Simulasi Radar berbasis WDMS (Wireless Distance Measurement System) sebagai Media Edukasi Teknologi Navigasi dan Akuisisi Data WDMS (Wireless Distance Measurement System) based Radar Simulation for Education Media on Navigation System Technology and Data Acquisition Abstrak- Teknologi sistem navigasi berkembang dengan pesat saat ini. hal ini didorong dengan masifnya kebutuhan akan sistem navigasi baik untuk keperluan sipil, maupun militer . Dengan didorong hal tersebut kebutuhan edukasi akan penggunaan maupun prinsip kerja suatu sistem navigasi sangatlah penting untuk menunjang pertumbuhan teknologi ini. Adapun metode yang kami gunakan ialah memenfaatkan microcontroller ATMEGA 16 sebagai pengendali utama sistem. Beberapa sensor meliputi sensor Arus, Sensor tegangan, Sensor Temperatur digunakan sebagai unit data akuisisi kondisi sistem radar autonom, sedangkan sistem utamanya ditunjang oleh aktuator Servo dan Sensor PING sebagai komponen utama sistem WDMS. Sistem ini diintegrasikan dengan software yang juga didesain khusus sebagai Graphic User Interface yang juga berperan sebagai software auto-kalibrator. Sistem Navigasi ini telah dicoba disimulasikan dan menghasilkan keakuratan yang baik hingga range deteksi 270 cm. Kata Kunci—Instruksi; Simulator radar, Wireless Distance Measurement System, Graphic User Interface. Abstract- Navigation system technology is growing rapidly today. It is driven by massive demand for better navigation system for civil purposes, as well as military. With driven it will use and the educational needs of the working principle of a navigation system is essential to support the growth of this technology. The method we use ATMEGA 16 as major controlling Unit. Some sensors include flow sensor, voltage sensor, temperature sensor is used as a data acquisition unit autonomous radar system conditions, while the main system is supported by a servo actuator and sensor PING as the main component WDMs system. This system is also integrated with software designed specifically as a Graphic User Interface that also acts as a software auto-calibrator. Navigation systems have been tried simulated and produce good accuracy range detection up to 270 cm. Keywords—Instructions; Radar Simulator, Wireless Distance Measurement System, Graphic User Interface.
I. PENDAHULUAN Teknologi sistem navigasi ialah salah satu bentuk teknologi yang terus berkembang seiring dengan meningkatnya kebutuhanakan sistem ini dalam kebutuhan sipil maupun militer. Selain berkembangnya teknologi sistem secara utuh tiap tiap unit sistem juga dalam perkembangannya mengalami evolusi yang signifikan baik dari aplikasi sensor maupun pengendali unit otonom sistem navigasi. Sebagaimana teknologi yang senantiasa berkembang, pendidikan maupun pengenalan akan teknologi aplikatif ini juga harus dilakukan secara baik. Hal ini akan dapat terpenuhi jika kegiatan research and Development terus dilakukan. Dan dalam suatu kegiatan penegmbangan tidak terlepas dengan dilakukanya pemodelan sistem / System Prototyping. Salah satu bentuk sistem navigasi yang umum ialah Radar (Radio Detection and Ranging), Secara umum radar bekerja berdasarkan prinsip rambatan gelombang pada frekuensi radio. Dengan melakukan pencacahan waktu suatu gelombang kembali dipantulkan ke sistem, suatu sistem RADAR dapat
melakukan tracing dan mapping terhadap berbagai object yang berada pada wilayah / range deteksinya. Dengan demikian melalui paper ini kami melakukan pemodelan sekaligus simulasi sistem kerja radar dengan memanfaatkan kesamaan prinsip yaitu melalui rambatan gelombang.. Adapun tujuan dimodelkannya sistem navigasi radar ialah sebagai media pembelajaran maupun pengenalan teknologi sistem navigasi dengan perangkat yang sederhana. Selain itu aplikasi sistem radar ini juga telah diuji fungsionalitasnya untuk melengkapi unit data akuisisi beberapa sistem turunanya seperti pengendali Intensitas Cahaya televisi ter-auto-kalibrasi terhadap jarak pandang yang aman. II. TEORI DASAR Dalam pemodelan sistem navigasi Radar memperoleh beberapa studi literatur yang keberjalanan pemodelan sistem ini. diantaranya. A. Prinsip Kerja RADAR
ini, kami menunjang
RADAR (Radio Area Detection and Ranging) adalah salah satu bentuk teknologi navigasi yang memanfaatkan sifat perambatan dan pantulan gelombang elektromagnetik, secara
1
sederhana gelombang radio (elektromagnetik) dapat merambat melalui berbagai medium termasuk medium udara. Sedangkan pensifatan fisis gelombang elektromagnetik tidaklah berbeda dengan gelombang akibat gejala fisis lainnya. Beberapa hukum perambatan dan pemantulan gelombang menjadi dasar prinsip kerja teknologi navigasi RADAR diantaranya, 1. Hukum Total Reflection Snellius Berdasarkan Hukum ini gelombang secara sederhana dikatakan bahwa sudut datang gelombang ialah equivalen dengan sudut pantul gelombang terhadap vektor bidang pantul. Jika dirumuskan secara matematis hukum ini memenuhi persamaan
B.
Spesifikasi Sensor dan perangkat yang digunakan
Berdasarkan tinjauan mengenai kinerja RADAR tersebut dilakukan proses analogis sebagai metode realisasi simulator RADAR ini gelombang elektromagnetik dianalogikan dengan gelombang suara (ULTRASONIC), Namun secara umum prinsip kerja masih berdasarkan tinjauan pustaka. 1.
Sensor Jarak PING Sensor PING yang digunakan ialah PING HCSR04. Dengan spesifikasi sebagai berikut
θdn = θrn…………….(2.1.1) dengan θdn = Sudut antara vektor normal dengan gelombang datang. Θrn = Sudut antara vektor normal dengan gelombang pantul. 2. Hukum Efek Pergeseran Doppler Berdasarkan teori fisika klasik dimana kecepatan sumber dan penerima receiver gelombang relative terhadap medium rambat akan mempengaruhi hubungan antara frekuensi yang teramati dengan frekuensi aktual gelombang, berdasarkan persamaan
Gambar 1. Sensor PING HCSR04 MicroPic Table 1. Electric and Sensor Parameter
…………………………..(2.1.2) Dengan f : frekuensi teramati pada receiver (Hz) f0 : frekuensi aktual gelombang c : cepat rambat gelombang absolut vr : kecepatan receiver vs : kecepatan wave sources
2.
3. Hukum Fundamental Kinematika Secara umum, Hukum ini berdasarkan hukum kinematik fisika klasik hubungan antara kecepatan dengan waktu tempuh suatu objek terhadap sustu referensi.
D = t. v…………………………………………..(2.1.3) Dengan D : Distance from reference. t : Require Time to reach the distance v : Object velocity berdasarkan beberapa tinjauan tersebut sistem RADAR dapat dijelaskan sebagai berikut, secara umum Radar bekerja dengan menghasilkan paparan gelombang elktromagnetik ke segala arah disekelilingnya kemudian dilakukan samplin terhadap frekuensi dan waktu sampling yang dibutuhkan tiap gelombang yang dipancarkan hingga gelombang pantul dipantulkan kembali. Waktu dan pergeseran frekuensi yang terjadi dipetakan kedalam data koordinat dimana posisi gelombang diterima dan bagaimana kondisi gelombang pantulan.
3.
Sensor Arus Sensor Arus yang digunakan ialah IC ACS 712 Fitur dari sensor ini antara lain, a. Low-noise analog signal path b. Device bandwidth is set via the new FILTER pin c. 5 μs output rise time in response to step input current d. 80 kHz bandwidth e. Total output error 1.5% at TA = 25°C f. Small footprint, low-profile SOIC8 package g. 1.2 mΩ internal conductor resistance h. 2.1 kVRMS minimum isolation voltage from pins 1-4 to pins 5-8 i. 5.0 V, single supply operation j. 66 to 185 mV/A output sensitivity k. Output voltage proportional to AC or DC currents l. Factory-trimmed for accuracy m. Extremely stable output offset voltage n. Nearly zero magnetic hysteresis o. Ratiometric output from supply voltage. Servo
2
Servo yang digunakan Servo FUTABA S3003, dengan spesifikasi sebagai berikut. Control System Required Pulse Operating Voltage Operating Temperature Range Operating Speed Stall Torque Operating angle
Pulse Width Control 1520usec 3-5VPP Square Wave [4.8; 6.0]V [-20,60] oC 0.23sec/60deg(4.8V);0.19sec/60deg(6V) 3.2 kg.cm (4.8V); 4.1 kg.cm (6.0V) 45deg, One side Pulse traveling 400usec
4. MicroController ATMEGA 16 Pada project ini digunakan microcontroller ATMEL ATMEGA 16 dengan spesifikasi pendukung projek didominasi oleh fasilitas periferal timer counter antara lain: a) Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes b) One 16-bit Timer/Counter with Separate Prescaler, Compare Mode, and Capture Mode c) Real Time Counter with Separate Oscillator d) Four PWM Channels e) 8-channel, 10-bit ADC f) 8 Single-ended Channels g) 7 Differential Channels in TQFP Package Only h) 2 Differential Channels with Programmable Gain at 1x, 10x, or 200x i) Byte-oriented Two-wire Serial Interface j) Programmable Serial USART k) Master/Slave SPI Serial Interface
2.
Sensor Arus yang akan mengakomodasi pembacaan parameter daya supply ke sistem.
B. Analisis karakteristik Komponen penyusun 1. Sensor Pada pemodelan ini digunakan beberapa sensor diantaranya a. Sensor Jarak (PING) Berdasarakan data kalibrasi, diperoleh persamaan karakteristik sensor didekati dengan pendekatan linear, sebagai berikut. D = (T/29.1) : 2……….(3.2.1) Dengan D : Jarak terdeteksi (cm) T : Interval waktu yang dibutuhkan gelombang dari ketika di transmisikan hingga gelombang pantul diterima (mikrodetik) b. Sensor Arus (ACS712) Berdasarakan data kalibrasi, diperoleh persamaan karakteristik sensor didekati dengan pendekatan linear, sebagai berikut. vout = (4/30)* Is + 0.5 ……….(3.2.2) dengan vout : Output Voltage (V) Is : Sensed Current (Ampere)
III. METODOLOGI Dalam mendesain prototipe RADAR ini dilakukan beberapa tahapan metode antara lain, A. Preliminary Design dan penentuan Spesifikasi Spesifikasi yang diharapkan dari model RADAR yang dihasilkan antara lain Dari sisi Hardware 1. Menghasilkan Range Deteksi maksimum Object pada Radius hingga 300 cm. 2. Dapat memfasilitasi Data akuisisi sensor baik untuk membaca kondisi sistem disamping menjalankan fungsi utamaya sebagai RADAR. Dari sisi software 1. Dapat melakukan Kalibrasi secara mandiri 2. Transport data dilakukan melalui serial komunikasi ke PC, secara simultant. Berdasarkan spesifikasi tersebut diperoleh beberapa komponen untuk mengimplementasikan sistem simulator RADAR yaitu dibutuhakan 1. Sensor jarak berbasis gelombang ultrasosnik sebagai pemodelan prinsip pantulan gelombang pada RADAR dengan radius deteksi maksimum 300 cm
Gambar 2. Kurva karakteristik sensor Arus ACS712 2.
Servo (Linearisasi gerakan iteratif)
Fitur periferal yang digunakan sebagai penggerak iterator sudut servo ialah fitur timer 16bit (TIMER/ COUNTER 1)untuk menghasilkan sinyal kotak, dengan fitur ini dilakukan penyesuaian dengan spesifikasi clock eksternal yang digunakan yaitu 16MHZ, berdasarkan spesifikasi clock eksternal ini dilakukan karakterisasi hubungan sudut dengan duty cycle gelombang kotak dengan melakukan pengesetan terhadap nilai OCR1A Berdasrkan hasil kalibrasi diperoleh persamaan karakteristik sudut dengan nilai OCR1A dengan nilai fPWM = 16000000/(64*(1+TOP)) Diperoleh TOP value = 4999 Dan dengan menggunakan pendekatan regresi linear diperoleh hubungan
3
OCR1 = 1.388 * Deg + 375……………(3.2.3) Berikut grafik karakteristik sudut – OCR1 sebagai komponen iterator sudut servo
Gambar 3. grafik karakteristik sudut – OCR1 3.
Rancangan perangkat keras /Hardware yang digunakan
Gambar 5. Gambaran Umum sistem kerja embeded software
IV. DATA DAN HASIL Berdasarkan system yang telah dirancang dilakukan kalibrasi kemudian dilakukan pengujian sistem diperoleh data sebagai berikut, A. Data Putaran Servo dan Sinkronisasi dengan GUI (Graphic User Interface) Gambar 4. Konfigurasi sistem Perangkat Keras
4.
Rancangan Embeded Software
Gambar 6. Hasil pengamatan sinkroniasi putaran servo dengan tampilan GUI
Berdasarkan uji coba simulator yang telah dilakukan diperoleh bahwa putaran servo telah berputar secara sinkron dengan periode putaran (180deg kembali ke 180 deg) ialah 30 detik. Dan pembacaan jarak memenuhi nilai efektif 280 cm dengan akurasi terburuk 10 %.
III. KESIMPULAN
4
Berdasarkan spesifikasi simulator RADAR untuk dapat melakukan pemetaan objek hingga radius 300 cm, telah tercapai sistem simulator Radar dengan jarak pemetaan efektif 270cm dengan akurasi terburuk 10%. Simulator telah diujikan kinerjanya dan telah diintegrasikan dengan Sistem Antarmuka berbasi C# dan layak digunakan sebagai media pembelajaran sistem Navigasi dan Akuisisi Data.
DAFTAR PUSTAKA [1] Gadre, Dananjav,”Programming and Costumizing AVR Microcontroller”, Mc GrawHill, 2001 [2] Resnick, Haliday,”Fundamental of Physiscs 5th Eds”, Wiley, April 2001. [3] ______________”ATMEGA 16 Datasheet”, ATMEL microcontroler [4] http://ocw.mit.edu/courses/electrical-engineering-andcomputer-science/6-007-electromagnetic-energy-frommotors-to-lasers-spring-2011/lecturenotes/MIT6_007S11_lec32.pdf
5
