Institutional Repository | Satya Wacana Christian University: Sistem Kendali Gerak Segway Berbasis Mikrokontroler T1 612007020 BAB II

3

BAB II

SISTEM KENDALI GERAK SEGWAY

Sistem merupakan suatu rangkaian beberapa organ yang menjadi satu kesatuan. Maka sistem kendali gerak adalah suatu sistem yang terdiri dari beberapa komponen pengendali gerakan yang dirangkai menjadi satu. Oleh sebab itu, berikut ini akan dijelaskan mengenai apa itu segway, kemudian mekanisme gerak segway, konsep pengendalian segway, serta komponen-komponen apa saja yang diperlukan pada sistem pengendali gerak segway.

2.1. Gambaran Segway

Segway adalah sebuah kendaraan personal yang memiliki 2 buah roda di sisi kiri dan kanan dan memiliki sebuah stang. Kendaraan ini merupakan kendaraan bebas polusi udara sebab tidak menggunakan energi dari bahan bakar dan dapat dikatakan sebagai kendaraan masa depan karena sifatnya yang praktis untuk daerah perkotaan. Kemudian segway ini dikendalikan hanya dengan membuat kemiringan ke arah depan atau belakang serta kemiringan stang, semakin besar kemiringan yang dilakukan maka semakin cepat pula gerakan yang terjadi. Untuk saat ini, segway lebih banyak digunakan sebagai kendaraan rekreasional atau bersifat hiburan seperti yang terlihat pada Gambar 2.1.

4 2.2. Mekanisme Gerak Segway

Segway pada dasarnya adalah sebuah robot yang lebih dikenal dengan sebutan

balancing robot. Seperti halnya sebuah balancing robot, segway bekerja untuk

menyeimbangkan dirinya sendiri dengan membaca kemiringan. Segway akan berusaha membuat dirinya tetap tegak atau sejajar terhadap arah gravitasi bumi. Oleh sebab itu gerakan kendaraan ini akan mengikuti titik beban yang membuat kemiringan pada dirinya. Apabila titik beban berada di depan maka segway juga akan bergerak ke depan, begitu pula sebaliknya. Oleh karena arah jatuh titik beban hanya sebatas arah putaran roda, maka dapat disimpulkan bahwa arah gerakan yang mungkin terjadi hanya ada 2 arah, yaitu maju dan mundur seperti halnya balancing robot yang terlihat pada Gambar 2.2.

Sehingga untuk membuat segway dapat bergerak ke 4 arah, maju, mundur, kiri dan kanan, maka diperlukan suatu pengendali kecepatan putaran pada masing-masing roda. Sebab untuk berbelok ke kiri, kecepatan roda kanan harus lebih cepat dibanding roda kiri, begitu pula sebaliknya. Perbedaan kecepatan tersebut ditentukan oleh kondisi stang segway.

5 2.3. Konsep Pengendalian Segway

Berdasarkan mekanisme gerak segway, sudah jelas sistem ini memiliki tingkat ketidakstabilan yang tinggi, sebab tumpuan kendaraan ini hanya pada 2 roda di sisi kiri dan kanan. Jika pengendara tidak bisa menyeimbangkan dirinya, maka kendaraan ini akan terjatuh ke arah depan atau belakang. Agar hal tersebut tidak terjadi dan untuk membuat kendaraan ini bergerak, maka dibuatlah suatu sistem pengendali pada kendaraan ini. Dimana pengendali ini akan menggerakkan roda sesuai dengan kondisi yang terjadi. Kondisi yang dimaksudkan adalah kondisi dari pijakan dan stang segway. Semakin miring pijakan maka akan semakin cepat pula gerakan yang dihasilkan. Kemudian untuk berbelok, pengendali tersebut harus memberi perbedaan kecepatan yang sebanding pada kedua roda agar tetap stabil. Perbedaan kecepatan tersebut diatur sesuai dengan kemiringan stang. Dengan demikian konsep pengendalian tersebut dapat dirangkum menjadi satu seperti yang terlihat pada Gambar 2.3.

Dengan memanfaatkan konsep pengendalian tersebut, maka pengendara dapat menggunakan kendaraan ini cukup dengan membuat kendaraan miring ke depan atau ke belakang dan atau membuat stang miring ke kiri atau ke kanan. Jika pengendara membuat kendaraan miring ke depan, maka kendaraan akan bergerak maju begitu pula

6

sebaliknya. Kemudian untuk berbelok, pengendara harus memiringkan stang tersebut sesuai arah yang diinginkan. Secara umum penggunaan kendaraan ini dapat dilakukan seperti yang terlihat pada Gambar 2.4.

2.4. Komponen Sistem Kendali Gerak Segway

Berdasarkan konsep pengendalian segway, maka diperlukan beberapa komponen untuk membentuk sistem pengendali gerak otomatis pada kendaraan tersebut. Komponen utama dari sistem tersebut adalah kontroler, dimana kontroler ini berfungsi sebagai pengatur cara kerja segway. Kontroler bekerja dengan membaca kondisi kendaraan dan menjadikannya putaran roda. Kontroler yang paling umum digunakan adalah jenis mikrokontroler. Fungsi kontroler tersebut dapat digambarkan ke dalam Gambar 2.5.

Gambar 2.4. Foto Penggunaan Sagway Secara Umum.

7

Berdasarkan Gambar 2.5, maka untuk mengetahui kemiringan yang terjadi dibutuhkan sebuah sensor yang dapat mengukur sudut misalnya menggunakan sensor accelerometer. Dimana pembacaan kemiringan ini dilakukan dengan membandingkan sudut yang terukur dengan sudut acuan. Sudut acuan yang digunakan adalah sudut saat kendaraan benar-benar sejajar dengan arah gravitasi bumi atau nilai sudut acuan sama dengan 90o. Kondisi tersebut dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.6.

Selain itu juga diperlukan sebuah sensor untuk mengukur kecepatan sudut. Dimana nilai sensor tersebut digunakan untuk mengompensasi kecepatan yang berlebihan. Salah satu sensor yang dapat digunakan adalah sensor gyroscope. Kecepatan sudut ini akan terjadi saat kontroler berusaha untuk membuat kemiringan sistem menjadi 0 dengan menghasilkan putaran roda. Pada saat itu diprediksikan akan terjadi kecepatan sudut yang berlebihan sehingga membuat sudut yang terukur tidak akan pernah sama dengan sudut acuan atau sistem akan berosilasi. Oleh sebab itu dibutuhkan suatu nilai untuk mengompensasi keluaran kontroler tersebut. Secara umum arah kecepatan sudut tersebut dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.7.

Gambar 2.6. Sudut Acuan Segway.

8

Kemudian sensor yang terakhir adalah sensor yang digunakan untuk mengukur simpangan stang segway. Untuk melakukan pengukuran tersebut salah satunya dapat menggunakan potensiometer. Dimana nilai sensor ini akan digunakan untuk menambah atau mengurangi kecepatan putaran pada roda. Dengan demikian proses tersebut dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.8.

Seperti halnya otak manusia, sebuah kontroler juga memerlukan komponen tambahan yaitu pikiran di dalamnya, dalam hal ini adalah perangkat lunak. Perangkat lunak tersebut merupakan perintah yang mengendalikan cara kerja sistem secara keseluruhan, mulai dari membaca keadaan melalui sensor sampai menghasilkan gerakannya. Berdasarkan konsep pengendaliannya, maka perangkat lunak yang dibutuhkan sistem ini adalah perangkat lunak untuk membaca sudut, membaca kecepatan sudut, membaca simpangan stang, dan pengolahan kecepatan roda. Untuk mengolah kecepatan roda diperlukan sebuah metode pada kontroler, yang pada dasarnya berfungsi untuk membuat sudut yang terukur menjadi sama dengan sudut acuan dengan mengatur putaran roda. Cara kerja metode tersebut dapat digambarkan pada Gambar 2.9.

.

Gambar 2.8. Pengaruh Kondisi Stang.

9

Kemudian untuk meredam derau dari keluaran sensor atau keluaran dari metode kendali diperlukan sebuah low pass filter pada masing-masing keluaran. Sebab keluaran sensor accelerometer akan menghasilkan derau akibat getaran motor yang digunakan. Seperti yang diketahui bahwa sensor accelerometer adalah sensor percepatan, maka selain dapat mengukur percepatan gravitasi, sensor ini juga dapat mengukur percepatan dinamis termasuk getaran dari motor. Contoh hasil peredaman yang dihasilkan oleh low

pass filter dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Berdasarkan Gambar 2.10, terlihat bahwa grafik berwarna biru merupakan keluaran sensor accelerometer yang menghasilkan derau, sedangkan grafik warna merah adalah keluaran sensor accelerometer yang telah di-low pass filter. Dengan demikian keluaran dari low pass filter tersebut akan membuat sistem lebih stabil sebab derau yang terjadi telah diredam dan sudut yang terukur menjadi lebih akurat.

Dari keterangan pada konsep pengendalian segway, maka diperlukan juga sebuah pengendali kecepatan roda atau dalam hal ini adalah kecepatan motor. Karena pengolahan data pada sistem kendali ini berupa pengolahan diskrit, maka kecepatan motor yang diatur juga dalam pengolahan diskrit. Pengaturan kecepatan motor pada pengolahan diskrit dapat dilakukan dengan PWM. PWM merupakan suatu pengendalian tegangan dengan cara memotong tegangan DC sebesar perbandingan yang diinginkan

10

dalam satu periode atau dapat dikatakan sebagai sebuah rangkaian pulsa atau gelombang kotak. Konsep PWM tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.11.

Berdasarkan Gambar 2.11, maka untuk mengatur tegangan catu daya tersebut cukup dengan mengatur lebar pulsa dalam satu periodenya. Dengan demikian kecepatan motor dapat dikendalikan sesuai dengan tegangan yang telah diatur dengan PWM.

Walaupun sistem ini telah memiliki kontroler dan perangkat lunak, sistem ini tetap tidak akan bisa bergerak tanpa komponen penggeraknya. Sehingga dibutuhkanlah komponen-komponen penggeraknya yang terdiri dari motor, driver motor, dan catu daya. Komponen penggerak yang terpenting adalah driver motor, sebab driver motor merupakan suatu rangkaian yang berfungsi untuk menghubungkan motor dengan kontroler dan catu daya. Serta berfungsi untuk memaksimalkan arus yang masuk ke dalam motor. Driver motor ini bekerja dengan menerima inputan dari kontroler berupa PWM, dan kemudian mengubahnya menjadi tegangan dan arus yang lebih maksimal untuk motor. Selain komponen penggerak, diperlukan pula tubuh dari sistem tersebut yang terdiri dari rangka, pijakan, roda, gear dan juga stang. Jadi secara keseluruhan komponen yang dibutuhkan pada sistem kendali ini antara lain:

1. Mikrokontroler. 2. Sensor sudut.

3. Sensor kecepatan sudut. 4. Sensor simpangan stang.

5. Perangkat lunak pengakses sensor sudut.

6. Perangkat lunak pengakses sensor kecepatan sudut. 7. Perangkat lunak pengakses sensor simpangan stang. 8. Perangkat lunak metode kendali.

11 9. Perangkat lunak low pass filter.

10.Perangkat lunak penghasil PWM. 11.Motor.

12.Driver motor.

13.Catu Daya. 14.Rangka. 15.Pijakan. 16.Roda. 17.Gear. 18.Stang.

sebaliknya. Kemudian untuk berbelok, pengendara harus memiringkan stang tersebut sesuai arah yang diinginkan. Secara umum penggunaan kendaraan ini dapat dilakukan seperti yang terlihat pada Gambar 2.4.

2.4. Komponen Sistem Kendali Gerak Segway

Berdasarkan konsep pengendalian segway, maka diperlukan beberapa komponen untuk membentuk sistem pengendali gerak otomatis pada kendaraan tersebut. Komponen utama dari sistem tersebut adalah kontroler, dimana kontroler ini berfungsi sebagai pengatur cara kerja segway. Kontroler bekerja dengan membaca kondisi kendaraan dan menjadikannya putaran roda. Kontroler yang paling umum digunakan adalah jenis mikrokontroler. Fungsi kontroler tersebut dapat digambarkan ke dalam Gambar 2.5.

Gambar 2.4. Foto Penggunaan Sagway Secara Umum.

Berdasarkan Gambar 2.5, maka untuk mengetahui kemiringan yang terjadi dibutuhkan sebuah sensor yang dapat mengukur sudut misalnya menggunakan sensor accelerometer. Dimana pembacaan kemiringan ini dilakukan dengan membandingkan sudut yang terukur dengan sudut acuan. Sudut acuan yang digunakan adalah sudut saat kendaraan benar-benar sejajar dengan arah gravitasi bumi atau nilai sudut acuan sama dengan 90o. Kondisi tersebut dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.6.

Selain itu juga diperlukan sebuah sensor untuk mengukur kecepatan sudut. Dimana nilai sensor tersebut digunakan untuk mengompensasi kecepatan yang berlebihan. Salah satu sensor yang dapat digunakan adalah sensor gyroscope. Kecepatan sudut ini akan terjadi saat kontroler berusaha untuk membuat kemiringan sistem menjadi 0 dengan menghasilkan putaran roda. Pada saat itu diprediksikan akan terjadi kecepatan sudut yang berlebihan sehingga membuat sudut yang terukur tidak akan pernah sama dengan sudut acuan atau sistem akan berosilasi. Oleh sebab itu dibutuhkan suatu nilai untuk mengompensasi keluaran kontroler tersebut. Secara umum arah kecepatan sudut tersebut dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.7.

Gambar 2.6. Sudut Acuan Segway.

Kemudian sensor yang terakhir adalah sensor yang digunakan untuk mengukur simpangan stang segway. Untuk melakukan pengukuran tersebut salah satunya dapat menggunakan potensiometer. Dimana nilai sensor ini akan digunakan untuk menambah atau mengurangi kecepatan putaran pada roda. Dengan demikian proses tersebut dapat digambarkan seperti pada Gambar 2.8.

Seperti halnya otak manusia, sebuah kontroler juga memerlukan komponen tambahan yaitu pikiran di dalamnya, dalam hal ini adalah perangkat lunak. Perangkat lunak tersebut merupakan perintah yang mengendalikan cara kerja sistem secara keseluruhan, mulai dari membaca keadaan melalui sensor sampai menghasilkan gerakannya. Berdasarkan konsep pengendaliannya, maka perangkat lunak yang dibutuhkan sistem ini adalah perangkat lunak untuk membaca sudut, membaca kecepatan sudut, membaca simpangan stang, dan pengolahan kecepatan roda. Untuk mengolah kecepatan roda diperlukan sebuah metode pada kontroler, yang pada dasarnya berfungsi untuk membuat sudut yang terukur menjadi sama dengan sudut acuan dengan mengatur putaran roda. Cara kerja metode tersebut dapat digambarkan pada Gambar 2.9.

.

Gambar 2.8. Pengaruh Kondisi Stang.

Kemudian untuk meredam derau dari keluaran sensor atau keluaran dari metode kendali diperlukan sebuah low pass filter pada masing-masing keluaran. Sebab keluaran sensor accelerometer akan menghasilkan derau akibat getaran motor yang digunakan. Seperti yang diketahui bahwa sensor accelerometer adalah sensor percepatan, maka selain dapat mengukur percepatan gravitasi, sensor ini juga dapat mengukur percepatan dinamis termasuk getaran dari motor. Contoh hasil peredaman yang dihasilkan oleh low pass filter dapat dilihat pada Gambar 2.10.

Berdasarkan Gambar 2.10, terlihat bahwa grafik berwarna biru merupakan keluaran sensor accelerometer yang menghasilkan derau, sedangkan grafik warna merah adalah keluaran sensor accelerometer yang telah di-low pass filter. Dengan demikian keluaran dari low pass filter tersebut akan membuat sistem lebih stabil sebab derau yang terjadi telah diredam dan sudut yang terukur menjadi lebih akurat.

Dari keterangan pada konsep pengendalian segway, maka diperlukan juga sebuah pengendali kecepatan roda atau dalam hal ini adalah kecepatan motor. Karena pengolahan data pada sistem kendali ini berupa pengolahan diskrit, maka kecepatan motor yang diatur juga dalam pengolahan diskrit. Pengaturan kecepatan motor pada pengolahan diskrit dapat dilakukan dengan PWM. PWM merupakan suatu pengendalian tegangan dengan cara memotong tegangan DC sebesar perbandingan yang diinginkan

dalam satu periode atau dapat dikatakan sebagai sebuah rangkaian pulsa atau gelombang kotak. Konsep PWM tersebut dapat dilihat pada Gambar 2.11.

Berdasarkan Gambar 2.11, maka untuk mengatur tegangan catu daya tersebut cukup dengan mengatur lebar pulsa dalam satu periodenya. Dengan demikian kecepatan motor dapat dikendalikan sesuai dengan tegangan yang telah diatur dengan PWM.

Walaupun sistem ini telah memiliki kontroler dan perangkat lunak, sistem ini tetap tidak akan bisa bergerak tanpa komponen penggeraknya. Sehingga dibutuhkanlah komponen-komponen penggeraknya yang terdiri dari motor, driver motor, dan catu daya. Komponen penggerak yang terpenting adalah driver motor, sebab driver motor merupakan suatu rangkaian yang berfungsi untuk menghubungkan motor dengan kontroler dan catu daya. Serta berfungsi untuk memaksimalkan arus yang masuk ke dalam motor. Driver motor ini bekerja dengan menerima inputan dari kontroler berupa PWM, dan kemudian mengubahnya menjadi tegangan dan arus yang lebih maksimal untuk motor. Selain komponen penggerak, diperlukan pula tubuh dari sistem tersebut yang terdiri dari rangka, pijakan, roda, gear dan juga stang. Jadi secara keseluruhan komponen yang dibutuhkan pada sistem kendali ini antara lain:

1. Mikrokontroler. 2. Sensor sudut.

3. Sensor kecepatan sudut. 4. Sensor simpangan stang.

5. Perangkat lunak pengakses sensor sudut.

6. Perangkat lunak pengakses sensor kecepatan sudut. 7. Perangkat lunak pengakses sensor simpangan stang. 8. Perangkat lunak metode kendali.

9. Perangkat lunak low pass filter. 10.Perangkat lunak penghasil PWM. 11.Motor.

12.Driver motor. 13.Catu Daya. 14.Rangka. 15.Pijakan. 16.Roda. 17.Gear. 18.Stang.