# Sistem Kendali Gerbang Otomatis dengan Sensor Jarak dan Kendali PID

## Kelompok 4
* Diaz Abdi (1103213028)
* Tri Mulia Bahar (1103210103)
* Aldo Nitehe lase (1103213110)
* Ahmad Harits Burhani (1103210153)
* Dhesvira Nurseha Putri (11103210046)
* Ardius Ebenezer Simanjuntak (1103210208)
## Daftar Isi

> [TOC]

## Pendahuluan
Kemajuan teknologi telah membawa banyak perubahan signifikan dalam kehidupan sehari-hari, termasuk dalam sistem keamanan dan kenyamanan. Salah satu inovasi yang mendapatkan perhatian adalah sistem kendali gerbang otomatis. Sistem ini tidak hanya meningkatkan keamanan dengan membatasi akses ke area tertentu tetapi juga memberikan kemudahan dan kenyamanan bagi pengguna. Dengan mengintegrasikan sensor jarak dan kendali PID, sistem ini mampu mengoperasikan gerbang secara otomatis dan presisi.

Dalam proyek ini, kami mengembangkan "Sistem Kendali Gerbang Otomatis dengan Sensor Jarak dan Kendali PID" yang memanfaatkan teknologi sensor ultrasonik dan mikrokontroler untuk mendeteksi kendaraan atau orang yang mendekati gerbang dan secara otomatis membuka atau menutup gerbang. Sistem ini dirancang untuk memberikan solusi yang efektif dan efisien dalam mengendalikan gerbang dengan akurasi tinggi menggunakan kontrol PID.

## Tujuan Penelitian
Tujuan utama dari proyek ini adalah:

Mengembangkan sistem kendali gerbang otomatis yang dapat mendeteksi kendaraan atau orang yang mendekati gerbang menggunakan sensor jarak ultrasonik.
Menerapkan kontrol PID untuk mengendalikan motor servo, sehingga gerbang dapat membuka dan menutup dengan posisi yang akurat dan stabil.
Melakukan pengujian terhadap sistem untuk memastikan kinerjanya yang andal dalam berbagai kondisi lingkungan.

## Rancangan Sistem Kendali Loop Tertutup PID
Dalam sistem ini, posisi gerbang diukur dan dibandingkan dengan posisi yang diinginkan (setpoint). Berdasarkan perbedaan ini (error), sistem melakukan penyesuaian untuk meminimalkan error tersebut.

Kontrol PID (Proportional-Integral-Derivative) merupakan metode yang efektif untuk sistem kendali loop tertutup. Komponen proporsional (P) menghasilkan output sebanding dengan error saat ini, komponen integral (I) mempertimbangkan akumulasi error dari waktu ke waktu, dan komponen derivatif (D) mempertimbangkan laju perubahan error.

Implementasi kontrol PID melibatkan pembacaan posisi gerbang menggunakan sensor posisi, menghitung error sebagai perbedaan antara posisi yang diinginkan dan posisi aktual, serta menghitung output PID berdasarkan error ini. Output PID digunakan untuk mengendalikan motor servo agar gerbang bergerak dan berhenti pada posisi yang diinginkan dengan akurat dan stabil.

Dengan demikian, sistem kendali loop tertutup dengan kontrol PID memastikan gerbang otomatis Anda beroperasi dengan akurasi tinggi dan stabilitas yang baik dalam berbagai kondisi lingkungan.

**Gambar Diagram Close Loop**

**Penjelasan Blok Diagram**
* Setpoint: Posisi derajat pada Gerbang (Motor Servo) yang diinginkan
* Controller: Arduino yang menjalankan algoritma PID. Arduino membaca nilai dari sensor, membandingkannya dengan setpoint, dan menghasilkan sinyal kontrol untuk actuator berdasarkan perhitungan PID.
* Actuator: Motor Servo menerima sinyak dari arduino dan bergerak ke posisi yang diinginkan
* Process: Gerakan fisik dari gerbang. Ketika Servo bergerak, gerbang akan membuka atau menutup berdasarkan sinyal kontrol dari arduino
* Controlled Variable: Posisi gerbang, yang berkaitan dengan jarak objek yang terdeteksi oleh sensor
* Sensor: Sensor ultrasonik (HC-SR04) yang mengukur jarak objek dari gerbang, sensor ini mengirim sinyal jarak menuju arduino untuk diproses
* Feedback: Nilai jarak yang diukur oleh sensor ultrasonik dan dikirimkan ke arduino. Arduino menggunakan informasi feedback untuk menghitung error dan menyesuaikan output agar mendekati setpoint

## Mekanaisme/Cara kerja

1. Sensor Jarak Ultrasonik:

* Sensor jarak ultrasonik HC-SR04 memancarkan gelombang ultrasonik dan mengukur waktu yang dibutuhkan untuk gelombang tersebut memantul kembali setelah mengenai objek (kendaraan atau orang).
* Berdasarkan waktu tempuh gelombang ultrasonik, mikrokontroler menghitung jarak objek dari sensor.

2. Mikrokontroler:

* Arduino Uno membaca sinyal dari sensor jarak ultrasonik.
* Berdasarkan jarak yang terdeteksi, Arduino memutuskan apakah gerbang perlu dibuka atau ditutup.
* Mikrokontroler juga mengontrol motor servo yang menggerakkan gerbang.

3. Motor Servo:

* Motor servo digunakan untuk menggerakkan gerbang secara otomatis.
* Motor ini diatur untuk membuka atau menutup gerbang sesuai dengan perintah dari mikrokontroler.

4. Kontrol PID:

* Kontrol PID (Proportional-Integral-Derivative) diimplementasikan dalam mikrokontroler untuk mengatur motor servo.
* PID kontroler membantu menjaga gerbang pada posisi yang diinginkan dengan akurat, mengkompensasi perubahan kondisi lingkungan dan beban pada gerbang.
* Parameter PID (Kp, Ki, Kd) diatur untuk mengoptimalkan kinerja sistem dalam berbagai kondisi.

5. Breadboard dan Kabel Jumper:

* Breadboard digunakan untuk menyusun rangkaian elektronik secara sementara.
* Kabel jumper digunakan untuk menghubungkan komponen-komponen pada breadboard dengan mikrokontroler.

## Analisis Transient Respon
### Kodingan Arduino

#include <Servo.h>
#define trigPin 12
#define echoPin 11
#define trigPin2 10
#define echoPin2 8
#define trigPin3 13
#define echoPin3 7
#define trigPin4 3
#define echoPin4 4
Servo servo;
Servo servo2;

double Kp = 0.7; 
double Ki = 0.25;
double Kd = 0.05;

double integralSum = 0.0;
double prevError = 0.0;
double output = 0.0;
double reald;
double error;



int sound = 250;
void setup() {
Serial.begin (9600);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
pinMode(trigPin2, OUTPUT);
pinMode(echoPin2, INPUT);
pinMode(trigPin3, OUTPUT);
pinMode(echoPin3, INPUT);
pinMode(trigPin4, OUTPUT);
pinMode(echoPin4, INPUT);
servo.attach(9);
servo2.attach(6);
}
void loop() {
long duration, distance;
long duration2, distance2;
long duration3, distance3;
long duration4, distance4;
long gatePercentage;
long setpo;
  
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
distance = (duration/2) / 29.1;
  
digitalWrite(trigPin2, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin2, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin2, LOW);
duration2 = pulseIn(echoPin2, HIGH);
distance2 = (duration2/2) / 29.1;
  
digitalWrite(trigPin3, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin3, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin3, LOW);
duration3 = pulseIn(echoPin3, HIGH);
distance3 = (duration3/2) / 29.1;
  
digitalWrite(trigPin4, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin4, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin4, LOW);
duration4 = pulseIn(echoPin4, HIGH);
distance4 = (duration4/2) / 29.1;
  
reald = 30 - (distance4+distance3);
setpo = reald/30*90;

if((distance+distance2/60.0)>0.5){
gatePercentage = 90.0 * (distance + distance2) / 60.0 + output;
}else{
gatePercentage = 90.0 * (1 - ((distance + distance2) / 60.0)) + output; 
}
delayMicroseconds(10);
  
if(gatePercentage <=90){
// Calculate error
error = setpo - gatePercentage;

// Proportional term
double P = Kp * error;

// Integral term
integralSum += error;
double I = Ki * integralSum;

// Derivative term
double D = Kd * (error - prevError);
prevError = error;

// Calculate total output
output = P + I + D;

// Apply the output to the servo
servo.write(gatePercentage);
servo2.write(180 - gatePercentage);
  
}else{
delayMicroseconds(500);
gatePercentage = 0;
prevError = 0;
output = 0;
servo.write(0);
servo2.write(0);
}
  
Serial.print("Gate Percentage: ");
Serial.println(gatePercentage);
Serial.print("PID: ");
Serial.println(output);
Serial.print("distance: ");
Serial.println(distance);
Serial.print("distance2: ");
Serial.println(distance2);
Serial.print("distance3: ");
Serial.println(distance3);
Serial.print("distance4: ");
Serial.println(distance4);
Serial.print("gatedistance: ");
Serial.println(gatePercentage/90.0*30.0);
Serial.print("realdistance: ");
Serial.println(reald);
Serial.print("gatePercentage real: ");
Serial.println(setpo);
Serial.print("Error: ");
Serial.println(error);
Serial.println(gatePercentage/90.0*30.0);
Serial.println(" ");
}

Sebelum tuning PID
Setelah tuning PID dengan Kp = 1.0, Ki = 0.01 dan Kd = 0.03
## Percobaan pada alat
Alat ini dapat mendeteksi benda yang berada dalam wilayah sensor ultrasonik, dan akan membuka gerbang alias servo pada derajat putaran tertentu berdasarkan jarak yang ditangkap oleh sensor. Sensor pada alat ada 4 dan dibagi menjadi 2 bagian, bagian pertama sensor dibuat untuk menghitung lebar semu benda, sedangkan bagian kedua dibuat untuk menghitung lebar aktual benda. Hal ini ditujukan agar dapat menghitung error, yaitu perbedaan dari nilai yang diperoleh dari dua sensor tersebut, maka setelah itu putaran servo sebagai output.

## Analisis dari hasil percobaan
Pengukuran dalam penerapan ini dihasilkan dengan perhitungan waktu yang ditentukan dalam set point dengan posisi yang diinginkan. Metode ini dilakukan dalam pemakaian sensor posisi secara aktual.

1.Pengamatan grafik menunjukkan perbedaan yang tinggi antara puncak dan lembah. Servo memiliki kontrol yang baik dalam mendeteksi alat sehingga tidak ada pengurangan kecepatan ketika mendekati target.
2.Pengamatan pergerakan servo lebih halus dengan kecepatan yang tinggi.
3.Pengamatan akurasi sensor berubah menghasilkan data dalam kendali sistem di penguatan parameter sangat baik.
4.Grafik menunjukkan arah deteksi benda dalam perhitungan error yang tinggi.
5.Grafik tidak merata, namun perubahan sedikit tinggi ketika jarak antara posisi alat dengan sensor mengalami kondisi steady state.

## Analisis mekanika
### Pengukuran mekanisme
#### Motor Servo
Motor servo SG90 memiliki ukuran 23mm x 12.2mm x 29mm dengan torsi atau kekuatan putar sebesar 1.5 kilogram per sentimeter.

Servo diatur dengan ukuran lebar benda maksimal 30 cm terhadap sensor dengan nilai derajat gerbang 90 derajat terbuka. Ukuran disesuaikan sebagai berikut:

Teori:
* Lebar 30 cm = gate 90 derajat
* Lebar 15 cm = gate 45 derajat
* Lebar 5 cm = gate 15 derajat

## Hasil dan saran
### Hasil
Hasil yang kami dapatkan dalam pengujian kali ini berupa efek PID pada alat ini. Apabila nilai-nilai dari PID tersebut diubah maka akan merubah kecepatan gerak servo motor SG90. Pada pengujian ini, nilai PID yang cocok untuk digunakan secara berurutan adalah 2, 5, dan 1. Hal ini karena kecepatan servo yang cukup kencang dengan akurasi yang sangat besar.

Beberapa masalah yang kami alami adalah keterbatasan jarak yang diukur. Kami telah mencoba untuk membuat sistem ini dengan berbagai jarak, tetapi ternyata kami tidak bisa mengimplementasikannya akibat servo motor hanya dapat berotasi sebesar 180 derajat. Selain itu, sensor ultrasonik yang kami gunakan memiliki keterbatasan dalam mengukur jarak yang terlalu dekat atau terlalu jauh dari sensor.

### Saran
Berikut merupakan beberapa saran apabila ingin mengaplikasikan PID pada alat ini dan apabila ingin menambahkan inovasi:

1. Tuning Nilai P (Proporsional):
Nilai P yang terlalu tinggi akan membuat sistem terlalu responsif dan meningkatkan osilasi. Mulailah dengan nilai rendah dan tingkatkan secara bertahap hingga sistem merespon dengan cepat namun tetap stabil.

2. Tuning Nilai I (Integral):
Nilai I yang terlalu tinggi akan menyebabkan integrator windup, menghasilkan osilasi yang besar. Gunakan nilai I yang kecil dan tingkatkan secara perlahan hingga error steady-state berkurang tanpa menyebabkan osilasi yang berlebihan.

3. Tuning Nilai D (Derivatif):
Nilai D membantu meredam osilasi. Mulailah dengan nilai kecil dan tingkatkan secara bertahap hingga sistem menjadi lebih stabil. Nilai D yang terlalu tinggi dapat menyebabkan respon lambat terhadap perubahan cepat.

4. Kombinasi PID:
Berdasarkan hasil percobaan, kombinasi nilai PID 2, 5, dan 1 sudah memberikan hasil yang cukup baik dengan pergerakan motor yang halus dan stabil. Disarankan untuk melakukan penyesuaian kecil pada nilai-nilai ini untuk lebih meningkatkan kinerja sistem sesuai dengan kebutuhan spesifik aplikasi.

5. Pemilihan Tema Proyek:
Untuk ke depannya, disarankan memilih tema yang lebih tepat agar rangkaian PID yang digunakan lebih sesuai dan dapat menyelesaikan masalah yang sebenarnya. Misalnya, menerapkan sistem ini pada pintu otomatis di industri atau parkiran yang membutuhkan kontrol presisi dan keandalan yang tinggi.

6. Pengujian Lebih Lanjut:
Lakukan pengujian lebih lanjut dengan variasi nilai PID yang berbeda dalam kondisi beban yang berbeda untuk memastikan bahwa sistem dapat beradaptasi dengan berbagai situasi. Dengan mengikuti saran-saran ini, kami harap sistem kontrol PID dapat dioptimalkan untuk mencapai kinerja yang diinginkan dengan stabilitas dan respon yang baik.

## Video dan Lampiran Kode
Berikut merupakan video percobaan alat:
[[youtube link](https://youtu.be/m2gvZnHCj4Y)]
Berikut merupakan link source code github:
[[github link]](https://github.com/LDA0/SKM_4_GerbangOtomatis)

## Referensi
Video referensi: https://youtu.be/MU0v7y5JL5U?si=pTDHbRpmdk5EaBR0
## 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. |