## SISTEM KENDALI GERAK SEGWAY BERBASIS MIKROKONTROLER
Lukas B. Setyawan 1 , Deddy Susilo 2 , Dede Irawan 3
Program Studi Teknik Elektro, Fakultas Teknik Elektronika dan Komputer,
Universitas Kristen Satya Wacana, Salatiga
1 lukas.bs@gmail.com, 2 deddy.susilo@ymail.com, 3 dextination01@yahoo.co.id

## INTISARI
Makalah ini menjelaskan sistem kendali pergerakan Segway, yaitu  sebuah kendaraan personal  yang  memiliki  bentuk  yang  unik  dengan  dua  roda  di  sisi  kiri  dan  kanan, serta  memiliki  sebuah  stang.Sistem  dibentuk  menggunakan  mikrokontroler ATmega 8535  sebagai  pusat  sistem  kendali  dengan  pengolahan  kecepatan  motor menggunakan  metode  PID.  Sensor  pendukung  yang  digunakan  antara  lain  sensor sudut menggunakan accelerometer, sensor kecepatan sudut menggunakan gyroscope, dan  sensor  simpangan  stang  menggunakan  potensiometer.  Segway  ini  mampu mengangkut  beban  maksimum  sebesar  70  kg.  Kecepatan  maksimum  sistem  sebesar 5,5  km/jam  pada  jalan  datar.  Pada  kecepatan  2,7  km/jam  dengan  beban  53  kg Segway dapat bertahan selama 60 menit.
Kata  kunci: Segway,  Sistem  kendali  gerak  segway,  Kontrol  PID, Mikrokontroler ATmega 8535, Accelerometer, Gyroscope, Potensiometer.

## 1. PENDAHULUAN
1.1. Latar Belakang
Perkembangan  teknologi  kendaraan  bermotor  sekarang  ini  sangatlah diperlukan  demi  memenuhi  kebutuhan  konsumen  yang  semakin  bervariasi.  Salah satunya  adalah  diciptakannya  kendaraan  segway,  namun  kendaraan  jenis  ini  masih jarang  ditemukan  di  Indonesia.  Oleh  sebab  itu  diperlukan  suatu  penelitian  terhadap kendaraan  ini  agar  dapat  menghasilkan  kendaraan  sejenis  walaupun  menggunakan
komponen  dan  bahan  yang  berbeda  dengan  segway  impor.  Untuk  menghasilkan kendaraan tersebut, yang paling diperlukan adalah merancang sistem kendalinya.

## 2. DASAR SISTEM KENDALI GERAK SEGWAY

## 2.1. Cara Kerja Gerak Segway
Segway  pada  dasarnya  adalah  sebuah  robot  yang  dikenal  dengan  sebutan “ balancing  robot ”. Balancing  robot bekerja  dengan  cara  memutar  kedua  rodanya agar  tubuhnya  tetap  tegak.  Apabila  tubuh  robot  semakin  miring  ke  depan,  maka rodanya  juga  akan  semakin  cepat  berputar  ke  depan,  sehingga  posisi  tubuh  robot menjadi  tegak  kembali,  begitu  juga  sebaliknya.  Namun  ada  perbedaan  antara balancing robot dan segway, yaitu segway dapat berbelok ke kiri dan ke kanan. Agar dapat berbelok ke kiri atau ke kanan, maka kecepatan rodanya harus dibuat berbeda. Perbedaan  kecepatan  tersebut  ditentukan  berdasarkan  kemiringan  stang.  Gambar balancing robot dan segway dapat dilihat pada Gambar 2.1.

## 2.2. Komponen Sistem Kendali Gerak Segway
Berdasarkan  cara  kerja  gerak  segway,  maka  komponen  pembentuk  sistem  ini dapat  dibagi  menjadi  dua  bagian,  yaitu  bagian  elektrik  dan  perangkat  lunak. Sedangkan  untuk  pengaplikasiannya,  diperlukan  suatu  bagian  pendukung  yaitu bagian mekanik. Bagian mekanik  ini sendiri terdiri  dari rangka, pijakan,  stang, roda dan gear .  Kemudian  bagian  elektrik  terdiri  dari  kontroler  yang  menggunakan mikrokontroler  ATmega  8535,  sensor  sudut  menggunakan  accelerometer,  sensor kecepatan  sudut  menggunakan  gyroscope,  sensor  simpangan  stang  menggunakan
(a) (b) Gambar 2.1. (a) Balancing Robot (b) Segway

## Sistem Kendali Gerak Segway Berbasis Mikrokontroler
potensiometer, driver  motor menggunakan driver  motor DC  jembatan  H,  motor menggunakan starter  motor ,  serta  catu  daya  menggunakan  aki  kering.  Sedangkan bagian  perangkat  lunak  terdiri  dari  pengakses  sensor  sudut,  pengakses  sensor kecepatan sudut, pengakses  sensor simpangan stang, metode kendali PID, penghasil PWM serta low pass filter .

## 2.3. Cara Kerja Sistem Kendali Gerak Segway
Keseluruhan cara kerja sistem ini diatur oleh perangkat lunak yang ditanamkan pada  kontroler.  Sehingga  kontroler  di  sini  berfungsi  sebagai  pusat  sistem  kendali. Secara  garis  besar  cara  kerja  sistem  ini  dimulai  dari  mengambil  nilai  sudut  dari sensor  sudut,  kemudian  mengambil  nilai  kecepatan  sudut  dari  sensor  kecepatan sudut.  Nilai  sudut  yang  telah  didapatkan  digunakan  untuk  mencari  selisih  sudut terhadap  sudut  acuan.  Semakin  besar  selisih  maka  semakin  besar  pula  keluaran. Sedangkan nilai kecepatan sudut digunakan sebagai kompensasi keluaran. Nilai-nilai tersebut diolah menggunakan metode PID, dengan persamaan sbb:
PID=Kp.e[n] + Ki.{e[n]+e[n-1]+…..+e[n- k]}.Δt + Kd.{e[n] - e[n]}/Δt. [2.1]
Dengan:
PID merupakan nilai keluaran e[n] merupakan selisih antara sudut aktual dengan sudut acuan,
Kp merupakan konstanta proportional ,
Ki merupakan konstanta integral ,
Kd merupakan konstanta differential , dan
Δt merupakan waktu sampling.
Dalam  kasus  ini,  nilai  {e[n]- e[n]}/Δt  pada  metode differential sama  dengan kecepatan sudut. Sehingga Persamaan 2.1 dapat diganti dengan:
PID=Kp.e[n] + Ki.{e[n]+e[n-1]+…..+e[n- k]}.Δt + Kd.{kecepatan_sudut} [2.2]
Nilai  PID  ini  berfungsi  sebagai  acuan  nilai  PWM  untuk  mengendalikan kecepatan  kedua  motor.  Namun  sebelum  dijadikan  nilai  PWM,  nilai  PID  tersebut terlebih  dahulu  ditambahkan  dengan  nilai  simpangan  stang.  Nilai  simpangan  stang
ini berfungsi untuk membedakan kecepatan motor kiri dan motor kanan agar segway dapat  berbelok.  Setelah  mendapatkan  nilai  PWM  maka  kecepatan  dan  arah  putaran motor dapat dikendalikan.  Namun  untuk  mengendalikan  motor  yang  berdaya  besar, dibutuhkan  suatu  rangkaian  untuk  menghubungkan  kontroler  dan  catu  daya  pada motor  tersebut.  Rangkaian  tersebut  adalah driver  motor .  Jadi  dapat  disimpulkan bahwa nilai sensor sudut, kecepatan sudut dan simpangan stang diolah menggunakan metode  PID  untuk  menghasilkan  kecepatan  motor  pada  roda  segway  berdasarkan nilai PWM hasil dari pengolahan tersebut.

## 3. HASIL PENGUJIAN SISTEM
3.1. Bagian Mekanik
Segway memiliki dimensi total sebesar 70x50x128cm. Realisasi Segway dapat dilihat di Gambar 3.1.
3.2. Bagian Elektrik dan Perangkat Lunak
3.2.1. Accelerometer dan Low Pass Filter
Dari  hasil  pengujian  terlihat  bahwa  sensor  mengalami  gangguan  akibat getaran  dari  motor.  Oleh  karena  itu pada  sistem  ini  diperlukan  suatu low  pass  filter untuk  meredam  derau  tersebut.  Dengan  menggunakan low  pass  filter tersebut, hasilnya  sangat  efektif  dalam  meredam  derau  yang  terjadi.  Hasil  pengujian  tersebut dapat dilihat pada Gambar 3.3.
Gambar 3.1. Segway Yang Telah Di realisasikan
Gambar 3.2. sensor accelerometer MMA7341 3-axis
Grafik  warna  biru  merupakan  keluaran  accelerometer  saat  mendapat  getaran dari motor. Sedangkan grafik warna merah merupakan keluaran sensor accelerometer yang telah difilter dengan low pass filter digital .

## 3.2.2. Gyroscope dan Respon Sistem
Pengujian  ini  dilakukan  untuk  melihat  respon  dari  sensor  gyroscope  yang digunakan.  Dari  hasil  pengujian  terlihat  bahwa  respon  sensor  terbukti  dapat mengikuti  keadaan  sistem.  Saat  sudut  sistem  meningkat,  terlihat  nilai  sensor  mulai menurun.  Sedangkan  saat  sudut  sistem  menurun,  terlihat  nilai  sensor  mulai meningkat. Ini menunjukkan bahwa sensor dapat merespon keadaan sistem.
Gambar 3.3. Hasil Pengujian Accelerometer dan Low Pass Filter
70 75 80 85 90 95 100 105 110 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 Sudut VS Waktu Sampling (a=0.95) sudut sudut+LPF
Gambar 3.4. sensor gyroscope L3G4200D 3-axis

## Sistem Kendali Gerak Segway Berbasis Mikrokontroler
Sedangkan  respon  sistem  secara  keseluruhan  dapat  dilihat  dari  selang  waktu terjadinya perubahan nilai keluaran sensor ini. Dari pengujian yang dilakukan terlihat bahwa  nilai  yang  terukur  pada  setiap  waktu sampling berbeda-beda.  Hal  ini menunjukkan  bahwa  respon  minimum  sistem  sama  dengan  waktu sampling . Berdasarkan perhitungan dari lamanya perulangan setiap sampling didapatkan sekitar 4ms. Jadi dengan kata lain respon minimal sistem adalah sekitar 4ms.

## 3.2.3. Metode Kendali PID
Pengujian  ini  bertujuan  untuk  mendapatkan  nilai  ideal  antara  konstanta proportional , integral dan differential . Dengan mengamati reaksi sistem, maka dapat ditentukan  besar  perbandingan  konstanta-konstanta  idealnya.  Dari  pengujian  yang dilakukan  didapatkan  perbandingan  konstanta  ideal  agar  sistem  lebih  stabil  yaitu sebesar:  Kp=2,  Ki=75  dan  Kd=1,4.  Dimana  nilai-nilai  tersebut  didapatkan  dengan cara eksperimen berdasarkan reaksi dari sistem.
-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 Kec_Sudut dan Sudut Kec Sudut Sudut+LPF -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 1 3 5 7 9 11 13 151719 21 232527 29 3133 35 373941 43 454749 51 535557 59 PID Dengan Kp=2, Ki=75, kd=1.4 PID+LPF Sudut+LPF
Gambar 3.5. Hasil Pengujian Gyroscope
Gambar 3.6. Hasil Pengujian PID

## 3.2.4. Beban dan Kecepatan
Pengujian  ini  dilakukan  untuk  mendapatkan  besarnya  kemampuan  beban maksimum  dan  kecepatan  maksimum  sistem.  Pengujian  ini  dilakukan  pada  dua kondisi  permukaan  jalan,  yaitu  pada  permukaan  aspal  dan  porselin,  serta  dengan pembebanan yang bervariasi. Tabel 3.1 adalah tabel pengujian beban dan kecepatan.
No  Beban Kecepatan 1 <10 kg 5,5 km/jam 2 <20 kg 5,5 km/jam 3 <30 kg 5,5 km/jam 4 <40 kg 5,5 km/jam 5 <50 kg 5,5 km/jam 6 <60 kg 5,5 km/jam

## 3.2.5. Pengujian Bidang Miring
Pengujian  ini  bertujuan  untuk  menentukan  kekuatan  sistem  saat  melewati permukaan  jalan  miring  pada  beban  53  kg.  Hasil  yang  didapat  adalah  sistem  dapat melewati  bidang  dengan  kemiringan  sampai  10 o .  Di  atas  kemirngan  tersebut  sistem menjadi lebih sulit untuk bergerak.

## 3.2.6. Pengujian Ketahanan Catu Daya
Pengujian  ini  dilakukan  untuk  menentukan  waktu  maksimum  penggunaan segway.  Pengujian  ini  juga  dilakukan  pada  dua  kondisi  jalan  serta  beban  53  kg, dengan hasil seperti Tabel 3.2 dan Tabel 3.3.
No Percobaan Waktu Kecepatan Rata-Rata 1 I 58 menit 2,8 km/jam 2 II 57 menit 2,8 km/jam 3 III 62 menit 2,7 km/jam 4 IV 61 menit 2,7 km/jam
Tabel 3.1. Hasil Pengujian Beban dan Kecepatan
Tabel 3.2. Hasil Pengujian Ketahanan Catu Daya Di Permukaan Halus

## 4.   PENUTUP
Dari  hasil  pengujian  yang  telah  dilakukan,  maka  dapat  ditarik  beberapa kesimpulan sbb:
1. Keluaran  sensor  accelerometer  menghasilkan  derau  yang  diakibatkan  oleh getaran motor.
2. Koefisien low pass filter ideal pada perancangan ini adalah sebesar a=0,95.
3. Dengan  menggunakan  perbandingan  nilai  Kp=2,  Ki=75  dan  Kd=1,4 menunjukkan bahwa keluaran PID paling stabil.
4. Dari  percobaan  didapatkan  beban  maksimum  sistem  yang  dirancang  sebesar  70 kg.
5. Kecepatan maksimum sistem adalah 5,5 km/jam pada jalan datar.
6. Ketahanan  daya  yang  dapat  dicapai  adalah  ±60  menit  saat  digunakan  pada kecepatan  rata-rata  2,7  km/jam  pada  beban  53  kg  pada  permukaan  jalan  yang halus.
7. Sistem dapat melewati bidang miring sampai 10 derajat pada beban 53 kg.
8. Hambatan yang terjadi disebabkan oleh faktor torsi motor yang kurang besar.

## DAFTAR PUSTAKA
[1] Colton,  Shane,  “A  Simple  Solution  For  Integrating  Accelerometer  And Gyroscope  Measurements  For  A  Balancing  Platform”,  Submitted  as  a  chief Delphi white paper, 25 Juni 2007.
No Percobaan Waktu Kecepatan Rata-Rata 1 I 23 menit 2,9 km/jam 2 II 27 menit 2,8 km/jam 3 III 30 menit 2,7 km/jam 4 IV 29 menit 2,7 km/jam Tabel 3.3. Hasil Pengujian Ketahanan Catu Daya Di Permukaan Kasar
[2] Laksana,  Andra,  “Balancing  Robot  Beroda  Dua  Menggunakan  Metode Kendali Proporsional Integral”, Makalah, Jurusan Teknik Elektro Universitas
Diponegoro, 2011. [3] -------, MMA7341L 3-Axis Accelerometer 3/11g [online],
http://www.tokorobot.co.id, diakses tanggal 10 Oktober 2012.
[4] -------,  L3G4200D  3-Axis  Gyro  Carrier  With  Voltage  Regulator  [online], http://www.pololu.com, diakses tanggal 21 Oktober 2012.
[5] -------, Segway  i2 [online],  http://www.sunglidetours.wordpress.com, diakses tanggal 10 Agustus 2012.