AAU Journal of Defense Science and Technology Volume 2, Number 1, 1 July 2011, 88 100

Implementasi Motor DC Dengan Pengendali PID Sebagai Aktuator Sistem Penjejak Obyek Berbasis WarnaLettu Lek Ardhimas Wimbo Wasisto, S.T.*), I Gde Permana, S.T.**)*1)

Laboratorium Sistem Kendali dan Komputer, STEI ITB, Bandung 40132 *) wimbotn@yahoo.com, **) wawan_aswin@yahoo.com

AbstrakPenguncian sasaran berbasis pemrosesan gambar merupakan salah satu alternatif metode yang cukup baik dibandingkan sistem penguncian sasaran berdasarkan panas atau radar, karena tidak semua obyek sasaran memiliki radiasi termal, selain itu juga tidak terganggu oleh gangguan gelombang elektromagnet (jamming). Integrasi antara kamera penjejak obyek berbasis warna dengan sistem pengendali motor Direct Current (DC) merupakan salah satu bentuk perancangan teknologi persenjataan yang mengaplikasikan sistem kendali otomatis guna mengarahkan laras senjata ke arah sasaran yang telah dikunci oleh sistem penjejak obyek. Motor servo yang digunakan pada perancangan sistem tersebut adalah motor servo jenis Maxon DC Motor 47.022.022-00.19-312. Pengendalian parameter posisi dan kecepatan motor servo dilakukan dengan menambahkan pengendali ProportionalIntegralDerivative (PID) digital berbasis mikrokontroler. Untuk menentukan koefisien-koefisien pengendali PID, digunakan pendekatan eksperimen menggunakan metode penalaan Ziegler-Nichols. Pengujian dilakukan dengan mengamati perubahan tanggapan motor servo untuk kemudian dianalisis sehingga diperoleh sistem kendali motor servo dengan respon cepat dan tingkat kestabilan yang baik. Sistem terintegrasi mampu menjejak obyek bergerak translasi pada sumbu horisontal maupun vertikal. Kata Kuncimotor servo, metode penalaan Ziegler-Nichols, pengendali PID

I. PENDAHULUAN

S

istem pengunci sasaran berbasis pengolahan citra berbasis warna memiliki kelebihan dibandingkan sistem pengunci sasaran konvensional yang menggunakan radar dan sensor pencari panas (heat seeker). Sensor pencari panas hanya menjejak obyek yang menghasilkan panas tertentu agar dapat dikunci, yang tidak mungkin dilakukan untuk mengunci sebuah sasaran berupa bangunan yang tidak menghasilkan panas. Selain itu sensor pencari panas telah dapat diatasi dengan bunga api (flare) sehingga sasaran bisa berbelok atau dikecoh oleh panas yang dihasilkan oleh flare, Sedangkan radar pengunci telah diatasi dengan bahan penyerap gelombang radar (Stealth) dan kepingan pengecoh radar (chaff). Kedua hal tersebut merupakan kelemahan yang diharapkan mampu diatasi oleh penjejak sasaran berbasis pengolahan citra yang langsung mengunci obyek yang ranahnya ditentukan secara visual. Oleh karena itu, dirancang dan diimplementasikan sebuah model sistem penggerak sederhana dengan sistem kendali posisi yang

Manuscript received 6 April 2011, revised 9 June 2011, accepted for publication 19 June 2011

Implementasi Motor DC Dengan Pengendali PID Sebagai Aktuator Sistem Penjejak Obyek Berbasis Warna

89

terintegrasi dengan sensor citra dan mampu merespon data hasil pengolahan citra untuk menghasilkan sistem kendali posisi yang presisi dan terotomatisasi, sehingga mampu melakukan penguncian sasaran atau obyek tertentu yang bergerak agar selalu dapat diikuti pergerakannya secara otomatis.

II. LANDASAN TEORIA. Computer VisionComputer Vision merupakan sebuah kecerdasan buatan yang mengekstraksi informasi dari gambar. Gambar tersebut dapat berasal dari video, gabungan data dari multiple kamera ataupun hasil scan. Dalam sebuah proses computer vision terjadi transformasi data gambar bergerak maupun gambar tidak bergerak kedalam sebuah representasi yang baru. Representasi baru tersebut didapat melalui suatu pengolahan dengan sebuah metoda pengolahan citra. Data yang baru tersebut dapat berupa gambar yang telah menjadi grayscale atau menghilangkan noise kamera pada output video.

Gambar 1.

Representasi data pengolahan citra.

B. Mean ShiftMean shift merupakan algoritma yang kokoh dalam menentukan area yang memiliki distribusi data yang terbesar dari keseluruhan kumpulan data. Algoritma ini sangat cocok diterapkan untuk distribusi data yang kontinyu dan cenderung berubah-ubah nilainya. Algoritma mean shift kokoh karena tidak terpengaruh oleh data sheet yang ada di luar operasinya atau dengan kata lain, mean shift mengabaikan set data yang nilainya jauh dari nilai maksimum yang ditetapkan. Area perhitungan dari mean shift akan terus bergerak mengikuti gradien distribusi data sehingga dapat dikatakan bahwa algoritma ini bekerja berdasarkan perhitungan gradien dari distribusi data. Apabila gradien telah bernilai 0 maka area perhitungan akan berhenti yang

Lettu Lek Ardimas Wimbo Wasisto, S.T. I Gde Permana, S.T. menandakan bahwa puncak dari distribusi data telah ditemukan dan ditandai dengan koordinat (Xc,Yc) yang menjadi pusat massa dari area tadi. 90

Gambar 2.

Ilustrasi pergerakan hasil algoritma mean shift.

Karena akses yang mudah dan kekokohan terhadap gangguan luar, mean shift dapat dikembangkan menjadi algoritma untuk deteksi gerakan dengan membuat area yang dapat beradaptasi terhadap gerak benda. Algoritma ini dikenal dengan nama cam shift atau adaptive mean shift.

C. PIC-SERVO SCSistem pengendali motor PIC-SERVO SC buatan JRKerr Automation Engineering adalah sistem pengendali yang terdiri dari dua bagian utama, yaitu Integrated Circuit (IC) microcontroller pengendali motor Direct Current (DC) dan rangkaian pengendali motor (motor control board) yang memiliki fitur-fitur sebagai berikut: 1. Pengendali servo untuk motor DC baik jenis brushed maupun brushless dengan umpan balik incremental encoder. 2. Antarmuka komunikasi serial yang dapat dihubungan dengan port komunikasi berstandar RS-232, RS-422, maupun RS-485. 3. Dukungan firmware untuk jaringan pengendali berbasis standar komunikasi RS-485 pada aplikasi sistem pengendali motor multi-axis. 4. Mode kendali posisi, kecepatan, trapezoidal profiling, serta step & direction inputs. 5. Mode Path Control untuk dukungan pada Computer Numerical Control (CNC). 6. Control Filter ProportionalIntegralDerivative (PID) yang dapat diprogram, termasuk opsi pembatas arus, output, dan error. 7. Umpan balik dengan representasi posisi, kecepatan, dan akselerasi dengan bilangan 32-bit, serta konstanta penguatan PID dengan bilangan 16-bit. 8. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory (EEPROM) memungkinkan konfigurasi start-up stand-alone secara otomatis pada mode Step and Direction. 9. Solusi chip tunggal berbasis microcontroller PIC-18F2331.

Implementasi Motor DC Dengan Pengendali PID Sebagai Aktuator Sistem Penjejak Obyek Berbasis Warna

91

Gambar 3.

Rangkaian PIC-Servo SC.

D. Pengendali PID metode Ziegler-NicholsBerbagai metode pengendali telah dikembangkan sesuai dengan kebutuhan, salah satunya adalah dengan menerapkan metode pengendali PID. Pengendali PID telah banyak digunakan dalam berbagai bidang terutama bidang industri yang telah dikembangkan secara digital melalui microprocessor maupun microcontroller. Persamaan umum pengendali PID diperlihatkan pada Persamaan (1).

Gambar 4.

Blok diagram pengendali PID.

1 U (s) = K p E ( s) + E ( s ) + Td sE ( s ) Ti s K U ( s ) = K p E ( s ) + i E ( s ) + K d sE ( s ) s

(1)

Lettu Lek Ardimas Wimbo Wasisto, S.T. I Gde Permana, S.T. dengan u(t) adalah sinyal kendali, K adalah penguatan, e(t) adalah sinyal error yang diperoleh dari selisih antara nilai sinyal output y(t) sinyal setpoint x(t). Parameter utama dari pengendali PID adalah penguatan proporsional Kp, waktu integral Ti, dan waktu derivatif Td. Pada domain s terdapat nilai koefisien redaman dan frekuensi alami n yang menentukan karakteristik sistem yang dikendalikan. Sinyal pengendali PID merupakan penjumlahan dari pengolahan ketiganya yaitu Proporsional (sebanding dengan perubahan error), Integral (sebanding dengan integral/penjumlahan error), dan Derivatif/Turunan (sebanding dengan kecepatan perubahan error). 92 Metode penalaan PID Ziegler-Nichols dapat dilakukan berdasarkan model sistem, yaitu model sistem loop tertutup dan model loop terbuka. Model yang akan digunakan pada PIC-SERVO SC adalah model sistem loop tertutup yang dilakukan dengan cara menambahkan aksi proporsional Kp hingga diperoleh periode osilasi Pcr yang tetap, nilai Kp tersebut sebagai nilai konstanta pada saat memperoleh Pcr, lalu ditentukan nilai konstanta Ti dan Td.TABLE I KONSTANTA PENGENDALI PID METODE ZIEGLER-NICHOLS Tipe Kendali Kp Ti Td P PI PID 0 0

III. PERANCANGANSistem penjejak obyek berbasis obyek yang memiliki dua komponen utama yaitu sistem sensor penjejak obyek berbasis warna dan sistem pengendali motor DC berbasis PID sebagai aktuator sistem penjejak obyek berbasis warna. Sistem sensor penjejak obyek berbasis warna berfungsi sebagai pengolah data visual warna obyek yang ditentukan sebagai sasaran dengan menghasilkan Range of Image (ROI) sebagai penanda posisi benda terhadap kamera sebagai sensor. Kamera yang digunakan dalam percobaan adalah kamera webcam dengan kecepatan penangkapan gambar optimal 10 frame per second (fps).

Gambar 5.

Diagram blok kinerja sistem penjejak obyek berbasis warna.

Implementasi Motor DC Dengan Pengendali PID Sebagai Aktuator Sistem Penjejak Obyek Berbasis Warna

93

Gambar 6.

Pembentukan ROI sasaran berbasis warna.

Algoritma sensor penjejak warna dengan metode cam shift diimplementasikan dengan software Open CV yang diintegrasikan pada software Microsoft Visual Studio 2008 dengan menggunakan sistem operasi Windows XP Service Pack 3. Sistem pengendali motor DC berfungsi sebagai penggerak sistem terintegrasi yang bekerja berdasarkan masukan posisi relatif obyek terhadap titik pusat kamera. Persamaan umum pengendali PID dikonversi ke dalam bentuk diskrit agar dapat diolah ke dalam algoritma pemrograman yang diimplementasikan pada PICSERVO SC yang terhubung melalui koneksi serial RS-485 yang dikonversi menggunakan rangkaian khusus menjadi koneksi serial RS-232. Konversi persamaan pengendali PID berdasarkan Persamaan (1) ke pengendali PID analog (domain waktu) diperoleh Persamaan (2). Dengan melakukan perkalian tiap elemen maka persamaan menjadi Persamaan (3).

1 u(t ) = K e ( t ) + Ti

e ( ) d + T0

t

d

de ( t ) dt

(2)

(3)

94

Lettu Lek Ardimas Wimbo Wasisto, S.T. I Gde Permana, S.T.

u(t ) = Ke ( t ) +

de ( t ) K t 0 e ( ) d + KTd dt Ti

Gambar 7.

Algoritma sensor penjejak obyek berbasis warna.

Ekivalensi persamaan integral dalam domain diskritnya diperlihatkan pada Persamaan (4) sehingga implementasi algoritma persamaan pengendali PID pada Persamaan (5).

u (n ) = Ke(n ) +

KTs Ti

e(n ) e(n 1) e(i ) + KT Tt i =0 d s

(4)

Output=K p posserror - K d (posserror - prev_ posserror) + K i integralerror

(5)

Algoritma sistem pengendali motor DC diimplementasikan dengan menggunakan bahasa C melalui software Microsoft Visual Studio 2008.

Implementasi Motor DC Dengan Pengendali PID Sebagai Aktuator Sistem Penjejak Obyek Berbasis Warna

95

Gambar 8.

Algoritma sistem penjejak obyek berbasis warna.

Percobaan dilakukan dengan mencari perbandingan ROI (320x240) piksel dari kamera dengan jarak maksimal 90 cm, kemudian mengkonversi lebar visual yang ditangkap dalam bentuk nilai sudut. Untuk memperoleh nilai sudut, maka ROI dibagi menjadi dua bagian yang masing-masing lebarnya 160 pixel untuk sisi kiri dan kanan, seperti pada Gambar 6. Berdasarkan hasil pengukuran diperoleh nilai perbandingan 160 pixel = 27 cm, dengan jarak kamera ke objek 90cm, sehingga pada jarak tersebut dapat diukur nilai sudutnya sebesar:

27 tan -1 = 16 , 69 0 17 0 90 sehingga pada jarak tersebut motor akan bergerak maksimal sebanyak 257 x 17 = 4.369 encoder dari lebar ROI kamera dan diperlukan sebuah rasio konstanta yang mengkonversi nilai error kamera menjadi nilai encoder sebesar:

96

Lettu Lek Ardimas Wimbo Wasisto, S.T. I Gde Permana, S.T.

4.369 encoder konstanta posisi= = 27 , 3 27 encoder / piksel 160 piksel sehingga algoritma posisi sebagai referensi perintah gerak posisi motornya adalah: Perintah_posisi = perintah_posisi (konstanta x error_posisi_sensor) (6)

Pengujian sistem terintegrasi dilakukan dengan cara menguji respon sistem dalam menangkap obyek dengan posisi statis pada posisi sudut 50, 100, 150 terhadap posisi sumbu sensor penjejak. Sebagai ketentuan, posisi sudut di sebelah kiri sumbu sensor bernilai negative sedangkan posisi sudut di sebelah kanan sensor bernilai positif.

IV. ANALISABerdasarkan hasil percobaan pengendalian motor DC, diperoleh nilai pulsa posisi servo untuk satu kali putaran penuh sebesar 92.500, sehingga jumlah pulsa yang dibutuhkan untuk bergerak sejuah 10 adalah: 92.500 pulsa 10 = = 256 , 944 0 360

pulsa/derajat 257 pulsa / derajat Penalaan konstanta PID dilakukan dengan metode Ziegler-Nichols berdasarkan model sistem tertutup dan diperoleh data yang diperlihatkan pada Tabel II. Setelah diterapkan konstanta hasil perhitungan metode Ziegler-Nichols diperoleh perbaikan sistem yang cukup baik sebagaimana diperlihatkan pada Gambar 10.TABLE II PARAMETER RESPON TRANSIEN MOTOR DC Parameter Nilai Kc = 0,6 Kp 2600 Ti = 0,5Pcr 0,02 detik 0,025 detik Td = 0.125Pcr Ki = KcTs/Ti 65,28 65 Kd = KcTd/Ts 11.425,78 11426 Rise time 0,043 detik Settling time 0,043 detik Overshoot 9,2 % Steady state error 0%

Implementasi Motor DC Dengan Pengendali PID Sebagai Aktuator Sistem Penjejak Obyek Berbasis Warna

97

Gambar 9.

Respon transien penambahan Kp = 2.600 untuk mendapatkan periode osilasi.

Gambar 10. Respon transien implementasi pengendali PID Ziegler-Nichols.

Lettu Lek Ardimas Wimbo Wasisto, S.T. I Gde Permana, S.T. Pada pelaksanaan pengujian terdapat kendala dalam penangkapan obyek berupa kegagalan ROI dalam mempertahankan obyek yang ditentukan. Hal ini disebabkan karena intensitas cahaya yang kurang dan tidak merata pada daerah percobaan sehingga sensor mengalami kesulitan dalam mendefinisikan warna. Ketika motor sudah dikirimi paket perintah untuk bergerak, sensor masih berusaha menerjemahkan warna sehingga akibatnya ROI yang terbentuk tidak dapat menemukan obyek yang diinginkan. Dengan demikian permasalahan yang ditemukan adalah kecepatan sensor menangkap obyek jauh lebih kecil daripada kecepatan host dalam mengirimkan paket perintah kepada pengendali sensor, dan aktuator tidak tersinkronisasi dengan baik. 98TABLE III HASIL PENERAPAN KONSTANTA POSISI TERHADAP MASUKAN POSISI Posisi (derajat) Konstanta 5 10 15 27 Tidak ada overshoot overshoot overshoot 20 Tidak ada overshoot cenderung overshoot overshoot 10 Tidak ada overshoot Tidak ada overshoot Tidak ada overshoot

Untuk mengatasi kendala tersebut dilakukan penurunan konstanta posisi dengan cara memperkecil konstanta posisi melalui percobaan. Selanjutnya dilakukan pengujian sistem terintegrasi dengan meletakkan obyek dengan deviasi sudut 50, 100, 150 terhadap titik pusat sensor, diperoleh fungsi perubahan posisi terhadap waktu yang diperlihatkan pada Gambar 11, Gambar 12, dan Gambar 13.

Gambar 11. Respon transien implementasi pengendali PID Ziegler-Nichols.

Implementasi Motor DC Dengan Pengendali PID Sebagai Aktuator Sistem Penjejak Obyek Berbasis Warna

99

Gambar 12. Respon transien implementasi pengendali PID Ziegler-Nichols.

Gambar 13. Respon transien implementasi pengendali PID Ziegler-Nichols.

V. KESIMPULANBerdasarkan hasil analisa percobaan perancangan sistem penjejak obyek berbasis warna dapat diambil kesimpulan sebagai berikut: 1. Performa sensor penjejak obyek berbasis warna menggunankan metode cam shift bergantung pada kecepatan pengambilan gambar, warna benda, serta intensitas cahaya yang diterima oleh sensor.

100

Lettu Lek Ardimas Wimbo Wasisto, S.T. I Gde Permana, S.T. 2. Hasil integrasi sistem penjejak obyek berbasis warna dengan sistem aktuator menghasilkan konstanta posisi yang mengubah nilai piksel dari pengolahan citra menjadi nilai sudut pada pergerakan motor DC. 3. Perbedaan kecepatan pemrosesan pengolaan citra sensor penjejak obyek dengan komunikasi data antara komputer dengan PIC-SERVO SC mempengaruhi kestabilan penjejakan obyek berbasis warna. Hal ini dapat diatasi dengan memperkecil nilai konstanta normalisasi posisi.

DAFTAR PUSTAKA[1] Y. Bai, The Windows Serial Port Programming Handbook, Auerbach Publication, 2005 [2] M.L. Barrett dan C.H. Wagner, C and Unix, John Wiley & Sons, Canada, 1996 [3] G. R. Bradski, Computer Vision Face Tracking for Use in Perceptual User Interface, Intel Technology Journal, [4] [5] [6] [7] [8] [9]1998 R. Condit, Brushed DC Motor Fundamentals, Microchip Technology Inc, USA, 2004 A.E. Fitzgerald, C. Kingsley, dan S.D. Umans, Electric Machinery 6th Edition, McGraw-Hill, Cambridge, 2002 J. Kerr, PIC-SERVO SC, JR Kerr Automation Engineering J. Kerr, Z232-485 Serial Port Converter, JR Kerr Automation Engineering B. Raharjo dan I M. Joni, Pemrograman C dan Implementasinya Edisi Kedua, Informatika, Bandung, 2008 K. Ogata, Modern Control Engineering 3rd Edition, Prentice-Hall Inc., London, UK, 1997

Lettu Lek Ardhimas Wimbo Wasisto, S.T., lulus dari Akademi Angkatan Udara pada tahun 2005. Memperoleh gelar sarjana teknik di bidang elektronika dari Institut Teknologi Bandung pada tahun 2011.