Tugino ST MT [email protected]/files/2012/07/7-Kontrol-Robot.pdfsensor)...

1

Tugino ST [email protected]

Jurusan Teknik ElektroSTTNAS Yogyakarta

Robot Control

Control MethodsConventional Joint PID Control

Widely used in industryAdvanced Control Approaches

Computed torque approachNonlinear feedback Ad ti t l

Tugino, ST MT STTNAS Yogyakarta 2

Adaptive controlVariable structure control….

2

Kontrol ON/OFF


Sistem Kontrol Robotik(kontrol robot loop terbuka/tertutup)

Referensi Kontroler Robot

Gerak

Referensi

Hasil Gerak sesungguhnya (dibaca oleh

sensor)

Error = Gerak referensi – Gerak aktual


Robot

Referensi Gerak

Kontroler

sensor)

Gerak aktual

+

-

3

Teori Dasar:Penggunaan Transformasi Laplace

∫∞

)()}({ dff st∫ −=0

)()}({ dtetftfL st

jika )()}({ sXtxL =maka )()}({ ssXtxL =& ))(()}({ ssXstxL =&&

k i i


percepatan/akselerasi

s1

s1

kecepatan posisi

)(tx&& )(tx& )(tx

s(s X(s)) s X(s) X(s)

Contoh: Robot Tangan Satu Sendi

Robot (lengan tunggal)

Sensor posisi (potensiometer)

Y

tact ΔΔ

=θθ&

Robot (lengan tunggal)

Aktuator (Motor DC)

θ

X

tact ΔΔ

=θθ&

&&


+

-

Error = refθ – actθ

Amplifier s1

s1 Sendi

Robot Motor DC actθ&& actθ& actθrefθ

Sistem Robot

τIKtn

Kontrol

Sistem Kontroler

4

Metoda Kontrol Klasik (P)

H(s) r Kp y +

-

e u


eKpu ⋅=

Metoda Kontrol Klasik (I)

r Ki y

u H(s) r

sKi

y +

-

e u

⎤⎡


KidTTetut

⎥⎦⎤

⎢⎣⎡= ∫0 )()(

5

Metoda Kontrol Klasik (P-I)

Kp

H(s) r

sKi

y +

-

e u

Kp +

+


sKiKpsG +=)(

Metoda Kontrol Klasik (D)

r y

u

H(s) r Kds ⋅

y +

-

e u

Δ


eKdu &⋅=teKdu

ΔΔ⋅=

6

Metoda Kontrol Klasik (P-I-D)

H(s) r

Kds ⋅

y +

-

e u +

+

Kp

sKi +


Motor DC magnet permanen

R L

Va Ia

Vb

θωτ ,,


ωbaa

a KRIdt

dILV ++= ] [)(

)(

btneffeff

tn

a

LKKfRJsRs

nKsVs

++=

θ

7

Fungsi transfer open loop Motor DC magnet permanen

sθ(s) (s) Va(s)

+

- RsL +

1

effeff fsJ +1Ktn

s1

Kb

θ(s) ( )( )

)( tL nKsθ


] [)()(

btneffeff

tn

a

LKKfRJsRs

nKsVs

++=

θ

Ia(s) 1)( −sHKtn

s1 θ(s) sθ(s) (s)

Motor DC Servo

Motor DC-MP

Kecepatan

Referensi, refθ&

Kontrol PID +

-

Kecepatan

aktual, actθ&

Motor DC Servo dengan kontrol kecepatan


Skema ekivalen Motor DC Servo dengan kontrol kecepatan

8

Control Theory Review (I)PID controller: Proportional / Integral / Derivative control

e= ψd − ψa

actual ψadesired ψd V

Motor- compute V using PID feedback

ψd − ψa

Error signal e

V = Kp • e + Ki ∫ e dt + Kd )d edt

Closed Loop Feedback Control


actual ψa

Reference book: Modern Control Engineering, Katsuhiko Ogata, ISBN0-13-060907-2

Evaluating the response

steady-state errorovershoot steady state error

settling time

overshoot -- % of final value exceeded at first oscillation

rise time -- time to span from 10% to 90% of the final value

ss error -- difference from the system’s desired value


How can we eliminate

the steady-state error?rise time

settling time -- time to reach within 2% of the final value

9

Control Performance, P-type

Kp = 20 Kp = 50

Tugino, ST MT STTNAS Yogyakarta 17Kp = 200 Kp = 500

Control Performance, PI - type

Kp = 100


Ki = 50 Ki = 200

10

You’ve been integrated...

Kp = 100


unstable & oscillation

Control Performance, PID-typeKp = 100 Ki = 200 Kd = 2 Kd = 5

Kd = 10 Kd = 20


11

PID final control


Motor DC Servo dengan kontrol kecepatan

Tegangan Supply DC

(misal 0÷24V)

refθ&

Rangkaian Driver

actθ&

+ -


+ -

Vref(+) Vref(-)

12

RC Servo

Arah piringan 120º s/d +120º 0º Sinyal Tegangan Input PWM piringan

Servo -120 s/d +120 0 Sinyal Tegangan Input PWM


RC Servo

Prinsip kerja RC Servo

Teknik Pulse Width Modulation

Tegangan PWM Tegangan ekivalen linier V V

=

=

0V

Vsat


t t

=

Prinsip kerja PWM

13

Sebuah rangkaian pembangkit PWM lengkap dengan driver H-bridge untuk motor DC-MP/DC-SV

1K2

+

-+

-

74HCT245¼ LM324

¼ LM324 +12V +12V

1K2 1K2 BD643 BD643+(12÷24)V

+5V

74HCT245

Gnd Trg Dis

Vcc 20K

+ +

+

-

+

- + -

74HCT24574HCT04

¼ LM324

¼ LM324 ¼ LM324

¼ LM324

+12V

+12V +12V

1K2

1K2 1K2

2K2

2SD1314

BD643

BD643 BD643

BD643

2SD1314

2SD1314

2SD1314 2SD1314

1K2

LM555

M

1K2+12V

20K

CW/CCW

1

2

8

7

1/0

H-bridge

74HCT04


.01

Trg Out Rst Ctl

Thr Dis 20K

.01

(0÷5)V refθ&

3

4

6

5

M

Arah (1/0)

Kecepatan (0÷5)V

Driver Motor DCBerbasis

PWM (ep)

Low-level & High Level Control

P i h Lingkungan

Low-level Control

Endra Pitowarno © 2007

Perintah Gerak Aktuator

Lingkungan Robot

Sensor Internal


Sensor Eksternal

High-level Control

14


Sensor Internal:sensor posisi,

sensor kecepatan, dan sensor percepatan,

Sensor Eksternal: sensor taktil (tactile), berbasis sentuhan: misalnya limit switch pada bemper robot

f d t i (t )


sensor force dan sensor torsi (torque sensor),sensor proksimiti,

sensor jarak (sonar, PSD, dll),sensor vision (kamera),

gyro, kompas digital, detektor api, dan sebagainya.


P i h Lingkungan

Low-level Control


Lingkungan Robot

Sensor Internal

Kontroler


Sensor Eksternal

High-level Control

15

Low-level Control

Kontrol PosisiReferensi posisi yg selalu berubah

Posisi aktual tiap derajat aktuator


Lingkungan Robot

Sensor Internal

Kontroler


Sensor Eksternal

High-level Control

Low-level Control

Kontrol PosisiReferensi posisi yg selalu berubah

Posisi aktual tiap derajat aktuator

Algoritma program (ex:

IF-THEN-ELSE)

Kontroler PID + Aktuator

Lingkungan Robot

Sensor posisi (rotary encoder)

Kontroler


Proximity sensor (ex: line

sensor)

High-level Control

16

Low-level Control

Kontrol Posisi & KecepatanReferensi posisi & kecepatan yg selalu berubah

Posisi & kecepatan aktual tiap derajat aktuator

Perintah Gerak

(posisi) & Kecepatan

Lingkungan Robot

Sensor Internal (posisi &

kecepatan)

Kontroler PID

Aktuator

Kontroler


Sensor Eksternal

High-level Control

Penggunaan Kontrol Cerdas

Sistem r Kontroler y +

e u


Sistem Robot

r berbasis

AI

y +

-

e u

AI & Terminologi:orang pertama > Alan Turing (1937)


Neural Network: Warren McCulloch (1943)Teori Fuzzy: Lukacewick (1930an)Fuzzy Sets: Lotfi Zadeh (1965)Genetic Algorithm: Teori DarwinKonsep GA dalam Evolutionary Computation (EC): Holland (1975)

17

Neural Network Controluntuk Line-Tracer/Route Runner Robot


PB0

Jalur PUTIH di lantai GELAP

Robot Neural Network

ROUTE RUNNERPB1

PB2PB3


Motor Kanan

Motor Kiri DAC1 DAC0

Korelasi fungsi I/O pada robot Route Runner

NoSensor (1:gelap 0:putih) Motor (0÷5)V

PB3 PB2 PB1 PB0 ML MR


1 0 0 0 0 1.0 1.0

2 0 0 0 1 4.5 0

3 0 0 1 0 4.5 1.2

4 0 0 1 1 4.5 2.7

5 0 1 0 0 1.2 4.5

6 0 1 0 1 1.2 4.0

7 0 1 1 0 4.6 4.6

8 0 1 1 1 4.6 4.5

9 1 0 0 0 0 4 5


9 1 0 0 0 0 4.5

10 1 0 0 1 3.0 3.0

11 1 0 1 0 1.2 4.5

12 1 0 1 1 4.5 3.0

13 1 1 0 0 2.7 4.5

14 1 1 0 1 3.0 4.5

15 1 1 1 0 0 4.5

16 1 1 1 1 0 0

18

Disain BP-NN dengan Struktur 4-5-2


i = 3

i = 1

i = 2

j = 1

j = 2

j = 3

k = 1

k = 2

PB1

PB3

PB2 ML

wij wjk

MR

Sensor

Motor


Hidden layer

Output layer

Input layer

i = 4

j = 4

PB0 j = 5



⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

=

1010101010101010110011001100110011110000111100001111111100000000

PB


⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡=

0.05.45.45.40.35.40.35.45.46.40.45.47.22.10.00.10.00.00.37.25.42.10.30.06.46.42.12.15.45.45.40.1

M

19

Disain BP-NN dengan Struktur 4-5-2Endra Pitowarno © 2007



⎥⎥⎥⎤

⎢⎢⎢⎡ −

092860183740902971950807325.063.64435.78533.830463.031589.01446.1067357.0


⎥⎥⎥⎥

⎦⎢⎢⎢⎢

⎣ −−−−−−−=

15491.044677.065177.012292.05697.77116.103039.163449.240928.6018374.09029.719508.0Hw

⎥⎦

⎤⎢⎣

⎡−−−−−−−

=4454.93478.1366.39181.62514.64279.1026415.25084.821555.00012.62

outw

⎤⎡


⎥⎥⎥⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢⎢⎢⎢

⎣

⎡

−

−−

=

79925.01907.1746388.0

6095.2333687.0

Hb [ ]3654.70134.46 −−=outb

20

Evaluasi fungsi I/O pada robot NN Route Runner

Sensor (1:gelap 0:putih] Motor (0÷5)V

PB3 PB2 PB1 PB0Target Output NN

ML MR ML MR


0 0 0 0 1.0 1.0 0.9998 0.98506

0 0 0 1 4.5 0 4.5008 0.001066

0 0 1 0 4.5 1.2 4.4994 1.2138

0 0 1 1 4.5 2.7 4.4997 2.6993

0 1 0 0 1.2 4.5 1.2072 4.3958

0 1 0 1 1.2 4.0 1.193 4.1073

0 1 1 0 4.6 4.6 4.5917 4.684

0 1 1 1 4.6 4.5 4.6104 4.3922


1 0 0 0 0 4.5 0.0032461 4.4852

1 0 0 1 3.0 3.0 2.9982 3.0094

1 0 1 0 1.2 4.5 1.1977 4.5151

1 0 1 1 4.5 3.0 4.5014 2.9912

1 1 0 0 2.7 4.5 2.701 4.5272

1 1 0 1 3.0 4.5 2.9967 4.4935

1 1 1 0 0 4.5 1.1123e-006 4.5

1 1 1 1 0 0 1.6049e-006 9.6619e-007

Aplikasi logika fuzzy pada sistem multi-sensor-multi-aktuator

(-12)÷(+12)V(0 ÷ 5)V atau

Logika FUZZY

Sensor-1Sensor-2Sensor-3Sensor-4Sensor-5

( 12)÷(+12)V(0 / 5)V

Motor Kanan

Motor Kiri


Sensor-6

21

Dilemma: kecerdasan vs. kecepatan mesin

kece

rdas

an Algoritma program makin kompleks

Algoritma program makin sederhana/singkat

Tugino, ST MT STTNAS Yogyakarta 41kecepatan mesin

sederhana/singkat

Kasus: Line Follower

Makin tinggi kecepatan, makin mudah tergelincir (inersia membesar seiring kecepatan gerak


(inersia membesar seiring kecepatan gerak membesar)Pada kasus simpangan: makin laju gerak robot, makin sulit mendeteksi jalur simpang, makin sulit mengontrol efek inersiaStruktur/instalasi posisi sensor terhadap


Struktur/instalasi posisi sensor terhadap aktuator: isu penting

22

Kasus: Mata Kamera

Makin tinggi kecepatan, makin rendah kualitas citra yg ditangkap (dynamic noise) >> informasi


citra yg ditangkap (dynamic noise) >> informasi posisi tidak akuratDilemma: makin tinggi resolusi citra, makin lambat proses identifikasinya. Makin rendah resolusinya, makin tidak akurat hasil identifikasinya


identifikasinya.Isu penting: high speed camera

Metode: Model-Plan-ActEndra Pitowarno © 2007

Pemodelan

Baca Sensor

Lingkungan/ Environment ( d j

Perencanaan

Model

Plan


Action (aktuasi)

(Medan Kerja Robot)

Gerak Plan

Act

Gerak Aktuator

23



GOAL

START


PMID1 PC1


GOAL

START

24


PC1 PMID3

PMID1 PC3


GOAL

START PMID2

PC2


PC1 PMID3

PMID1 PC3


GOAL

START PMID2

PC2

PMID4 PC4

25


PC1 PMID3

PMID1 PC3


START PMID2

PC2

GOAL

PC4 PMID4

PC5


PC1 PMID3

PMID1 PC3

PMID4


GOAL

START PMID2

PC2 PC3

26


PC1 PMID3

PMID1 PC3


START PMID2

PC2

GOAL

PC4A PMID4A PC5

PMID4B


PC1 PMID3

PMID1 PC3


START PMID2

PC2

GOAL

PC4A PMID4A PC5

PMID4B

27

Pengendalian Berbasis Komputer


Komputer Sebagai Pengendali


28

Pengendali Berbasis Prosesor Mikro


Pengendali Berbasis Prosesor Mikro


29

Bentuk Robot Industri tipe REVOLUTE


Sistem Kendali Robot Industri


30


Tugino ST MT [email protected]/files/2012/07/7-Kontrol-Robot.pdfsensor)...

Documents

Transcript of Tugino ST MT [email protected]/files/2012/07/7-Kontrol-Robot.pdfsensor)...