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 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
1
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.
2
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.
3
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).
4
SISTEM KONTROL ROBOT
Sistem robot secara umum dapat dilihat pada gambar dibawah ini
RANGKAIAN MIKROKONTROLER
AKTUATOR
SENSOR
ROBOT
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.
Sensor Api Hamamatsu R2868
Motor DC (Kipas)
Sensor PIR
Driver Servo (Pengunkit kipas)
Motor servo
Sensor Jarak (ping) Ultrasonic
Drive Motor DC H.-Bridge (Navigasi)
Motor DC
Sensor Proximity
Encoder
Pyroelectric Infra Red
Mikrokontroler Atmega 103
Bagian Sensor Robot
Bagian Aktuator Catu Daya (Baterai)
Blok diagram Bagian Rancangan Robot
5
Sensor Proximity
Sistem Navigasi
Sistem Pemadam
Sensor Jarak (ping) Ultrasonic
Sensor Api Hamamatsu R2868
Driver Motor DC H-Bridge
Sensor PIR Mikrokontroler Atmega 103
Pyroelectric Infra Red
Motor DC
Driver Servo
Encoder
Motor DC (Kipas)
Sistem Scaner Titik Api Motor Servo
Motor
Catu Daya Baterai 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, In konsumsi daya yang rendah. Untuk sistem pemprogrammannya secara SPI untuk untuk In system
Programable yaitu
pemprograman
secara
langsung,
dapat
diprogram
menggunakan bahasa C (CodeVision AVR). Memiliki I/O yang cukup (32 programable
6
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 mencapai kecepatan 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
7
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 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.
8
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
9
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.
10
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 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 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 10V30V. karakteristik sensor hamamatsu R2868 sebagai berikut:
Gambar Karakteristik Sensor Api Hamamatsu
11
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 inframerah dari 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). lilin).
Dengan sudut deteksinya deteksinya yang kecil maka perubahan magnitudenya juga
diperkecil
sehingga robot harus melakukan scanning scanning (sweeping) pada ruangan
meggunakan PIR yang dirangkaikan dengan stepper motor agar robot dapat mengetahui apakah diruangan tersebut ada api lilin atau tidak.
12
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 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.
13
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 akan masuk kesalah satu ruangan. Ruangan yang telah dimasuki akan dimaping ke dalam memori untuk menjaga kemungkinan robot tidak kembali masuk keruanggan sebelum atau setelah pemadaman.
14
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 dalam memori 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.
15
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/020213044 Teknik Elektro-Universitas Sam Ratulangi
16
