JURNAL TEKNIK ITS Vol. 7, No. 1 (2018), 2337-3520 (2301-928X Print) B 17 Rancang Bangun Robot Omni untuk Mencari Sumber Gas Menggunakan Kontrol Logika Fuzzy Berbasis Mikrokontroler ARM STM-32 Azhar Dwi Rizqi Aljabar, Muhammad Rivai, Suwito Departemen Teknik Elektro, Fakultas Teknologi Elektro, Institut Teknologi Sepuluh Nopember E-mail: muhammad_rivai@ee.its.ac.id, masaji@ee.its.ac.id Abstrak - Kebocoran dapat yang menyebabkan bahaya yang dapat mengancam penggunanya, seperti tejadinya kebakaran, atau meledaknya sebuah tabung gas. Untuk itu dibutuhkan sebuah metode penanganan cepat untuk mengetahui letak terjadinya kebocoran gas. Pada penelitian ini telah dirancang dan dibuat suatu Omni Directional Wheels Robot yang berfungsi sebagai gas tracker untuk mendeteksi letak kebocoran gas. Rancang bangun gas tracker ini menggunakan platform lingkaran yang dilengkapi dengan tiga buah sensor gas semikonduktor MQ-4, yang ditempatkan pada tiap 120 udut platform robot. Robot ini menggunakan sistem fuzzy logic controller yang diolah menggunakan STM32F4-Discovery. Robot ini akan mencari sumber kebocoran gas dengan menggunakan hasil pendeteksian dari sensor gas. Input fuzzy logic berupa perubahan nilai tegangan sensor gas. Pada proses defuzzifikasi dihasilkan output berupa sudut datang dan jarak sumber gas terhadap robot. Hasil deffuzifikasi kemudian akan berfungsi sebagai input gerak robot sesuai dengan perhitungan kinematika robot. Dari hasil pengujian menunjukkan bahwa robot ini dapat menuju ke sumber gas dengan nilai rata-rata tertinggi adalah 93,33 % saat sudut 210 gas tidak terdeteksi Kata Kunci - Fuzzy Logic Controller, Omni Directional Wheels Robot, Sensor gas semikonduktor. II. TINJAUAN PUSTAKA A. Omni Directional Wheels Roda omni (omni wheels) adalah rancangan roda khusus yang tidak hanya mempunyai roda tunggal, tetapi banyak roda dalam satu roda inti. Ada roda inti besar, dan sepanjang tepi ada banyak roda kecil tambahan yang mempunyai sumbu tegak lurus inti. Roda omni-directional holonomic memiliki 3 DOF. Berbeda dengan robot non- holonomic normal, robot omni-directional holonomic mampu bergerak ke segala arah tanpa mengubah arah roda [1]. Robot omni dapat bergerak maju, mundur, geser kesamping, dan berputar pada posisi tetap. Kemampuan ini memungkinkan robot yang menggunakan omnidirectional mampu bermanuver lebih lincah dan lebih efisien. terhadap sumbu roda Berdasarkan sifatnya, omni directional wheels adalah jenis mobile robot holonomic. Robot ini dapat bertranslasi ke arah kiri maupun kanan tanpa terlebih dahulu mengubah orientasi robot atau arah robot. Oleh karena itu dapat dikatakan bahwa kinematik sebuah roda omni adalah untuk memberi sarana dalam merubah posisi antar kordinat global dan konfigurasi internal, ditunjukkan pada Gambar 1. I. PENDAHULUAN S ALAH satu resiko penggunaan LPG adalah terjadinya kebocoran gas yang dapat menyebabkan kebakaran jika terpicu oleh api yang berada di sekitarnya. Dalam industri atau instalasi gas, pipa merupakan aspek penting untuk mendistribusikan gas dari suatu tempat ke tempat yang lain. Kebocoran pada pipa yang terdeteksi dapat menyebabkan kerusakan lebih parah dan dapat mengakibatkan kerugian yang sangat besar karena proses produksi berhenti. tidak Gambar 1. Sistem kinematik Omni Directional Wheels Robot [1] B. Sensor gas MQ-4 Dalam penelitian ini telah dibuat rancang bangun Robot Omni yang dilengkapi dengan sensor gas MQ-4 dan sensor jarak HC-SR04. Robot Omni berfungsi untuk mencari sumber gas untuk mendeteksi letak awal kebocoran gas. Dengan menggunakan metode fuzzy logic controller, robot akan mencari sumber kebocoran gas. Robot dilengkapi dengan sensor jarak yang berfungsi untuk mendeteksi halangan yang ada pada sekitar sumber kebocoran gas, sehingga kebocoran dapat dideteksi secara dini dan dapat mencegah kerusakan lebih lanjut. Sensor gas dengan kode MQ terdiri dari 2 bagian, yaitu sensor elektrokimia dan sebuah pemanas internal di dalamnya, ditunjukkan pada Gambar 2. Sensor ini dapat mendeteksi berbagai tipe gas, dan akan lebih sensitif untuk jenis gas tertentu. Semua sensor gas tipe ini harus dikalibrasi dengan mengukurnya diketahui konsentrasinya. Keluaran sensor ini berupa data analog yang dapat dibaca oleh pin-pin analog mikrokontroller [2]. pada udara/gas yang telah
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 7, No. 1 (2018), 2337-3520 (2301-928X Print) B 18 Fuzzy Logic. Semua perancangan sistem perangkat lunak berfungsi untuk sistem kontrol pada mobile robot. A. Desain Mekanik Robot Omni Gambar 2. Sensor gas MQ [2] Tahapan desain sebuah robot adalah merancang robot dengan kelengkapan serta ukuran yang di skalakan. Pada penelitian ini mendesain badan utama dari omni wheels robot yang bertipe holonomic, ditunjukkan pada Gambar 4. Sensor gas MQ merupakan sensor gas yang terbuat dari keramik mikro AL2O3, Tin Dioxide (SnO2) yang sensitif, elektroda dan kepala sensornya terbuat dari plastic serta stainless steel . Kepala sensornya dapat bekerja dengan baik dan merupakan komponen yang sangat sensitive [2]. C. Sensor Jarak HC-SR04 Modul sensor HC-SR04 merupakan sensor yang banyak digunakan untuk mengukur jarak suatu objek, ditunjukkan pada Gambar 3. Jarak jangkauan yang dimiliki oleh sensor ini yaitu mulai dari sekitar 2 centimeter sampai 4 meter. Dengan jangkauan yang cukup jauh tersebut dan ketelitian hingga sekitar 1 centimeter menjadikan modul sensor ini sering digunakan pada berbagai aplikasi, mulai dari pengukur ketinggian air hingga pengukur jarak pada berbagai robot. Gambar 4. Desain Omni Wheels Robot Setelah mendesaian model badan robot, implementasi dari badan robot berdasarkan desain yang dibuat terdiri atas: Rangka robot : akriklik dan aluminium Roda : roda omni wheel aluminium dan karet Penggerak roda : Motor DC 12V ini bekerja dengan memanfaatkan gelombang ultrasonik. Dengan menggunakan prinsip kerja layaknya suatu perangkat sonar, yaitu dengan memanfaatkan pantulan gelombang ultrasonik dan mengukur waktu penerimaan pantulannya, maka dapat didapatkan nilai jarak antara sensor ini dengan objek yang ingin diukur jaraknya. Frekuensi ultrasonik yang dipakai sensor ini sebesar 40 kHz [3]. Sensor B. Rangkaian Sensor Gas Rangkaian sensor gas yang digunakan pada penelitian ini adalah rangkaian pengondisi tegangan output dari sensor MQ- 4. Rangkaian pembagi tegangan diperlukan untuk mengambil Vout dari sensor, ditunjukkan pada Gambar 5. Ketika sensor gas mendeteksi adanya gas pada udara, maka resistansi dalam sensor gas akan turun begitu pula sebaliknya. Sensor Gas Gambar 3. Sensor Jarak HC-SR04 [3] III. PERANCANGAN SISTEM Gambar 5. Rangkaian dasar sensor gas dan penempatan sensor Perancangan sistem pada gas tracker robot yang akan dirancang terdiri dari dua bagian besar, yaitu perancangan perangkat keras dan perangkat lunak. Pada perancangan perangkat keras terdiri atas, perancangan mekanik robot omni, perancangan elektrik, dan perancangan sensor gas dan jarak. Perancangan perangkat keras tersebut berfungsi sebagai platform dasar mobile gas tracker yang akan dirancang menggunakan sistem gerak robot omni untuk mencari gas bocor. Sensor gas yang digunakan merupakan sensor gas MQ- 4. Sensor ini adalah sebuah sensor gas yang meliputi gas metana, karbondioksida, isobutana, ethanol, dan hydrogen. Sedangkan sensor jarak yang digunakan adalah modul sensor HC-SR04 yang memanfaatkan gelombang ultrasonik untuk mendeteksi jarak yang ada di depannya. Untuk perancangan perangkat lunak meliputi program pada STM32F4 dan kendali Sensor gas MQ membutuhkan dua sumber tegangan yaitu tegangan pemanas (Vh). tegangan rangkaian (Vc) dan Sedangkan output dari nilai sensor dilihat pada tegangan output pada rangkaian pembagi tegangan. Resistor yang digunakan untuk pembagi tegangan masin-masing 10K sehingga nilai maksimum tegangan yang masuk ke STM32F4 memiliki nilai maksimum 3.3 Volt. Output dari tegangan sensor pada mikrokontroller. gas dimasukkan kedalam pin ADC C. Rangkaian Sensor Jarak Modul HC-SR04 membutuhkan tegangan 5 volt, sedangkan mikrokontroller STM32F4 hanya mampu mengeluarkan tegangan output sebesar 3.3 volt. Untuk mengatasi masalah ini
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 7, No. 1 (2018), 2337-3520 (2301-928X Print) B 19 untuk diperlukan mengoperasikan HC-SR04 dengan baik [2]. STM32F4 menyediakan 5-tolerant pin yang mampu di-drive oleh tegangan luar sebesar 5 volt apabila pin output diset sebagai Open Drain dengan memberikan pull-up 5 volt menggunakan resistor 1 Kohm. Sedangkan untuk mengatasi kebutuhan pin echo HC-SR04 yang mengeluarkan tegangan 5 volt sebagai indikator pembacaan sinyal ultrasonik, tegangan pin echo dapat disambungkan dengan rangkaian pembagian tegangan sebelum disambungkan dengan pin input STM32F4, ditunjukkan pada Gambar 6. perencanaan rangkaian tambahan c. Medium (sumber gas medium dari jangkauan sensor) d. Short (sumber gas dekat dari jangkauan sensor) e. Stop (sumber gas berada pada threshold nilai sensor) Gambar 8. Crisp Input Sensor b. Fuzzy Rule Base Fuzzy Rule Base yang diatur pada sistem ini diolah berdasarkan sudut datang dan jarak sumber gas terhadap robot omni. Tiap fungsi keanggotaan bertipe singleton. Untuk penentuan sudut datang sumber gas dibedakan menjadi enam kuadran, ditunjukkan pada Tabel 1. Gambar 6. Rangkaian dasar sensor jarak dan penempatan sensor D. Perancangn Sitem Kontrol Robot Penelitian ini menggunakan fuzzy logic control sebagai sistem kontrol yang akan mengatur sistem utama pada pergerakan kinematik omni directional wheels. Fuzzy logic digunakan untuk menggerakan roda omni berdasarkan input data yang diterima sensor gas MQ-4 yang telah diolah pada STM32F4. Data input dari sensor tersebut akan menunjukan posisi dari kebocoran gas yang terjadi. Pergerakan roda menggunakan fuzzy logic yang akan mengatur pergerakan tiga buah motor dengan input dari tiga buah sensor gas MQ-4. Pergerakan roda omni sendiri didefinisikan berdasarkan jarak gas terhadap robot yang diambil berdasarkan nilai ADC yang diterima oleh sensor gas MQ-4. Tabel 1. Keanggotaan Sudut Keanggotaan 30° 90° 150° 210° 270° 330° Tipe keanggotaan Singleton Singleton Singleton Singleton Singleton Singleton tangkap atau magnitude ditentukan menurut input yang didapat dari pembacaan jarak (cm) pada tiap sensor yang terbagi kedalam empat derajat keanggotaan stop, short, medium, long, ditunjukkan pada Tabel 2. Sedangkan jarak Berdasarkan nilai ADC yang diterima maka akan diketahui sudut datangnya gas yang menjadi output fuzzy sebagai panduan pergerakan robot omni, ditunjukkan pada Gambar 7. Hasil dari pembacaan nilai ADC tersebut akan menjadi membership function untuk alur pergerakan robot. Jadi pada setiap motor akan memiliki 3 buah inputan hasil pembacaan ADC masing masing sensor gas MQ-4 yang berupa posisi sumber gas berdasarkan sudut datang dan jarak sumber tersebut dari titik sensor. Keanggotaan jarak (cm) 10 20 30 40 Tabel 2. Keanggotaan Jarak Kategori keanggotaan Stop Dekat Medium Jauh Tipe keanggotaan Singleton Singleton Singleton Singleton c. Defuzzifikasi Fuzzy kontrol yang digunakan pada sistem ini menghasilkan dua buah output yaitu derajat keanggotaan sudut berdasarkan kuadran sudut dan jarak, sehingga dapat mengarahkan keputusan pergerakan kinematik robot, ditunjukkan ada Gambar 9 dan 10. Gambar 7. Alur sistem Fuzzy Control a. Fuzzifikasi Pada sistem ini menggunakan crisp input yang dibentuk dari lima himpunan keanggotaan (ditunjukkan pada Gambar 8) yang menggambarkan jarak datangnya sumber sensor yaitu: a. None (tidak terdeteksi adanya sumber gas) b. Long (sumber gas jauh dari jangkauan sensor)
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 7, No. 1 (2018), 2337-3520 (2301-928X Print) B 20 c. Medium = sumber berjarak 30 cm d. Short = sumber berjarak 20 cm e. Stop = sumber berjarak 10 cm Gambar 9. Crisp Output Sudut Gambar 11. Realisasi Robot Omni Tabel 3. Data Pengukuran Tegangan Sensor Gas MQ percobaan 1 Gambar 10. Crisp Output Jarak sensor 1 sensor 2 sensor 3 Jarak (cm) Defuzzifikasi pada sistem ini menggunakan metode Max Product Implication Methode. Metode ini memungkinkan pengambilan nilai maksimum keluaran dari crisp output sudut dan jarak sebagai keputusan akhir dari proses fuzzy yang telah direncanakan menggunakan Fuzzy Rule Base. Hasil defuzzifikasi berupa sudut dan jarak akan menjadi input dari kinematik robot omni. Dengan mengetahui jarak (S) dan sudut maka akan dapat menghitung magnitude (M) yang merupakan skala pergerakan dalam kuadran kartesian besarnya yang akan menjadi input kinematik robot omni, dengan (x,y, rumusan sebagai berikut: 1.18 1.06 1.04 0.94 0.83 0.76 1.07 1.03 0.99 20 40 60 (1) Keterangan : Mmax = 250 (PWMmax) Mmin = 150 (PWMmin) Smax = 40 cm (long) Smin = 10 cm (Short) IV. HASIL DAN ANALISA Setelah melakukan perancangan mekanik berdasarkan desain robot, maka implmentasi dari desain omni directional wheels pada penelitian ini dapat dilihat pada Gambar 11. Tabel 3 menunjukkan pengujian sensor gas MQ-4. Gambar 12. Grafik Tegangan Sensor Dalam Range 0-60 cm Sensor 1 Sensor 2 Sensor 3 none 20 15 18 Tabel 4. Pembacaan ADC sensor Pembacaan ADC sensor Long Medium 92 82 86 131 121 125 Short 150 140 142 Stop 160 150 157 Pada gambar 12 menunjukkan bahwa semakin jauh jarak sumber gas maka tingkat sensitifitas sensor gas semakin berkurang. Hal ini disebabkan oleh kemampuan identifikasi sensor terhadap gas alokohol. Untuk mendapatkan nilai yang akurat, pengambilan data nilai ADC dilakukan dalam waktu 5 menit dengan membagi derajat keanggotaan nilai ADC ditunjukkan pada Tabel 4, dengan rincian sebagai berikut: Pada Gambar 13 menunjukkan pengujian sensor HC-SR04 terhadap jarak dinding pantulan. Pengujian dilakukan dengan jarak antara sensor dengan dinding pantulan yang berbeda- beda, ditunjukkan pada Tabel 5. Dapat dilihat bahwa pengukuran sensor semakin tidak sesuai seiring dengan pertambahan jarak antara sensor dengan dinding pantul. a. None = tidak ada sumber gas b. Long = sumber berjarak 40 cm
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 7, No. 1 (2018), 2337-3520 (2301-928X Print) B 21 Gambar 13. Pengujian Sensor jarak Pengujian Fuzzy Logic pada sistem dilakukan untuk menguji hasil dari sistem yang telah dirancang pada robot. Pada pengujian ini dilakukan percobaan untuk melihat perbandingan hasil input dan output pada robot. Pengujian dilakukan berdasarkan jarak sumber gas (10 cm, 20 cm, 30 cm, 60 cm) antara datang (30 ,90 ,150 ,210 ,270 ,330 ). tiap sensor dan sudut Gambar 14. Grafik kondisi sensor Sumber gas 210 pada 20 cm b. Sumber gas 210 pada 30 cm Tabel 7. Pembacaan tegangan sensor sumber gas 210 Sensor2 1.4 V Sensor1 1.223 V Sensor3 1.21 V Jarak(cm) Tabel 5. Pengujian Sensor Jarak Error (Selisih jarak) Hasil Pembacaan Persentase kesalahan 5 5.060741 0.060741 1.21482 10 10.121482 0.121482 1.21482 15 15.814816 0.814816 5.43211 20 20.242964 0.242964 1.21482 25 25.303705 0.303705 1.21482 30 31.629631 1.629631 5.43210 Gambar 15. Grafik kondisi sensor Sumber gas 330 pada 20 cm 35 36.690372 1.690372 4.82963 40 41.751114 1.751114 4.37779 Sesuai dengan defuzzifikasi maka diambil keputusan : 45 50 47.444447 52.505188 2.444447 2.505188 5.43210 5.01038 Output Sudut = 210 Output Jarak = 30 cm (medium) Maka M = 216,6 55 58.198521 3.198521 5.81549 = 216,6 cos 210 60 63.891853 3.891853 6.48642 = -187,57 = 216,6 sin 210 Berikut ini merupakan hasil pengujian terhadap fuzzy control yang berupa hasil deteksi sensor dan pergerakan robot dalan kordinat ( . = -108,3 Robot bergerak pada kordinat( c. Sumber gas 330 pada 30 cm = (-187,57, -108,3, 0) a. Sumber gas 90 pada 30 cm Tabel 6. Pembacaan tegangan sensor sumber gas 90 Tabel 8. Pembacaan tegangan sensor sumber gas 330 pada 30 cm Sensor1 Sensor2 Sonsor3 Sensor1 Sensor2 Sonsor3 1.513 V 1.563 V 1.62 V 1.473 V 1.343 V 1.35 V Sesuai dengan defuzzifikasi maka robot bergerak pada kordinat ( = (0 , 216,6 , 0) Gambar 16. Grafik kondisi sensor Sumber gas 330 pada 30 cm
JURNAL TEKNIK ITS Vol. 7, No. 1 (2018), 2337-3520 (2301-928X Print) B 22 Sesuai dengan defuzzifikasi maka robot bergerak pada kordinat ( =(187,57 , -108,3 , 0) V. KESIMPULAN Pada penelitian ini telah dirancang sebuah platform robot Omni Directional Wheels yang berfungsi sebagai gas tracker. Robot ini menggunakan tiga buah sensor gas MQ-4 untuk mendeteksi gas, sensor jarak ultrasonik HC-SR04 untuk mendeteksi adanya obstacle dan Fuzzy Logic sebagai kontrol sistem dari robot. Robot ini menggunakan mikrokontroler ARM STM32F4 untuk mengatur keseluruhan sitem robot beserta pengaturan perangkat mekanik dan elektrik pada robot. Rancang bangun robot omni ini menggunakan input fuzzifikasi pembacaan sensor gas dan deffuzifikasi yang berupa sudut datangnya gas terhadap titik pusat robot dan jarak sumber gas dari robot. Keluaran kontrol logika fuzzy tersebut menjadi masukan untuk perhitungan besarnya pergerakan robot dalam kuadran kartesian. Hasil percobaan menunjukkan bahwa sensor gas dapat mendeteksi gas alkohol dengan kondisi ideal membutuhkan jarak di bawah 50 cm dan dalam waktu 5 menit dikarenakan fluktuatif penyemprotan gas yang dilakukan. Tingkat keberhasilan rata-rata tertinggi dalam menemukan sumber gas adalah pada sudut 210 dengan persentase 93,33%. terjadi DAFTAR PUSTAKA [1] [2] [3] T. . Baede, "Motion Control of an Omnidirectional Mobile robot," Eindhoven University of Technology, 2006. Anonim, "Technical Information for MQ-4 gas sensor," 2017. [Online]. Available: H. Maulana, "Implementasi Mikroprosesor Arm Pada Robot Hexapod untuk Melacak Sumber Kebocoran Gas Alkohol," Institut Teknologi Sepuluh Nopember, 2016.