1.1 3.2 Perancangan ROV secara keseluruhan Dari gambar

1.1    
Diagram Alir Perencanaan

Pada bagian ini akan dijelaskan tahap perancangan underwater
remotely operated vehicle. Dalam perancangan ROV dibagi menjadi 3 tahap, yaitu
perancangan mekanik, perancangan elektronik, dan perancangan perangkat lunak
Hal yang pertama dilakukan ialah perancangan mekanik. Rancangan mekanik dimulai
dengan rancangan body utama yaitu
sebuah tabung akrilik dengan diameter 10-centimeter dan panjang 25-centimeter
dengan ketebalan akrilik sebesar 5-milimeter. Bodi utama robot lalu dijepit
dengan rancangan hasil printer 3 dimensi. Pada bagian kerangka ditambahkan pipa
kecil berukuran 1/2 inchi dan aluminium sebagai tulang penyangga robot. Sensor
pH ditaruh dibagian luar belakang robot untuk mengambil data nilai pH di
perairan tertentu.

We Will Write a Custom Essay Specifically
For You For Only $13.90/page!


order now

Ketika ROV telah selesai dirancang, ROV ditugaskan bekerja di
bawah perairan, semisal danau. Berikut ilustrasi integrasi
antar sistem perancangan kerja underwater ROV dalam pengerjaan Tugas Akhir ini.

 

Gambar 3.1 Integrasi antar sistem

 

Pada gambar di 3.1. terlihat bagaimana ilustrasi
perancangan sistem robot ROV yang diharapkan pada pengerjaan Tugas Akhir ini.
Secara umum sistemnya dibagi menjadi 2 bagian, yaitu bagian user dan bafian
robot. Pada bagian user, terdapat seorang user (atau pengguna) dan sebuah
kontroller yang mengendalikan robot dari permukaan. Pada bagian robot, terdapat
body utama dimana semua komponen
elektronik berada. Di dalam body
utama terdapat arduino mega, sensor mpu6050, motor driver, dan rangkaian buck.
Ada bebereapa komponen elektronik yang diharuskan berada di dalam air, seperti
motor DC, sensor tekanan ms5803, dan sensor pH. Secara keseluruhan, tampak rancangan ROV pada Tugas Akhir ini
dapat ditunjukkan oleh gambar berikut.

 

Gambar 3.2 Perancangan ROV secara
keseluruhan

 

Dari gambar perancangan ROV secara keseluruhan, berikut keterangan
gambar perancangan tersebut.

1.   Arduino Mega 2560

2.   Semsor IMU MPU6050

3.   Motor Driver VNH2SP30

4.   Sensor pH

5.   Sensor tekanan MS5803

6.   Kabel (tethering)

M1-M6 Motor DC

Sistem yang diajukan pada pengerjaan Tugas Akhir ini menggunakan mikrokontroler
tipe Arduino Mega 2560 CH340 sebagai otak utama dalam proses pengolahan data
dan eksekusi perintah. Ketika bekerja dalam sistem ROV pada tugas akhir ini,
arduino mega juga memiliki tanggung jawab untuk mengatur pergerakan ROV keatas,
kebawah, kedepan, dan ke belakang dengan kontrol PID. Untuk kondisi bergerak
naik dan turun, diberikan nilai setpoint 0 untuk posisi x dan z. Setelah itu,
nilai setpoint akan diubah, ditambah dan dikurangi berdadarkan nilai feedback
dari sensor MPU6050 dan MS5803. Berikut spesifikasi perancangan robot ROV yang diharapkan.

Tabel
3.1 Spesifikasi Robot

Spesifikasi

Data

Dimensi
Robot

30 x 28 x 25

Jumlah
Motor

6 buah

Input
Tegangan

12 Volt

Jarak
Kendali

0 – 8 meter

Kedalaman
Maksimum

14
meter

Berat

4 kg

Pembacaan pH

0-14

Durasi Pemakaian

15 menit

 

Sistem
keseluruhan ROV digerakkan oleh 6 buah motor DC yang diatur dan diberi perintah
oleh masing-masing sebuah motor driver vnh2sp30. Empat buah motor digunakan
untuk bergerak secara vertikal naik dan turun dan 2 buah motor digunakan untuk
pergerakan maju dan mundur. Gambar diagram blok sistem kontrol PID dalam
perancangan underwater ROV pada Tugas Akhir ini sebagai berikut.

Gambar 3.3 Diagram blok perancangan
sistem kontrol ROV

Secara keseluruhan proses pembuatan dan penyelesaian Tugas Akhir
ini digambarkan dalam diagram alir di bawah ini.

Gambar 3.4 Diagram alir perencanaan

 

1.2    
Penjelasan
Diagram Alir

Proses penyelesaian
Tugas Akhir ini melalui beberapa tahap, sebagai
berikut :

1.2.1         
Studi literatur

Pada studi literatur meliputi pencarian
dan mempelajari bahan pustaka yang berkaitan dengan segala perkembangan robot
ROV, permasalahan mengenai perancangan dan pengetahuan mengenai komponen-komponen
yang digunakan. Literatur ini diperoleh dari berbagai sumber antara lain buku /
text book, diktat yang mengacu pada referensi, jurnal ilmiah, Tugas Akhir yang
berkaitan, dan media
internet.

 

1.2.2         
Perancangan desain robot

Pada tahap ini dilakukan perancangan desain
robot secara keseluruhan yang nantinya akan mempermudah dalam melakukan tahap selanjutnya.

 

1.2.3         
Perancangan mekanik dan sistem kontrol

Pada tahap ini
dilakukan perancangan sistem kontrol yang meliputi pemrograman pada Arduino sedangkan
perancangan mekanik yakni memilih komponen-komponen yang akan digunakan dalam
pembuatan dan perakitan robot.

a.         
Perancangan mekanik

Pada perancangan mekanik dilakukan
pemilihan komponen-komponen berikut spesifikasi yang nantinya digunakan untuk
pembuatan dan perakitan robot.

b.        
Perancangan sistem kontrol

Pada perancangan sistem kontrol, sistem motor
dimodelkan berdasarkan kesetimbangan torsi dan rangkaian listrik pada jangkar.
Kemudian dirancang pemodelan PID yang diharapkan akan didapat respon cepat dan
tanpa overshoot dan dirangkai menjadi
sistem kontrol tertutup dengan sistem motor.

 

1.2.4         
Pembuatan dan perakitan robot

               Pada
tahap ini dilakukan pembuatan dan perakitan robot dimana hasil pemrograman dari
perancangan elektrik diintegrasikan dengan komponen-komponen mekanik yang telah
dipilih sesuai dengan perancangan yang dibuat.

 

1.2.5         
Pengujian robot ROV

               Kemudian dilakukan pengujian robot dimana
hasil dari pengujian ini akan dianalisa. Pengujian robot dilakukan pada perairan.

1.2.6         
Pembuatan laporan

                Pada tahap terakhir ini dilakukan
pembuatan laporan yang berkaitan dengan hasil pengujian dan analisa robot.
Setelah laporan selesai dibuat maka selanjutnya adalah menarik kesimpulan
sebagai hasil.

 

1.3     Perancangan Robot ROV

Perancangan mekanik untuk Underwater
Remotely Operated Vehicle merupakan hal yang banyak tantangan, mulai dari
gambaran awal ROV bentuknya kotak atau bentuk lainnya, material yang digunakan
untuk body utama dan kerangka tulang,
bagaimana body utama tempat komponen
berada tidak bocor, desain body agar
seimbang dan lainnya. Dalam perancangan mekanik ini juga dibahas tentang perancangan sistem elektronik dari robot ROV.

 

1.3.1         
Rancangan Desain Robot

Rancangan awal robot didesain dengan software freecad dan tabung
akrilik sebagai bahan utama bodi robot. Tabung akrilik mmpunyai diameter 10 cm,
ketebalan 5mm dan panjang 25 cm. Hasil rancangan dari software freecad lalu
dicetak menggunakan printer 3 dimensi. Dalam rancangan ini pun digunakan
aluminimum berukuran 2×1 cm dan pipa berukuran ½ inchi sebagai kerangka tulang
robot. Dibagian bawah robot diberi sepasang pipa dengan diameter 1½ inci
sebagai kaki dan pemberat robot. Berikut desain robot dari software freecad.

 

Gambar 3.5 Desain robot tampak depan

 

Gambar 3.6 Desain robot tampak isometri

 

Dalam pergerakannya, robot menggunakan 6 buah motor untuk
bergerak di dalam air, 4 buah motor untuk bergerak secara vertikal dan 2 buah
motor untuk bergerak secara horizontal. Motor 1 bagian horizontal kanan, motor
2 berada di horizontal kiri, motor 3 ditaruh di depan bagian kanan, motor 4
berada di bagian depan kiri, motor 5 bagian belakang kanan, dan motor 6 berada
di bagian belakang kiri. Berikut gambar rancangan peletakan motor pada UROV.

 

Gambar 3.7 Perancangan peletakan
motor robot

 

Untuk perancangan
mekanik, robot ROV diawali dengan sebuah pipa/tabung akrilik dengan ukuran
diameter 100 milimeter dan panjang 350 milimeter dengan ketebalan tabung 5
milimeter. Tabung akrilik yang digunakan memiliki warna bening atau tidak
berwarna. Tabung akrilik ini berfungsi sebagai badan utama dalam robot, tempat
dimana komponen elektronik robot diletakkan. Warna bening pada tabung akrilik
akan membantu pengguna untuk menmantau keadaan komponen ketika berada di dalam
tabung. Dari dimensi tabung, volume tabung dapat dihitung sebagai berikut.

V =

r = 50 mm

t = 250 mm

 

sehingga didapatkan besar volume tabung ialah :

v = 1011271.24297mm3

 

dibulatkan menjadi :

v = 101 cm3

Gambar 3.8 Ilustrasi tabung akrilik

 

Selanjutnya, dalam
perancangan mekanik ialah perancangan tutup depan, tutup belakang, dan dome
ROV. Semua rancangan dibuat sedemikian rupa sehingga tidak ada celah masuknya
air ketika tutup rov ditutup. Untk itu, tutup ROV dirancang dengan bahan
akrilik dengan beberapa lapisan. Diantara lapisan-lapisan piring akrilik diberi
karet o-ring yang berfungsi untuk menahan masuknya air dengan sifat adesif
karet.

 

Gambar 3.9 Perancangan tutup tabung

 

Gambar 3.10 Perancangan tutup tabung
akrilik

 

Tutup tabung
akrilik dirancang ke dalam 3 bagian. Bagian pertama dan bagian kedua serupa,
yaitu 2 buah piringan akrilik berukuran diameter 83,7mm dan 89,7mm. Ada 6mm selisih
diameter antar 2 piring akrilik digunakan sebagai tempat karet oring dengan
ketebalan 3mm. Bagian ketika merupakan bagian terluar dari tutup, dirancang
menggunakan piring akrilik dengan diameter lebih besar yaitu 120mm dan
ketebalan 5mm. Bagian terluar tutup ini berfungsi sebagai bagian untuk
mempermudah membuka dan menutup tutup tabung akrilik. Semua bagian tutup
akrilik disambungkan menggunakan lem jenis G. Antara lapisan 1 dan 2, dan
lapisan 2 dan 3 ditaruh karet oring.

Untuk memepermudah
tutup tabung masuk muat ke dalam tabung akrilik ketika proses penutupan tabung,
digunakan liquid seperti stampede (grease). Grease merupakan cairan kental
sejenis lubricant yang biasa digunakan dalam permesinan dalam kendaraan
bermotor. Stampede (bahasa pasar) bersifat licin sehingga dapat memudahkan
tutup tabung masuk tertutup ke dalam tabung dengan sempurna.

Dalam perancangan
dome ROV, digunakan acrylic ball dengan diameter 12-centimeter. Acrylic ball
yang digunakan hanya setengah bagian, sedangkan bagian setengahnya lagi dapat
disimpan. Setengah bola acrylic ball lalu di tempelkan dengan akrilik tutup.
Dome berfungsi sebagai housing bagi kamera jika ROV yang digunakan menggunakan
kamera.

Gambar 3.11 Perancangan dome

 

Dalam perancangan
awal, ada tambahan perancangan yaitu perancangan pemberat. Perancangan pemberat
ini dibutuhkan jika rancangan robot yang telah dibuat belum memiliki berat yang
seimbang antara bagian depan dan belakang, dan bagian kanan dan kiri. Pemberat
ini dirancang dengan menggunakan pipa berukuran 2 inchi dan panjang 10
centimeter. Pipa pemberat ini lalu diisi dengan paku masing-masing dengan berat
500 gram. Berat pipa pemberat dapat berubah-ubah sesuai dengan kebutuhan.

 

1.3.2         
Persamaan Gaya Apung Robot

Gaya apung merupakan lawan dari gaya berat ke dalam sebuah benda
ketika berada dalam air. Gaya apung ini dicatat sejarah dikenal pertama kali
oleh orang Yunani bernama Archimedes. Ketika benda masuk kedalam air, benda
mendorong air keatas dan air juga mendorong benda ke atas. Maka terbentuklah 2
gaya berlawanan. Besar gaya apung dapat dihitung dengan menggunakan rumus
sebagai berikut.

 

                                                (3.1)

                                     (3.2)

 

Dimana

 adalah besar gaya apung,

 adalah massa zat cair ke benda,

 adalah gaya gravitasi bumi,

 adalah massa jenis zat cair dan

 adalah volume benda yang tercelup dalam zat
cair.

Dari hukum archimedes, dapat ditentukan besarnya
gaya apung robot. Dikarenakan adanya gaya apung, berat benda dalam zat cair
akan berkurang. Hal ini dapat terlihat ketika mengangkat benda yang berada di
dalam zat cair terasa lebih ringan dibandingkan ketika mengangkat benda yang
sama ketika berada di daratan. Hal ini sesuai denga prinsip hukum archimedes dimana ketika suatu benda berada di dalam air, akan ada gaya ke atas
yang ditimbulkan oleh air dan diterima oleh benda. Sehingga resultan gaya
(hasil gaya akhir) antara gaya berat dan gaya apung benda ke atas merupakan
berat benda di dalam air. Benda di dalam air diberi simbol Wa. Hubungan antara
berat benda di udara (W), gaya apung ke atas (Fa), dan berat semu dapat
dirumuskan sebagai berikut.

 

                                             (3.3)

 

Dimana, Wa adalah berat benda dalam zat cair, W sebesar
45 gram cm/s2 dan Fa sebesar gaya apung dengan satuan Newton.

Gaya apung diasumsikan sebagai gaya angkat yang
diberikan oleh tabung akrilik berisi udara. Dengan volume udara yang sama denga
volume tabung yaitu sebesar 101 cm3, dan gaya apung udara pada
tabung dapat dihitung sebagai berikut.

 

                                      (3.4)

 

Untuk mendapatkan kalkulasi keseimbangan pada
robot, makan dapat dihitung menggunakan ekspresi matematika sebagai berikut.

 

                         (3.5)

 

Dimana,

 sebesar 0.0012 g/

 (

),

 sebesar 1 g/

 (

),

 sebesar 1.031
g/

 (

), Vb sebesar 101 cm3 dan 980 cm/

, sehingga didapatkan nilai gaya apung (Fa) sebesar
9,8 Newton.

 

1.3.3         
Model Matematik Pergerakan Quadrotor Robot

Robot dirancang dengan model quadrotor artinya pergerakan robot
dan kesinmbangannya dibantu oleh pergerakan 4 buah motor. Perancangan robot
dengan 4 buah motor juga membantu robot untuk bergerak lebih leluasa dan dapat
menyeimbangkan bodinya dengan lebih baik.

Setiap motor pada pergerakan gerak pitch dan roll memiliki
momen gaya, momen inersia, dan percepatan sudut. Momen gaya (

) ialah sebuah
besaran dalam menyatakan besarnya gaya yang bekerja pada sebuah benda sehingga
mengakibatkan benda tersebut bergerak rotasi, sedangkan momen inersia ialah
ukuran kelembaman suatu benda untuk berotasi terhadap porosnya sedangkan
percepatan sudut (

) adalah laju
perubahan kecepatan sudut terhadap waktu.

Momen gaya dapat dirumuskan sebagai berikut.

 

                                           (3.6)

 

Dimana

 adalah momen
gaya,

 adalah gaya
yang bekerja,

 adalah
jari-jari dan

 adalah sudut
antara

 dan

.

Sedangkan momen
inersia dapat dihitung menggunakan rumus sebagai berikut.

 

 

                                                              (3.7)

 

Dimana

 adalah momen
inersia,

 adalah momen
gaya dan

 adalah
percepatan sudut.

Gambar 3.12 Model matematik quadrotor

 

Berdasarkan Gambar 3.13 maka momen gaya yang bekerja dapat dibagi
menjadi 2 yaitu pada sumbu x dan sumbu y.

Gambar 3.13 Model matematis rotasi
terhadap sumbu x

 

Sedangkan rotasi terhadap sumbu x dapat dimodelkan dengan rumus sebagai
berikut.

 

                                                      (3.8)

             (3.9)

                                             (3.10)

 

Model matematik rotasi terhadap sumbu x diatas artinyaa model
matematis pergerakan robot untuk jenis gerak roll. Ketika ? bernilai positif
maka robot bagian samping kanan akan lebih rendah daripada bagian kiri
sebaliknya jika ketika ? bernilai negatif maka robot bagian kiri akan lebih
rendah daripada robot bagian kanan.

 

Gambar 3.14 Model matematis rotasi
terhadap sumbu y

 

                Rotasi terhadap sumbu y dapat dimodelkan
dengan rumus sebagai berikut.

 

                                                    (3.11)

           (3.12)

                                             (3.13)

 

Model matematik rotasi terhadap sumbu y
artinya model matematis pergerakan robot untuk sumbu pitch. Ketika

 bernilai positif maka robot bagian depan
akan lebih rendah daripada bagian belakang sebaliknya jika ketika

 bernilai negatif maka robot bagian belakang
akan lebih rendah daripada robot bagian depan robot.   

 

1.3.4         
Driver Motor

Dalam pengerjaan Tugas Akhir ini, driver motor yang digunakan
ialah driver motor modulan tipe VNH2SP30. Pemilihan motor driver ini ialah
sebab penggunaanya yang cukup mudah, arus yang yang dapat dilewati motor driver
cukup besar.

Ada 7 pin dalam IC motor driver ini, yaitu VCC, GND, EN, CS, INA,
INB, dan PWM. Pin CS tidak digunakan sebab pin CS untuk sensor arus (Current
Sensor) yang tidak digunakan dalam pengerjaan Tugas Akhir ini. PIN EN di
sambungkan dengan pin +5v agar tidak perlu di program di arduino IDE, dan
adanya efesiensi program. Berikut gambaran koneksi motor driver ke arduino
mega.

Gambar 3.15 Koneksi motor driver ke
arduino mega

 

Secara umum, semua driver motor menggunakan rangkaian
H-Bridge. H-bridge merupakan rangkaian yang cukup sederhana. Rangkaian H-Bridge
memiliki 4 buah switching elemen, dengan beban load berada di tengah, sehingga
berbentuk menyerupai huruf H.

 

Gambar 3.16 Rangkaian skematik motor
driver vnh2sp30

 

1.3.5         
Perancangan Sensor pH

Sensor pH yang digunakan merupakan hasil
modulan dari dfrobot. Sensor ini dibagi menjadi 2 bagian, yaitu sensor probe
dan modul PCB sensor. Sensor pH dari dfrobot ini sudah cukup gampang digunakan.
Ada 3 pin output yang tersedia, yaitu pin Vcc, ground, dan analog. Pin Vcc
dihubungkan dengan rangkaian buck yang telah di setting dengan tegangan +5,04 volt,
pin ground digabungkan dengan pin ground yang lainnya, dan pin analog
dihubungkan ke pin A0 pada arduino mega. Berikut gambar koneksi sensor dengan
arduino mega.

Gambar 3.17 Koneksi sensor pH ke arduino mega

 

Hasil data analog yang didapatkan oleh sensor pH sangat
bergantung kepada besarnya input tegangan ke sensor pH. Semakin dekat nilai
besar sumber tegangan dengan angka +5 volt, maka semakin presisi hasil bacaan
sensor. Untuk itu, supply tegangan untuk sensor pH diusahakan untuk mendekati
angka +5volt.

Dalam penggunaan sensor pH dari dfrobot, pengguna sangat
disarankan untuk menggunakan supply 5 volt independent. Artinya sumber daya
sensor pH dalam rancangan Tugas Akhir ini langsung dari batrai ke rangkaian
buck dan selanjutnya ke sensor pH, sumber daya bukan dari pin 5volt arduino
mega. Tegangan input ke sensor pH merupakan elemen terpenting dalam keakurasian
pembacaaan sensor, sebab sensor pH membaca data analog tegangan. Tegangan pin
5volt pada arduino acap kali tidak stabil disebabkan beberapa hal, diantaranya
banyak komponen lain yang juga terkoneksi dengan pin 5volt arduino dan ketika
berproses pin 5volt arduino sesekali terjadi drop tegangan. Drop tegangan dapat
menyebabkan pembacaan sensor yang kurang akurat. Berikut gambar rangkaian
skematik sensor pH dari dfrobot.

Gambar 3.18 Rangkaian skematik sensor
pH

 

1.4     Perancangan Perangkat Lunak

Setelah perancangan sistem mekanik dan
rangkaian elektronik, langkah selanjutnya ialah perancangan perangkat lunak.
Dalam perancangan perangkat lunak, ada akuisisi data sensor IMU dengan sensor
tipe MPU6050 GY-521, dan perancangan program gerak robot dengan kontrol PID
(Propotional, Integral, dan Derivative).

 

1.4.1         
Akuisisi data sensor IMU

Sensor IMU yang digunakan dalam Tugas Akhir ini ialah MPU6050
GY-521 (sensor accelerometer dan gyroscope) Sensor IMU menggunakan komunikasi
tipe i2c dengan address sensor 0x68 saat address device AD0 = 0. (Isfahan
University of Technology ROV team.2005)

Sensor IMU jika
digunakan harus dikalibrasi terlebih dahulu agar dapat berfungsi sesuai keinginan
pengguna. Ketika mengakuisisi data giroskop sering kali terdapat kesalahan
pembacaan nilai kemiringan, maka kalibrasi diperlukan sehingga nilai kemiringan
akan sesuai dengan nilai setup. Kalibrasi snsor dilakukan dengan cara
memberikan pengertian arah kepada sensor dan robot, termasuk di dalamnya arah
kanan-kiri, atas-bawah, dan miring. Hasil pembacaan arah ini lalu dimasukkan
data nya ke EEPROM (Electricaly Erasable Programmable Read-Only Memeory) pada
arduino mega.

Gambar 3.19 Flowchart kalibrasi arah
sensor MPU6050 GY-521

 

1.4.2         
Akuisisi data sensor IMU

Kontrol
PID dalam Tugas Akhir ini mempunyai keluaran sinyal PWM yang mengontrol jumlah
arus yang dihasilkan dari driver motor vnh2sp30 untuk menggerakkan motor dengan
kecepatan yang diinginkan. Untuk mengatur nilai PID, dilakukan dengan metode
tuning nilai Kp, Ki, dan Kd secara manual, nilai dari masing-masing koefesien
tersebut akan membuat respon motor cepat dan meminimunkan timnunlnya osilasi
sinyal (C. S. Chin, M. W.2005)

Implementasi
kontrol PID di dalam Tugas Akhir ini berada di Mikrokontroler Arduino Mega
2560. Algoritma yang digunakan untuk mengontrol kecepatan motor untuk bergerak
maju dan naik-turun berbeda. Perbedaannya pada tipe kontrol PID, dimana motor
untuk kanan-kiri dikontrol untuk differential sedangkan untuk atas bawah tidak.

Algoitma
dari kontrol PID yang dirancang untuk sistem ini meliputi pencarian nilai
sinyal error, dilanjutkan dengan pencarian integral error dan nilai derivative
error. Setelah ketiga nilai didapatkan, perumusan kontrol PID akan memperoleh
nilai keluaran PWM.

Secara
keseluruhan, flowchart perangkat lunak robot underwater ROV pada tugas akhir
ini dapat dilihat seperti berikut.

 

 

Gambar 3.20 Flowchart sensor IMU, kedalaman,
PID dan kontrol robot

 

Secara keseluruhan, berikut skematik
rangkaian dalam perancangan ROV pada Tugas Akhir ini.