Anda di sini

Elektronika

Desain Perangkat Keras Govinda Rover Mark 2

Aditya Suranata - 20 Februari 2016 19:15:33 0

Desain Perangkat Keras

Perangkat keras yang digunakan pada platform ini menggunakan modul-modul yang mudah ditemukan di pasaran dan harganya relatif terjangkau. Secara umum, desain perangkat kerasnya terdiri dari lima bagian utama. Pertama adalah bagian catu daya yang juga mencakup papan elektronik berisi konverter daya dan beberapa relai, kemudian mekanik, mikrokontroler, single-board computer (adapter USB Wi-Fi, berbagai macam sensor digital dan RTC), dan yang terakhir bagian kepala yang berisi motor servo, kamera beresolusi tinggi, laser pointer dan penerangan seperti terlihat pada Gambar 3.1.

Gambar 3.1 Kebutuhan Umum Perangkat Keras Govinda Rover

Perangkat keras yang diperlukan untuk membangun platform Govinda Rover membutuhkan sekitar dua puluh tiga item. Mulai dari single-board computer, modul mikrokontroler hingga mekanik dan kepala dijabarkan pada Tabel 3.1.

Tabel 3.1 Daftar Keperluan Perangkat Keras Platform Govinda Rover

No.

Nama

Deskripsi

(Pcs)

Prioritas

1

Raspberry Pi B

Single-board computer

1

Tinggi

2

Arduino Uno R3

Mikrokontroler Development Board.

1

Tinggi

3

LN298N

DC Driver Motor.

1

Tinggi

4

Lithium Polymer 2Cell

Beterai Lipo 2 Cell 20C 7.4Volt 2200mAh.

1

Tinggi

5

TL-WN7200ND

USB Wi-Fi adapter.

1

Tinggi

6

Raspicam v1.3

Raspberry Pi Camera Board.

1

Tinggi

7

Kabel USB A to B

Untuk menghubungkan Arduino dengan Raspi B.

1

Tinggi

8

Kabel USB to Mini USB

Untuk menghubungkan Adapter Wi-Fi dengan Raspi B.

1

Tinggi

9

Standard 180 Degre Servo

Motor Servo standar untuk leher gerak horisontal dan vertikal.

2

Tinggi

10

SD Card Class 10 16GB

Sebagai tempan penyimpanan file dan sistem.

1

Tinggi

11

Kabel USB to MicroUSB

Untuk menghubungkan catu daya (Konverter DC-DC) dengan Raspi B.

1

Tinggi

12

DC Motor Gearbox 6V 600RPM

Roda penggerak utama yang telah dilengkapi dengan gearbox.

4

Tinggi

13

DC-DC Konverter

Konverter DC ke DC dari 7.4 Volt ke 5 Volt untuk mentenagai Raspi B dan papan catu daya

2

Tinggi

14

Kabel Jumper

Untuk menghubungkan antar komponen, dengan jenis male-to-male, male-to-female dan female-to-female.

<100

Tinggi

15

Modul RTC

Real-Time Clock untuk menjaga agar konfigurasi waktu sistem tetap berjalan ketika Raspi B mati.

1

Sedang

16

Temp. DS18B20

Sensor suhu digital dengan akurasi tinggi untuk melakukan penginderaan lingkungan.

1

Sedang

17

HC-SR04

Sensor jarak ultrasonic untuk melakukan pengukuran jarak pada bagian belakang robot (pengaman).

1

Sedang

18

Daya Relai

Untuk melakukan pengontrolan terhadap perangkat penerangan, penunjuk dan papan catu daya.

4

Sedang

19

Papan Catu Daya

Untuk konverter tegangan 5V ke 3,3V dan sebagai tempat terpusat untuk mengambil daya yang diperlukan oleh modul-modul. (Terdiri dari rangkaian regulator daya LM 317 dan beberapa pin header).

1

Sedang

20

Green Laser Pointer

Laser pointer penunjuk jarak jauh dengan spesifikasi: panjang gelombang 532nm, 3V, <50mw.

1

Opsional

21

Red Laser Pointer

Laser pointer penujuk jarak dekat dengan spesifikasi: panjang gelombang 650nm, 5V, <1mw.

1

Opsional

22

LED

Lampu LED putih cerah untuk penerangan dikondisi gelap. Menggunakan empat buah LED masing-masing untuk bagian kanan dan kiri, dengan tegangan kerja 3V.

8

Opsional

23

RGB LED

Sebagai indikator kondisi sistem yang disematkan dibagian kepala, seolah-olah seperti mata.

2

Opsional

Catatan:

Belum termasuk material yang digunakam sebagai tubuh/body robot. Dalam purwarupa yang akan dibuat menggunakan baha plastik acrylic berwarna hitam dengan ketebalam 3mm. Baut dan mur berukuran 3mm dan 2mm, empat buat spacer 7cm.

Modul Single-board Computer

Bagian utama dari modul single-board computer adalah Raspberry Pi tipe B (Raspi Dirol seperti terlihat pada Gambar 3.2. Alasan untuk digunakannya single-board computer ini sebagai pemroses utama platform adalah karena cukup mudah ditemukan dipasaran, harganya relatif terjangkau, hemat daya, ukuran kecil dan ringkas (seukuran kartu ATM), dan spesifikasinya yang mumpuni untuk dapat menjalankan sistem operasi berbasis Linux Debian.

Gambar 3.2 Single-board computer Raspberry Pi tipe B

Raspi B memiliki clock speed sebesar 700MHz, dengan RAM sebesar 512MB. Untuk sistem operasi bawaan, Raspi B dapat menggunakan Raspbian sebagai sistem operasi. Raspbian adalah sistem operasi gratis berbasis Debian yang dioptimalkan untuk perangkat keras Raspberry Pi. Raspbian tidak berafiliasi dengan Raspberry Pi Foundation (Perusahaan amal pendidikan pembuat Raspberry Pi). Raspbian dibuat oleh tim kecil pengembang terdedikasi yang merupakan pecinta perangkat keras Raspberry Pi, tujuan pendidikan dari Raspberry Pi Foundation, dan Proyek Debian tentunya.

Namun sebuah penelitian mengenai analisis sistem robotika yang menggunakan Linux sebagai basisnya, menunjukan bahwa perlu diadakan kajian mengenai sistem yang dibuat untuk keperluan kontrol yang memerlukan periode yang presisi. Hal ini dikarenakan kernel Linux secara bawaan memiliki fungsi scheduling dan priority. Penjadwalan real-time sangat penting untuk periode kontrol yang presisi. Tradisionalnya, RT OS seperti QNS, RTLinux, VxWorks dan Windows CE telah menjadi pemain besar dalam komputasi real-time.

Linux telah banyak dilibatkan untuk beberapa tahun belakangan dalam hal dukungannya dalam kontrol real-time. Semenjak tersedianya fitur in-kernel preemtion pada kernel 2.4, banyak peningkatan fungsi real-time telah ditambahkan termasuk penanganan interrupt thread-context, preemtible mutex, priority-inheritance mutex, high-resolution timer, dan user-space real-time mutex. Dengan bantuan dari fitur-fitur tersebut, Linux sekarang dapat dibandingkan dengan RT OS tradisional.

Selain itu, pada modul ini juga terdapat sebuah adapter USB Wi-Fi yang berfungsi sebagai klien untuk dapat terhubung ke jaringan nirkabel rumah. Dan dua buah sensor digital untuk melakukan penginderaan real-time pada kondisi suhu lingkungan dengan menggunakan sensor berjenis DS18B20 yang cukup presisi dan pengukur jarak menggunakan ultrasonic pinger yang cukup terkenal (HC-SR04). Menurut halaman spesifikasi dari DS18B20, disebutkan sensor ini dapat melakukan pengukuran temperatur Celsius dari 9-bit hingga 12-bit dan memiliki fungsi alarm dengan titik bawah dan atas yang dapat diprogram oleh pengguna.

DS18B20 dapat berkomunikasi melalui jalur data 1-Wire yaitu hanya memerlukan satu buah jalur data (dan ground) dengan mikroprosesor. Sensor ini memiliki jarak ukur mulai dari -55degC hingga +125degC dengan akurasi +-0.5degC dalam rentang jarak dari -10degC hingga +85degC. Dengan nilai tambah, DS18B20 dapat mengambil sumber daya secara langsung dari jalur data ("parasite power"), meniadakan kebutuhan akan catu daya eksternal.

Modul Mikrokontroler

Gambar 3.3 merupakan board Arduino Uno. Dalam platform, Arduino digunakan untuk melakukan pengontrolan komponen driver motor agar dapat menentukan arah gerak dan kecepatan robot. Dikarenakan Arduino memiliki fungsi PWM (Pulse Width Modulation) terdedikasi pada perangkat keras yang tidak dimiliki oleh modul single-board computer, sehingga untuk dapat mengontrol kecepatan dari motor DC maka digunakan Arduino Uno dengan mikrokontroler ATmega328P yang telah dilengkapi dengan PWM.

Modul Arduino berkomunikasi dengan modul single-board computer menggunakan jalur komunikasi USB Serial. Jalur ini dipilih karena mudah dan

aman karena telah terstandardisasi USB 2.0, dibandingkan dengan menggunakan jalur serial murni melalui pin GPIO yang memerlukan komponen tambahan untuk melakukan konversi tegangan logika dari 5V ke 3,3V. Alasannya perbedaan tegangan logika pada kedua modul ini (Arduino menggunakan 5V, sedangkan Raspi B menggunakan 3,3V) jika tidak dilakukan dengan benar dapat membakar dan merusak modul yang tegangan logikanya lebih kecil.

Meskipun terhubung melalui jalur USB serial, namun untuk keperluan dayanya Arduino mengambil tegangan daya 5V melalui papan catu daya. Tidak menggunakan sumber daya dari port USB Raspi B. Hal ini ditujukan agar dapat mengontrol penggunaan daya apabila modul mikrokontroler sedang tidak digunakan. Seperti misalnya dalam kondisi idle dan mode pengawasan maka modul mikrokontroler dapat dinonaktifkan untuk menghemat daya. Hal ini juga untuk melakukan reset apabila terjadi hang atau modul mikrokontroler tidak merespon perintah atau keperluan darurat ketika terjadi kegagalan kontrol. Trik ini dilakukan dengan cara memotong aliran kabel daya pada kabel USB yang terdidi dari empat buah kabel kecil, dua diantaranya adalah data dan dua lagi daya (tegangan & ground) untuk kemudian dialihkan ke sumber daya lain (dari papan catu daya).

Gambar 3.3 Arduino Uno R3 Development Board

Modul Catu Daya

Untuk modul catu daya, terdiri dari empat buah komponen. Yang pertama adalah sebuah baterai Lithium Polymer (Li-Po) 2 cell berkapasitas 2200mAh dengan tegangan keluaran 8,4V dan arus konstan maksimal 20C. Bobot baterai berbahan Li-Po yang ringan dapat memudahkan robot untuk bergerak, dan keluaran arus yang besar diatas 40 Ampere akan sangat membantu ketika banyak perangkat digunakan pada saat yang bersamaan. Seperti bergerak maju dengan lampu flash dan penujuk tetap menyala, yang mana jika menggunakan baterai berkeluaran lemah dapat menyebabkan beberapa komponen kekurangan daya.

Kedua untuk memenuhi keperluan daya yang diperlukan oleh modul single-board computer maka diperlukan konverter DC-DC untuk mengubah tegangan 8,4V dari baterai turun menjadi 5V. Untuk memaksimalkan kinerja konverter, maka digunakan dua buah konverter DC-DC sehingga beban pada single-board computer terpisah dengan komponen lain seperti perangkat yang memerlukan daya 5V dan 3,3V. Konverter yang digunakan untuk mengkonversi tegangn DC 8,4V menjadi 5V seperti terlihat pada Gambar 3.4 menggunakan modul konverter DC-DC yang mudah ditemukan dipasaran.

Gambar 3.4 USB DC-DC Converter Step Down Module 5V 2A

Ketiga seperti pada Gambar 3.5 adalah rangkaian untuk menurunkan tegangan dari 5V menjadi 3,3V, digunakan oleh komponen yang memerlukan tegangan kerja sebesar 3,3V seperti komponen penerangan pada bagian kepala yang menggunakan lampu LED cerah, penunjuk laser dan yang lainnya. Rangkaian ini cukup sederhana, hanya berisikan sebuah IC regulator daya berjenis LM 317, beberapa kapasitor, resistor, variable resistor dan beberapa pin header sebagai terminal untuk menghubungkan komponen dengan catu daya.

.

Gambar 3.5 Rangkaian Daya Regulator LM 317

Terakhir empat buah relai juga disematkan untuk mengontrol komponen penerangan dan dua laser penunjuk, dan satu sebagai relai utama untuk mengontrol keseluruhan komponen mekanik untuk fungsi hemat daya. Tiga relai pertama dikontrol melalui modul mikrokontroler, dan satu relai utama dikontrol langsung oleh modul single-board computer..

Modul Mekanik

Modul mekanik terdiri dari tiga komponen inti, pertama adalah DC motor sebagai penggerak utama robot, dalam purwarupa yang dibuat, DC motor yang digunakan telah dilengkapi dengan gearbox untuk memperkuat torsi mesin. DC motor menggunakan tegangan kerja 6V dengan putaran maksimal 600RPM.

Komponen inti kedua adalah driver motor (Gambar 3.5) untuk dapat mengontrol arah gerak dan kecepatan motor. Driver motor yang digunakan pada proyek ini merupakan driver motor standar yang umum digunakan yaitu berjenis H-Bridge. H-Bridge adalah sebuah sirkuit elektronik yang memungkinkan tegangan untuk dapat diterapkan di seluruh beban di kedua arah. Sirkuit ini sering digunakan dalam robotika dan aplikasi lain untuk memungkinkan motor DC dapat bergerak maju dan mundur.

Ketiga adalah bagian sasis, dalam purwarupanya menggunakan dua buah lempengan plastik akrilik hitam setebal 3mm. Dibuat persegi panjang,

memanjang ke samping untuk memudahkan manuver dengan empat buah roda. Lempengan bawah merupakan tempat untuk meletakan semua komponen elektronik, dan lempengan atas sebagai tutup dan tempat meletakan baterai agar mudah dijangkau ketika melakukan pengisian ulang. Bagian kepala juga dibuat menggunakan material yang sama dengan ditambahkan beberapa lubang untuk menempatkan komponen modul kepala.

Gambar 3.6 DC Motor Driver L298N H-Bridge

Modul Kepala

Terletak pada bagian atas robot, yang diusung oleh dua buah motor servo. Satu motor servo untuk menggerakan modul secara horisontal dan yang satunya untuk vertikal. Motor servo yang digunakan pada modul ini menggunakan motor servo standar 180 derajat, servo ini umumnya sangat mudah ditemukan dipasaran dan harganya juga relatif terjangkau.

Untuk melakukan pengamatan, modul kepala disematkan sebuah komponen kamera beresolusi tinggi yaitu Raspi Cam v.1.3 (Gambar 3.6) yang memiliki resolusi sebesar 5MP. Alasan digunakannya kamera ini selain dapat digunakan untuk mengambil gambar dan merekam video beresolusi tinggi adalah dukungan pustaka perangkat lunak yang baik dan sangat lengkap untuk bahasa Python (yang digunakan untuk membuat software server). Ketika digunakan dalam area gelap yang minim cahaya, modul kepala dilengkapi dengan delapan buah LED (Light Emitting Diode) super cerah untuk membantu penerangan, masing-masing dipasang berpasangan empat buah dibagian kiri dan empah buah lagi dibagian kanan sehingga menyerupai mata.

Selain penerangan dan kamera, modul kepala juga dilengkapi dengan modul penunjuk jarak dekat dan jarak jauh menggunakan dua buah laser pointer berwarna hijau untuk jarak jauh dan merah untuk jarak dekat. Laser hijau yang digunakan pada purwarupa adalah laser standar untuk penggunaan rumahan, menggunakan daya maksimal sebesar 5mW (Class 3B) dan yang merah sebesar <1mW (Class 1).

Gambar 3.7 Raspiberry Pi Camera Module v.1.3

1.596
Daftar Artikel Terkait
Image

Aditya Suranata

Aditya suka menulis, bukan hanya sekedar hobi, menulis menjadi medianya untuk mencurahkan pikiran dan perasaan. Di TutorKeren.com kebanyakan menyumbang tulisan sesuai dengan minat dan keahliannya yaitu pada kategori pemrograman dan elektronika. Selain itu juga gemar menulis mengenai hal-hal umum, seperti ilmu alam, sosial dan beberapa pengalamannya yang mungkin bisa berguna untuk orang lain.

Artikel Menarik Lainnya
Mari Gabung

Halo Emo 51 , Ada yang ingin disampaikan? Jangan sungkan untuk gabung diskusi ini. Silahkan Login dulu atau Daftar baru.