# Robot Pendeteksi Halangan Berbasis Sensor Ultrasonic
## Nama Kelompok :
- Muhammad Rizal Fadhilah 1103213069
- Hendri Maulana Azwar 1103210202
- Irman Prayista 1103210094
- Faiz Hibatullah 1103210172
- Yozarino Hady 1103220189

## Daftar Isi

> [TOC]

> **[CLO 4]** Memiliki kemampuan untuk menganalisis sistem kendali loop tertutup pada kondisi transien dan steady state untuk melihat performansinya.
> **[CLO 5]** Memiliki kemampuan merancang sistem kendali motor DC.

## Pendahuluan :

Perkembangan pesat dalam bidang robotika otonom telah mendorong kebutuhan akan sistem navigasi yang andal dan adaptif. Kemampuan robot untuk beroperasi secara mandiri di lingkungan yang dinamis dan kompleks sangat bergantung pada kemampuannya dalam mendeteksi dan menghindari rintangan. Sensor ultrasonik telah menjadi salah satu teknologi utama dalam pengembangan sistem pendeteksi rintangan karena biaya yang relatif rendah, kemudahan implementasi, dan kinerja yang memadai dalam berbagai kondisi lingkungan.

Dalam tugas besar ini, kami mengusulkan pengembangan sebuah robot pendeteksi rintangan berbasis sensor ultrasonik yang dilengkapi dengan algoritma kontrol canggih untuk meningkatkan akurasi dan keandalan sistem navigasi. Robot ini akan mampu beroperasi secara mandiri di lingkungan yang kompleks, menghindari tabrakan dengan rintangan, dan mencapai tujuan yang ditentukan. Penelitian ini diharapkan dapat memberikan kontribusi signifikan dalam pengembangan teknologi robotika otonom dan aplikasinya di berbagai bidang.

Dalam konteks pembelajaran di program studi s1 Teknik Komputer, khususnya pada mata kuliah sistem kendali mekanika, pengembangan alat pendeteksi halangan sederhana menjadi proyek yang relevan dan menantang. Proyek ini memberikan kesempatan bagi Kelompok 8 untuk menerapkan pengetahuan teoritis yang telah dipelajari mengenai sistem kendali, motor DC, sensor, dan mikrokontroler ke dalam sebuah produk nyata.

Selain itu, proyek ini juga sejalan dengan Capaian Pembelajaran Lulusan (CLO) 4 dan CLO 5 yang ingin dicapai. CLO 4 menekankan kemampuan mahasiswa dalam menganalisis performa sistem kendali loop tertutup, sementara CLO 5 berfokus pada kemampuan merancang sistem kendali motor DC. Dengan mengembangkan alat pendeteksi halangan berbasis ultrasonik, Kelompok 8 dapat mengaplikasikan konsep-konsep tersebut secara langsung dan memahami bagaimana sistem kendali bekerja dalam sebuah perangkat mekanis.

Proyek ini juga memberikan manfaat praktis bagi mahasiswa. Dengan merancang dan membangun alat pendeteksi halangan itu sendiri, Kelompok 8 dapat mengasah keterampilan teknis, pemecahan masalah, dan kreativitas. Selain itu, proyek ini juga dapat menjadi pengalaman berharga dalam bekerja secara tim dan mengelola proyek dari awal hingga akhir.

Dengan demikian, pengembangan alat pendeteksi halangan berbasis ultrasonik sebagai tugas besar dalam mata kuliah sistem kendali mekanika memiliki nilai akademis, praktis, dan relevansi dengan kebutuhan masyarakat akan solusi pembersihan yang lebih efisien dan terjangkau.

## Rancangan Sistem Kendali Loop Tertutup PID

!

1. Set Point: Ini adalah input yang kita berikan ke sistem, yang menentukan jarak ideal robot dari rintangan. Misalnya, kita bisa mengatur set point agar robot selalu menjaga jarak 20 cm dari objek di depannya.

2. Arduino Uno (Controller): Otak dari sistem ini. Arduino Uno menerima input set point dan input dari sensor ultrasonik. Kemudian, ia akan membandingkan kedua input ini untuk menghitung error (selisih antara jarak yang diinginkan dengan jarak aktual). Berdasarkan error ini, Arduino Uno akan menghitung sinyal kontrol yang sesuai untuk dikirim ke aktuator.

3. Sensor Ultrasonik: Sensor ini berfungsi sebagai mata robot. Ia akan mengukur jarak antara robot dengan objek di depannya, lalu mengirimkan informasi jarak ini ke Arduino Uno.

4. Dinamo (Aktuator): Dinamo adalah komponen yang akan menggerakkan roda robot. Dinamo akan menerima sinyal kontrol dari Arduino Uno dan mengubahnya menjadi gerakan maju atau mundur.

5. Servo: Servo mengendalikan arah belok robot. Servo juga menerima sinyal kontrol dari Arduino Uno untuk menentukan arah belok roda depan.

6. Process: Blok ini mewakili keseluruhan robot dan lingkungannya. Proses ini dipengaruhi oleh aktuator (dinamo dan servo) dan menghasilkan output berupa jarak robot dari rintangan. Output ini kemudian diukur oleh sensor ultrasonik dan dikirim kembali ke Arduino Uno sebagai umpan balik.

Cara Kerja Sistem:

1. Arduino Uno menerima input set point dan jarak aktual dari sensor ultrasonik.
2. Arduino Uno menghitung error (selisih antara set point dan jarak aktual).
3. Berdasarkan error, Arduino Uno menghitung sinyal kontrol yang sesuai.
4. Sinyal kontrol dikirim ke dinamo (untuk menggerakkan roda) dan servo (untuk mengendalikan arah belok).
5. Robot bergerak maju, mundur, atau belok sesuai dengan sinyal kontrol yang diterima.
6. Sensor ultrasonik terus mengukur jarak dan memberikan umpan balik ke Arduino Uno, sehingga proses ini berulang secara terus-menerus.

## Mekanik Motor DC/Aktuator

1. Teori Fungsi Transfer

Fungsi transfer adalah representasi matematis dari hubungan antara input dan output suatu sistem. Dalam konteks robot pendeteksi halangan, fungsi transfer dapat digunakan untuk menggambarkan bagaimana sinyal kontrol dari Arduino. Inputnya itu sinyal yang diterima dari sensor ultrasonic dan outputnya gerakan yang dilakukan motor pada roda.

2. Mekanisme Daya

Mekanisme daya pada alat pendeteksi hambatan melibatkan beberapa komponen utama:

Baterai Li-Ion: Menyediakan sumber energi listrik untuk seluruh sistem.
Arduino Uno dan Motor Shield: Arduino Uno berfungsi sebagai otak robot, menerima input dari sensor dan menghasilkan sinyal kontrol untuk motor. Motor Shield digunakan untuk menguatkan sinyal kontrol dari Arduino agar dapat menggerakkan motor DC.
Motor DC: Mengubah energi listrik menjadi energi mekanik untuk menggerakkan roda dan baling-baling penyedot.
Roda dan Gearbox: Roda mengubah putaran motor menjadi gerakan translasi robot. Gearbox digunakan untuk meningkatkan torsi dan mengurangi kecepatan putaran motor agar sesuai dengan kebutuhan pergerakan robot.

3. Bentuk Tipe Mekanik

Bentuk tipe mekanik yang digunakan pada pendeteksi benda ini adalah tipe diferensial. Artinya, robot menggunakan empat motor DC yang masing-masing menggerakkan satu roda secara independen. Dengan mengatur kecepatan putaran masing-masing motor, robot dapat bergerak maju, mundur, belok kiri, atau belok kanan.

Tipe diferensial memiliki beberapa keuntungan, antara lain:

Manuverabilitas: Robot dapat berputar di tempat dengan memutar kedua roda ke arah yang berlawanan. roda bisa berputar ke arah berlawanan (bergerak mundur).
Kesederhanaan: Desain mekanik relatif sederhana dan mudah diimplementasikan.
Kekuatan: Dapat mengatasi medan yang tidak rata dengan lebih baik dibandingkan tipe mekanik lainnya.
Namun, tipe diferensial juga memiliki beberapa kelemahan, seperti:

Kesulitan dalam bergerak lurus: Memerlukan kontrol yang presisi untuk memastikan kedua roda berputar dengan kecepatan yang sama agar robot dapat bergerak lurus.
Kurang efisien pada kecepatan tinggi: Pada kecepatan tinggi, robot cenderung mengalami slip dan kehilangan traksi.

## Analisis Transient Respon
Berikut merupakan source code program untuk robot

#include <AFMotor.h>  
#include <NewPing.h>
#include <Servo.h> 

#define TRIG_PIN A0 
#define ECHO_PIN A1 
#define MAX_DISTANCE 200 
#define MAX_SPEED 190 // sets speed of DC motors
#define MAX_SPEED_OFFSET 20

NewPing sonar(TRIG_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE); 

AF_DCMotor motor1(1, MOTOR12_1KHZ); 
AF_DCMotor motor2(2, MOTOR12_1KHZ);
AF_DCMotor motor3(3, MOTOR34_1KHZ);
AF_DCMotor motor4(4, MOTOR34_1KHZ);
Servo myservo;   

boolean goesForward = false;
int distance = 100;
int speedSet = 0;

float Kp = 2.5;  // Proportional gain
float Ki = 0.5;  // Integral gain
float Kd = 1.0;  // Derivative gain

float previousError = 0;
float integral = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);  // Initialize Serial communication
  myservo.attach(10);  
  myservo.write(90); 
  delay(2000);
  distance = readPing();
  delay(100);
  distance = readPing();
  delay(100);
  distance = readPing();
  delay(100);
  distance = readPing();
  delay(100);

  // Debug print to ensure setup is running
  Serial.println("Setup complete");

  // Print column headers for Serial Plotter
  Serial.println("Time (ms), Distance (cm), Error, PID Output");
}

void loop() {
  int distanceR = 0;
  int distanceL = 0;
  float correction = 0; // Declare correction here to be used later
  delay(40);

  distance = readPing();
  if (distance <= 25) {
    slowDown();
    moveStop();
    delay(100);
    moveBackward();
    delay(300);
    moveStop();
    delay(200);
    distanceR = lookRight();
    delay(200);
    distanceL = lookLeft();
    delay(200);

    float error = distanceR - distanceL;
    correction = PIDController(error);

    if (correction > 0) {
      turnRight(correction);
    } else {
      turnLeft(-correction);
    }
    moveStop();
  } else {
    moveForward();
  }
  distance = readPing();

  // Log data for Serial Plotter
  float error = distanceR - distanceL;
  float pidOutput = PIDController(error);
  Serial.print(millis());
  Serial.print(", ");
  Serial.print(distance);
  Serial.print(", ");
  Serial.print(error);
  Serial.print(", ");
  Serial.println(pidOutput);
}

float PIDController(float error) {
  integral += error;
  float derivative = error - previousError;
  float output = Kp * error + Ki * integral + Kd * derivative;
  previousError = error;
  return output;
}

int lookRight() {
  myservo.write(0); 
  delay(500);
  int distance = readPing();
  delay(100);
  myservo.write(90); 
  return distance;
}

int lookLeft() {
  myservo.write(170); 
  delay(500);
  int distance = readPing();
  delay(100);
  myservo.write(90); 
  return distance;
}

int readPing() { 
  delay(70);
  int cm = sonar.ping_cm();
  if (cm == 0) {
    cm = 250;
  }
  return cm;
}

void moveStop() {
  motor1.run(RELEASE); 
  motor2.run(RELEASE);
  motor3.run(RELEASE);
  motor4.run(RELEASE);
} 
  
void moveForward() {
  if (!goesForward) {
    goesForward = true;
    motor1.run(FORWARD);      
    motor2.run(FORWARD);
    motor3.run(FORWARD); 
    motor4.run(FORWARD);     
    for (speedSet = 0; speedSet < MAX_SPEED; speedSet += 2) { // slowly bring the speed up to avoid loading down the batteries too quickly
      motor1.setSpeed(speedSet);
      motor2.setSpeed(speedSet);
      motor3.setSpeed(speedSet);
      motor4.setSpeed(speedSet);
      delay(5);
    }
  }
}

void moveBackward() {
  goesForward = false;
  motor1.run(BACKWARD);      
  motor2.run(BACKWARD);
  motor3.run(BACKWARD);
  motor4.run(BACKWARD);  
  for (speedSet = 0; speedSet < MAX_SPEED; speedSet += 2) { // slowly bring the speed up to avoid loading down the batteries too quickly
    motor1.setSpeed(speedSet);
    motor2.setSpeed(speedSet);
    motor3.setSpeed(speedSet);
    motor4.setSpeed(speedSet);
    delay(5);
  }
}

void turnRight(float correction) {
  motor1.run(FORWARD);
  motor2.run(FORWARD);
  motor3.run(BACKWARD);
  motor4.run(BACKWARD);     
  delay(correction);
  motor1.run(FORWARD);      
  motor2.run(FORWARD);
  motor3.run(FORWARD);
  motor4.run(FORWARD);      
} 

void turnLeft(float correction) {
  motor1.run(BACKWARD);     
  motor2.run(BACKWARD);  
  motor3.run(FORWARD);
  motor4.run(FORWARD);   
  delay(correction);
  motor1.run(FORWARD);     
  motor2.run(FORWARD);
  motor3.run(FORWARD);
  motor4.run(FORWARD);
}

void slowDown() {
  if (goesForward) {
    for (speedSet = MAX_SPEED; speedSet > MAX_SPEED / 2; speedSet -= 2) { // slowly reduce the speed
      motor1.setSpeed(speedSet);
      motor2.setSpeed(speedSet);
      motor3.setSpeed(speedSet);
      motor4.setSpeed(speedSet);
      delay(5);
    }
  }
}


Gambar di atas menunjukkan posisi ketika robot maju ke depan tanpa ada objek atau halangan apapun


Gambar di atas menunjukkan ketika robot menghadapi objek atau rintangan di depan. Pada grafik, garis oranye menunjukkan jarak yang dideteksi oleh sensor (controlled variable), terlihat garisnya turun ketika dikasih objek beberapa cm didepannya. Garis berwarna hijau menunjukkan nilai error PID yang didapatkan, membandingkan seberapa jauh posisi gerak kiri atau kanan robot dari posisi jika ditarik garis lurus (0). Garis berwarna kuning menunjukkan pergerakan PID robot, terlihat grafik naik disebabkan oleh adanya objek disebelah kiri yang mengakibatkan robot bergerak atau berbelok ke kanan dan sebaliknya.

Kp (Kontrol Proporsional) merupakan pondasi utama dalam sistem kendali.
Ki (Kontrol Integral) berfungsi untuk membantu Kp agar nilainya bisa berada di dalam range Set Point yang sudah ditentukan, serta membantu menghilangkan Steady State Error. Efek samping pada Ki adalah Nilai Overshoot yang bisa melebihi Set Point secara tak terduga.
Kd (Kontrol Derivative) berfungsi untuk damping agar durasi osilasi yang ditimbulkan oleh Ki bisa menjadi lebih cepat sehingga sistem dapat stabil dengan waktu yang lebih singkat.

Dalam alat ini, Ki merupakan nilai rotasi dinamo, dimana jika nilai Ki ditingkatkan, maka robot akan berganti arah dengan rotasi lebih dari 90 derajat, begitu juga sebaliknya. Kd berperan untuk memperlambat rotasi robot. Jika kd ditingkatkan, maka robot akan terlihat 'ragu-ragu' untuk berputar atau bahkan tidak berputar sama sekali. Setelah beberapa percobaan, didapatkan bahwa Tuning PID yang paling sesuai untuk alat adalah :
Kp = 2.5
Ki = 0.5
Kd = 1.0

Dengan nilai PID tersebut, didapatkan respon transiensnya:
Delay time = 2.3 s
Rise time = 4.6 s
Overshoot = %
Settling Time = 6 s

## Analisis Mekanika

### Analisis Kecepatan Motor terhadap beban

## Hasil dan Saran
Hasil dari tugas besar ini menunjukkan keberhasilan dalam perancangan dan implementasi sistem kendali pada alat Pendeteksi Halangan . Robot dapat bergerak otomatis dan menghindari rintangan menggunakan sensor ultrasonik. Motor DC berhasil dikendalikan untuk mengatur kecepatan roda dan putaran servo. Arduino Uno dan Motor Shield memudahkan integrasi komponen dan pemrograman.

Beberapa saran untuk meningkatkan performa alat ini adalah menggunakan motor DC dengan torsi lebih besar, menambahkan sikat putar, dan mengganti botol penampung dengan wadah yang lebih besar. Selain itu, optimasi sistem kendali dapat dilakukan dengan melakukan tuning PID, menggunakan sensor tambahan, dan mengembangkan algoritma yang lebih canggih. Pengembangan lebih lanjut juga dapat dilakukan dengan menambahkan fitur pemetaan ruangan, integrasi kamera, dan fitur remote control. Dengan pengembangan dan perbaikan, alat ini berpotensi menjadi produk bermanfaat yang dapat diproduksi secara massal dengan harga terjangkau

---

## Referensi

Aisyah, N., Rahman, A., Wirawan, R., Bilgah, B., Rachmawati, S., Medikano, A., & Sebayang, A. (2021). Pengujian robot otomatis pendeteksi rintangan berbasis mikrokontroler. Jurnal Esensi Infokom: Jurnal Esensi Sistem Informasi dan Sistem Komputer, 5(2), 1-6. https://doi.org/10.55886/infokom.v5i2.264

## Rubrik Penilaian

| Penilaian Indikator Ketercapaian CLO | Bobot |
| --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- | ----- |
| Mahasiswa mampu mengevaluasi dan optimasi sistem kendali PID (soal CLO 4) | 50 % |
| Mahasiswa mampu mendemonstrasikan sistem mekanisme transfer daya sederhana menggunakan gear dan motor DC (soal CLO 5) | 50% |

### Kriteria Nilai

| 4 | 3 | 2 | 1 | 0 |
| ----- | --- | --- | --- | --- |
| CLO 4 | | | | |
| Mampu menjelaskan konsep kendali umpan balik, merancang sistem kendali PID, hingga mengevaluasi dan optimasi sistem kendali PID. | Mampu menjelaskan konsep kendali umpan balik, merancang, dan mengevaluasi sistem kendali PID. | Mampu menjelaskan konsep kendali umpan balik dan merancang sistem kendali PID. | Mampu menjelaskan konsep kendali umpan balik dan PID, tetapi kesulitan dalam merancang dan mengevaluasi sistem kendali PID. | Kesulitan dalam menjelaskan konsep kendali umpan balik dan PID. |
| CLO 5 | | | | |
| Mampu mendapatkan fungsi transfer sistem dari mekanisme transfer daya, menganalisis hubungan antara torsi dan kecepatan motor, menjelaskan cara kerja dan karakteristik motor listrik, serta mendemonstrasikan sistem mekanisme transfer daya sederhana menggunakan gear dan motor DC. | Mampu mendapatkan fungsi transfer sistem dari mekanisme transfer daya, menganalisis hubungan antara torsi dan kecepatan motor, menjelaskan cara kerja dan karakteristik motor listrik, tetapi kesulitan dalam mendemonstrasikan sistem mekanisme transfer daya sederhana menggunakan gear dan motor DC. | Mampu mendapatkan fungsi transfer sistem dari mekanisme transfer daya, menganalisis hubungan antara torsi dan kecepatan motor, tetapi kesulitan dalam menjelaskan cara kerja dan karakteristik motor listrik. | Mampu mendapatkan fungsi transfer sistem dari mekanisme transfer daya dan menganalisis hubungan antara torsi dan kecepatan motor.|Tidak dapat menentukan satu langkah pun untuk menjelaskan mengenai mekanisme transfer daya.|