SOUND LOCALIZATION BERBASIS MICARRAY

SOUND LOCALIZATION BERBASIS MICARRAY Riska Wahyu Hidayatullah#1, Ardik Wijayanto #2, Bambang Sumantri #3 #

Jurusan Elektronika,Politeknik Elektronika Negeri Surabaya Kampus PENS ITS Sukolilo, Surabaya 1 [email protected] 2 [email protected] 3 [email protected]

Abstrak— Obyek dari Proyek Akhir ini adalah sebuah robot yang mampu menentukan arah sumber bunyi. Dengan membuat pemodelan telinga manusia yang mampu untuk menentukan posisi sumber suara, kami mengambil bentuk model kepala sebagai bentuk dasar dari robot dengan 4 microphone pada sisi kanan, sisi kiri, sisi depan, sisi belakang. Dengan menggunakan Level Optimal Rising Signal dengan array sebagai indikatornya, robot ini nantinya mampu menentukan sudut 00, 450, 900,1350, 1800, 2250, 2700, 3150, 3600. Hasilnya, penentuan sudut berhasil dengan prosentase keberhasilan 90,74%. Ini dimungkingkan adanya error dari komponen masing – masing yang saling terintegrasi. Kata kunci—: Indera pendengaran, suara, sound localization, Time Different Optimal Arrive (TDOA)

1.1 LATAR BELAKANG MASALAH Suara atau bunyi yang dapat didengar oleh manusia disebabkan oleh adanya getaran yang merambat melalui udara. Telinga merupakan indera yang biasa kita gunakan untuk mendengar. Frekuensi yang dapat didengar oleh telinga manusia adalah antara 20Hz-20kHhz. Selain dari fungsi mendengar, terdapat kemampuan lain dari telinga yaitu kemampuan untuk menentukan arah sumber bunyi. Kemampuan ini disebut sound localization. Kemampuan untuk menetukan sumber bunyi sebenarnya sama dengan kemampuan dari indera penglihatan yaitu mata yang mampu mengidentifikasi suatu objek. Kemampuan ini disebut visual localization. Tetapi terdapat kelemahan dalam mata memandang, yaitu area pandang yang terbatas sebesar 180O. sedangkan kemampuan telinga dalam menentukan posisi sumber bunyi mempunyai area pandang sebesar 360O. Misalnya, saat seorang teman memanggil kita dari belakang maka kita akan mengetahui dimana keberadaan teman kita padahal teman kita tadi berada di luar jangkauan pandangan kita yaitu di belakang tubuh kita. Kemampuan inilah yang akan kami angkat sebagai judul dari proyek akhir kami. Pada proyek akhir ini kami akan membuat pemodelan telinga manusia yang mampu untuk menentukan posisi sumber bunyi dengan menggunakan 4 microphone sebagai inputan Pada proyek akhir ini kami akan menggunakan metode Pengecekan suara Dominan. MicArray merupakan suatu proses penerimaan suara oleh suatu plan.

1.2 TUJUAN DAN MANFAAT Tujuan dari proyek akhir ini adalah membuat suatu prototipe robot yang mampu mengetahui posisi sumber bunyi dengan menggunakan metode Pengecekan suara Dominan Untuk manfaat dari proyek akhir ini dapat digunakan untuk membantu tim Search And Resuce (SAR) dalam pencarian korban bencana yang masih selamat/hidup.

1.3 RUMUSAN MASALAH Rumusan masalah pada proyek akhir ini adalah sebagai berikut: 1. Bagaimana cara mengubah suatu besaran analog menjadi suatu besaran sudut. 2. Bagaimana mencari nilai amplitude dari sinyal masukan. 3. Bagaimana mengidentifikasi posisi sumber bunyi secara pasti, diihat dari sudut azimuth (horizontal). 4. Bagaimana menggerakkan aktuator (servo) sebagai simulasi dari telinga untuk menunjukkan arah datang suara yang didapat dari proses Mic Array.

1.4 BATASAN MASALAH Adapun batasan masalah pada proyek akhir yang akan dibuat ini adalah sebagai berikut: 1. Hanya terdapat satu sumber bunyi. 2. Plan dapat mendeteksi suara pada tempat yang sunyi atau mendeteksi suara vocal. 3. Plan hanya dapat menidentifikasi sumber bunyi secara horizontal. 4. Kemampuan menentukan posisi sumber bunyi dengan arah 360O. 5. Sumber bunyi yang digunakan berasal dari gelombang suara dengan frekuensi tertentu.

1.5 METODOLOGI Dalam proyek akhir ini menggunakan suatu metode yang terdiri dari beberapa tahapan untuk mencapai tujuan yang telah dirumuskan sebelumnya. Pertama dilakukan Studi Litertur. Studi literatur ini bertujuan untuk memperoleh teori-teori penunjang yang melandasi pemecahan masalah dilapangan, baik itu bersumber dari buku, web site, ataupun jurnal/paper ilmiah. Setelah itu melakukan perancangan sistem, pembuatan perangkat keras (hardware) dan perangkat lunak (software) serta melakukan pengujian sistem. Jika hasil tidak sesuai harapan atau tujuan semula maka dilakukan perbaikan sistem (perangkat keras dan lunak), dan dilakukan pengujian lagi. Proses tersebut akan terus belangsung sampai didapat sebuah sistem yang diinginkan. Untuk lebih jelasnya bisa dilihat pada gambar di bawah ini.

Aktuator

Sistem Kontroller

Mekanik robot Sistem Aktuator

Suara z

Sensor

Sistem Telinga

Suara

Untuk Navigasi (Gerak Berpindah)

Untuk Manipulasi (Gerak Penanganan)

 Mendekati sumber  Suara tertentu yang dapat suara diproses  Tidak faktor  Member suatu penghalang identifikasi pada bagian sensor berupa nyala LED apablia terdapat suara pada arah tertentu

Gambar 1.1. Sistem Robot dan Orientasi fungsi

BAB II DASAR TEORI

2.1 LOKALISASI SUARA Lokalisasi suara menjelaskan bagaimana telinga manusia bisa menemukan arah dan jarak berdasarkan faktor-faktor yang mempengaruhinya. Manusia bisa memperkirakan lokasi sumber suara dengan 3 buah faktor, yaitu : 

Bidang horisontal atau isyarat azimuth. Dipengaruhi oleh : o

ITD

o

ILD

Oleh karena itu faktor penentuan arah azimuth adalah binaural. 

Bidang vertikal atau isyarat elevasi, dipengaruhi oleh yaitu perubahan spektral yang dihasilkan oleh pantulan dan difraksi oleh bagian luar telinga atau pinnae, oleh karena itu faktor ini adalah monaural.



Isyarat Jarak.

Dalam WFS, medan suara yang direproduksi adalah pada bidang horisontal, sehingga pembahasan dibatasi hanya untuk isyarat azimuth dan isyarat jarak.

2.1.1 Mic Array Pada suara yang akan ditangkap pada masing – masing mic condensor akan di olah menjadi suatu array dimana suara yang sebelumnya berupa analog di olah menjadi data digital. Masing – masing nilai yang didapat dari tiap – tiap di mic akan di buat dalam bentuk penyimpanan array untuk pengolahan data dalam menentukan arah datang suara.

Gambar 2.1 Simulasi arah datang suara 2.1.1 SENSOR Sensor yang digunakan pada plan adalah sensor kondensor. Sensor kondensor merupakan sensor yang sangat sensitive terhadap suara terutama frekuensi suara tertentu yang dapat ditangkap

Gambar 2.1 Mic Condensor Mikrofon terkadang disebut mic atau mike adalah salah satu electric transducer atau sensor yang mengkonversi suara menjadi sinyal listrik. Microphones digunakan di berbagai aplikasi seperti telepon, Perekam tape, alat bantu, film produksi, hidup dan rekaman audio engineering, di radio dan televisi dan penyiaran di komputer untuk merekam suara, VoIP, dan untuk keperluan non-akustik seperti ultrasonik memeriksa . Yang paling umum menggunakan desain today selaput tipis yang bergetar dalam respon terhadap tekanan suara. Gerakan ini kemudian diterjemahkan menjadi sinyal listrik. Paling microphones hari ini digunakan untuk audio menggunakan induksi electromagnetic (dinamis mikrofon), mengubah capacitance (kondensator mikrofon, digambarkan kanan), piezoelectric generasi, atau cahaya modulasi untuk menghasilkan sinyal dari getaran mekanis.

2.2 Penguat (Amplifier) Dalam bagian ini merupakan penguat yang digunakan untuk menaikkan luaran dari sensor yang umunya terlalu kecil untuk kita olah pada suatu sistem Mikrokontroller yakni AVR.

Gambar 2.2 Rangkaian Penguat serta filter Pada bagian ini saya menggunakan rangkaian high pass fiter dan rangkaian penguat. Rangkaian filter high pass filter adalah sebuah rangkaian yang memperlemah semua isyarat di bawah suatu frekuensi cutoff tertentu

dan melewatkan semua

isyarat yang frekuensinya di atas frekuensi cuttof itu. Maka nantinya suara yang diterima hanya suara tertentu sehingga suara yang lain tidak ikut diolah

2.3 Sistem Kontrol Sistem yang digunakan dalam plan ini adalah Mikrokontroller AVR dengan IC yang digunakan adalah AVR ATmega32. Mengapa saya menggunakan AVR tersebut, karena dalam plan yang saya bangun dibutuhkan register yang sangat banyak yang berkaiatan dengan fungsi dari pengolahan sinyal yakni table fungsi dari trigorometri. Rincian AVR ATmega32adalah sebagai berikut : AVR merupakan seri mikrokontroler CMOS 8-bit buatan Atmel, berbasis arsitektur RISC (Reduced Instruction Set Computer). Hampirn semua instruksi dieksekusi dalam satu siklus clock. AVR mempunyai 32 register general-purpose, timer/counter fleksibel dengan mode compare, interrupt internal dan eksternal, serial UART, programmable Watchdog Timer, dan mode power saving. Mempunyai PWM internal. AVR juga mempunyai In-System Programmable Flash on-chip yang mengijinkan memori program untuk diprogram ulang dalam sistem menggunakan hubungan serial SPI. Atmega32 adalah mikrokontroler CMOS 8-bit daya-rendah berbasis arsitektur RISC yang ditingkatkan. Kebanyakan instruksi dikerjakan pada satu siklus clock, Atmega32 mempunyai throughput mendekati 1 MIPS per MHz membuat disainer sistem untuk mengoptimasi komsumsi daya versus kecepatan proses. Beberapa keistimewaan dari AVR ATmega32 antara lain: 1. Advanced RISC Architecture 

131 Powerful Instructions, Most Single Clock CycleExecution



32 x 8 General Purpose Fully Static Operation



Up to 16 MIPS Throughput at 16 MHz



On-chip 2-cycle Multiplier

2. Nonvolatile Program and Data Memories 

16K Bytes of In-System Self-Programmable Flash



Optional Boot Code Section with Independent Lock Bits



512 Bytes EEPROM



1KBytes Internal SRAM



Up to 64K Bytes Optional External Memory Space



Programming Lock for Software Security

3. Peripheral Features 

Two 8-bit Timer/Counters with Separate Prescalers and Compare Modes

 Two 16-bit Timer/Counters with Separate Prescalers, Compare Modes, and Capture Modes  Real Time Counter with Separate Oscillator  Six PWM Channels  Dual Programmable Serial USARTs  Master/Slave SPI Serial Interface  Programmable Watchdog Timer with Separate On-chip Oscillator  On-chip Analog Comparator 4. Special Microcontroller Features  Power-on Reset and Programmable Brown-out Detection  Internal Calibrated RC Oscillator  External and Internal Interrupt Sources  Six Sleep Modes: Idle, ADC Noise Reduction, Power-save, Power-down, Standby and Extended Standby  5. I/O and Package

 32 Programmable I/O Lines  40-pin PDIP, 44-lead TQFP, 44-lead PLCC, and 44-pad MLF  6.Operating Voltages  2.7 - 5.5V for Atmega32  4.5-5.5V for Atmega32

Gambar 2.3 Pin – Pin ATmega32 kemasan 40 pin 2.4 Sistem Aktuator Aktuator yang saya gunakan untuk mendekati arah datangnya suara adalah motor DC sedangkan untuk menggerakkan Sistem Manipulator akan saya gunakan Servo untuk memutar 3600 sesuai dengan arah datangnya suara Driver motor digunakan sebagai penghubung antara mikrokontroller ke motor DC. Digunakan driver motor karena arus yang keluar dari mirokontroller tidak mampu mencukupi kebutuhan dari motor DC. Rangkaian driver motor berupa rangkaian transistor seperti pada gambar 7.1. Ketika pin μC benilai 5 volt maka akan ada arus yang melewat basis dan ketika terdapat arus basis maka transisitor aktif sehingga akan ada arus yang mengalir dari colektor ke emitor dan motor akan berputar.

Gambar 2.4 Rangkaian Driver Motor

Umum jenis Servo menyediakan posisi kontrol. Servos are commonly electrical or partially electronic in nature, using an electric motor as the primary means of creating mechanical force . Servos biasanya listrik atau sebagian elektronik di alam, menggunakan motor listrik sebagai alat utama untuk menciptakan mekanis memaksa. Jenis servo menggunakan hidrolika, Pneumatics, atau magnetis prinsip. Biasanya, servo beroperasi pada prinsip umpan balik negatif, di mana kontrol input adalah dibandingkan dengan posisi yang sebenarnya dari sistem mekanis seperti diukur oleh beberapa jenis transducer pada output. Apapun perbedaan antara nilai aktual dan ingin (suatu "kesalahan sinyal") adalah amplified dan digunakan untuk menggerakkan sistem ke arah yang diperlukan untuk mengurangi atau menghilangkan kesalahan Motor servo adalah motor yang mampu bekerja dua arah (CW dan CCW) dimana arah dan sudut pergerakan rotornya dapat dikendalikan hanya dengan memberikan pengaturan duty cycle sinyal PWM pada bagian pin kontrolnya. Motor Servo tampak pada gambar 8.1.

Gambar 2.5 Motor Servo Motor Servo merupakan sebuah motor DC yang memiliki rangkaian control elektronik dan internal gear untuk mengendalikan pergerakan dan sudut angularnya. Sistem Mekanik Motor Servo tampak pada gambar 8.2 Motor servo adalah motor yang berputar lambat, dimana biasanya ditunjukkan oleh rate putarannya yang lambat, namun demikian memiliki torsi yang kuat karena internal gearnya. Lebih dalam dapat digambarkan bahwa sebuah motor servo memiliki : • 3 jalur kabel : power, ground, dan control • Sinyal control mengendalikan posisi • Operasional dari servo motor dikendalikan oleh sebuah pulsa selebar ± 20 ms, dimana lebar pulsa antara 0.5 ms dan 2 ms menyatakan akhir dari range sudut maksimum. • Konstruksi didalamnya meliputi internal gear, potensiometer, dan feedback control.

Jenis-Jenis Motor Servo : •

Motor Servo Standar 180° Motor servo jenis ini hanya mampu bergerak dua arah (CW dan CCW) dengan defleksi masing-masing sudut mencapai 90° sehingga total defleksi sudut dari kanan – tengah – kiri adalah 180°.

•

Motor Servo Continuous Motor servo jenis ini mampu bergerak dua arah (CW dan CCW) tanpa batasan defleksi sudut putar (dapat berputar secara kontinyu).

BAB III PERANCANGAN SISTEM Pada bab ini akan dijelaskan tentang perencanan sistem yang akan dibuat pada proyek akhir ini. Secara umum blok diagram sistem proyek akhir yang akan dibuat adalah sebagai berkut: Rangkaian Penguat dan Filter Mic Condensor Servo ADC

PORTD

Mikrokontroler AVR

LED LCD

PORTC

RS 232 PC

Gambar 3.1. Blok Diagram Sistem 3.1. Perancangan Sistem

Gambar. Mekanik tampak depan

Gambar. Mekanik tampak atas

BAB IV PENGUJIAN & ANALISA Pada pembuatan perangkat keras ini sebelum diadakan penyambungan dengan perangkat keras lainnya dan interfacing ke lcd maka terlebih dahulu dilakukan tahap-tahap pengujian alat dan rangkaian. Tujuan dari pengujian perangkat keras adalah untuk mengetahui ketepatan dan ketelitian dari perangkat keras yang telah dibuat. Dengan menguji tiap-tiap blok rangkaian secara bertahap nantinya dapat diketahui bagian-bagian tertentu yang belum sesuai dengan hasil yang diinginkan. Sehingga lebih cepat diketahui dan diperbaiki dibandingkan dengan pengujian secara menyeluruh. Dari pengujian dan pengukuran rangkaian tersebut, data yang dianggap benar adalah data yang hampir sesuai dengan karakteristik dari rangkaian yang telah direncanakan berdasarkan teori yang ada. Pengujian yang dilakukan pada bab ini antara lain: 1. 2. 3. 4. 5.

Pengujian kepekaan mic terhadap sinyal inut dengan jarak yang berbeda Pengujian rangkaian penguat dan filter terhadap sinyal input setelah melalui dengan jarak yang berbeda Pengujian waktu program dalam mengolah sinyal analog ke dalam bentuk digital Pengujian ke akuratan hasil sampling terhadap siyal input Pengujian Sistem Keseluruhan

4.2 HASIL PENGUJIAN 4.2.1 Pengujian kepekaan mic terhadap sinyal inut dengan jarak yang berbeda

Gambar 4.1. Pengujian Penguat dan Filter Dengan memberikan sumber dari Tegangan DC sebesar 12 Volt untuk membangkitkan sinyal ke rangkaian Mic Condensor dengan jarak yang berbeda – beda adalah sebagai berikut

Tabel 4.1. Hasil Pengujian Penguat dan Filter Pada rangkaian Filter dan penguat ini diharapkan sebagai input terhadap mikrokontroller tidak melebihi 5 Volt, sehingga dibutuhkan filter dan rangkaian penguat setelah melalui filter tersebut

Gambar 4.1. Rangkaian Filter dengan frekuensi 1kHz

BAB V PENUTUP

5.1 KESIMPULAN Setelah melakukan perencanaan dan pembuatan sistem kemudian dilankukan pengujian dan analisanya, maka dapat diambil beberapa kesimpulan tentang sistem kerja alat, yaitu sebagai berikut: 1. Mekanisme pengambilan data pada sinyal input harus di catu dengan 12 Volt karena respon filter yang begitu tinggi sehingga frekuensi lainya tidak dapat di respon. 2. Penentuan sudut arah hanya mampu mendeteksi sudut 00, 450, 900, 1350, 1800, 2250, 2700, 3150, 3600 3. Pergerakan simulasi kepala belum mencapai keakuratan terhadap arah datang suara disebabkan karena toleransi servo serta mekanik belum dikatakan sempurna

DAFTAR PUSTAKA [1] Hans-Joachim Böhme, Torsten Wilhelm, Jürgen Key, Carsten Schauer, Christof Schröter, Horst-Michael Groβ, Torsten Hempel. An approach to multi-modal human-machine interaction for intelligent service robots. Robotics and Autonomous Systems, Vol 44(1) 2003, pages 83-96. [2] Cynthia Breazeal. Towards Sociable Robots. Robotics and Autonomous Systems, Vol. 42(3-4) 2003, pages 167-175. [3] Cynthia Breazeal and Brian Scassellati. Robots that imitate humans.TRENDS in Cognitive Sciences, Vol. 6(11) 2002, pages 481-487. [4] Terrence Fong, Illah Nourbakhsh, Kerstin Dautenhahn. A survey of socially interactive robots. Robotics and Autonomous Systems, Vol. 42(3-4) 2003, pages 143-166. [5] Mark Girolami. A nonlinear model of the binural cocktail party effect. Neurocomputing, Vol 22(1-3) 1998, pages 201215. [6] Timothy D. Griffiths and Jason D. Warren. The planum temporal as a computational hub. TRENDS in Neurosciences, Vol. 25(7) 2002, pages 348-353. [7] Harold L. Hawkins, Teresa A McMullen, Arthur N. Popper, Richard R. Fay. Auditory Computation. Springer Handbook of Auditory Research. Springer 1996, pages 334-336. [8] Jie Huang, Tadawute Supaongprapa, Ikutaka Terakura, Fuming Wang, Noboru Ohnishi, Noboru Sugie. A model-based sound localization system and its application to robot navigation. Robotics and Autonomous System, Vol. 27(4) 1999, pages 199-209.