BAB III PERANCANGAN ALAT

Transkripsi

1 BAB III PERANCANGAN ALAT Bab ini akan menjelaskan tentang perancangan, gambaran sistem serta realisasi perangkat keras maupun perangkat lunak yang digunakan pada tongkat tunanetra Gambaran Alat Alat yang akan direalisasikan dalam skripsi ini adalah tongkat tunanetra yang dapat mendeteksi adanya penghalang, lubang dan disertai dengan navigasi yang dapat membantu orang tunanetra untuk mencapai tujuannya. Blok diagram keseluruhan sistem dari alat ini dapat dilihat pada gambar 3.1. Gambar 3.1 Blok Diagram Tongkat Tunanetra Dari blok diagram dapat dilihat mikrokontroler sebagai pengendali utama yang mana berfungsi sebagai pengolah data mentah dari modul GPS, sensor akselerometer, sensor ultrasonik dan LCD. Modul dan sensor tersebut mendapatkan sumber tegangan 5V dari mikrokontroler sedangkan modul suara mendapatkan sumber tenaga 3,3V dari mikrokontroler dan mikrokontroler mendapatkan catu daya dari powerbank 5V. 15

2 3.2. Pembuatan Mekanik Tongkat Tunanetra Mekanik tongkat tunanetra ini memiliki beberapa bagian yaitu untuk pengguna (tunanetra), user interface untuk operator ( orang normal yang membantu menyimpan tujuan ), mekanik untuk pendeteksi penghalang dan lubang. Adapun realisasi pembuatan tongkat tunanetra ini ditunjukkan oleh Gambar Gambar 3.2. Tombol Pengguna Gambar 3.3. User Interface Operator 16

3 Gambar 3.4. Pendeteksi Penghalang Dan Lubang Gambar 3.5. Mekanik Tongkat Keseluruhan 3.3. Modul Elektronik Tongkat Tunanetra Pada perancangan tongkat tunanetra ini terdiri dari beberapa modul elektronik yaitu sensor ultrasonik SRF05, sensor akselerometer ADXL345, GPS dengan Itead Arduino GPS NEO-6, beberapa tombol dan saklar. 17

4 Sensor Jarak SRF05 Pada skripsi ini menggunakan 2 sensor jarak SRF05 yaitu sebagai pendeteksi penghalang dan lubang. Pemasangan SRF05 pada tongkat tunanetra ini dapat dilihat pada Gambar 3.4. Untuk pendeteksi penghalang diletakkan 20cm dari bawah tongkat dan untuk pendeteksi lubang diletakkan di akrilik yang terhubung dengan tongkat sejauh 30cm dari bawah dan 30cm ke depan tongkat Pendeteksi Penghalang Pendeteksi penghalang dibatasi dengan jarak maksimal pengukuran jarak sejauh 200 cm, dan untuk mengukur adanya penghalang dibatasi jarak sejauh 150 cm. Jika penghalang berada di jarak < 150 cm maka akan terdeteksi sebagai penghalang, dan apabila penghalang berada > 150 cm maka tidak ada penghalang yang terdeteksi. Jika penghalang berada > 200 cm maka sensor akan membaca 0 cm dan tidak ada penghalang yang terdeteksi. Pada sensor jarak untuk pendeteksi lubang juga diberi jarak sejauh >10cm dari permukaan tanah, maka sensor tersebut akan berfungsi sebagai pendeteksi penghalang juga. Untuk keterangan selanjutnya dijelaskan pada ilustrasi Gambar 3.6. Gambar 3.6. Ilustrasi Pendeteksi Penghalang 18

5 Pendeteksi Lubang Untuk pendeteksi lubang dibatasi dengan jarak maksimal pengukuran jarak sejauh 200 cm, dan untuk mengukur adanya lubang dibatasi jarak sejauh 40 cm. Jika ada lubang dengan kedalaman < 40 cm maka tidak terdeteksi adanya lubang, dan apabila ada lubang di kedalaman > 40 cm maka akan terdeteksi adanya lubang. Untuk keterangan selanjutnya dijelaskan pada ilustrasi Gambar 3.7. Gambar 3.7. Ilustrasi Pendeteksi Lubang Sensor Akselerometer ADXL345 Pada skripsi ini terdapat sensor akselerometer ADXL345 yang berfungsi untuk mengukur sudut kemiringan tongkat. Hal ini dikarenakan tongkat yang dipegang tunanetra akan diayun kedepan ataupun kebelakang. Dari ayunan tersebut akan membentuk sudut yang membuat tongkat menjadi miring dan akan mengganggu kerja dari sensor ultrasonik. Salah satu cara untuk mendapatkan data kemiringan sudut adalah dengan mengolah data percepatan gravitasi pada ketiga sumbu sekaligus. Gambar 3.8. berikut menunjukkan kemiringan sudut dari sensor akselerometer. 19

6 Gambar 3.8. Berbagai Posisi Kemiringan Sudut Dari Sensor Akselerometer Kemiringan sudut, ψ, dan dapat dihitung dengan mengolah data percepatan gravitasi pada ketiga sumbu dengan menggunakan rumus sebagai berikut [12]: θ = tan 1 ( A Y,Out A X,Out A Z,Out ) (3.1) ψ = tan 1 ( A X,Out A Y,OUT A Z,Out ) (3.2) Φ = tan 1 ( 2 2 A X,Out + A Y,Out A Z,Out ) (3.3) Di mana: AX, Out : percepatan gravitasi pada sumbu X. AY, Out : percepatan gravitasi pada sumbu Y. AZ, Out : percepatan gravitasi pada sumbu Z. : sudut antara horizontal sensor dengan sumbu X. : sudut antara horizontal sensor dengan sumbu Y. : sudut antara vektor gravitasi dengan sumbu Z. 20

7 Pada skripsi ini akan digunakan kemiringan sudut saja sebagai acuan kemiringan sudut dari tongkat tunanetra ini. Karena posisi sumbu x akselerometer diatur sesuai perubahan sudut dari tongkat tunanetra tersebut. Sebelum dapat digunakan untuk mengukur kemiringan sudut, terlebih dahulu diuji apakah sensitivitas akselerometer digital sama untuk setiap sumbu x, y, dan z. Hal ini penting karena untuk mendapatkan data kemiringan sudut yang akurat dengan menggunakan rumus sebelumnya, sensitivitas sensor pada setiap sumbu harus sama atau tidak memiliki selisih yang jauh. Setelah dilakukan pengujian ternyata ditemukan bahwa sensitifitas setiap sumbu tidak sama. Jika tidak sama, maka diperlukan kalibrasi untuk menyamakan data setiap sumbu. Berikut adalah persamaan kalibrasinya: X s = (A X,Max A X,Min ) 2 X Off = (A X,Max X S ) A X,Cal = (A X,Out X Off ) X S (3. 4) (3. 5) (3. 6) Y s = (A Y,Max A Y,Min ) 2 Y Off = (A Y,Max Y S ) A Y,Cal = (A Y,Out Y Off ) Y S Z s = (A Z,Max A Z,Min ) 2 Z Off = (A Z,Max Z S ) A Z,Cal = (A Z,Out Z Off ) Z S (3. 7) (3. 8) (3. 9) (3. 10) (3. 11) (3. 12) 21

8 Dengan: X s : sensitivitas sumbu X akselerometer. X Off : offset sumbu X akselerometer. A X,Max : percepatan gravitasi maksimum pada sumbu X positif (LSB). A X,Min : percepatan gravitasi minimum pada sumbu X negatif (LSB). A X,Out : percepatan gravitasi pada sumbu X (LSB). A X,Cal : percepatan gravitasi sumbu X terkalibrasi (dalam g). Y s : Sensitifitas sumbu Y akselerometer. Y Off : Offset sumbu Y akselerometer. A Y,Max : percepatan gravitasi maksimum pada sumbu Y positif (LSB). A Y,Min : percepatan gravitasi minimum pada sumbu Y negatif (LSB). A Y,Out : percepatan gravitasi pada sumbu Y (LSB). A X,Cal : percepatan gravitasi sumbu Y terkalibrasi (dalam g). Z s : sensitifitas sumbu Z akselerometer. Z Off : offset sumbu Z akselerometer. A Z,Max : percepatan gravitasi maksimum pada sumbu Z positif (LSB). A Z,Min : percepatan gravitasi minimum pada sumbu Z negatif (LSB). A Z,Out : percepatan gravitasi pada sumbu Z (LSB). A Z,Cal : percepatan gravitasi sumbu Z terkalibrasi (dalam g) Sistem Navigasi dengan Itead Arduino GPS NEO-6 Antenna Include Pada skripsi ini menggunakan sistem navigasi sebagai petunjuk untuk mengarahkan tunanetra sampai tujuan. Untuk navigasi, tongkat ini menggunakan modul GPS arduino NEO-6 antenna include. Modul GPS ini memiliki keakuratan yang cukup baik yaitu 2,5 3 meter. Pada sistem navigasi ini membutuhkan bantuan orang lain ( orang normal ) sebagai operator untuk menyimpan tujuan-tujuan yang ingin di tuju oleh tunanetra. Untuk membuat tujuan, operator harus menyimpan beberapa check point. Check point sendiri didapat dengan menyimpan yang didapat dari GPS. Adapun syarat-syarat yang harus diperhatikan operator untuk membuat Check point adalah : 22

9 Jarak untuk menyimpan antar Check point harus lebih dari 3 meter. Di setiap belokan/tikungan harus diberi Check point. Untuk 1 tujuan tidak dapat menyimpan lebih dari 5 titik/check point. Antar Check point harus lurus, agar tunanetra tidak keluar jalur. Pada navigasi terdapat arah untuk mengarahkan tunanetra apabila salah jalan dan sistem navigasi ini juga dapat memberikan jarak antara tunanetra dengan tujuan yang akan dituju Navigasi Arah Untuk mendapatkan arah pada navigasi digunakan logika pengurangan lintang dan pengurangan bujur. Lintang = lintang Check point lintang sekarang Bujur = bujur Check point bujur sekarang Dari hasil pengurangan lintang akan didapat Check point selanjutnya ada di utara apabila lintang bernilai positif dan selatan apabila lintang bernilai negatif. Begitu juga dengan pengurangan bujur akan didapat Check point selanjutnya ada di timur apabila bujur bernilai positif dan barat apabila bujur bernilai negatif. Karena dalam 1 koordinat terdiri dari lintang dan bujur maka sebagai berikut: Lintang ( + ) dan Bujur ( + ) arahnya adalah Timur Laut. Lintang ( + ) dan Bujur ( - ) arahnya adalah Barat Laut. Lintang ( - ) dan Bujur ( + ) arahnya adalah Tenggara. Lintang ( - ) dan Bujur ( - ) arahnya adalah Barat Daya Navigasi Jarak Untuk mendapatkan jarak antara tunanetra dengan tujuan dapat dianalogikan sebagai jarak dua titik pada bola, di mana bumi dianalogikan seperti sebuah bola berbentuk benar-benar bulat. Persamaan umum untuk mencari jarak dua titik pada bola disebut persamaan haversin yaitu sebagai berikut [13]: 23

10 d = 2r arcsin ( sin 2 ( ) + cos( 1 ) cos( 2 ) sin 2 ( λ 2 λ 1 )) (3.13) 2 Di mana : d : jarak perpindahan ( meter ) ϕ 1, ϕ 2 : lintang titik 1 dan lintang titik 2 λ 1, λ 2 : bujur titik 1 dan bujur titik 2 r : jari-jari bumi ( 6.335,439 km ) Persamaan ini didapatkan dari pendekatan bahwa bumi bener-benar bulat padahal pada kenyataannya bumi berbentuk elips lingkar bumi pada garis katulistiwa bernilai ( 6.335,439 km) berbeda pada lingkar kutub bernilai ( 6.399,594 km) jadi rumus haversine dan hukum cosinus tidak bisa dijamin benar untuk lebih dari 0,5% Tombol Limit Switch, Push Button Dan Saklar Geser Pada skripsi ini terdapat 2 bagian tombol dan saklar yang akan digunakan yaitu untuk pengguna ( tunanetra ) dan operator. Tombol yang digunakan oleh pengguna adalah 3 tombol push button yang berfungsi untuk memilih tujuan yang diinginkan ( tombol next ), tombol pilih ( tombol select ) untuk masuk ke tujuan yang dipilih, dan tombol jarak untuk memberitahukan jarak antara tunanetra dan tujuan. Juga terdapat 1 saklar geser yang berfungsi untuk pengguna ingin menggunakan GPS atau sebaliknya ( dapat dilihat pada gambar 3.2 ). Tombol yang digunakan oleh operator adalah 5 tombol limit switch yang berfungsi untuk menambah tujuan ( tombol up ), menghapus tujuan ( tombol down ), kembali ke menu awal ( tombol back ), tombol untuk memilih ( tombol select ), dan tombol menyimpan Check point ( tombol save ). Juga terdapat 1 saklar geser yang berfungsi untuk memilih tongkat ini dipergunakan untuk operator atau untuk pengguna ( dapat dilihat pada gambar 3.3 ). 24

11 Mikrontroler dengan Arduino Mega 2560 Pada skripsi ini menggunakan mikrokontroler untuk mengolah data dari modul dan sensor-sensor yang ada. Mikrokontroler yang digunakan pada skripsi ini adalah arduino mega Arduino Mega 2560 adalah board Arduino yang merupakan perbaikan dari board Arduino Mega sebelumnya. Arduino Mega awalnya memakai chip ATmega1280 dan kemudian diganti dengan chip ATmega2560, oleh karena itu namanya diganti menjadi Arduino Mega 2560.Berikut spesifikasi Arduino Mega 2560 [ 14 ]: Microcontroller: ATmega2560 Operating Voltage: 5V Input Voltage (recommended): 7-12V Input Voltage (limits): 6-20V Digital I/O Pins: 54 (of which 14 provide PWM output) Analog Input Pins: 16 DC Current per I/O Pin: 40 ma DC Current for 3.3V Pin: 50 ma Flash Memory: 256 KB of which 8 KB used by bootloader SRAM: 8 KB EEPROM: 4 KB Clock Speed: 16 MHz Gambar 3.9. Board Arduino Mega

12 Gambar Skema Perancangan Mikrokontroler Arduino Mega

13 Tabel 3.1. Konfigurasi Penggunaan Pin Arduino Mega 2560 Nama Pin Pin A0 Pin A1 Pin 12 Pin 11 Pin 44 Pin 42 Pin 39 Pin 41 Pin 43 Pin 45 Pin 25 Pin 29 Pin 40 Pin 24 Pin 23 Pin 50 Pin 51 Pin 52 Pin 53 Pin 27 Pin 20 Pin 21 Pin 46 Pin 47 Pin 48 Pin 49 Fungsi Triger SRF05 penghalang Echo SRF05 penghalang Triger SRF05 lubang Echo SRF05 lubang RS LCD 20x4 EN LCD 20x4 D7 LCD 20x4 D6 LCD 20x4 D5 LCD 20x4 D4 LCD 20x4 Tombol pilih tujuan pengguna Tombol select pengguna Tombol jarak pengguna Saklar gps/tanpa gps pengguna Tombol save operator Tombol up operator Tombol down operator Tombol select operator Tombol back operator Saklar memilih pengguna/operator SDA ADXL345 SCL ADXL345 P04 WTV020 Reset WTV020 P06 WTV020 P05 WTV020 Untuk GPS sudah sesuai dengan arduino mega 2560 ( compatible dengan arduino mega ) 27

14 Gambar Realisasi Modul elektronik WTV020SD Pada skripsi ini membutuhkan keluaran berupa suara, dan suara tersebut disimpan dalam sebuah memory card. Untuk mengeluarkan suara dan menyimpannya, digunakan modul suara WTV020SD yang telah dilengkapi dengan micro sd ( dapat dilihat pada gambar 2.9). Suara yang disimpan dalam memori harus dalam bentuk file AD4. Adapun langkah-langkah untuk menyimpan suara sebagai berikut: Suara yang telah direkam dalam bentuk file m4a, dan diubah terlebih dahulu dalam bentuk wav. Selanjutnya file tersebut dikonversi dengan cara menjadikan suara tersebut menjadi mono dengan aplikasi Audacity. 28

15 Gambar Aplikasi Audacity Selanjutnya file tersebut diubah lagi kedalam file AD4 menggunakan aplikasi AD4 converter. Gambar Aplikasi AD4 Converter 29

16 Tabel 3.2. Tabel Daftar Suara No Suara 1 Ada penghalang 2 Ada lubang 3 Ke kiri 4 Ke kanan 5 Sudah sampai 6 Sudah sampai check point 7 Balik arah 8 Satu 9 Dua 10 Tiga 11 Empat 12 Lima 13 Enam 14 Tujuh 15 Delapan 16 Sembilan 17 Sepuluh 18 Sebelas 19 Belas 20 Puluh 21 Meter 22 Seratus 23 Tujuan 24 Balik arah 25 Ratus 30

17 3.4. Perangkat Lunak Tongkat Tunanetra Cara kerja program untuk operator dan tunanetra dijelaskan pada gambar diagram alir 3.14, 3.15, 3.16 dan 3.17 di bawah ini: Gambar Diagram Alir Perancangan Lunak untuk Operator 31

18 Gambar Diagram Alir Perancangan Lunak untuk Tunanetra Gambar Diagram Alir Perancangan Lunak Tunanetra Saat Memilih Mendeteksi Penghalang dan Lubang 32

19 Gambar Diagram Alir Perancangan Lunak Tunanetra Saat Memilih Mendeteksi Penghalang, Lubang Dan Menggunakan GPS 33

20 Penjelasan Diagram Alir untuk Operator Gambar 3.14 merupakan diagram alir untuk operator yaitu orang yang dapat melakukan penyimpanan jalur, menambah tujuan dan menghapus tujuan. Pada saat ON dihidupkan maka tongkat memiliki mode berupa saklar yang berfungsi untuk mode operator atau langsung pakai. Pada saat memilih mode operator maka akan terdapat pilihan untuk menambah tujuan dan menghapus tujuan. Jika memilih menambah tujuan maka operator akan melakukan prosedur pengisian jalur yang baru. Prosedur tersebut akan menggunakan GPS yang meng-update koordinat sekarang. Operator memiliki tombol save untuk menyimpan jalur. Apabila tidak menyimpan jalur maka GPS akan terus meng-update koordinat, dan apabila ingin menyimpan jalur maka operator akan menekan tombol save untuk menyimpan jalur atau koordinat sebagai check point. Jika operator memilih menghapus jalur maka akan terdapat pilihan tujuan yang ada, setelah operator memilih tujuan yang ingin dihapus. Apabila operator ingin menghapus tujuan lagi maka akan kembali pilihan tujuan yang tersisa, jika tidak ingin menghapus tujuan maka akan kembali ke tampilan menu Penjelasan Diagram Alir untuk Tunanetra Gambar 3.15, 3.16 dan 3.17 merupakan diagram alir untuk tunanetra. Ketika ON maka mode yang dipilih oleh tunanetra adalah langsung pakai. Setelah mode langsung pakai dipilih pengguna tongkat ( tunanetra ) memiliki tombol GPS yang berarti pengguna bisa memilih ingin menggunakan GPS atau tidak. Jika tidak menggunakan GPS maka sensor akselerometer akan mengukur sudut tongkat sebagai acuan sensor ultrasonik melakukan pengukuran. Apabila sudut berubah atau tidak sesuai dengan yang ditentukan maka akan terdapat notifikasi suara posisi tongkat tidak benar. Jika sudut benar maka sensor ultrasonik akan melakukan pengukuran untuk mengukur apakah ada penghalang atau lubang. Jika tidak ada penghalang atau lubang maka akan kembali mendeteksi penghalang atau lubang. Apabila ada penghalang ataupun lubang maka akan diberi notifikasi berupa suara. Apabila pengguna tongkat ( tunanetra ) menekan tombol GPS maka sistem tetap akan melakukan pengukuran seperti tanpa GPS dan memiliki navigasi atau jalur yang telah disimpan oleh operator. Pengguna dapat memilih beberapa tujuan yang telah disimpan. Setalah memilih tujuan sistem akan mengecek koordinat sekarang apakah 34

21 sudah ditujuan atau tidak. Jika sudah ditujuan maka akan ada notifikasi kalau sudah ditujuan. Apabila tidak maka GPS akan mengecek check point selanjutnya. Jika belum sampai check point yang di tuju, maka akan kembali mengecek check point dituju. Jika telah sampai di check point yang dituju maka akan ada notifikasi kalau telah di check point tersebut. Dan GPS akan mengecek apakah check point tersebut adalah tujuan terakhir, jika tidak akan kembali mengecek check point yang selanjutnya, jika ya maka akan mengeluarkan notifikasi bahwa telah sampai ditujuan. Terdapat tombol jarak apabila pengguna ( tunanetra ) ingin mengetahui jaraknya dengan tujuan, maka akan keluar notifikasi suara berupa jarak dalam satuan meter. 35