15

BAB III

PERANCANGAN ALAT

Bab ini akan menjelaskan tentang perancangan, gambaran sistem serta realisasi

perangkat keras maupun perangkat lunak yang digunakan pada tongkat tunanetra.

3.1. 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.

16

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 3.2 – 3.5

Gambar 3.2. Tombol Pengguna

Gambar 3.3. User Interface Operator

17

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.

18

3.3.1. 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.

3.3.1.1. 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

19

3.3.1.2. 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

3.3.2. 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 .

20

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

(

AX,Out

√AY,Out2 + AZ,Out

2

)

(3.1)

𝜓 = tan−1

(

AY,OUT

√AX,Out2 + AZ,Out

2

)

(3.2)

Φ = tan−1

(

√AX,Out

2 + AY,Out2

AZ,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.

21

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:

𝐗𝐬 = (𝐀𝐗,𝐌𝐚𝐱 − 𝐀𝐗,𝐌𝐢𝐧)

𝟐 (𝟑. 𝟒)

𝐗𝐎𝐟𝐟 = (𝐀𝐗,𝐌𝐚𝐱 − 𝐗𝐒) (𝟑. 𝟓)

𝐀𝐗,𝐂𝐚𝐥 =(𝐀𝐗,𝐎𝐮𝐭 − 𝐗𝐎𝐟𝐟)

𝐗𝐒 (𝟑. 𝟔)

𝐘𝐬 = (𝐀𝐘,𝐌𝐚𝐱 − 𝐀𝐘,𝐌𝐢𝐧)

𝟐 (𝟑. 𝟕)

𝐘𝐎𝐟𝐟 = (𝐀𝐘,𝐌𝐚𝐱 − 𝐘𝐒) (𝟑. 𝟖)

𝐀𝐘,𝐂𝐚𝐥 =(𝐀𝐘,𝐎𝐮𝐭 − 𝐘𝐎𝐟𝐟)

𝐘𝐒 (𝟑. 𝟗)

𝐙𝐬 = (𝐀𝐙,𝐌𝐚𝐱 − 𝐀𝐙,𝐌𝐢𝐧)

𝟐 (𝟑. 𝟏𝟎)

𝐙𝐎𝐟𝐟 = (𝐀𝐙,𝐌𝐚𝐱 − 𝐙𝐒) (𝟑. 𝟏𝟏)

𝐀𝐙,𝐂𝐚𝐥 =(𝐀𝐙,𝐎𝐮𝐭 − 𝐙𝐎𝐟𝐟)

𝐙𝐒 (𝟑. 𝟏𝟐)

22

Dengan:

Xs : sensitivitas sumbu X akselerometer.

XOff : offset sumbu X akselerometer.

AX,Max : percepatan gravitasi maksimum pada sumbu X positif (LSB).

𝐀𝐗,𝐌𝐢𝐧 : percepatan gravitasi minimum pada sumbu X negatif (LSB).

𝐀𝐗,𝐎𝐮𝐭 : percepatan gravitasi pada sumbu X (LSB).

𝐀𝐗,𝐂𝐚𝐥 : percepatan gravitasi sumbu X terkalibrasi (dalam g).

Ys : Sensitifitas sumbu Y akselerometer.

YOff : Offset sumbu Y akselerometer.

AY,Max : percepatan gravitasi maksimum pada sumbu Y positif (LSB).

𝐀𝐘,𝐌𝐢𝐧 : percepatan gravitasi minimum pada sumbu Y negatif (LSB).

𝐀𝐘,𝐎𝐮𝐭 : percepatan gravitasi pada sumbu Y (LSB).

𝐀𝐗,𝐂𝐚𝐥 : percepatan gravitasi sumbu Y terkalibrasi (dalam g).

Zs : sensitifitas sumbu Z akselerometer.

ZOff : offset sumbu Z akselerometer.

AZ,Max : percepatan gravitasi maksimum pada sumbu Z positif (LSB).

𝐀𝐙,𝐌𝐢𝐧 : percepatan gravitasi minimum pada sumbu Z negatif (LSB).

𝐀𝐙,𝐎𝐮𝐭 : percepatan gravitasi pada sumbu Z (LSB).

𝐀𝐙,𝐂𝐚𝐥 : percepatan gravitasi sumbu Z terkalibrasi (dalam g).

3.3.3. 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 :

23

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.

3.3.3.1. 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.

3.3.3.2. 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]:

24

𝐝 = 𝟐𝐫 𝐚𝐫𝐜𝐬𝐢𝐧 (√𝐬𝐢𝐧𝟐 (∅𝟐− ∅𝟏

𝟐) + 𝐜𝐨𝐬(∅𝟏) 𝐜𝐨𝐬(∅𝟐) 𝐬𝐢𝐧

𝟐 (𝛌𝟐− 𝛌𝟏

𝟐)) (3.13)

Di mana :

d : jarak perpindahan ( meter )

ϕ1, ϕ2: lintang titik 1 dan lintang titik 2

λ1 , λ2: 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%.

3.3.4. 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 ).

25

3.3.5. 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 2560. 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 2560

26

Gambar 3.10. Skema Perancangan Mikrokontroler Arduino Mega 2560

27

Tabel 3.1. Konfigurasi Penggunaan Pin Arduino Mega 2560

Nama Pin Fungsi

Pin A0 Triger SRF05 penghalang

Pin A1 Echo SRF05 penghalang

Pin 12 Triger SRF05 lubang

Pin 11 Echo SRF05 lubang

Pin 44 RS LCD 20x4

Pin 42 EN LCD 20x4

Pin 39 D7 LCD 20x4

Pin 41 D6 LCD 20x4

Pin 43 D5 LCD 20x4

Pin 45 D4 LCD 20x4

Pin 25 Tombol pilih tujuan pengguna

Pin 29 Tombol select pengguna

Pin 40 Tombol jarak pengguna

Pin 24 Saklar gps/tanpa gps pengguna

Pin 23 Tombol save operator

Pin 50 Tombol up operator

Pin 51 Tombol down operator

Pin 52 Tombol select operator

Pin 53 Tombol back operator

Pin 27 Saklar memilih pengguna/operator

Pin 20 SDA ADXL345

Pin 21 SCL ADXL345

Pin 46 P04 WTV020

Pin 47 Reset WTV020

Pin 48 P06 WTV020

Pin 49 P05 WTV020

Untuk GPS sudah sesuai dengan arduino mega 2560 ( compatible dengan arduino mega )

28

Gambar 3.11. Realisasi Modul elektronik

3.3.6. 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.

29

Gambar 3.12. Aplikasi Audacity

Selanjutnya file tersebut diubah lagi kedalam file AD4 menggunakan aplikasi AD4

converter.

Gambar 3.13. Aplikasi AD4 Converter

30

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

31

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 3.14. Diagram Alir Perancangan Lunak untuk Operator

32

Gambar 3.15. Diagram Alir Perancangan Lunak untuk Tunanetra

Gambar 3.16. Diagram Alir Perancangan Lunak Tunanetra Saat Memilih

Mendeteksi Penghalang dan Lubang

33

Gambar 3.17. Diagram Alir Perancangan Lunak Tunanetra Saat Memilih

Mendeteksi Penghalang, Lubang Dan Menggunakan GPS

34

3.4.1. 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.

3.4.2. 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

35

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.