscope karena gyroscope dapat membaca kecepatan sudut yang dinamis. Namun gyroscope juga memiliki kelemahan yaitu proses perpindahan kecepatan sudut dalam jangka waktu yang panjang menjadi tidak akurat karena ada efek bias yang dihasilkan oleh gyroscop .

2.4 Alasan kenapa memilih Arduino Uno

·         Develop project mikrokontroler akan menjadi lebih dan menyenangkan. tinggal colok ke USB, dan tidak perlu membuat downloader untuk mendownload program yang telah kita buat.

·         Didukung oleh Arduino IDE, bahasa pemrograman yang sudah cukup lengkap librarynya.

·         Terdapat modul yang siap pakai/shield yang bisa langsung dipasang pada board Arduino

·         Dukungan dokumentasi yang bagus dan komunitas yang solid

III. PERANCANGAN ALAT

 3.1 Blok diagram

Secara umum diagram blok balancing robot beroda dua dapat digambarkan seperti pada Gambar

3.2 Perancangan Perangkat Keras (Hardware)

a. Perancangan Rangkaian Sitem Minimum Arduino Sistem minimum dalam mikrokontroler adalah rangkaian elektronik minimum yang diperlukan untuk beroperasinya IC mikrokontroler. Sistem minimum ini kemudian bisa dihubungkan dengan rangkaian lain untuk menjalankan rangkaian tertentu. Arduino UNO R3 dapat dicatu dengan tegangan dari koneksi USB atau dengan catu daya eksternal yang berkisar antara 6 Volt – 20 Volt, tetapi disarankan dengan tegangan antara 7 Volt – 12 Volt. Jika lebih dari 12 Volt dikhawatirkan regulator akan cepat panas dan akan merusak board arduino UNO R3, tapi jika kurang dari 7 Volt kemungkinan tegangan di pin 5 Volt akan kurang dari 5 Volt.

Keterangan Pin Arduino yang akan digunakan

Enable A      : Pwm (Pusa yang di modulasi) motor kanan ke kaki arduino 3

Input logic 1 : digunakan untuk input logic kanan 1 ke kaki arduino 6

Input logic 2 : digunakan untuk input logic kanan 2 ke kaki arduino 7

Input logic 3 : digunakan untuk input logic kiri 1 ke kaki arduino 5

Input logic 4 : digunakan untuk input logic kiri 2 ke kaki arduino 8

Enable B     : Pwm (Pusa yang di modulasi) motor kiri

Keterangan Pada sensor MPU6050

Pin GND : digunakan untuk ground (kabel hitam)

Pin 5 Volt : digunakan untuk input 5 Volt sensor dan LCD

Pin Analog SDA: digunakan untuk input SDA sensor

Pin Analog SCL : digunakan untuk input SCL sensor

Keterangan Pada motor driver

Pin merah : positif 12 volt ke regulator

Pin coklat5 : negatif 5 volt

Pin putih : 12 volt (tegangan motor)

Pin abu-abu : ic ke 5 volt dari 12 volt di turunkan jadi 5 volt

b. Perancangan Sensor IGY-521 MPU-6050 Module adalah sebuah modul berinti MPU-6050 yang merupakan 6 axis Motion Processing Unit dengan penambahan regulator tegangan dan beberapa komponen pelengkap lainnya yang membuat modul ini siap dipakai dengan tegangan supply sebesar 3-5VDC.  Modul ini memiliki interface I2C yang dapat disambungkan langsung ke MCU yang memiliki fasilitas I2C.

c. Motor DC merupakan jenis motor yang menggunakan tegangan searah sebagai sumber tegangannya. Dengan memberikan beda tegangan pada kedua terminal tersebut, motor akan berputar pada suatu arah, dan bila polaritas dari tegangan  tersebut dibalik, maka arah putaran motor akan terbalik pula. Polaritas dari tegangan yang diberikan pada dua terminal menentukan arah putaran motor, sedangkan besar dari beda tegangan pada kedua terminal menentukan kecepatan motor.

Bagian  dasar dari motor DC yaitu:

1.        Bagian yang tetap/stasioner yang disebut stator. Stator ini menghasilkan medan magnet, baik yang dibangkitkan dari sebuah koil (elektromagnet) ataupun magnet permanen.

2.        Bagian yang berputar disebut rotor. Rotor ini berupa sebuah koil dimana arus listrik mengalir.

3.3 Perancangan Diagram Alir (Flow Chart)

Untuk membuat program yang sesuai dengan tujuan penelitian, maka terlebih dahulu dibuat rancangan program dalam suatu diagram alir (flow chart) dari program yang dibuat agar alat bekerja berdasarkan program yang diinginkan. Diagram alir pada Gambar

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN

4.1 Hasil Perancangan robot

maka didapat hasil robot seperti Gambar

Gambar Robot Keseimbangan Dengan Roda Dua Yang Membawa Beban

4.3 Pengujian Balancing Robot

Pada pengujian program arduino bisa kita lihat kontroler PID dari project robot ini  diperoleh nilai Kp=10 Ki=35 dan Kd=20.

Dapat lihat dari hasil yang kita dapat:

ü  Fungsi Kp di sini yaitu : untuk membuat gerakan yaitu gerakan (robot kedepan-kebelakang untuk mencari posisi keseimbangan nya)

ü  Fungsi Ki di sini yaitu : untuk mengurangi gerakan robot kedepan-kebelakang dari Kp tadi sehingga robot terlihat lebih seimbang tanpa goyang-goyang.

ü  Fungsi Kd di sini yaitu : untuk menghaluskan gerakan robot kedepan-kebelakang sehingga robot dapat sepenuhnya tegak lurus an menyeimbangkan dirinya.

Pengujian robot keseimbangan ini di liat dari pembacaan sendor MPU6050 yaitu

NO	kemiringan sudut (derajat)	Hasil pada pembacaan sensor	Arah meanik robot
1	30	32,5	kekiri
2	20	20,5	kekiri
3	10	10	kekiri
4	0	0	Tegak urus
5	10	-10,5	Ke kanan
6	-20	-21	Ke kanan
7	-30-	-33	Ke kanan

Balancing robot ini dapat menyeimbangkan dirinya dengan baik pada sudut 0. Didapatkan sudut maksimal balancing robot yaitu antara -200 hingga 200. Jika balancing robot miring di atas -200 dan 200, robot sering gagal untuk menyeimbangkan diri.

Gambar saat pembacaan sensor dalam kondiri seimbang

V. PENUTUP

5.1 Kesimpulan

Balancing robot beroda dua merupakan suatu robot mobile yang memiliki dua roda di kedua sisinya dan tidak akan seimbang tanpa sebuah metode kontrol yang baik. Accelerometer yang digunakan untuk mendeteksi kemiringan robot beroda dua dari permukaan pijak memiliki rata-rata kesalahan pembacaan sudut yang baik atau mempunyai eror yang kecil. Begitu juga dengan gyroscope yang sedang berotasi searah maupun berlawanan terhadap arah jarum jam terhadap data keluaran dari accelerometer.Perlu perlakuan khusus terhadap penempatan sensor yaitu berada tepat pada sumbu as roda dan berada pada titik tengah robot beroda dua.

Karena apabila penempatanya tidak sesuai maka pengambilan data akan mempunyai error yang lebih besar. Sistem robot beroda dua dapat stabil yaitu mampu mempertahankan posisi berdiri dan tanpa terjatuh dalam range sekitar -30 sampai 30 dari posisi tegak yaitu 0 derajat. Dengan meng gunakan teorema kontroler Proporsional, Integral dan Diferensial (PID) di sini kita menggunakan metode tuning control PID pada robot ini dilakukan dengan cara “trial and error” 

5.2 Saran

Dalam perancangan dan pembuatan alat ini masih terdapat kelemahan. Untuk memperbaiki kinerja alat dan pengembangan lebih lanjut disarankan:

1. Penyempurnaan konstruksi mekanik terutama pada sistem mekanik dari motor DC agar lebih simetris antara satu dengan yang lainya. Hal ini untuk mengurangi noise dan disturbance saat motor DC tersebut berputar.

2. Dilakukan metode pengontrolan selain menggunakan kontroler PID.

3. Dilakukan metode pengambilan data menggunakan wireless. Karena apabila menggunkan kabel maka respon data dari robot beroda dua terjadi lebih besar error yang disebabkan oleh beratnya kabel. Hal ini membebani pada salah satu sisi sehingga pada saat pengambilan data digunakan perangkat tanmbahan yaitu pembeban yang ditempatkan pada sisi berlawananya.

DAFTAR PUSTAKA

[Andika.2011. Wheel self balancing robot.                                             (online) from http://www.instructables. com  /id/2-Wheel-Self-Balancing-Robot-by-using-Arduino-and   diakses (27 November 2015).

                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                             

Fajar. 2015.membuat robot keseimbang an. (online) from https://fajarah ma dfauzi.wordpress.com/2015/07/02/membuat-robot- balancing robotkeseimbangan /diakses (27November 2015).

Hafid.2011.Motor DC. (online) from http://elektronika-dasar.web.id/teori-elektronika/teori-motor-dc-dan-jenis-jenis-motor-dc/  Diakses (2 September 2015).

Rahmi.2014. cara membuat robot balancing   (online) http://colkin-coker-elektronik.blog spot .com/2013/06/cara-membuat-robot-balancing-robot.html

          Diakses (2 September 2015).

Triaviani.2014. Sensor gyroscope dan accelerometer  (online) from http://oktriaviani.blog spot.co  .id/2012/06/accelerometer-gyroscope_16.html  Diakses (2 September 2015).