Eyebotic Robot Vision Line Tracking (line Follower) Berbasis Image Processing MATLAB

Pada postingan sebelumnya, kita telah membahas robot pengikut garis menggunakan sensor cahaya phototransistor. Maka pada pembahasan kali ini, kita akan membuat robot pengikut garis dengan metode image processing menggunakan webcam sebagai sensor garisnya. Prinsip robot pengikut garis menggunakan kamera ini sebenarnya sama dengan robot pengikut garis konvensional. Kamera akan mendeteksi perubahan garis hitam ketika garis hitam tersebut berbelok ke arah kiri atau kanan, perubahan posisi hitam yang terdeteksi itulah yang kemudian akan diproses oleh MATLAB komputer PC/laptop yang akan mengirimkan karakter tertentu pada robot, dan oleh mikrokontroler karakter tersebut akan diterjemahkan dalam bentuk kondisi gerak motor berupa maju ke depan, belok kiri, belok kanan ataupun diam yang akan membuat posisi robot senantiasa berada di tengah-tengah garis hitam.

Gambar 1. Ilustrasi robot vision line tracking dengan webcam

Berikut adalah metode yang digunakan dalam pembuatan robot line follower berbasis webcam, metode ini terinspirasi oleh Perpendu Kumar tahun 2012. Tahapan pertama adalah membuat program MATLAB untuk mendeteksi perubahan posisi garis berwarna hitam, dari program ini kemudian kita dapat mengkarakterisasi nilai ketika garis di tengah, belok kanan, atau belok kiri.

Gambar 2. Tahapan metode pembuatan robot pengikut garis

Dari data perubahan posisi garis hitam, tahapan selanjutnya adalah kita membuat program kontrol robot berupa karakter tertentu, ketika garis hitam di tengah-tengah robot maka akan dikirimkan karakter agar robot berjalan lurus kedepan, ketika garis hitam terdeteksi belok ke arah kiri, maka akan di kirimkan karakter agar robot belok ke arah kiri, begitupula ketika garis hitam terdeteksi belok ke arah kanan, maka akan dikirimkan karakter agar robot belok ke arah kanan. Tahapan selanjutnya adalah pembuatan hardware robot menggunakan mikrokontroler AT mega(8/16/32/8535) yang nantinya akan dihubungkan secara serial dengan PORT USB laptop untuk menterjemahkan karakter yang dikirimkan oleh MATLAB komputer PC/laptop. Berikut adalah tahapan proses pembuatan robot line follower berbasis webcam menggunakan metode image processing MATLAB.

Program Kalibrasi Deteksi Garis Hitam

vid=videoinput('winvideo',1,'YUY2_320x240');

set(vid,'TriggerRepeat',Inf);

vid.returnedcolorspace='rgb';

vid.FrameGrabInterval=2;

start(vid)

while(1)

data = getsnapshot(vid);

a=im2bw(data);

b=imresize(a,0.2);

c=1-b;

se=strel('disk',2);

d=imerode(c,se);

[stat num]=bwlabel(d);

r=regionprops(stat);

e=r.Centroid;

cy=e(1:2:end-1)

imshow(data)

end

stop(vid)

Output Program Kalibrasi

(a) Posisi garis hitam di tengah

(b) Posisi garis hitam belok kanan sedang

(c) Posisi garis hitam belok kanan curam

(d) Posisi garis hitam belok kiri sedang

(e) Posisi garis hitam belok kiri curam

Gambar 3. Kalibrasi garis hitam robot line tracer image processing

Dari hasil output program yang di tampilkan pada gambar 3. Diperoleh data deteksi perubahan posisi garis hitam sebagai berikut:

Tabel 1. Output hasil kalibrasi posisi garis hitam

No	Posisi Garis Hitam	Nilai Karakteristik Cy
1	Di Tengah	32.74
2	Belok Kanan Sedang	40.93
3	Belok Kanan Curam	50.93
4	Belok Kiri Sedang	23.12
5	Belok Kiri Curam	13.21

Program Logika Arah Belok Robot Line Tracer

Dari data Tabel 1, kita dapat membuat sebuah logika arah gerak robot pengikut garis agar senantiasa posisi robot berada di tengah-tengah garis hitam.

Tabel 2. Logika arah gerak robot pengikut garis

No	Posisi Garis Hitam	Nilai Karakteristik Cy
1	Belok Kanan Sedang	38 < Cy < 48
2	Belok Kanan Curam	Cy > 48
3	Belok Kiri Sedang	17 < Cy < 27
4	Belok Kiri Curam	Cy < 17
5	Maju ke Depan	27 < Cy < 38

Berikut adalah program lengkap untuk logika arah gerak robot line follower berbasis webcam.

% setting input video

vid=videoinput('winvideo',1,'YUY2_320x240');

set(vid,'TriggerRepeat',Inf);

vid.returnedcolorspace='rgb';

vid.FrameGrabInterval=2;

%memulai video

start(vid)

 

while(1)

data = getsnapshot(vid);

a=im2bw(data);

b=imresize(a,0.2);

c=1-b;

se=strel('disk',2);

d=imerode(c,se);

[stat num]=bwlabel(d);

r=regionprops(stat);

e=r.Centroid;

cy=e(1:2:end-1)

if cy>48

    disp('BELOK KANAN CURAM');

elseif cy>38 && cy<48

    disp('BELOK KANAN SEDANG');   

elseif cy<17

    disp('BELOK KIRI CURAM');

elseif cy>17 && cy<27

    disp('BELOK KIRI SEDANG');

else

    disp('MAJU LURUS KE DEPAN');

end

% menampilkan citra

imshow(data)

end

%menutup  video

stop(vid),delete(vid),clear vid;

Output Program Logika Arah Belok Robot Line Tracer

(a) Posisi bergerak maju lurus ke depan

(b) Posisi bergerak belok kanan sedang

(c) Posisi bergerak belok kanan curam

(d) Posisi bergerak belok kiri sedang

(e) Posisi bergerak belok kiri curam

Gambar 4. Output program logika belok robot line tracer

Program Matlab Robot Line Tracer Berbasis Webcam

% setting input video

vid=videoinput('winvideo',1,'YUY2_320x240');

set(vid,'TriggerRepeat',Inf);

vid.returnedcolorspace='rgb';

vid.FrameGrabInterval=2;

%memulai video

start(vid)

%komunikasi serial mikrokontroler dan komputer PC/laptop

s=serial('com21'); % com disesuaikan dengan yang tertera pd device manager

fopen(s);

while(1)

data = getsnapshot(vid);

a=im2bw(data);

b=imresize(a,0.2);

c=1-b;

se=strel('disk',2);

d=imerode(c,se);

[stat num]=bwlabel(d);

r=regionprops(stat);

e=r.Centroid;

cy=e(1:2:end-1);

if cy>48

    fwrite(s,'x');

    disp('BELOK KANAN CURAM');

elseif cy>38 && cy<48

    fwrite(s,'X');

    disp('BELOK KANAN SEDANG');   

elseif cy<17

    fwrite(s,'y');

    disp('BELOK KIRI CURAM');

elseif cy>17 && cy<27

    fwrite(s,'Y');   

    disp('BELOK KIRI SEDANG');

else

    fwrite(s,'Z')

    disp('MAJU LURUS KE DEPAN');

end

% menampilkan citra

imshow(data)

end

%menutup komunikasi serial dan menghentikan video

fclose(s);

stop(vid);

DESAIN PROTEUS ROBOT PENGIKUT GARIS

Gambar 5. Simulasi proteus robot kontrol PC

Untuk membuat sebuah robot yang dapat dikendalikan computer, maka perlu dibuat komunikasi serial antara robot (mikrokontroler) dengan sistem computer melalui IC MAX 232 dan PORT DB9. Dalam simulasi proteus, PORT DB9 dibuat virtualnya dengan nama COMPIM, sedangkan untuk menampilkan monitor computer digunakan VTERM. Pada Realitanya, penulis tidak menggunakan IC MAX 232 dan DB9 karena laptop keluaran terbaru sudah tidak dilengkapi lagi dengan PORT DB9 tetapi menggunakan komunikasi USB, karena itu dalam penelitian ini, penulis menggunakan DI-USB to TTL converter kit.

Program Code Vision AVR pada Mikrokontroler AVR Robot

Tabel berikut ini menunjukkan logika pada mikrokontroler untuk menterjemahkan perintah karakter yang dikirimkan oleh MATLAB komputer PC/laptop.

Tabel 3. Logika gerak pada mikrokontroler untuk menterjemahkan

karakter dari MATLAB

Karakter	D2	D3	D6	D7	Makna
x	0	1	1	0	Belok kanan cepat/curam
X	0	1	0	0	Belok kanan sedang
y	1	0	0	1	Belok kiri cepat/curam
Y	0	0	0	1	Belok kiri sedang
Z	0	1	0	1	Maju ke depan
M	1	0	1	0	Mundur ke belakang
o	0	0	0	0	Diam

/*****************************************************

This program was produced by the

CodeWizardAVR V2.05.0 Professional

Automatic Program Generator

© Copyright 1998-2010 Pavel Haiduc, HP InfoTech s.r.l.

http://www.hpinfotech.com

Project : Robot dengan Kontrol PC untuk Line Follower berbasis WebCam

Version : I

Date    : 11/12/2012

Author  : Mada Sanjaya WS, Ph.D

Company : Bolabot Techno Robotic School

Comments: "SEMANGAT!!!!"

Chip type               : ATmega16

Program type            : Application

AVR Core Clock frequency: 8.000000 MHz

Memory model            : Small

External RAM size       : 0

Data Stack size         : 256

*****************************************************/

#include <mega16.h>

#include <delay.h>

#ifndef RXB8

#define RXB8 1

#endif

#ifndef TXB8

#define TXB8 0

#endif

#ifndef UPE

#define UPE 2

#endif

#ifndef DOR

#define DOR 3

#endif

#ifndef FE

#define FE 4

#endif

#ifndef UDRE

#define UDRE 5

#endif

#ifndef RXC

#define RXC 7

#endif

#define FRAMING_ERROR (1<<FE)

#define PARITY_ERROR (1<<UPE)

#define DATA_OVERRUN (1<<DOR)

#define DATA_REGISTER_EMPTY (1<<UDRE)

#define RX_COMPLETE (1<<RXC)

// USART Receiver buffer

#define RX_BUFFER_SIZE 8

char rx_buffer[RX_BUFFER_SIZE];

#if RX_BUFFER_SIZE <= 256

unsigned char rx_wr_index,rx_rd_index,rx_counter;

#else

unsigned int rx_wr_index,rx_rd_index,rx_counter;

#endif

// This flag is set on USART Receiver buffer overflow

bit rx_buffer_overflow;

// USART Receiver interrupt service routine

interrupt [USART_RXC] void usart_rx_isr(void)

{

char status,data;

status=UCSRA;

data=UDR;

if ((status & (FRAMING_ERROR | PARITY_ERROR | DATA_OVERRUN))==0)

   {

   rx_buffer[rx_wr_index++]=data;

#if RX_BUFFER_SIZE == 256

   // special case for receiver buffer size=256

   if (++rx_counter == 0)

      {

#else

   if (rx_wr_index == RX_BUFFER_SIZE) rx_wr_index=0;

   if (++rx_counter == RX_BUFFER_SIZE)

      {

      rx_counter=0;

#endif

      rx_buffer_overflow=1;

      }

   }

}

#ifndef _DEBUG_TERMINAL_IO_

// Get a character from the USART Receiver buffer

#define _ALTERNATE_GETCHAR_

#pragma used+

char getchar(void)

{

char data;

while (rx_counter==0);

data=rx_buffer[rx_rd_index++];

#if RX_BUFFER_SIZE != 256

if (rx_rd_index == RX_BUFFER_SIZE) rx_rd_index=0;

#endif

#asm("cli")

--rx_counter;

#asm("sei")

return data;

}

#pragma used-

#endif

// USART Transmitter buffer

#define TX_BUFFER_SIZE 8

char tx_buffer[TX_BUFFER_SIZE];

#if TX_BUFFER_SIZE <= 256

unsigned char tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter;

#else

unsigned int tx_wr_index,tx_rd_index,tx_counter;

#endif

// USART Transmitter interrupt service routine

interrupt [USART_TXC] void usart_tx_isr(void)

{

if (tx_counter)

   {

   --tx_counter;

   UDR=tx_buffer[tx_rd_index++];

#if TX_BUFFER_SIZE != 256

   if (tx_rd_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_rd_index=0;

#endif

   }

}

#ifndef _DEBUG_TERMINAL_IO_

// Write a character to the USART Transmitter buffer

#define _ALTERNATE_PUTCHAR_

#pragma used+

void putchar(char c)

{

while (tx_counter == TX_BUFFER_SIZE);

#asm("cli")

if (tx_counter || ((UCSRA & DATA_REGISTER_EMPTY)==0))

   {

   tx_buffer[tx_wr_index++]=c;

#if TX_BUFFER_SIZE != 256

   if (tx_wr_index == TX_BUFFER_SIZE) tx_wr_index=0;

#endif

   ++tx_counter;

   }

else

   UDR=c;

#asm("sei")

}

#pragma used-

#endif

// Standard Input/Output functions

#include <stdio.h>

// Declare your global variables here

void main(void)

{

// Declare your local variables here

// Input/Output Ports initialization

// Port A initialization

// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In

// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T

PORTA=0x00;

DDRA=0x00;

// Port B initialization

// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In

// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T

PORTB=0x00;

DDRB=0x00;

// Port C initialization

// Func7=In Func6=In Func5=In Func4=In Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In

// State7=T State6=T State5=T State4=T State3=T State2=T State1=T State0=T

PORTC=0x00;

DDRC=0x00;

// Port D initialization

// Func7=In Func6=In Func5=Out Func4=Out Func3=In Func2=In Func1=In Func0=In

// State7=T State6=T State5=0 State4=0 State3=T State2=T State1=T State0=T

PORTD=0x00;

DDRD=0x30;

// Timer/Counter 0 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer 0 Stopped

// Mode: Normal top=0xFF

// OC0 output: Disconnected

TCCR0=0x00;

TCNT0=0x00;

OCR0=0x00;

// Timer/Counter 1 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: 7.813 kHz

// Mode: Fast PWM top=0x00FF

// OC1A output: Non-Inv.

// OC1B output: Non-Inv.

// Noise Canceler: Off

// Input Capture on Falling Edge

// Timer1 Overflow Interrupt: Off

// Input Capture Interrupt: Off

// Compare A Match Interrupt: Off

// Compare B Match Interrupt: Off

TCCR1A=0xA1;

TCCR1B=0x0D;

TCNT1H=0x00;

TCNT1L=0x00;

ICR1H=0x00;

ICR1L=0x00;

OCR1AH=0x00;

OCR1AL=0x00;

OCR1BH=0x00;

OCR1BL=0x00;

// Timer/Counter 2 initialization

// Clock source: System Clock

// Clock value: Timer2 Stopped

// Mode: Normal top=0xFF

// OC2 output: Disconnected

ASSR=0x00;

TCCR2=0x00;

TCNT2=0x00;

OCR2=0x00;

// External Interrupt(s) initialization

// INT0: Off

// INT1: Off

// INT2: Off

MCUCR=0x00;

MCUCSR=0x00;

// Timer(s)/Counter(s) Interrupt(s) initialization

TIMSK=0x00;

// USART initialization

// Communication Parameters: 8 Data, 1 Stop, No Parity

// USART Receiver: On

// USART Transmitter: On

// USART Mode: Asynchronous

// USART Baud Rate: 9600

UCSRA=0x00;

UCSRB=0xD8;

UCSRC=0x86;

UBRRH=0x00;

UBRRL=0x33;

// Analog Comparator initialization

// Analog Comparator: Off

// Analog Comparator Input Capture by Timer/Counter 1: Off

ACSR=0x80;

SFIOR=0x00;

// ADC initialization

// ADC disabled

ADCSRA=0x00;

// SPI initialization

// SPI disabled

SPCR=0x00;

// TWI initialization

// TWI disabled

TWCR=0x00;

// Global enable interrupts

#asm("sei")

printf("WELCOME TO BOLABOT");//menampilkan karakter di PC

//definisikan output untuk motor dc

//motor kiri

DDRD.2=1;

DDRD.3=1;

//motor kanan

DDRD.6=1;

DDRD.7=1;

//kondisi awal

PORTD.2=0;

PORTD.3=0;

PORTD.6=0;

PORTD.7=0;

//PWM motor dc

OCR1A=200;

OCR1B=200;

while (1)

      {

if (getchar()=='X')  //belok kanan sedang

{

PORTD.2=0;

PORTD.3=1;

PORTD.6=0;

PORTD.7=0;

printf("\n BELOK KANAN SEDANG");

}

else if (getchar()=='x')  //belok kanan curam

{

PORTD.2=0;

PORTD.3=1;

PORTD.6=1;

PORTD.7=0;

printf("\n BELOK KANAN CURAM");

}

else if (getchar()=='Y')  //belok kiri sedang

{

PORTD.2=0;

PORTD.3=0;

PORTD.6=0;

PORTD.7=1;

printf("\n BELOK KIRI SEDANG");

}

else if (getchar()=='y')  //belok kiri curam

{

PORTD.2=1;

PORTD.3=0;

PORTD.6=0;

PORTD.7=1;

printf("\n BELOK KIRI CURAM");

}

else if (getchar()=='M')  //mundur

{

PORTD.2=1;

PORTD.3=0;

PORTD.6=1;

PORTD.7=0;

printf("\n BERGERAK MUNDUR");

}

else if (getchar()=='Z')  //maju

{

PORTD.2=0;

PORTD.3=1;

PORTD.6=0;

PORTD.7=1;

printf("\n BERGERAK MAJU");

}

else

{

PORTD.2=0;

PORTD.3=0;

PORTD.6=0;

PORTD.7=0;

printf("\n ROBOT DIAM");

}

      }

}

Simulasi Proteus Output Program:

Gambar 6. Simulasi proteus robot kontrole komputer

Berikut adalah realisasi robot vision line tracking webcam berbasis image processing MATLAB

Gambar 7. Realisasi robot vision line tracking BOLABOT

Demikian penjelasan pembuatan robot line tracking webcam menggunakan image processing MATLAB yang telah dibuat oleh Profesor Bolabot.

Copyright @ 2013 Mada Sanjaya WS, Ph.D (Profesor Bolabot)