Pengendalian Lengan Robot Berbasis Mikrokontroler AT89C51
Menggunakan Transduser Ultrasonik
Muh Nurdinsidiq1, Bambang Sutopo2
1Penulis, Mahasiswa S-1 Jurusan Teknik Elektro UGM
2Dosen Pembimbing, Staf Pengajar di Jurusan Teknik Elektro UGM
ABSTRACT
Ability to avoid an obstacle is required by robot that works in frequently
disturbed path.
Arm robot can use ultrasonic transduscer as an obstacle detector. The
distance between the obstacle and robot is gotten by measuring the strength of the
reflected burst of ultrasonic sound. The result of distance measurement is used by
microcontroller to decide direction and velocity of robot movement. The velocity of
robot movement is controlled by microcontroller with suitable Pulse Width
Modulation signal.
Observation shows that ultrasonic transduser can detect an cylindrical
obstacle in a half circle path with radius 25 cm. The outer path obstacle can be
detected earlier but the inner path obstacle only detected in range 10 cm from
sensor. The robot work area which can get an obstacle is about 75% of the entire
robot work area.
INTISARI
Kemampuan menghindari halangan diperlukan oleh sebuah robot yang
bekerja pada lintasan yang sering terganggu.
Lengan robot dapat dilengkapi dengan tranduser ultrasonik sebagai detektor
halangan. Jarak halangan dapat diketahui dengan mengukur kekuatan gelombang
ultrasonik yang dipantulkan oleh halangan. Hasil pengukuran jarak halangan
digunakan oleh mikrokontroler untuk menentukan arah serta kecepatan gerakan yang
dikerjakan oleh robot. Kecepatan gerakan robot dikendalikan oleh mikrokontroler
dengan cara mengeluarkan isyarat PWM yang sesuai.
Hasil pengamatan menunjukkan bahwa transduser ultrasonik dapat
mendeteksi halangan yang berbentuk silinder pada lintasan robot yang berbentuk
setengah lingkaran dengan jari-jari sekitar 25 cm. Halangan di sisi luar lintasan dapat
dikenali oleh sensor sejak awal sedangkan halangan di sisi dalam lintasan terdeteksi
setelah jarak sensor dengan halangan 10 cm. Daerah kerja robot yang diperbolehkan
mendapat sebuah halangan adalah sekitar 75% dari daerah kerja seluruhnya.
Kata kunci : lengan robot, AT89C51, transduser ultrasonik
2
1. Pendahuluan
Perkembangan teknologi robotika telah membuat kualitas kehidupan manusia
semakin tinggi. Saat ini perkembangan teknologi robotika telah mampu
meningkatkan kualitas maupun kuantitas produksi berbagai pabrik. Teknologi
robotika juga telah menjangkau sisi hiburan dan pendidikan bagi manusia.
Salah satu cara menambah tingkat kecerdasan sebuah robot adalah dengan
menambah sensor pada robot tersebut. Makalah ini memaparkan salah satu sudut
teknologi robotika yaitu teknologi robot yang memiliki kemampuan menghindari
halangan (obstacle avoidance robot). Kemampuan menghindari halangan dapat
diberikan pada sebuah robot dengan berbagai cara seperti menggunakan kamera atau
menggunakan detektor halangan.
Penggunaan kamera sebagai sensor akan meningkatkan kemampuan robot
untuk menentukan posisi sebuah obyek (Nurbiyanto, 2001). Namun penggunaan
kamera dengan sistem pengolahan citra secara digital akan menambah beban
komputasi bagi mikrokontroler sehingga kemampuan robot mengalami penurunan
pada sisi yang lain seperti pada kecepatan proses.
Makalah ini memaparkan penggunaan tranduser ultrasonik sebagai detektor
halangan dalam pengendalian sebuah lengan robot. Penggunaan transduser ultrasonik
sebagai pengukur jarak halangan dapat dilakukan dengan dua metode. Metoda yang
pertama adalah dengan mengukur selang waktu pengiriman dan penerimaan gema
ultrasonik. Metoda kedua adalah dengan mengukur kekuatan sinyal pantulan.
Pengukuran jarak dengan metoda mengukur selang waktu penerimaan gema
ultrasonik akan menghasilkan pengukuran yang cukup presisi (Firmansyah, 2000).
Namun penggunaan metoda ini menuntut pengguna untuk mengatur nilai ambang
yang menentukan batas minimal kekuatan gema ultrasonik ketika halangan telah
terdeteksi melalui sebuah potensiometer yang nilainya sering bergeser akibat
bertambahnya umur sensor. Pengukuran dengan metoda ini juga menuntut
mikrokontroler untuk melakukan proses menunggu datangnya gelombang pantulan.
Waktu menunggu ini akan cukup mengganggu bagi mikrokontroler yang diberi
beban tugas yang cukup kompleks seperti mengendalikan gerakan robot.
3
Metoda penentuan jarak halangan melalui pengukuran tingkat kekuatan
gelombang pantulan memberikan beberapa keuntungan. Pada metode ini
mikrokontroler tidak perlu melakukan proses menunggu gelombang pantulan tetapi
cukup menunggu proses konversi data kekuatan sinyal dari analog ke digital.
Pengguna juga tidak perlu mengeset potensiometer secara manual. Kelemahan
metode ini adalah data hasil pengukuran yang didapatkan kurang presisi.
2. Metodologi Penelitian
Metodologi yang digunakan dalam penelitian ini adalah sebagai berikut :
1. Studi literatur mengenai penggunaan transduser ultrasonik, pengendalian
motor DC serta penggunaan mikrokontroler AT89C51.
2. Merancang serta menguji rangkaian pengirim serta penerima gelombang
ultrasonik sebagai sensor jarak halangan.
3. Merancang serta menguji rangkaian penggerak motor DC yang merupakan
aktuator robot.
4. Merancang serta menguji sistem minimal mikrokontroler AT89C51 sebagai
pengendali sistem secara keseluruhan.
5. Merancang perangkat lunak yang berfungsi untuk membangkitkan pulsa
PWM serta mengendalikan gerakan robot secara keseluruhan.
6. Menguji kinerja sistem secara keseluruhan serta mengambil data dari hasil
perancangan.
7. Menganalisa hasil dan membuat kesimpulan.
3. Hasil Implementasi dan Pembahasan
3.1 Perancangan Sistem
Sistem yang dirancang menggunakan lengan robot ROB3 sebagai basisnya.
Lengan robot ROB3 digerakkan oleh enam buah motor DC. Posisi sudut setiap poros
diketahui melalui potensiometer. Sebagai penggerak motor dirancang rangkaian
driver yang tersusun atas IC L293D serta driver yang tersusun atas transistor
darlington TIP 120 dan TIP 125. Untuk membangkitkan frekuensi ultrasonik
digunakan rangkaian multivibrator dari IC 555. Gelombang pantulan yang diterima
4
oleh transduser penerima mengalami proses penyesuaian isyarat melalui untai
penguat, penyearah serta filter. Keluaran untai penyesuai isyarat serta keluaran
potensiometer diubah menjadi digital oleh IC ADC0809. Mikrokontroler
menggunakan data-data tersebut untuk menentukan bentuk gerakan serta kecepatan
gerakan yang dilakukan oleh robot. Setiap motor digerakkan oleh isyarat Pulse Width
Modulation yang dihasilkan Mikrokontroler. Gambar 1 menunjukkan skema lengan
robot ROB3. Gambar 2 menunjukkan diagram kotak sistem pengendalinya.
A. Pemancar Gelombang Ultrasonik
Pemancar gelombang ultrasonik disusun oleh sebuah transduser ultrasonik
yang diberi gelombang kotak dengan frekuensi sekitar 40 KHz. Gelombang kotak
dihasilkan oleh untai multivibrator yang disusun oleh IC 555 yang bekerja secara
astable. Rangkaian pemancar ultrasonik ditunjukkan gambar 3.
Gambar 3. Untai pemancar ultrasonik
Gambar 1 Skema Lengan Robot ROB3 Gambar 2 Diagram kotak sistem
5
B. Penerima Gelombang Ultrasonik
Metode pengukuran jarak halangan yang digunakan adalah dengan mengukur
kekuatan sinyal pantulan. Gelombang pantulan ditangkap dengan sebuah transduser
penerima. Transduser penerima mengeluarkan isyarat sinus yang amplitudonya
tergantung dari jarak halangan dengan transduser. Untai penerima Gelombang
ultrasonik berfungsi memperkuat, menyearahkan serta menapis keluaran transduser
penerima sebelum dikirim ke ADC. Penyearahan isyarat dilakukan oleh untai
penyearah presisi yang dibantu dengan dua buah untai buffer serta sebuah penguat
subtractor untuk memperoleh penyearahan gelombang penuh. Untai penyesuai
isyarat akan memberikan penguatan total sekitar 150 kali dan jarak halangan terjauh
yang masih terdeteksi adalah sekitar 100 cm. Gambar 4 menunjukkan blok diagram
penyesuai isyarat.
Gambar 4 Diagram kotak untai penyesuai isyarat
Penguat inverting bertugas sebagai penguat pertama dengan nilai penguatan
sekitar 46 kali. Untai penyearah presisi yang dirancang memiliki penguatan sekitar 2
kali. Untai pengurang mempunyai penguatan 1,5 kali. Untai filter pelewat rendah
orde dua dirancang memiliki nilai frekuensi cut-off sekitar 60 Hz untuk
menyesuaikan dengan kebutuhan. Keluaran untai penyesuai isyarat adalah isyarat
DC yang siap diubah menjadi digital. Gambar 5 sampai dengan 9 masing-masing
menunjukkan untai penguat inverting, penyearah presisi, buffer, penguat subtractor
serta filter yang digunakan dalam penelitian ini.
6
Gambar 5 Penguat inverting Gambar 6 Penyearah presisi dua dioda
Gambar 7 Buffer tegangan
Gambar 8 Penguat subtractor
Gambar 9 Filter pelewat rendah orde 2
D. Untai ADC
Untai ADC digunakan untuk mengubah keluaran potensiometer menjadi data
digital serta untuk mengubah keluaran penyesuai isyarat tranduser ultrasonik menjadi
data digital. IC ADC0809 memiliki delapan kanal input analog. Enam kanal input
ADC0809 digunakan untuk potensiometer dan satu kanal input digunakan untuk
keluaran tranduser ultrasonik. Proses pengaksesan kanal ADC dilakukan satu persatu
secara bergantian sesuai kebutuhan. Pengendalian ADC oleh mikrokontroler
dilakukan melalui sinyal READ, WRITE serta CS.
7
E. Sistem Minimal AT89C51
Mikrokontroler AT89C51 mempunyai tugas mengendalikan seluruh sistem.
Mikrokontroler juga bertugas menerima program dalam format heksadesimal dari
komputer dan menyimpannya di RAM eksternal. Sistem minimal mikrokontroler
dilengkapi dengan PPI 8255 untuk menambah port keluaran. Mikrokontroler
membangkitkan sinyal PWM untuk menggerakkan motor serta sinyal-sinyal
pengendali ADC dan driver motor. Mikrokontroler menerima data digital dari
ADC0809 yang berasal dari sensor potensiometer dan transduser ultrasonik.
F. Driver Motor IC L293D
Sebuah IC L293D berisi empat buah push-pull. Setiap dua buah push-pull
dapat digunakan sebagai sebuah untai H-bridge dan dapat diaktifkan dengan sebuah
sinyal enable. Dalam penelitian ini digunakan metode DC Chopper kelas E sehingga
untai yang dirancang ditunjukkan gambar 10. IC L293D mampu beroperasi pada
tegangan 4,5 V sampai 36 V. Besarnya arus yang dapat ditarik adalah 600mA pada
kondisi normal serta 1,2 A pada arus puncak (sesaat).
Gambar 10 Driver motor dengan L293D
G. Driver Motor Transistor TIP 120 dan TIP 125
IC L293D hanya mampu menyediakan arus sekitar 600 mA secara kontinyu
sehingga untuk motor yang menarik arus diatas nilai tersebut dirancang untai Hbridge
dengan transistor darlington sebagai basisnya. Gambar 11 menunjukkan
8
rancangan driver motor dengan transistor TIP 120 dan TIP 125. Untai ini dapat
menyediakan arus sampai sekitar 5 A. Frekuensi kerjanya di bawah 300 Hz.
Gambar 11 Driver motor dengan TIP 120 dan TIP 125
3.2 Skenario Menghindari Halangan
Lengan robot diprogram untuk bergerak dengan posisi tertentu pada lintasan
yang berbentuk setengah lingkaran. Ketika bergerak di lintasan tersebut lengan robot
melakukan deteksi halangan dengan cara memancarkan gelombang ultrasonik ke
arah depan.
Ketika robot mulai merasakan keberadaan halangan, maka robot melakukan
proses pengambilan keputusan untuk bergerak melengkung ke arah luar atau merapat
ke arah dalam. Lintasan robot yang berbentuk setengah lingkaran digunakan robot
untuk mengambil keputusan ini. Robot tetap bergerak ke arah depan beberapa
centimeter untuk merubah arah hadap sensor. Jika setelah bergerak sedikit ke depan
ternyata keluaran sensor ultrasonik membesar maka robot menganggap bahwa
halangan terletak di depan sensor atau di daerah sebelah dalam lintasan sehingga
diputuskan gerakan melengkung ke luar. Jika setelah bergerak sedikit ke depan
ternyata keluaran sensor ultrasonik mengecil maka robot menganggap bahwa
halangan terletak di luar lintasan sehingga diputuskan gerakan merapat ke dalam. Hal
ini diilustrasikan oleh gambar 12.
9
Setelah menentukan arah selanjutnya robot melakukan proses pencarian
posisi bebas halangan. Proses pencarian posisi ini dilakukan dengan selalu
mendeteksi keluaran sensor ultrasonik yang diharapkan selalu mengecil. Dalam
proses ini keluaran sensor ultrasonik dikelompokkan dalam kelas-kelas yang
menunjukkan kekuatan sinyalnya. Gambar 13 menunjukkan ilustrasi proses tersebut.
3.3 Hasil Pengamatan
Jarak antara halangan dengan robot diperkirakan dengan mengukur kekuatan
sinyal pantulan. Gambar 13 menunjukkan hasil pengukuran sinyal pantulan yang
diterima oleh ADC. Dari gambar tersebut diketahui bahwa semakin jauh posisi
halangan maka kekuatan sinyal pantulan semakin lemah. Gambar 14 menunjukkan
kecenderungan melemahnya sinyal pantulan akibat jauhnya posisi halangan.
Ke dalam
Ke luar
Gambar 12 Pengambilan keputusan Gambar 13 Pencarian posisi tak berhalangan
Gambar 13 Pengaruh posisi halangan Gambar 14 Pengaruh jarak halangan
10
Dengan memanfaatkan hasil keluaran tranduser ultrasonik diatas dan
menggunakan metode menghindari halangan yang telah ditentukan maka dapat
diketahui bahwa lengan robot ROB3 dapat menghindari halangan pada daerahdaerah
tertentu di bidang kerja yang ditunjukkan gambar 15.
Gambar 15 Daerah halangan yang dapat dihindari
4. Kesimpulan
Kesimpulan penelitian ini adalah bahwa kekuatan sinyal pantulan yang
diterima transduser ultrasonik dipengaruhi jarak halangan sehingga dapat digunakan
sebagai referensi jarak. Jarak terjauh yang bisa dikenali sekitar 85 cm dan jarak
terdekatnya sekitar 3 cm. Pengukuran jarak dengan metoda ini menghasilkan data
yang kurang presisi. Namun demikian transduser ultrasonik dapat digunakan sebagai
detektor halangan pada sebuah lengan robot yang lintasannya berbentuk setengah
lingkaran berjari-jari 25 cm pada sekitar 75% dari seluruh daerah kerja robot.
Halangan di sisi luar lintasan dapat dikenali oleh sensor sejak awal sedangkan
halangan di sisi dalam lintasan terdeteksi setelah jaraknya 10 cm.
Daftar Pustaka
Firmansyah, Eka, 2001, Pengukuran Jarak dengan Gelombang Ultrasonik
memanfaatkan mikrokontroler 68HC11AIFN, Tugas Akhir, Universitas
Gadjah Mada, Yogyakarta (tidak diterbitkan).
Nurbiyanto, Jupri, 2001, Sistem Kendali Lengan Robot Menggunakan Sensor
Kamera, Tugas Akhir, Universiats Gadjah Mada, Yogyakarta (tidak
diterbitkan).
0 komentar:
Posting Komentar