laporan siskon

LINE FOLLOWER dengan KONTROL PID

Abstrak

Robot Line follower robot dalam perkembangannya mengalami banyak perubahan, dari robot pengikut garis yang tidak menggunakan sistem kontrol atau pengendalian sampai robot pengikut garis menggunakan sistem kendali. Pengendalian dan kontrol yang diberikan kepada robot terdiri dari berbagai jenis, dari kontrol motor, untuk mengontrol gerakan atau strategi untuk gerak robot line follower.

Dengan perkembangan teknologi, memberikan inovasi robot line follower untuk perkembangan pesat dari dampak positif seperti banyak model dan bentuk karakteristik masing-masing robot line follower produsen. Dari jumlah sensor yang digunakan, meletakkan sensor sesuai dengan strategi untuk perangkat lain yang mendukung pemilihan robot line follower.

Robot Line follower telah menggunakan sistem kontrol baru, yang menggunakan ATmega16 sebagai mengontrol semua sistem robot, dan kontrol motor DC menggunakan algoritma PID. Diharapkan perkembangan teknologi robot, dapat memicu kreativitas line follower robot pecinta untuk mengembangkan arah yang lebih baik.

Kata Kunci : PID, Mikrokontroler ATmega16, Driver, LCD, Sensor

I. TUJUAN

1. Mahasiswa mampu mengetahui system kontrol PID

2. Mahasiswa mampu menerapkan system kontrol PID

3. Mahasiswa mampu mengaplikasikan kontrol PID pada Line Follower

II. ALAT dan BAHAN

1. Minimum System dan Mekanik

- PC (laptop)

- Baterai lippo

- Motor

- Roda motor

- IC Mikrokontroler ATmega16

- IC 74LS139

- Regulator 7805

- Software CodeVision AVR

- Downloader

- PCB

- Software Express PCB

- Buzzer

- Transistor

- Kristal

- Kapasitor

- Resistor

- Diode

- Mosfet IRF 744N

- Saklar

- Diplux

- Optocoupler PC817

- LED

2. LCD

- LCD

- Push button

- Resistor

3. Sensor

- LED

- Photo Dioda

- Resistor

III. DASAR TEORI Kontrol Loop Tertutup

Kontrol loop tertutup adalah suatu aksi kontrol yang bekerja secara kontinyu.

Elemen dasar dari sebuah sistem kontrol loop tertutup adalah sebagai berikut:

a. Elemen pembanding

Elemen pembanding berfungsi untuk membandingkan nilai yang dikehendaki

dari variable yang sedang dikontrol dengan nilai terukur yang diperoleh dan

menghasilkan sinyal eror. Eror = sinyal dengan nilai yang diinginkan – sinyal

dengan nilai sebenarnya yang terukur.

b. Elemen implementasi kontrol

Elemen kontrol menentukan aksi atau tindakan apa yang akan diambil bila

diterima sebuah sinyal eror. Kontrol yang dilakukan dapat berupa diberikanya

sebuah sinyal yang akan menyalakan atau memadamkan sebuah saklar jika terdapat

sinyal eror, seperti misalnya pada sebuah robot line follower yang melintasi jalur,

ketika jalur berbelok maka akan diberikan sebuah sinyal yang proporsional. Jika

erornya kecil maka hanya sinyal kontrol kecil yang dihasilkan, dan jika eror besar

maka dibangkitkan sinyal yang proporsional.

c. Elemen koreksi

Elemen koreksi atau sering disebut dengan elemen kontrol akhir, menghasilkan

perubahan dalam suatu proses, yang bertujuan untuk mengoreksiatau mengubah

kondisi yang dikontrol. Istilah aktuator digunakan untuk menyatakan elemen dari

sebuah unit koreksi yang membangkitkan daya untuk menjalankan aksi kontrol.

d. Proses

Proses adalah sistem dimana terdapat sebuah variable yang dikontrol.

e. Elemen pengukuran

Elemen pengukuran menghasilkan sebuah sinyal yang berhubungan dengan

kondisi variabel dari proses yang sedang dikontrol.

Gambar 3.1 Elemen – elemen dasar dari sistem kontrol loop tertutup

(Sumber: W.Bolton, 2006)

1. Kontrol Proportional

Kontrol P jika G(s) = kp, dengan k adalah konstanta. Jika u = G(s) • e maka u =

Kp • e dengan Kp adalah Konstanta Proporsional. Kp berlaku sebagai Gain (penguat)

0 error

Keluaran Pengontrol

Nilai yang

diinginkan

Kontrol ElemenKoreksi

Proses

Pengukuran

Masukan

Pembandingan

Eror

Elemen –elemen alur maju

Keluaran

Sinyal umpan balik yang merupakan ukuran dari variable yang sedang dikontrol

saja tanpa memberikan efek dinamik kepada kinerja kontroler. Penggunaan kontrol P

memiliki berbagai keterbatasan karena sifat kontrol yang tidak dinamik ini. Walaupun

demikian dalam aplikasi-aplikasi dasar yang sederhana kontrol P ini cukup mampu

untuk memperbaiki respon transien khususnya rise time dan setting time.

Gambar 3.2 Kontrol Proportional


Pada line follower KP digunakan untuk merespon terjadinya eror untuk kembali

pada kondisi normal. Semakin besar KP semakin baik akan tetapi jika terlalu besar

robot akan getar karena setiap sedikit saja terjadi eror maka robot akan dengan cepat

memeperbaikinya. Karena terjadi berulang-ulang maka robot seakan-akan getar.

2. Kontrol Integral

Kontrol integral merupakan mode kontrol dimana keluaran pengontrol

berbanding lurus dengan integral error terhadap waktu, jadi: Keluaran pengontrol x

integral error terhadap waktu.

Dimana KI adalah konstanta proposionalitas dan apabila keluaran pengontrol

dinyatakann sebagai persentase serta error juga dinyatakan dalam persentase, maka

satuan dari konstanta proposionalitas ini adalah s-1 (1/detik)

untuk mengilustrasikan apa yang dimaksud dengan integral error terhadap waktu,

tinjaulah sebuah situasi dimana error berubah terhadap waktu dengan cara seperti

tampak pada Gambar 2 Nilai dari integral pada waktu t adalah sama dengan luas di

bawah kurva antara t=0 dan t. Jadi diperoleh:

Keluaran pengontrol luas area di bawah kurva error antara t=0 dan t.

Jadi, dengan bertambahnya t, maka luas area di bawah kurva akan semakin besar

dan keluaran pengontrol juga semakin besar. Karena dalam contoh ini luas area

berbanding lurus dengan t dan bertambah dengan laju yang konstan. Perhatikan bahwa

Keluaran pengontrol I= KI x integral error terhadap waktu

0 error

Keluaran

Pengontrol

pandangan ini menawarkan alternative lain untuk menggambarkan kontrol integral

sebagai berikut:

Laju perubahan keluaran pengontrol error

Suatu error dengan nilai konstan akan memberikan perubahan keluaran

pengontrol dengan laju konstan

Gambar 3.3 Kontrol Integral


Sesuai dengan rumus KI bahwa keluaran KI adalah KI X integral eror terhadap

waktu, maka KI pada line follower sebenarnya tidak berpengaruh karena KI akan

mengintegralkan setiap eror terhadap waktu, dimana robot tidak pernah pada posisi

lebih dari eror tetapi yang diperlukan oleh robot adalah mengurangi atau menurunkan

eror seminimal mungkin.

3. Kontrol Derivatif

Dengan kontrol derivative perubahan pengeluaran pengontrol dari titik

pengaturan akan berbanding lurus dengan laju perubahan terhadap waktu dari sinyal

error. Jadi, keluaran pengontrol x laju perubahan error dirumuskan sebagai berikut.

Waktu0

error

Luas Area

t

Waktu0

Keluaran

Pengontrol

t

Keluaran pengontrol D = Kp x laju perubahan eror

Waktu0

error

Waktu0

Keluaran

pengontrol

Gambar 3.4 Derivative


Keluaran pengontrol biasanya dinyatakan dalam bentuk persentase terhadap

jangkauan penuh keluaran, dan error juga dinyatakan sebagai persentase terhadap

jangkauan penuh. Kp adalah konstanta proposionalitas dan lebih dikenal sebagai

derivatif turunan terhadap waktu dengan satuan waktu.

Gambar 3 mengilustrasikan jenis respons yang akan muncul apabila terdapat

sinyal error yang terus meningkat. Karena laju perubahan error terhadap waktu adalah

konstan, maka pengontrol derivatif akan memberikan sinyal keluaran pengontrol yang

konstan pada elemen koreksi. Dengan kontrol derivatif, segera setelah sinyal-sinyal

error mulai berubah, maka akan muncul keluaran pengontrol yang cukup besar

mengingat keluarannya berbanding lurus dengan laju perubahan sinyal error, dan

bukan nilai sinyal errornya. Jadi dengan bentuk kontrol ini akan dapat diperoleh

respons korektif yang cepat terhadap sinyal-sinyal error yang terjadi.

Pada line follower KD digunakan untuk kecepatan robot dalam merespon

terjadinya eror untuk kembali pada kondisi normal.

4. Kontrol Proportional – Derivatif

Pengontrol derivatif member respons terhadap sinyal-sinyal error yang berubah

terhadap waktu, tetapi tidak terhadap sinyal-sinyal error konstan. Karena untuk sinyal-

sinyal konstan, laju perubahan error terhadap waktu adalah sama dengan nol.

Berdasar alas an ini, kontrol derivatif D dikombinasikan dengan kontrol proposional P

sehingga:

Waktu0

error

Waktu0

Keluaran

pengontrol

Keluaran pengontrol PD=Kp x error + KD xlaju perubahan error terhadap waktu

Gambar 3.5 Kontrol PD


Gambar 4 menunjukkan bagaimana, dengan kontrol proposional plus derivatif,

keluaran pengontrol dapat berubah ketika terdapat suatu error yang berubah secara

konstan. Tampak bahwa terjadi perubahan mula-mula yang cepat pada keluaran

pengontrol sebagai akibat dari aksi derivatif yang diikuti oleh perubahan bertahap

karena aksi proposional. Dengan demikian bentuk kontrol ini merespon dengan lebih

baik terhadap perubahan proses yang terjadi secara cepat jika dibandingkan dengan

hanya kontrol proposional. Namun demikian, sebagaimana halnya kontrol proposional,

kontrol ini memerlukan error keadaan tunak untuk mengatasi perubahan konstan pada

kondisi masukan atau perubahan nilai pengaturan.

Persamaan untuk kontrol PD di atas dapat dituliskan dalam bentuk persamaan

berikut:

KD/Kp dikenal sebagai waktu aksi derivatif TD sehingga:

Kontrol PD dapat menangani perubahan-perubahan proses yang cepat secara

lebih baik dibandingkan dengan kontrol P saka. Kontrol ini tetap memerlukan error

keadaan tunak untuk mengatasi perubahan konstan pada kondisi-kondisi masukan atau

perubahan pada nilai yan ditetapkan.

Keluaran pengontrol PD = Kp (error + TD x laju perubahan error)

Gambar 3.6 Karakteristik sinyal error


5. Kontrol Proportional – Integral

Kontrol dengan mode integral I saja tidak umum digunakan, tetapi digunakan

bersama-sama dengan mode proposional P sehingga membentuk kombinasi kontrol PI.

Apabila aksi integral ditambahkan terhadao suatu system kontrol proposional, maka

keluaran pengontrol dapat dirumuskan sebagai:

Dimana KP adalah konstanta kontrol proposional dan KI adalah konstanta kontrol

integral.

Gambar 3.7 Kontrol PI


Waktu0

error

Keluaran

Elemen I

Waktu0

Waktu0

Keluaran

Elemen P

Keluaran

Pengontrol PI

Waktu0

Keluaran pengontrol PI = Kp x error + KI x integral error terhadap waktu

Gambar 6 memperlihatkan bagaimana sebuah sistem dengan kontrol PI bereaksi

saat terjadi suatu perubahan secara tiba-tiba terhadap sebuah sinyal error konstan.

Sinyal error memberikan kenaikan pada keluaran pengontrol proposional, yang

selanjutnya dipertahankan konstan karena sinyal error tidak mengalami perubahan.

Kemudian terjadi superimposisi terhadap keluaran pengontrol yang diakibatkan oleh

aksi integral.

Kombinasi antara mode integral dan mode proposional memiliki satu

keuntungan utama jika dibandingkan dengan mode kontrol proposional semata, yaitu

error keadaan tunak dapat dieleminasi. Hal ini terjadi karena bagian integral dari

kontrol dapat menghasilkan keluaran pengontrol meskipun sinyal errornya sama

dengan nol. Pengontrol akan memberikan suatu sinyal keluaran yang disebabkan oleh

error sebelumnya dan dapat digunakan untuk mempertahankan kondisi tersebut.

Gambar 7 Mengilustrasikan sifat ini

Gambar 3.8 Keluaran Pengontrol saat sinyal error


Persamaan untuk keluaran pengontrol PI di atas dapat dituliskan sebagai berikut:

KI/Kp dikenal sebagai waktu aksi integral TI sehingga:

Waktu0

error

Waktu0

Keluaran

Pengontrol

Karena tidak terdapat error keadaan tunak, pengontrol PI dapat digunakam pada

aplikasi-aplikasi di mana terjadi perubahan besar dalam variable proses. Meskipun

demikian, karena bagian integrasi kontrol memerlukan waktu tertentu, maka perubahan

yang terjadi haruslah relative lambat untuk mencegah terjadinya osilasi

Gambar 3.9 Kurva error kontrol PI


6. Kontrol Proportional – Integral – Derivatif

Penggabungan semua dari ketiga mode kontrol (proposional, integral, dan

derivatif) memungkin untuk mendapatkan sebuah pengontrol yang tidak mempunyai

error keadaan tunak serta dapat mereduksi kecenderungan terjadinya osilasi.

Pengontrol ini dikenal sebagai pengontrol tiga mode atau pengontrol PID. Persamaan

yang menggambarkan aksi pengontrol ini adalah:

Dimana KP adalah konstanta proposionalitas, KI adalah konstanta integral dan KD

adalah konstanta derivatif. Persamaan di atas dapat juga dituliskan dalam bentuk,

Pengontrol PID dapat dilihat sebagai pengontrol proposional yang memiliki

kontrol integral untuk mengeliminasi error offset dan kontrol derivatif untuk

mereduksi ketertinggalan atau jeda waktu.

Keluaran = KP x error + KI x integral error + KP x laju perubahan error

IV. GAMBAR RANGKAIANRangkaian yang digunakan dalam pembuatan line follower berbasis PID yaitu :

a. Sensor

Cara kerja sensor yaitu

Ketika transmitter (infrared) memancarkan cahaya ke bidang berwarna putih, cahaya

akan dipantulkan hampir semuanya oleh bidang berwarna putih tersebut. Sebaliknya,

ketika transmitter memancarkan cahaya ke bidang berwarna gelap atau hitam, maka

cahaya akan banyak diserap oleh bidang gelap tersebut, sehingga cahaya yang sampai

ke receiver tinggal sedikit. perbedaan cahaya yang diterima oleh receiver akan

menyebabkan hambatan yang berbeda-beda di dalam receiver (photo dioda) tersebut.

Gambar 4.1 Layout PCB rangkaian sensor

b. Minimum System Mikrokontroler ATMega 16

Perangkat Keras pada trainer line follower berbasis PID ini menggunakan

mikrokontroler ATMega16 sebagai pengendali utama. Mikrokontroler ATMega16

mempunyai 40 pin dengan 32 I/O. Mikrokontroler ATMega16 membutuhkan sistem

minimum yang terdiri dari kristal dan kapasitor agar dapat dioperasikan.

Gambar 4.2 Rangkaian Minimum Sistem

Rangkaian minimum sistem ini menggunakan oscillator 12,0000 Mhz dan dua

buah kapasitor 30pF serta rangkaian untuk me-reset dengan resistor 10 K dan

kapasitor 1uF. Terdapat 4 port I/O, namun tidak semua port digunakan dalam alat ini.

Berikut ini adalah tabel penjelasan kegunaan port I/O dalam perancangan. Tabel 1

menjelaskan jumlah kebutuhan port I/O dan tabel 2 adalah port mikrokontroler yang

digunakan.

Tabel 1 Kebutuhan Port I/O Mikrokontroler

Definisi Kebutuhan Port I/O Mikrokontroler

Input Output

Sensor 8 buah Driver motor kanan

Tombol 4 buah setting Driver motor kiri

LCD

Buzzer

Tabel 2 Penggunaan Port I/O Mikrokontroler

Data Penggunaan Port I/O Mikrokontroler

Input (Port B) Output (Port C dan Port A)PA.0 sampai PA.7 untuk sensor PD.0 sampai PD.2 driver kanan

PB.3 sampai PB.6 untuk tombol setting

PD.3 sampai PD.5 driver kiri

PC.0 sampai PC.7 untuk LCD

PB.0 untuk buzzer

c. Rangkaian Kontrol (Driver)

Driver pada trainer line follower berbasis PID ini menggunakan optocoupler dan

IC 74LS139 sebagai multiplekser. Tujuan pemasangan multiplekser ini adalah untuk

mengamankan rangkaian H-bridge seandainya terjadi kegagalan program. Jika terjadi

kegagalan program, maka H-bridge sebagai pengendali utama tidak akan terbakar

karena tidak akan ada arus yang bisa melewati 74LS139.Gambar di bawah ini

menunjukkan gambar rangkaian driver.

Gambar 4.3 Driver line follower berbasis PID

Gambar 4.4 Layout PCB rangkaian minimum system dan driver line follower

Gambar 4.5 Layout rangkaian LCD

V. LANGKAH KERJA1. Membuat desain rangkaian line follower (rangkaian minimum system, sensor,

driver)

2. Membuat layout rangkaian line follower (layout minimum system, sensor, driver)

3. Membuat program untuk line follower

4. Menyiapkan alat dan bahan

5. Menyablon PCB sesuai dengan layout yang telah dibuat

6. Memasang komponen pada PCB

7. Memasang body

8. Mendownlad program ke dalam line follower

9. Menguji coba line follower

VI. HASIL1. Memilih “Menu” dengan menekan tombol di bawah Menu

2. Melakukan scan garis dan memilih “OK” dengan menekan tombol di bawah “OK”

3. Mengatur kecepatan yang diinginkan pada robot dengan menambah (+) atau

mengurangi (-), lalu menekan “next”

4. Mengatur Kp yang diinginkan pada robot dengan menambah (+) atau mengurangi

(-), lalu menekan “next”

5. Mengatur Kd yang diinginkan pada robot dengan menambah (+) atau mengurangi


6. Mengatur Ki yang diinginkan pada robot dengan menambah (+) atau mengurangi


7. Kemudian mengatur rem, dimana rem disini diatur 10ms, lalu tekan “Save”

8. Menjalankan robot dengan menekan tombol “GO”

Hasil Percobaan

- Rangkaian Minimum Sistem

- Rangkaian LCD

- Rangkaian Sensor

- Mekanik dan Body

- Robot Line Follower

VII. PEMBAHASAN1. Diagram Blok

Diagram blok dari trainer trainer pergerakan line follower berbasis PID ini

ditunjukkan pada gambar dibawah ini.

Gambar 7.1 Diagram Blok Sistem

Pada diagram blok yang ditunjukkan gambar diatas terdapat empat buah inputan

yang masuk ke mikrokontroller ATMega 16. Input yang pertama adalah sensor. Pada

sensor ini masuk ke ADC mikrokontroller ATMega 16 berupa delapan buah sensor.

Kemudian kalibrasi ini dilakukan secara otomatis dan kemudian disimp pada memori

mikrokontroller ATMega 16. Input yang ketiga adalah pengaturan kecepatan yang

Kalibrasi

Atur Speed

Mik

roko

ntro

ller

ATM

ega

16

LCD

Atur KP KI KD

Driver Motor DC

Sensor

berfungsi sebagai kecepatan tetap robot dan tersimpan pada mikrokontroller ATMega

16. Input yang keempat adalah pengaturan KP, KI, dan KD yang berfungsi sebagai nilai

kontrol proporsional, integral, dan derivatif dan tersimpan pada mikrokontroller

ATMega 16.

Proses pengaturan itu semu tertampil pada LCD dengan karakter maksimal 16x2.

Kemudian ada tombol start yang akan menginstruksikan motor untuk bekerja sehingga

line follower berbasis PID ini bekerja.

2. Flowchart

Flowchar trainer line follower berbasis PID sebagai media pembelajaran mata

kuliah sistem kendali ditunjukkan pada gambardibawah ini.

Gambar 7.2 Flowchart sistem

Ok

Next

Next

Ok

Next

Ok

Next

Ok

Ok

Next

Start

Inisialisasi LCD

Kalibrasi

Kalibrasi

sensor

Atur Speed

Pngaturan

Speed

Atur Kp

Pengaturan

Kp

Atur KD

Pengaturan

KD

Atur KI

Pengaturan

KI

SAVE

Robot jalan

(tombol “GO”)

End

Penjelasan flowchart pada gambar flowchat diatas adalah sebagai berikut:

Pada saat robot dinyalakan untuk pertama kali, sistem akan mendeteksi apakah

robot akan disetting ulang melalui menu atau langsung distart. Jika robot disetting

maka akan masuk ke menu atur speed ketika speed dianggap perlu dirubah maka dapat

disetting dan ketika dirasa cukup maka dapat next. Setelah pengaturan speed maka

akan masuk ke menu atur Kp, ketika Kp dianggap perlu dirubah maka dapat disetting

dan ketika dirasa cukup maka dapat next. Setelah pengaturan Kp maka akan masuk ke

menu atur KD, ketika KD dianggap perlu dirubah maka dapat disetting dan ketika dirasa

cukup maka dapat next. Setelah pengaturan KD maka akan masuk ke menu atur KI,

ketika KI dianggap perlu dirubah maka dapat disetting dan ketika dirasa cukup maka

dapat next. Kemudian ketika semmua sudah selesai maka data akan tersimpan di

memori mikrokontroller ATMega 16. Robot dapat dijalankan dengan menekan tombol

“GO”

VIII. KESIMPULAN

Dari rangkaian proses perancangan, pembuatan dan pengujian robot line follower yang

telah dilakukan, dalam penyusunan laporan ini dapat ditarik beberapa kesimpulan penting

yang berkaitan dengan perancangan robot line follower ini antara lain :

1. Cara pengimplementasian mikrokontroller ATMega16 pada robot line follower

adalah dengan memasukkan code program yang telah dibuat ke dalam

mikrokontroller untuk membuat gerak robot sesuai yang diinginkan.

2. Salah satu cara merancang robot line follower yang baik dan sesuai kebutuhan

adalah pemasangan 8 sensor garis di bagian depan untuk pergerakan robot dan 3

sensor disamping kiri dan 3 sensor disamping kanan untuk koreksi gerak robot

yang lebih baik. Dengan bentuk rancangan robot line follower yang telah

dipaparkan, robot dapat berjalan dan berkerja sesuai fungsi yang telah dirancang.

3. Dengan menambahkan algoritma PID yaitu nilai P dan nilai D pada program robot

serta melakukan trial and error untuk mendapatkan nilai bobot yang stabil menjadi

kunci berjalannya algoritma tersebut.

Daftar Pustaka

- Andrianto, H. 2008. Pemrograman Mikrokontroler AVR ATMEGA16. Bandung : INFORMATIKA.

- Hartawan, W. 2011. Prototype Robot Pendeteksi Bahan Peledak Dari Jarak Jauh Berbasis Mikrokontroler AT Mega32 Menggunakan Algoritma Jaringan Syaraf Tiruan (JST) Backpropagation. Program Strata Satu Universitas Gadjah Mada. Yogyakarta.

- Pitowarno, E. 2006. Robotika : Desain, Kontrol, dan Kecerdasan Buatan. Yogyakarta : ANDI.

- Skripsi Arisandi LINE FOLLOWER dengan KONTROL PID

Documents

laporan siskon