-
8/19/2019 Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
1/12
Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
Berbasis Mikrokontroler Atmega 32
I. PENDAHULUANI.1 Latar Belakang
IMU (Inertial Measurement Unit) merupakan suatu unit dalam modul elektronik ang
mengumpulkan data ke!epatan angular dan akselerasi linear ang kemudian dikirim ke "PU
("entral Pro!essing Unit) untuk mendapatkan data ke#eradaan dan pergerakan suatu #enda. IMU
terdiri dari kom#inasi a!!elerometer (sensor per!epatan) dan gros!ope(sensor ke!epatan angular).
A!!elerometer digunakan untuk mengukur per!epatan suatu #enda dan gros!ope digunakan untuk
mengukur ke!epatan rotasi dari suatu #enda. $aat ini pengem#angan sensor IMU untuk mengola%
data dengan menggunakan mikrokontroler tela% #anak dilakukan. Untuk memperole% kualitas data
masukan ang #aik perlu digunakan &ilter digital untuk mengurangi noise dari keluaran sensor. Akan
tetapi' karena keter#atasan mikrokontroler #it ang digunakan' maka perlu diper%atikan algoritma
&iltering ang tepat dan tidak memerlukan aktu pemrosesan ang terlalu lama agar dapat
meng%asilkan data ang optimal. *ilter eksponensial dan &ilter +alman merupakan pili%an ang sering
digunakan untuk proses digital &iltering terutama pada kondisi dimana noise !ukup dominan. *ilter
+alman tela% #anak diaplikasikan untuk prediksi %asil per%itungan koordinat orientasi gerak dinamik
dari sensor IMU' demikian pula dengan &ilter eksponensial' se#a# selain tidak memerlukan proses
ang rumit ,uga le#i% optimal #ila di#andingkan dengan &ilter digital ang lain' karena dalam &ilter
eksponensial %ana dengan mengu#a% parameter eksponensial dapat digunakan untuk &iltering dalam
#er#agai respon.
I.- u,uan
u,uan dari penelitian ini adala% meran!ang dan mem#uat sistem instrumentasi a!!elerometer
se#agai sala% satu komponen IMU untuk mendeteksi posisi/,arak dengan menggunakan
mikrokontroler Amega 0- ang kemudian akan diisualisasikan se!ara 0D dengan menggunakan
isual " 2.
I.0 Pem#atasan Masala%
Dalam penelitian ini penulis mem#atasi permasala%an se#agai #erikut 3
1. $ensor a!!elerometer ang digunakan memiliki 0 dera,at ke#e#asan.
-. Pem#uatan sistem instrumentasi untuk menerapkan sensor a!!elerometer se#agai pendeteksi ,arak/posisi.
-
8/19/2019 Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
2/12
0. Dalam pengu,ian sistem pendeteksi ,arak ini %ana digunakan untuk ara% sum#u negati&.
4. Pada pengu,ian dilakukan 0 sum#u se!ara #ersamaan.
5. 6ange per!epatan ang digunakan se#esar 1'5 g sampai 7 g.
7. $istem isualisasi 0D ang digunakan adala% komputer dengan #antuan #a%asa pemrograman
8isual " 2.
9. Mikrokontroler ang digunakan adala% Amega 0-dengan pemrograman "ode 8ision A86
menggunakan #a%asa ".
. AD" ang digunakan adala% AD" internal #it mikrokontroler Amega 0-.
II. DA$A6 E:6I
-.1 A!!elerometer MMA9-7;<
A!!elerometer adala% alat ang digunakan untuk mengukur per!epatan' mendeteksi dan
mengukur getaran (i#rasi)' dan mengukur per!epatan aki#at graitasi (inklinasi). A!!elerometer
dapat digunakan untuk mengukurgetaran pada mo#il' mesin' #angunan' dan instalasi pengamanan.
A!!elerometer ,uga dapat diaplikasikan pada pengukuran aktiitas gempa #umi dan peralatan=
peralatan elektronik' seperti permainan 0 dimensi' mouse komputer' dan telepon. Untuk aplikasi
ang le#i% lan,ut' sensor ini #anak digunakan untuk keperluan naigasi.Per!epatan merupakan suatukeadaan #eru#a%na ke!epatan ter%adap aktu. Bertam#a%na suatu ke!epatan dalam suatu rentang
aktu dise#ut per!epatan (a!!eleration). Namun ,ika ke!epatan semakin #erkurang daripada
ke!epatan se#elumna' dise#ut perlam#atan (de!eleration). Per!epatan ,uga #ergantung pada
ara%/orientasi karena merupakan penurunan ke!epatan ang merupakan #esaran ektor. Beru#a%na
ara% pergerakan suatu #enda akan menim#ulkan per!epatan pula. Untuk memperole% data ,arak dari
sensor a!!elerometer' diperlukan proses integral ganda ter%adap keluaran sensor.
Proses peng%itungan ini dipengaru%i ole% aktu !uplik data' se%ingga ,eda aktu !uplik data
(dt) %arus selalu konstan dan di#uat seke!il mungkin $e!ara seder%ana' integral merupakan luas
daera% di #aa% suatu sinal selama rentang aktu tertentu. Untuk le#i% ,elasna dapat dili%at pada
>am#ar 1.
-
8/19/2019 Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
3/12
>am#ar 1 Proses integral ter%adap suatu sinal.
Persamaan pengintegralan pada persamaan (-) masi% memiliki error ang !ukup #esar.
Untuk le#i% mengoptimalkan %asil pengintegralan maka dapat digunakan metode 6unge=+utta
dengan pendekatan trape?oidal seperti pada persamaan (4).
Dari persamaan (4) dapat diketa%ui #a%a %asil integral saat ini dipengaru%i ole% %asil integral
$e#elumna masukan saat ini dan masukan se#elumna' serta aktu !uplik
antar data masukan (%).
Per!epatan ang diperole% dari %asil pengukuran a!!elerometer pada kenataanna #ukanla% data
per!epatan #enda murni' melainkan ,uga terdapat derau.
Nilai a merupakan per!epatan #enda sesunggu%na' nilai r adala% random noise' dan d adala% dri&t
noise. Pada penelitian ini digunakan sensor a!!elerometer MMA9-7;< dengan tiga sum#u
pengukuran' aitu ter%adap sum#u @' sum#u ' dan sum#u ?. $ensor a!!elerometer ini digunakan
untuk mengukur per!epatan #enda dalam satuan graitasi (g). $ensor ini dapat mengukur per!epatan
-
8/19/2019 Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
4/12
dari 1'5 g sampai 7 g. $ensor a!!elerometer MMA9-7;< dengan rangkaian pendukung ang
terintegrasi dapat dili%at pada >am#ar -.
>am#ar - Break out a!!elerometer MMA9-7;
-
8/19/2019 Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
5/12
adala% dalam %al keter#atasan ke!epatan pemrosesan/aktu komputasi ang sangat tergantung
dengan kemampuan mikrokontroler atau komputer ang digunakan.
-.-.1 *ilter Eksponensial
*ilter eksponensial merupakan &ilter linier rekursi& seder%ana. *ilter eksponensial se!ara umum
digunakan dalam analisis kaasan aktu. Persamaan &ilter eksponensial orde - dapat dili%at pada
Persamaan (7).
-.-.- *ilter +alman
*ilter +alman merupakan sala% satu solusi optimal dalam mem&ilter data dari sinal pada suatu
proses ang linier. *ilter +alman digunakan pada proses ang dapat dinatakan dalam #entuk
persamaan state linier seperti pada pada persamaan ().
Persamaan dapat dio#serasi dengan model pengukuran ang memetakan state @ ke keluaran
seperti dituliskan pada persamaan ()
$elisi% nilai antara pengukuran se#enarna k dan estimasi pengukuran dise#ut se#agai residual atau
pengukuran innoation. ika nilai residual adala% nol' maka %al itu menun,ukkan #a%a %asil
estimasi sama dengan %asil pengukuran. Nilai +k adala% &aktor gain pada &ilter +alman.
Pada &ilter +alman dipili% nilai +k se%ingga estimasi posteriori adala% optimal atau mempunai
error ang minimum. Nilai Pk minimum diperole% ,ika nilai +k dapat menediakan estimasi ang
mempunai !oarian!e minimum. Penelesaian untuk mendapatkan Pk minimum ditun,ukkan pada
persamaan (11).
Nilai estimasi priori di#erikan pada persamaan (1-) ang diperole% dengan meng%ilangkan noise k.
Pen,elasan dari diagram #lok sistem pada >am#ar 0 dapat di,elaskan se#agai #erikut 3
-
8/19/2019 Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
6/12
1. $ensor a!!elerometer MMA9-7;< digunakan untuk mengeta%ui #esarna per!epatan suatu
#enda ang kemudian akan dikirim ke mikrokontroller.
-. Mikrokontroler Amega 0- digunakan untuk menerima data dari sensor' mengu#a%na men,adi
data digital' memproses data se!ara digital' dan melakukan komunikasi serial antara mikrokontroler dengan komputer.
0. +omputer digunakan untuk menampilkan data posisi dan tampilan #erupa gam#ar 0 dimensi
dengan menggunakan isual "2.
$ensor a!!elerometer #eroperasi pada tegangan -'- C 0'7 olt dengan tegangan tipikal 0'0 olt (8dd).
+eluaran sensor a!!elerometer #erupa tegangan analog ang merepresentasikan data per!epatan
dalam satuan graitasi (g). $ensor a!!elerometer MMA9-7;< memiliki tingkat sensitiitas ang
dapat dipili% aitu 1'5 g/ - g/ 4 g/ 7 g. ingkat sensitiitas dapat dipili% dengan melakukan
pengesetan pada pin g=sele!t1 dan g=sele!t-. +oneksi masukan dan keluaran pin=pin pada
a!!elerometer
MMA9-7;< dapat dili%at pada >am#ar 4.
>am#ar 4 +on&igurasi pin=pin a!!elerometer MMA9-7;<
0.- Peran!angan Perangkat Lunak
Mikrokontroler Atmega0- digunakan untuk mem#a!a sinal analog dari sensor a!!elerometer'
kemudian mengu#a%na men,adi data digital #it dan mengola%na dengan algoritma ang tela%
ditentukan kemudian mengirimkan %asil ak%ir data ke komputer. $e!ara umum diagram alir
pemrograman pada sistem pendeteksi ,arak dapat dili%at pada >am#ar 5.
-
8/19/2019 Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
7/12
>am#ar 5 Diagram alir pemrograman utama sistem pendeteksi ,arak.
0.-.1 Peran!angan *ilter Digital
A. *ilter Eksponensial
*ilter eksponensial ang digunakan adala% &ilter eksponensial orde -. Pengu,ian dilakukan dengan
menentukan nilai parameter &aktor pengali (a)' kemudian mengamati sinal keluaran ang optimal.
Parameter a dapat di!ari dengan persamaan (9). $etela% dilakukan peng%itungan didapatkan nilai
parameter a pada sum#u @ dan adala% ;'0 dan a pada sum#u ? adala% ;'-. B. *ilter +alman *ilter
+alman ang diaplikasikan pada mikrokontroler Amega 0- tidak %ana meng%ilangkan random
noise tetapi &ilter ini ,uga meng%itung nilai posisi dengan mengintegralkan se#anak - kali sinal
masukan &ilter. ampilan respon keluaran sensor a!!elerometer serta tampilan nilai #esaran posisi
dari ketiga sum#u sensor diterapkan pada komputer menggunakan #antuan perangkat lunak
Mi!roso&t 8isual $tudio -;;.
Berdasarkan %u#ungan antara proses' pengukuran' dan &ilter +alman' maka dapat di#uat
diagram alir program seperti pada >am#ar 7.
>am#ar 7 Diagram alir program &ilter +alman
-
8/19/2019 Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
8/12
0.-.- Penentuan *aktor +ali#rasi
*aktor kali#rasi merupakan suatu konstanta ang digunakan untuk mengkali#rasi antara %asil integral
ganda dari per!epatan dengan ,arak se#enarna. Pada penelitian ini' akan di!ari &aktor kali#rasi %asil
integral dari &ilter digital ang digunakan. Pada ak%irna' pengu,ian #ertu,uan untuk menentukan &ilter digital ang paling sesuai se%ingga meng%asilkan data ,arak ang paling mendekati ,arak se#enarna
atau dengan kata lain tingkat kesala%anna ke!il.
A. *aktor kali#rasi sistem dengan &ilter eksponensial
B. a#el - *aktor kali#rasi sum#u @ negati& dengan &ilter eksponensial.
B. *aktor kali#rasi sistem dengan &ilter +alman
a#el 0 *aktor kali#rasi sum#u @ negati& dengan &ilter kalman.
Dari a#el 0 diperole% &aktor kali#rasi rata=rata pada
sum#u @ se#esar 7'-9-1417' dengan !ara ang sama seperti penentuan &aktor kali#rasi pada
sum#u @' maka diperole% &aktor kali#rasi pada sum#u se#esar 7'-9-1417 dan sum#u ? se#esar
9'0;1555..
-
8/19/2019 Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
9/12
I8. PEN>UIA DAN ANALI$I$
4.1 Pengu,ian +arakteristik A!!elerometer MMA9-7;<
Pada #agian ini dilakukan pengu,ian tegangan o&&set sensor. Pengu,ian tegangan o&&set
dilakukan dengan !ara mengukur tegangan dengan menggunakan multimeter.
a#el 4 Hasil pengu,ian tegangan keluaran o&&set masing=masing sum#u.
Dari a#el 4 terli%at #a%a tegangan o&&set rata=rata sum#u @ se#esar 1'71 olt' sum#u
se#esar 1'9- olt' dan sum#u ? se#esar -'45 olt suda% mendekati tegangan o&&setideal aitu se#esar
1.75 olt' k%usus untuk sum#u ? te gangan o&&set ideal ditam#a% dengan ;' olt karena dalam
keadaan de&ault tela% mengalami per!epatan se#esar 1 g.
4.- Pengu,ian arak
Pengu,ian ,arak dilakukan dengan menerapkan &a!tor kali#rasi ang didapat dari per!o#aan
se#elumna. Hasil pengu,ian ang didapat kemudian di#andingkan dengan ,arak se#enarna se%ingga
didapat #esaran error.
4.-.1 Pengu,ian arak dengan *ilter Ekponensial
A.Pengu,ian arak masing= masing $um#u $e!ara erpisa%
a#el 5 Hasil pengu,ian ,arak sum#u @ dengan &ilter Eksponensial
-
8/19/2019 Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
10/12
Dari a#el 5 dapat diamati #a%a error rata=rata pada sum#u @ dengan menggunakan &ilter
eksponensial se#esar 1'; dengan tingkat kesala%an ,arak ;';9 !m C -'97 !m dengan !ara ang
sama seperti pada pengu,ian ,arak sum#u @' maka diperole% error rata=rata pada sum#u se#esar -'5 dengan tingkat kesala%an ,arak ;'9- !m C -'-5 !m dan sum#u ? se#esar 4'- dengan
tingkat kesala%an ,arak 1'0 !m =-'59 !m.
B. Pengu,ian arak 0 $um#u $e!ara Bersamaan
Dengan !ara ang sama seperti pada pengu,ian ,arak pada masing = masing sum#u dilakukan
pengu,ian ,arak 0 sum#u se!ara #ersamaan pada ,arak 0; !m' 45 !m' dan 7; !m se%ingga diperole%
%asil se#agai #erikut.
a#el 7 Hasil pengu,ian ,arak 0 sum#u se!ara #ersamaan
dengan &ilter eksponensial
Dari a#el 7 dapat di%itung error rata=rata pada ketiga ,arak terse#ut diatas pada sum#u @
se#esar 9'; ' sum#u se#esar 7'1 dan sum#u ? se#esar '- .
4.-.- Pengu,ian arak dengan *ilter +alman
A. Pengu,ian arak masing= masing $um#u $e!ara erpisa%
a#el 9 Hasil pengu,ian ,arak sum#u @ dengan &ilter kalman
-
8/19/2019 Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
11/12
-
8/19/2019 Pendeteksi Posisi Menggunakan Sensor Accelerometer MMA7260Q
12/12
5.- $aran
Untuk pengem#angan sistem le#i% lan,ut' maka dapat di#erikan saran=saran se#agai #erikut
1. $ensor a!!elerometer MMA9-7;< memiliki tingkat sensitiitas ang sangat tinggi' se%ingga
segala %al ang memungkinkan ter,adina error pada sinal keluara perlu diminimalisasi' seperti
kesta#ilan tegangan masukan dan koneksi antar komponen
-. Metode integral dapat dikem#angkan dengan #er#agai ariasi algoritma pengintegralan
0. 8ariasi metode &ilter digital ang lain dapat digunakan untuk mendapatkan sinal data keluaran
sensor ang le#i% #aik
4. Aplikasi a!!elerometer se#agai pendeteksi posisi dapat dikem#angkan dengan perangkat nirka#el
(ireless) dan peran!angan instrumentasi ang dapat di#aa ke mana=mana (porta#le).