Implementasi Perangkat Keras Govinda Rover Mark 2

Untuk memudahkan implementasi, modul pertama yang dipasang adalah modul catu daya yang terdiri dari sebuah baterai Li-Po 2 Cell, sub modul konverter tegangan 8,4V menjadi 5V dan sub modul konverter dari 5V menjadi 3,3V. Setelah modul catu daya siap, modul mekanik yang terdiri dari empat buah motor DC yang sudah dilengkapi dengan gearbox dan driver motor H-Bridge dapat mulai diintegrasikan dengan modul mikrokontroler yang terdiri dari sebuah development board Arduino Uno R3. Dilanjutkan dengan integrasi modul single-board computer yang terdiri dari Raspberry Pi B dan sub modul USB Wi-Fi adapter, sensor jarak ultrasonik, sensor suhu DS18B20 dan RTC.

Terakhir dilakukan pemasangan modul kepala yang terdiri dari dua buah motor servo, delapan buah LED putih super cerah, dua buah LED RGB untuk indikator sistem,  dua buah laser penunjuk masing-masing untuk jarak dekat dan jarak jauh dan sub modul kamera beresolusi tinggi. Setelah semua modul perangkat keras terintegrasi, selanjutnya masing-masing modul dapat diuji integritasnya dengan menggunakan software serial debugging seperti serial monitor dari Arduino IDE, Putty maupun Screen. Detail dari masing-masing pemasangan modul akan dijabarkan pada sub bab berikutnya.

Integrasi Modul Catu Daya

Papan modul catu daya membagi tegangan dari baterai utama menjadi tiga buah keluaran berbeda untuk mentenagai modul yang membutuhkan tegangan masing-masing 8,4V, 5V dan 3,3V. Modul ini juga menyediakan kontrol pada perangkat penerangan, laser penunjuk dan mode hemat daya melalui empat buah relai yang tiga diantaranya dapat dikontrol oleh modul mikrokontroler dan satu relai daya utama (R1) oleh modul single-board computer. Gambar 4.2 menampilkan skematik dari modul catu daya.

[[{"fid":"587","view_mode":"wysiwyg","fields":{"format":"wysiwyg","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Gambar 4.2 Skematik Modul Catu Daya","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Gambar 4.2 Skematik Modul Catu Daya"},"type":"media","attributes":{"alt":"Gambar 4.2 Skematik Modul Catu Daya","title":"Gambar 4.2 Skematik Modul Catu Daya","height":"333","width":"400","class":"media-element file-wysiwyg"},"link_text":null}]]

Gambar 4.2 Skematik Modul Catu Daya

Pada Gambar 4.2 mulai dari komponen nomer satu merupakan sebuah baterai Lithium Polymer (Li-Po) 2 cell dengan tegangan total 8,4V. Kabel dari baterai terhubung ke dua buah modul konverter untuk menurunkan tegangan, namun satu line di-bypass untuk mentenagai DC motor yang membutuhkan daya langsung dari baterai agar dapat bekerja maksimal, ­line ini ­dikontrol melalui relai R1. Kemudian nomer dua merupakan konverter DC-DC untuk mengkonversi tegangan DC turun menjadi 5V, satu konverter didedikasikan khusus untuk modul single-board computer dan satu lagi untuk peripheral (nomer 3).

Komponen nomer tiga merupakan konverter DC-DC untuk mentenagai peripheral yang membutuhkan tegangan 5V seperti modul sensor ultrasonik, relai, motor servo, modul mikrokontroler dan lainnya, line ini juga dikontrol melalui relai R1. Dari konverter ini selanjutnya diturunkan lagi tegangannya menjadi 3,3V melalui komponen nomer empat yang merupakan sebuah IC regulator daya 3,3V untuk memberikan suplai tegangan pada komponen penerangan, penunjuk dan lainnya.

Integrasi Modul Mekanik

Pada modul mekanik terdapat beberapa komponen diantaranya empat buah motor DC yang masing-masing telah dilengkapi dengan gearbox, satu driver motor H-Brigde dan bagian sasis sederhana yang terbuat dari plastik akrilik setebal 3mm. Gambar 4.3 menampilkan sasis yang digunakan pada purwarupa.

[[{"fid":"588","view_mode":"wysiwyg","fields":{"format":"wysiwyg","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Gambar 4.3 Sasis Purwarupa","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Gambar 4.3 Sasis Purwarupa"},"type":"media","attributes":{"alt":"Gambar 4.3 Sasis Purwarupa","title":"Gambar 4.3 Sasis Purwarupa","height":"203","width":"400","class":"media-element file-wysiwyg"},"link_text":null}]]

Gambar 4.3 Sasis Purwarupa

Sasis pada purwarupa pada Gambar 4.3 dibagi menjadi tiga bagian, pertama lempengan untuk bagian atas sekaligus tutup merupakan tempat untuk meletakan komponen servo bracket (1), adapter Wi-Fi (2), baterai (3) dan konverter DC-DC untuk single-board computer (K1). Lempengan untuk bagian bawah sebagai tempat modul mekanik yang terdiri dari empat buah DC motor gearbox (L1, L2, R1 dan R2), sensor ultrasonik HC-SR04 (4) yang dilipat ke atas, driver motor L298N, DC-DC koverter untuk peripheral (6), papan catu daya (7), modul real time clock (8), Raspberry Pi B (9), Arduino Uno (10) dan relai (11).

Pada modul kepala, sasis dibuat berbentuk segi lima dengan lobang pada bagian tengahnya, masing-masing untuk laser penunjuk jarak jauh (12), LED kiri (13), dan LED kanan (15). Masing-masing terdiri dari empat buah LED putih super cerah dibagian pinggir dan LED RGB dibagian tengah. Laser penunjuk jarak dekat (14), dan RaspiCam Camera module (16).

Untuk memudahkan pemasangan, komponen pertama yang dipasang pada sasis adalah DC motor gearbox dan driver motor. Kemudian antara DC motor gearbox dengan driver motor langsung dilakukan pengkabelan. Pada Gambar 4.4 dipaparkan cara pengkabelan antara empat buah DC gearbox dan driver motor yang digunakan pada purwarupa.

[[{"fid":"589","view_mode":"wysiwyg","fields":{"format":"wysiwyg","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Gambar 4.4 Skematik Pengkabelan Modul Mekanik","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Gambar 4.4 Skematik Pengkabelan Modul Mekanik"},"type":"media","attributes":{"alt":"Gambar 4.4 Skematik Pengkabelan Modul Mekanik","title":"Gambar 4.4 Skematik Pengkabelan Modul Mekanik","height":"220","width":"400","class":"media-element file-wysiwyg"},"link_text":null}]]

Gambar 4.4 Skematik Pengkabelan Modul Mekanik

Pada purwarupa robot bergerak menggunakan teknik H-Bridge, dimana untuk melakukan perubahan arah digunakan pengurangan PWM pada sisi kiri untuk miring ke kiri dan kanan untuk miring ke kanan, dan untuk memutar balik ke kanan dilakukan dengan memutar motor pada sisi kanan ke arah belakang, dan sebaliknya motor pada sisi kiri memutar ke depan. Begitupula untuk memutar balik ke kiri. Dengan demikian robot dapat bermanuver meskipun motor dipasang secara statik.

Sesuai dengan spesifikasi dari driver motor yang digunakan, pin kontrol pada driver mulai dari sbelah kiri merupakan pin untuk mengontrol PWM dari motor kiri, dan terhubung ke pin digital Arduino nomer 5, pin nomer 8 dan 9 merupakan pin kontrol untuk mengontrol arah putar motor kiri, apakah maju atau mundur, 10 dan 11 untuk motor kanan dan pin 6 untuk PWM motor kanan. Sedangkan untuk daya motor terhubung langsung ke baterai utama dengan tegangan 8,4V.

Integrasi Modul Mikrokontroler

Modul mikrokontroler yang dalam purwarupa ini menggunakan Arduino Uno R3 terhubung ke modul mekanik (driver motor), tiga buah relai untuk mengontrol komponen di modul kepala dan terhubung ke modul single-board computer (Raspberry Pi B) melalui USB Serial. Kabel USB yang digunakan untuk berkomunikasi dengan Raspberry Pi dimodifikasi untuk mengganti sumber daya yang digunakan oleh Arduino Uno. Sumber daya USB yang digunakan oleh Arduino tidak mengambil dari daya USB Raspberry Pi melainkan langsung dari papan catu daya 5V. Hal ini dilakukan dengan cara memotong sumber daya pada kabel USB (+5V dan GND) dan mengalihkannya ke papan catu daya, sementara tetap membiarkan kabel data (DATA+, dan DATA-) dari kabel USB terhubung ke Raspberry Pi.

Dengan demikian, maka dimungkinkan untuk mengontrol keseluruhan penggunaan daya pada modul mekanik, mikrokontroler, dan kepala melalui single-board computer untuk menghemat daya apabila fungsi dari modul tersebut sedang tidak diperlukan. Pada Gambar 4.5, ditampilkan skematik dari pengkabelan untuk modul mikrokontroler.

[[{"fid":"590","view_mode":"wysiwyg","fields":{"format":"wysiwyg","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Gambar 4.5 Skematik Pengkabelan Modul Mikrokontroler","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Gambar 4.5 Skematik Pengkabelan Modul Mikrokontroler"},"type":"media","attributes":{"alt":"Gambar 4.5 Skematik Pengkabelan Modul Mikrokontroler","title":"Gambar 4.5 Skematik Pengkabelan Modul Mikrokontroler","height":"238","width":"400","class":"media-element file-wysiwyg"},"link_text":null}]]

Gambar 4.5 Skematik Pengkabelan Modul Mikrokontroler

Pada skematik pengkabelan modul mikrokontroler, terlihat bahwa pin 2 terkoneksi ke relai untuk flash, pin 3 ke relai laser merah, pin 4 ke relai laser hijau, pin 5,6,8,9,10,11 untuk ­driver motor, diantaranya  5 ke PWM kiri, 6 ke PWM kanan, 8 untuk motor kiri maju, 9 motor kiri mundur, 10 motor kanan maju dan 11 motor kanan mundur. Pin GND pada Arduino terhubung ke common ground agar apabila daya masing-masing komponen terhubung ke catu daya yang berbeda, masing-masing komponen masih dapat berkomunikasi dengan baik. Untuk kabel USB dari Arduino ke Raspberry Pi seperti yang dijelaskan sebelumnya, antara data dengan daya dipisah dengan cara memotong kabel daya USB ke Raspberry Pi dan mengalihkannya langsung ke papan catu daya untuk mentenagai Arduino.

Integrasi Modul Single-board Computer

Untuk modul single-board computer yang komponen utamanya adalah sebuah Raspberry Pi tipe B memiliki beberapa komponen tambahan yang harus diintegrasikan dan mengacu pada daftar perangkat yang terverifikasi untuk Raspberry Pi (http://elinux.org/RPi_VerifiedPeripherals) diantaranya adapter Wi-Fi, modul sensor ultrasonik, sensor suhu digital DS18B20, dan modul real time clock untuk menyimpan data waktu ketika Raspberry Pi mati atau tidak terhubung ke Internet. Pada Gambar 4.6, dipaparkan pengkabelan untuk modul single-board computer.

[[{"fid":"591","view_mode":"wysiwyg","fields":{"format":"wysiwyg","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Gambar 4.6 Skematik Pengkabelan Modul Single-board Computer","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Gambar 4.6 Skematik Pengkabelan Modul Single-board Computer"},"type":"media","attributes":{"alt":"Gambar 4.6 Skematik Pengkabelan Modul Single-board Computer","title":"Gambar 4.6 Skematik Pengkabelan Modul Single-board Computer","height":"347","width":"400","class":"media-element file-wysiwyg"},"link_text":null}]]

Gambar 4.6 Skematik Pengkabelan Modul Single-board Computer

Pada skematik pengkabelan modul single-board computer mulai dari nomer satu merupakan Raspberry Pi tipe B, nomer dua adapter USB Wi-Fi yang dalam purwarupa menggunakan TP-Link TL-7200ND, nomer 3 merupakan sub modul RTC (DS1307) terhubung ke Raspberry Pi melalui komunikasi I2C pada pin SDA dan SCL masing-masing modul. Nomer 4 merupakan relai daya utama (R1) yang mengontrol nyala padam dari konverter DC-DC untuk peripheral dan driver motor melalui Raspberry Pi. Nomer 5 sebuah sensor suhu digital berjenis DS18b20 yang terhubung melalui SPI pada pin nomer 25 RPi GPIO dengan tambahan sebuah Pull-Up resistor bernilai 4,7KΩ yang terhubung pada pin data (tengah) dan pin +5V pada sensor. Dua pin lainnya adalah daya, diantaranya GND dan +5V yang terhubung ke pin daya pada GPIO Raspberry Pi.

Komponen nomer enam merupakan sebuah sensor ultrasonik untuk mengukur halangan dibelakang. Sensor ini pada purwarupa menggunakan jenis HC-SR04, memiliki empat buah pin, dua diantaranya untuk daya (GND dan +5V) yang diambil dari papan catu daya, dua pin berikutnya adalah pin TRIG & ECHO yang digunakan untuk mengirim sinyal suara ultrasonik dan menerima pantulannya untuk menghitung jarak halangan. Pin TRIG dari sensor terhubung ke pin 27 dan ECHO pada pin 22 dari GPIO Raspberry Pi. Diantara pin ECHO terdapat dua buah resistor yang digunakan sebagai logic converter atau penyesuai logika 5V dari sensor dan 3,3V pada Raspberry Pi. Terakhir modul ini menggunakan sebuah SD card class 10 berkapasitas 16GB untuk sistem operasi dan file.

Integrasi Modul Kepala

Modul kepala yang merupakan tempat dimana kamera serta bagian penerangan dan penunjuk diletakan pada purwarupa memiliki bentuk segi lima. Pada bagian bawah tengah sejajar keatas diletakan berurutan mulai kamera, laser penunjuk jarak dekat (merah), dan laser penunjuk jarak jauh (hijau). Kemudian pada bagian tengah kanan dan kiri diletakan satu buah LED RGB dan diapit empat buah LED putih super cerah. Skematik pengkabelan pada modul kepala dapat dilihat pada Gambar 4.7.

Pada Gambar 4.7, mulai dari nomer satu merupakan modul kamera RaspiCam v.1.3, modul ini terhubung ke slot CSI pada Raspberry Pi dengan kabel pita khusus berjenis CSI Cable. Pada pemasangannya, jarak dari modul kepala dengan slot tersebut harus diperhitungkan agar modul kepala dapat bergerak tanpa hambatan dan tidak merusak kabel.

Nomer dua dan nomer tiga merupakan LED penerangan dan RGB, pada purwarupa menggunakan delapan LED putih super cerah dan dua LED RGB sebagai indikator sistem. Masing-masing LED penerangan disambung secara paralel dengan catu daya 3,3V pada catu daya, dan untuk LED RGB juga diparalel, dengan urutan pin biru pada RPi GPIO 18, pin hijau 23 dan pin merah 24, namun dikarenakan masing-masing dioda LED membutuhkan tegangan berbeda, agar tidak merusak LED maka diperlukan resitor. Pada LED merah memerlukan resistor sebesar 330Ω, hijau 165Ω dan biru 110Ω.

[[{"fid":"592","view_mode":"wysiwyg","fields":{"format":"wysiwyg","field_file_image_alt_text[und][0][value]":"Gambar 4.7 Skematik Pengkabelan Modul Kepala","field_file_image_title_text[und][0][value]":"Gambar 4.7 Skematik Pengkabelan Modul Kepala"},"type":"media","attributes":{"alt":"Gambar 4.7 Skematik Pengkabelan Modul Kepala","title":"Gambar 4.7 Skematik Pengkabelan Modul Kepala","height":"281","width":"400","class":"media-element file-wysiwyg"},"link_text":null}]]

Gambar 4.7 Skematik Pengkabelan Modul Kepala

Nomer empat merupakan dioda laser merah untuk penunjuk jarak dekat, pada purwarupa menggunakan dioda yang telah dilengkapi internal resistor sehingga dapat bekerja langsung pada tegangan 5V. Nomer lima merupakan dioda laser hijau yang juga terhubung ke tegangan 5V pada catu daya. Nomer enam adalah servo untuk mengatur arah modul kepala secara horisontal dan nomer tujuh untuk vertikal, servo yang digunakan adalah standar mini servo dengan tegangan kerja 5V. Masing-masing servo memiliki tiga buah kabel diantaranya dua untuk daya (merah +5V dan hitam GND) dan satu kabel sebagai sinyal (kuning) yang mana untuk horisontal terhubung ke pin Arduino 12 dan vertikal ke pin 13.

Komponen nomer 8 adalah relai atau saklar untuk mengontrol nyala LED penerangan, nomer 9 untuk nyala laser merah dan 10 laser hijau. Pada purwarupa relai yang digunakan adalah relai standar yang ada banyak dipasaran. Relai ini memiliki tiga buah pin, dua untuk daya (5V dan GND) terhubung ke catu daya dan satu pin kontrol terhubung ke Arduino. Untuk relai LED penerangan (flash) dihubungkan ke Arduino pin 2, laser merah 3 dan hijau 4. Sama seperti saklar, masing-masing daya positif dari perangkat yang dikontrol oleh masing-masing relai dipotong dan dihubungkan terlebih dahulu ke relai sebelum ke catu daya, sehingga relai dapat memutus dan menyambung daya perangkat sesuai dengan perintah dari Arduino.