Perancangan Sistem Navigasi Mobile Robot Berbasis ... - Digilib ITS

Perancangan Sistem Navigasi Mobile Robot Berbasis Device Android Nurizal Firdaus, Dr.Ir. Djoko Purwanto, M. Eng. , dan Suwito, ST. MT. Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Industri, Institut Teknologi Sepuluh Nopember (ITS) Jl. Arief Rahman Hakim, Surabaya 60111 E-mail: [email protected]

Abstrak—Sistem navigasi robot, umumnya masih menggunakan sensor GPS dan sensor E-Compass dengan modul yang terpisah. Sensor yang terpisah ini akan menyebabkan harga menjadi mahal . Dengan menggunakan sensor GPS dan kompas dari android, maka dapat dibangun sistem navigasi yang murah, handal dan kaya fitur. Untuk menggunakan sensor Android untuk kepentingan navigasi, Android harus dapat berkomunikasi dengan sistem mikrokontroler. Mikrokontroler disini berfungsi untuk menghasilkan sinyal kontrol pada mobile robot. Pada tugas akhir ini telah dirancang sistem navigasi yang memanfaatkan sensor pada device Android. Sistem komunikasi antara Android dan mikrokontroler dilakukan menggunakan kabel USB dengan protokol komunikasi microbridge. Data kemudi dan kecepatan dikirimkan melalui protokol microbridge untuk dikonversi menjadi sinyal kontrol motor servo dan ESC. Data kemudi yang diberikan adalah kemudi dasar, yakni belok kanan, belok kiri dan maju lurus, serta berhenti dengan dua level kecepatan yakni lambat dan cepat. Pada pengujian yang dilakukan dengan memberikan toleransi jarak antara target dan mobil 5 meter mencapai tingkat keberhasilan 40 % sedangkan toleransi jarak target 10 meter mencapai tingkat keberhasilan 70%. Pada pengujian simpangan navigasi, didapat rata-rata simpangan 7.1 meter untuk jarak navigasi 35-60meter.

antara Smartphone Android dan Mikrokontroler sehingga sensor dan aplikasi yang telah dibuat di platform android tidak hanya terbatas pada software saja. Berdasarkan Alasan-alasan dan permasalahan diatas, maka dibuatlah sebuah Tugas Akhir yang berjudul “Rancang Bangun Sistem Navigasi Mobile Robot Berbasis Divais Android”. Pada tugas akhir ini dirancang sebuah Sistem navigasi untuk mobile robot dengan basis mikrokontroler Arduino dan Smartphone Android. Smartphone Android berfungsi sebagai sensor GPS dan Kompas dari mobile robot dengan mengirimkan data posisi dan data kompas pada mikrokontroler untuk selanjutnya memberikan sinyal kontrol pada mobile robot. Sinyal control yang diberikan oleh mikrokontroler berupa PWM untuk kontrol arah (Motor servo untuk kemudi) dan PWM untuk kontrol kecepatan. Mobile robot yang akan diujicobakan untuk sistem ini adalah sebuah mobil remote control (R/C) dengan model Monster Truck. Tipe ini dipilih untuk mengatasi berbagai jenis medan yang akan dilalui saat ujicoba. II. PERANCANGAN SISTEM

Kata kunci : Android, GPS, Navigasi

S

I. PENDAHULUAN

ISTEM navigasi merupakan sebuah sistem yang cukup vital dalam sebuah mobile robot. Sistem navigasi digunakan sebagai penunjuk posisi dan penuntun mobile robot dalam mencapai posisi tertentu. Sistem ini menggunakan bantuan Satelit GPS (Global Positioning System) dan sensor Kompas (Magnetometer) untuk menentukan posisi dan heading. Satelit GPS dalam hal ini digunakan untuk memperkirakan posisi dari user hingga ketelitian radius 5 Meter diseluruh dunia, sedangkan sensor Kompas (Magnetometer) digunakan untuk menentukan heading (arah) robot dengan prinsip pembacaan medan magnet bumi. Umumnya, mobile robot saat ini masih menggunakan modul GPS dan sensor Kompas yang terpisah sehingga harganya menjadi relatif mahal untuk direalisasikan. Belakangan ini telah berkembang sebuah Smartphone berbasis Android OS. Smartphone ini umumnya telah memiliki sensor-sensor yang berpotensi untuk digunakan untuk navigasi yakni GPS chip dan Magnetometer. Platform Android sendiri merupakan sebuah platform yang Opensource sehingga untuk pengembangannya, developer tidak perlu membayar lisensi apapun. Selain itu, sejak beberapa tahun yang lalu mulai dikembangkan beberapa protocol untuk mengkomunikasikan dan mengintegrasikan

A. Diagram sistem secara umum Berdasarkan diagram blok sistem yang pada gambar 1, dapat dilihat bahwa perancangan sistem untuk pembuatan sistem ini melibatkan dua Environtment yakni Environtment Android dan Environtment Mikrokontroler. Kedua Environtment ini diharuskan bekerja secara sinkron agar sistem yang dibangun dapat berjalan dengan semestinya. Environtment Android disini difungsikan sebagai Sensor dan Sistem yang berfungsi mengkalkulasi Arah dan Kecepatan untuk mobile robot, sedangkan Environtment Mikrokontroler digunakan untuk mendapatkan data dan mengkonversikannya ke dalam sinyal yang dapat dimengerti oleh motor servo dan ESC (Electronics Speed Control). Untuk mengkomunikasikan dua Environtment ini, maka diperlukan sebuah protokol komunikasi yang dapat membuat sistem Android dapat mengirimkan data pada mikrokontroler. Pada tugas akhir ini digunakan protokol komunikasi microbridge yang memanfaatkan mode ADB pada sistem Android. Dikarenakan sistem yang dirancang mengharuskan untuk mengembangkan sistem untuk dua Environtment, maka Perancangan sistem secara detail akan dibagi menjadi dua, yakni perancangan Sistem Android dan perancangan Sistem Mikrokontroler.

Gambar. 1. Blok diagram sistem secara keseluruhan

B. Perancangan sistem Android Secara Umum, Perancangan Sistem Android dapat dikategorikan menjadi 2 Sub bab yakni Perancangan Sistem Untuk Akses Sensor (GPS, Kompas) dan Perancangan Sistem untuk Komunikasi Perancangan Sistem Akses Sensor meliputi sensor apa saja yang akan digunakan, bagaimana pengambilan datanya, bagaimana pengolahan data mentahnya hingga data bisa dimanfaatkan. 1) Perancangan akses sensor untuk navigasi Untuk dapat digunakan sebagai alat navigasi, maka sensor GPS dan kompas dari android harus diambil dan dikalkulasikan untuk mendapatkan nilai kemudi dan nilai kecepatan untuk mobile robot. Algoritma yang digunakan untuk menentukan arah steering dan heading, dapat dilihat pada flowchart pada gambar 2 Pada gambar 2 dapat dilihat bahwa output hasil kemudi dibatasi pada 3 keadaan yakni lurus, belok kanan, dan belok kiri. Sedangkan kecepatan juga dibatasi pada 3 state, yakni berhenti, kecepatan rendah dan kecepatan sedang. Pada tugas akhir ini arah lurus pada kemudi direpresentasikan dengan 90° pada motor servo sedangkan belok kanan dan kiri berturut-turut 70° dan 110° . Sedangkan kecepatan mobile robot yang digunakan adalah 5% dari kecepatan maksimal motor untuk kecepatan rendah dan 6% dari kecepatan maksimal motor untuk kecepatan tinggi. Data steering dan speed yang dikirimkan untuk mewakili arah dan kecepatan merupakan data yang berupa derajat servo. Hal ini digunakan untuk mempermudah mikrokontroler untuk mengkonversi menjadi sinyal kontrol untuk ESC dan motor servo.

Gambar. 2. Diagram alir dari sistem pengambilan keputusan untuk kecepatan dan arah kemudi pada mobile robot

mendapatkan data steering dan speed hasil pengolahan data GPS dan kompas oleh device android. Karena data yang dikirimkan ada dua jenis, yakni data kemudi dan data kecepatan, maka data yang dikirimkan akan dibentuk sebuah array yang berurutan. Tujuan penggunaan array ini adalah agar data dapat diterima dengan baik oleh mikrokontroler sehingga tidak terjadi kesalahan penerimaan data atau data yang diterima menjadi terbalik. C. Perancangan sistem Mikrokontroler Sistem yang akan dirancang pada mikrokontroler adalah meliputi bagaimana perancangan hardware dan software. Perancangan Hardware yang dilakukan adalah meliputi bagaimana pemilihan board mikrokontroler yang digunakan dan bagaimana relevansinya dengan final project yang dibangun saat ini. Sedangkan pada bagian perancangan software, yang dilakukan adalah proses perancangan untuk pemrograman dari board yang bersangkutan. Secara umum, fungsi sistem mikrokontroler pada tugas akhir ini adalah untuk mengkonversikan data hasil kalkulasi dari device Android menjadi perintah yang dapat mengontrol mobile robot, dalam hal ini sinyal perintah motor servo dan ESC.Untuk dapat berkomunikasi dengan USB (Android), maka mikrokontroler harus menyesuaikan sistem kedalam sistem logic USB. Untuk itu, pada tugas akhir ini digunakan board mikrokontroler Seeduino ADK telah dilengkapi IC MAX3421E sebagai konverter dari USB menjadi logic yang dapat dimengerti oleh mikrokontroler.Komunikasi yang dilakukan antara board minimum system dengan IC MAX3421 memanfaatkan komunikasi SPI (Serial Peripheral Interface).

2) Perancangan komunikasi USB Perancangan komunikasi USB merupakan bagian yang berfungsi mengirimkan data setelah device android telah

Untuk dapat memberikan sinyal kontrol pada motor servo dan ESC mobile robot, maka perlu dilakukan perancangan hardware yang sesuai. Karena ESC pada mobile robot telah memiliki power supply yang independen, maka sistem ESC

pada mobile robot tidak perlu diberikan daya dari luar. Sedangkan pin VCC yang berada pada ESC mengeluarkan tegangan 6V konstan yang dapat digunakan untuk mensupply motor servo kemudi. Dengan menggunakan desain tersebut, maka motor servo akan mengambil daya dari baterai utama mobile robot dan bukan dari mikrokontroler.

Target navigasi dengan radius 10 meter tidak dapat dipenuhi oleh sistem navigasi apabila pambacaan sensor GPS kurang dari 10 meter, hal ini diakibatkan pembacaan jarak tidak pernah menyentuh nilai 10 meter atau nilai yang mencapai 10 meter namun nilainya tidak konstan atau selalu berubah-ubah. Pengujian ini dapat menghasilkan respon dengan tingkat keberhasilan 70 persen dari 10 kali pengujian. Hal ini dikarenakan toleransi jarak yang diberikan lebih besar sehingga memungkinkan bagi sistem navigasi dengan pembacaan akurasi GPS rendah (10m-18m) untuk memenuhi target uji. Namun karena pengubahan range ini, jarak antara posisi berhenti robot dan target posisi menjadi lebih jauh dengan jarak 9-13 meter.

B. Pengujian simpangan navigasi Pengujian ini bertujuan untuk melihat bagaimana simpangan yang dihasilkan oleh mobile robot saat melakukan navigasi jika dibandingkan dengan path /jalur Gambar. 3. Skema wiring diagram yang digunakan pada mikrokontroler yang ditentukan. Pengujian ini memanfaatkan data logger untuk mengontrol ESC dan Motor servo dari Android untuk menyimpan data posisi setiap detik mulai dari navigasi dilakukan hingga navigasi tercapai. Dari data GPS tersebut, dibuat visualisasi menggunakan software Google Earth. Pada pengujian ini, digunakan toleransi target III. PENGUJIAN DAN ANALISIS navigasi sebesar radius 10 meter. Pada bab ini akan dilakukan pengujian navigasi menggunakan sistem yang dibangun pada tugas akhir ini. = Path yang direncanakan Pengujian yang dilakukan pada tugas akhir ini meliputi = Path yang direkam pengujian keberhasilan navigasi untuk nilai toleransi target = Radius posisi target yang berbeda-beda, dan pengujian simpangan dari jalur navigasi dibandingkan dengan jalur yang ditetapkan. A. Pengujian kehandalan navigasi dengan target radius 10 meter Pengujian ini bertujuan untuk melihat kehandalan sistem navigasi untuk toleransi target radius sebesar 10 meter dan akurasi GPS yang berbeda-beda. Pada pengujian ini navigasi dianggap sukses apabila jalur yang diambil oleh mobile robot telah mengarah menuju target dan berhenti pada radius 10 meter dari posisi target yang diinputkan oleh user. Dari hasil pengujian pada tabel 1, didapati bahwa akurasi pembacaan GPS tetap menentukan hasil navigasi yang dilakukan. Semakin akurat pembacaan posisi dari GPS, maka arah bearing yang dikalkulasi oleh android semakin valid, sebaliknya apabila pembacaan GPS tidak akurat (>15m) posisi bearing yang dikalkulasi akan menjadi tidak tepat karena range bearing menjadi besar. Tabel 1. Tabel pengujian navigasi mobile robot dengan radius target 10 meter Pengujia Jarak posisi Akurasi Path Berhenti n ke target dan start terbaca saat mengarah pada (m) start (m) pada posisi target ? target ? 1 20 21 Tidak tidak 2 20 18 Ya Ya, 13 m 3 20 11 Ya Ya, 9 m 4 20 8 Ya Ya, 10 m 5 20 6 Ya Ya, 9 m 6 30 24 Tidak Tidak 7 30 26 Tidak Tidak 8 30 7 Ya Ya, 10 m 9 30 5 Ya Ya, 11 m 10 30 5 Ya Ya, 10 m

Gambar. 4. Gambar visualisasi antara path yang direncanakan dan path yang dijalankan oleh mobile robot dengan menggunakan software Google Earth

Pada pengujian simpangan navigasi, dilakukan dua kali pengambilan data. Pengambilan data pertama dilakukan pada lapangan terbuka dengan akurasi pembacaan GPS hingga 2 meter, sedangkan percobaan kedua dilakukan pada tempat dengan gedung tinggi dengan akurasi pembacaan GPS menengah (5 meter – 8 meter). Berdasarkan data pada tabel 2 dan 3, didapati bahwa simpangan navigasi yang dilakukan pada lapangan terbuka cenderung lebih kecil dibanding dengan simpangan navigasi pada daerah dengan gedung tinggi yang menyebabkan pembacaan GPS menjadi tidak maksimal. Hal ini dapat diakibatkan karena update posisi GPS yang dilakukan pada saat akurasi rendah tidak secepat saat akurasi GPS tinggi. Hal ini mengakibatkan arah navigasi / heading menuju target menjadi tidak benar sehingga path navigasi mobile robot menjadi cenderung lebih panjang.

Tabel 2. Tabel pengujian simpangan navigasi pada daerah terbuka Percobaan jarak jarak posisi total simpangan kepath navigasi berhenti (m) (m) (m) (m) dari target (m) 2 39.5 53.7 10 63.7 24.2 3

38.5

31.8

10

41.8

3.3

4

52.3

45.5

10

55.5

3.2

5

36.6

28.4

10

38.4

1.8

6

68.7

64.3

10

74.3

5.6

Rata-rata simpangan

3. Smartphone Android memiliki fitur lain yang bisa ditambahkan dan dieksplorasi kedalam sistem navigasi, semisal kamera, Bluetooth, WiFi, Mobile Internet, Accelerometer , Gyroscope ,dll

LAMPIRAN

7.62

Pengujian ke-1 gagal, path tidak mengarah ke target Tabel 3. Tabel pengujian simpangan navigasi pada daerah tertutup gedung Percobaan jarak jarak posisi total simpangan kepath navigasi berhenti (m) (m) (m) (m) dari target (m) 1 58.4 55 9 64 5.6 2

46.9

60

10

70

23.1

4

47.9

50.1

11

61.1

13.2

5

44.8

37.8

11

48.8

4

rata simpangan

Lampiran 1. Gambar rangkaian sistem kontrol yang diimplementasikan pada mobile robot

11.475

Pengujian ke-3 gagal, path tidak mengarah ke target

DAFTAR PUSTAKA IV. KESIMPULAN Dari perancangan, realisasi, dan pengujian alat pada tugas akhir ini dapat disimpulkan beberapa hal seperti berikut ini : 1. Sistem komunikasi dengan memanfaatkan ADB melalui kabel USB terlihat dapat menghasilkan komunikasi data yang reliable dengan tingkat ketepatan hingga 100 persen. 2. Untuk navigasi jarak pendek (