## PERANCANGAN KONTROLER PID PREDIKTIF ROBOT MODEL SEGWAY
Tri Hendrawan Budianto 1) ,
1) Jurusan Teknik Elektro, Fakultas Teknik Universitas Bangka Belitung
Pangkalpinang, Indonesia e-mail: trihendrawan@gmail.com
Abstrak  –  Kontroler  Robot  model    S egway merupakan plant yang  tidak  linier  dengan  banyak  gangguan  dari internal maupun eksternal. Dengan perubahan  sudut karena pengaruh beban saat bergerak atau sudut elevasi dari titik tegak untuk mencapai titik seimbang robot. Adapun pengaruh gangguan akan memperbesar sudut elevasi yang harus diredam agar tetap seimbang. Untuk mendeteksi perubahan sudut kemiringan, maka diperlukan sensor yang bisa membaca perubahan sudut dan gangguan yang terjadi terhadap plant .
Untuk  mempertahankan  keseimbangan  dapat  diselesaikan  dengan  kontroler  PID,  sedangkan  untuk  mendeteksi perubahan  yang  akan  terjadi  akan  datang  diperlukan  kontrol  prediksi.  Robot  ini  memiliki  kemampuan  untuk menjaga keseimbangan dengan dua roda dan bekerja pada sudut -8 derajat sampai +8 derajat untuk  memperoleh keseimbangan.
Kata kunci : kontroler, gangguan, sudut elevasi
Abstract – The segway plant  has a certain load change and noise thus requare a controller that can handle both these problems. PID controller is able to control the plant when angle inclination changes that occurred not too large. For the PID,  the value  of sensor variables are angle elevation, then  its parameters  estimation problem is also different  from the estimation of the parameters that  are not angle valued, the reason is the nonexistence of linearity from data accelerometer sensor.
This robot has ability to maintain balance with two wheels and work at an angle of -8 degrees to +8 degrees to obtain a balance.
Keyword : controls, distruct, angle elevation

## I. PENDAHULUAN
Perkembangan teknologi robot mendorong menciptakan  alat  yang  mampu  digunakan  untuk mendukung  aktifitas  sehari-hari.  Dengan  rutinitas sehari-hari  yang  semakin  padat  memerlukan  alat yang mudah dan efektif.
Robot  dua  roda  telah  menarik  banyak peneliti  untuk  mengetahui  dan  menerapkan  ke dalam  peralatan  dari  sifat  tidak  linier  menjadi linier.  Dan mempunyai sistem dinamik pada saat bergerak  dari  titik  awalnya.  Berbagai  metode dan kontroler  telah  digunakan  oleh  banyak  peneliti untuk mengontrol keseimbangan sendiri.
Robot  ini  menggunakan    3  sensor  untuk merepresentasikan  sudut  elevasi,  sedangkan pergerakkan  sudut  elevasi.  Adapun  perubahan sudut  elevasi  dari  sensor  diubah  ke  tegangan analog.    Perubahan  sudut  yang  tidak  linier  akan menjadi  masalah  tersendiri  begitu  juga  pada gangguan.  Sehingga  ditarik  permasalahan    untuk menyelesaikan  perubahan  sudut  dan  gangguan
antara  lain:  1.  Mencari    sudut  elevasi  atau  sudut gerakan 2. Letak titik berat robot
3.  Menyelesaikan  kontroler  terhadap  gangguan internal dan eksternal.

## II. TEORI  PENUNJANG
Untuk  mendapatkan  keseimbangan  robot yang  dipengaruhi  oleh  sudut  gerakan,  kecepatan roda  dan  gangguan  yang  mempengaruhi    robot. Untuk  mengendalikan  gerakan  robot  yang  tidak linier ,  maka  dibutuhkan  kontroler  yang  bisa memprediksi  jatuhnya  robot  di  saat  posisi  tegak menuju  kondisi  maju  atau  mundur  dari  titik awalnya.

## Sensor MMA7260Q [3]
Sensor  percepatan  MMA7260Q  buatan Freescale Semiconductor mempunyai  6  buah fungsi  pengukuran  yaitu  kemiringan  (tilt),  posisi (positioning), gerakan (movement), getaran (vibration), jatuh (fall), dan benturan (shock). [1]
Tabel 1 Selektor Sensitivitas g- Range Sensitivity (mV/g) g-Select 1 g-Select 2 1.5g 800 0 0 2g 600 1 0 4g 300 0 1 6g 200 1 1
Diberikan  tegangan  masukan  sensor  (V DD ) sebesar 3.3 volt, diperoleh tegangan offset (V offset ) adalah:
) ( 65 . 1 2 3 . 3 2 volt V V DD offset   
Nilai  2  sebagai  pembagi  jarak  dalam  ruang bawah sensor dengan ruang atas sensor.

## Low Pass Filter (LPF)[6]
Filter  adalah  sebuah  rangkaian  analog untuk melewatkan frekuensi rendah dan meredam frekuensi  tinggi.  Sensor  percepatan  MMA7260Q bekerja  pada  frekuensi  rendah,  sehingga    LPF sangat  sesuai  untuk  digunakan.  Adapun  filter terbagi yaitu filter analog dan filter digital. Untuk filter  digital  dibuat  dengan  memasukkan  rumus- rumus filter analog ke dalam program.

## Estimator Kalman[2]
Suatu  metode  filter  yang  digunakan  untuk mengfilter  noise  yang  tidak  diperlukan  setelah proses  filter  analog  agar  menghasilkan  sinyal yang  diinginkan  karena  pengaruh  gangguan internal  dan  eksternal  dari  sensor  setelah  melalui LPF  analog.  Metode  ini  menyelesaikan  filter  dari non linier manjadi linier melalui solusi recursive .
Estimator Kalman ini memiliki kemampuan dalam estimasi dan prediksi. Estimasi adalah kemampuan memperkirakan nilai sekarang berdasarkan  nilai  –  nilai  yang  lalu  dan  hasil pengukuran  saat  itu,  sedangkan  prediksi  adalah kemampuan  untuk  memperkirakan  nilai  yang akan  datang  berdasarkan  nilai  –  nilai  yang  lalu dan sekarang.
Measurement Update (Koreksi)
  1      k T k k k T k k k R H P H H P K
               k k k k k k k k k k k k x H v x H K x x x H y K x x ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ ˆ
     k k k k P H K I P Time Update (Prediksi) k k k k k u B x A x     ˆ ˆ 1 k T k k k k Q A P A P     1

## Kontroler  PID
Kontrol  logika  PID  digunakan  untuk sistem  yang  cukup  kompleks  dan  membutuhkan ketelitian  tinggi.  Dalam  PID  terdapat  tiga  proses utama yaitu Proportional, Integratif dan Derivatif. Tunning  kontrol  PID  ini  bertujuan  untuk menentukan  paramater  aksi  kontrol  agar  robot bias  bergiri  tegak.  Proses  ini  dapat  dilakukan dengan  cara trial  and  error .  Adapun  nilai  yang diberikan  berupa  konstanta  P-I-D  pada  formula PID  hingga  di  peroleh  hasil  yang  di  inginkan, dengan mengacu pada karakteristik pada kontroler PID.
Tujuan menggunakan kontroler PID artinya  kita  nantinya  bertujuan  mengolah  suatu sinyal  kesalahan  atau error ,  nilai error tersebut diolah dengan  formula PID untuk dijadikan suatu sinyal  kontrol  yang  akan  diteruskan  ke  aktuator. Perhatikan Gambar 1 blok diagram dibawah ini:

## Gambar 1. Blok Diagram Kontroler PID

## Motor Searah[6]
Motor  searah  yang  digunakan  yang mempunyai  reduksi  / gearbox ,  dengan  tujuan gerakan  yang  ditimbulkan  oleh  gangguan  bisa dikecilkan  dan  digunakan  dengan  motor  searah yang dikhususkan dalam aplikasi robot.
Bila  ingin  mengatur  arah  putaran  motor searah  maka  yang  diperlukan  yaitu  mengubah polaritas  tegangan  di  sisi  sumber  motor  tersebut dan ini dikerjakan oleh driver MOSFETs.

## Driver MOSFETs[6]
Dalam  driver  ini  digunakan  tegangan  12 volt  dan  arus  lebih  dari  2 ampere .  Kegunaan driver MOSFETs bertujuan agar respon dari sinyal yang  diberikan  oleh  sensor  dan  mikro  bisa dikerjakan  dengan  cepat.    Pada  rangkaiannya digunakan  kanal  P  dan  kanal  N    dengan konfigurasi  huruf  H.  Prinsip  kerjanya  untuk mengatur  putaran  motor  arah  kanan  dan  kiri dengan empat buah MOSFETs .
Tabel 2 Operasi H -Bridge MOSFETs

## III. PERANCANGAN SISTEM
Pada  Robot  di  berikan  tiang  sebagai pendulum, adapun  tiang  bertujuan  untuk  bisa seimbang  sendiri  dari  perubahan  gangguan  yang ditimbulkan  dari  dirinya  maupun  dari  luar.  Hasil deteksi  sensor  berupa  sinyal analog yang diletakkan  dibawah  pendulum  agar  mengetahui berapa    banyak  gangguan  karena  pengaruh  sudut dari  tiang  yang  bergerak.  Sensor  tersebut  sangat sensitif, sehingga untuk memdapatkan sudut  yang diinginkan  diperlukan  penghilang  / filter dari gangguan.  Sensor  yang  digunakan  adalah  sensor MMA7260Q  memiliki bandwidth response untuk sumbu  x  dan  y  sebesar  350  Hz  dan  sumbu  z sebesar  150  Hz.[5]  Adapun filter menggunakan rangkaian  analog butterworth orde  4  dengan frekuensi cut – off sebesar 10 Hz [4]
Dengan  pemilihan    frekuensi cut-off 10  Hz agar  dapat  menghilangkan  gangguan  getaran motor dan perubahan putaran motor dari polaritas MOSFETs
Gambar 2 Blok Diagram Robot Keseimbangan

## Pemodelan Kontroler PID
Input pertama  yang  diberikan  dalam perancangan  PID  diberi  nama error .  Untuk  nilai yang  digunakan  untuk input  error dalam  aplikasi pengaturan kecepatan motor searah pada implementasi  robot  tersebut  sebagai  set  point (SP).
Error= SP- PV Dimana:
Error  adalah  kesalahan,  merupakan  simpangan antara  variabel  terukur  (PV)  dengan  nilai  acuan (SP)
SP  adalah  set  point,  merupakan  nilai  acuan  atau referensi agar diperoleh robot tegak.
PV  adalah  present  value,  suatu  nilai  dari  sensor sebagai nilai umpan balik.

## Gambar 3 Proses Pemetaan Keseimbangan

## Perancangan Alat
Perancangan  ini  terdiri  dari  beberapa komponen, antara  lain: rangkaian mikrokontroler, konstruksi mekanik,  motor  searah,  sensor MMA7260, display LCD,  driver MOSFET , LPF Butterworth .

## Low Pass Filter  (LPF) Butterworth[4]
Dalam  LPF  menggunakan Butterworth orde  4  dengan  frekuensi cut  –  off 10  Hz non- inverting Sallen-Key (SK). LPF Butterworth orde 4  dibuat  untuk  menapis  pengaruh  getaran  yang ditimbulkan oleh motor.
Gambar 4 LPF Butterworth orde 4[6]

## IV. IMPLEMENTASI DAN ANALISA

## Pengujian Alat
Pengujian  dari  sistem  dilakukan  untuk mengetahui  alat  bekerja  dengan  benar  dan mengalami  kesalahan  sekecil.  Perubahan  sudut kemiringan  yang  masuk  mengubah  performa  dari metode PID yang telah diimplementasikan. Robot model Segway ini  mampu  berhenti  pada  saat mencapai seimbang,  karena  sistem dirancang free running dan  masing-masing  iterasi  membutuhkan waktu ± 12 ms.

## Pengujian Kontroler PID
Dengan  memberikan  perubahan  dari  nilai error terhadap output yang  digunakan  untuk mengubah pwm motor.
Tabel 4  Inisialisasi PWM Motor
Error PWM Motor Posisi Robot PV=4 20 70 Maju Cepat PV=3 10 65 Maju Sedang PV=2 5 60 Maju Sedang PV=1 3 40 Maju Pelan PV=0 0 0 Berhenti PV=-1 -2 20 Mundur Pelan PV=-2 -4 39 Mundur Sedang PV=-3 -10 55 Mundur Sedang PV=-4 -20 70 Mundur Cepat Robot  keseimbangan  bekerja  dari  sudut
+8 0 sampai  -8 0 pada  kecepatan  searah  jarum  jam sebesar 80 rpm (maksimum) dan berlawanan arah jarum  jam  sebesar  50  rpm  (maksimum). Perbedaan ini dikarenakan setting sensor terhadap titik tengah robot.

## Pengujian Driver MOSFET
Pengujian driver motor dengan memberikan  tegangan  output  dari  mikrokontroler sebagai  data  pada  motor  searah.  Pemberian  data digunakan  untuk  mendapatkan  kecepatan  putaran roda  motor  searah.  Pengujian  kecepatan  dengan mengeluarkan data PWM sebagai sinyal pwm_out melalui PID.

## V. KESIMPULAN
Setelah melakukan analisa bahwa kontroler  PID  prediktif  dapat  mempertahankan keseimbangan robot dengan memberikan gangguan, maka dapat ditarik kesimpulan sebagai berikut:
1. Dengan  pengaturan  estimator  Kalman  dapat membantu  mempertahankan dari gangguan.
2. Robot bekerja pada sudut -8 0 sampai +8 0 untuk menperoleh kesimbangan dengan SP=0, PV=0
Daftar Pustaka
[1]. Data sheet MMA7260Q. [2]. Kalman,  RE.  (1960).  “A  New  Approach  to Linear  Filtering  and  Prediction  Problem 1 ”, Transaction of the ASME – Journal of basic engineering, series D.82. 34-45
[3]. Kimberly  Truck,  2007.  “Tilt  Sensing  Using Linear Accelerometer”, Freescale Semiconductor, Inc. [4]. Luethi, Peter. (2001). “4th Order
Butterworth  Filter  Stage”,  page  3  of  8 Dietikom, Switzerland
[5]. Purwono, Yusuf, (2011). “Perancangan Dan Implementasi  Embedded  PID  Controller Menggunakan Mikrokontroller Untuk
Pengaturan Kestabilan Gerak Robot Segway Mini”. Surabaya. Institut Teknologi Sepuluh Nopember. [6]. Budianto, tri hendrawan (2012).
”Perancangan  Kontroler  Fuzzy  Prediktif Robot  Model  Segway”.  Surabaya  Institut Teknologi Sepuluh Nopember.