WIRELESS AIR MOUSE SEBAGAI ALAT BANTU PRESENTASI MENGGUNAKAN INERTIAL SENSOR PENDETEKSI PERGERAKAN
Oleh Widji Santoso NIM : 612005001
Skripsi Untuk melengkapi salah satu syarat memperoleh Gelar Sarjana Teknik Elektro Konsentrasi Teknik Elektronika Fakultas Teknik Elektronika Dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana Salatiga
Oktober 2012
INTISARI
Pada skripsi ini dirancang wireless air mouse sebagai alat bantu presentasi menggunakan sensor inersia yang terdiri dari akselerometer dan giroskop sebagai pendeteksi pergerakan. Mouse dapat digunakan untuk mengontrol gerak kursor pointer pada PC ketika terdapat alas maupun tanpa menggunakan alas. Sensor akselerometer digunakan untuk mengukur percepatan gerak translasi sehingga dapat mengetahui perubahan posisi mouse pada permukaan alas. Sensor giroskop digunakan untuk mengukur laju perubahan sudut sehingga diperoleh perubahan posisi mouse ketika diudara (tanpa alas). Mikrokontroler ARM Cortex M0 seri LPC1114 digunakan sebagai pengolah data hasil pembacaan sensor yang diterjemahkan kedalam perubahan gerak kursor mouse. Koneksi mouse dan PC melalui media RF menggunakan modul bluetooth. Aplikasi desktop yang ter-install pada PC digunakan sebagai driver untuk mengenali perangkat sebagai mouse. Alat yang direalisasikan memiliki dimensi 60 mm X 116 mm dan berat sekitar 99 gram. Hasil pengujian menunjukkan bahwa variasi percepatan gerak mouse pada permukaan alas mempengaruhi hasil pembacaan posisi. Sensor akselerometer memiliki bias error absolute sebesar 22 LSB pada sumbu X, 23 LSB pada sumbu Y dan 48 LSB pada sumbu Z. Pengujian sensor giroskop mengalami drift error dengan laju perubahan 0,03o/s pada poros roll, 0,08 o/s pada poros pitch dan 0,04 o/s pada poros yaw. Jarak penggunaan antara perangkat dan PC maksimal 20 m pada area
bebas halangan (line of sight) dan 10 m ketika terdapat halangan. Hasil pengujian perangkat wireless air mouse dapat digunakan pada sistem operasi Windows XP, Windows 7 dan Vista.
i
ABSTRACT
In this thesis wireless air mouse designed as a tool for presentation using inertial sensors which consisting of accelerometer and gyroscope as detection of movement. Microcontroller ARM Cortex M0 LPC1114 series is used to process the result of the sensor reading and translate it into the alteration of cursor movement. Mouse and PC connected through RF media using bluetooth module. Desktop applications which are installed on the PC used as a driver to recognize the device as a mouse. The realized instrument has dimensions of 60 mm x 116 mm and weighs about 99 grams. The test results showed that the variation in the motion of the mouse acceleration on mouse pads affects the results of the reading position. Accelerometer sensor has a 22 LSB of absolute bias error on the X-axis, 23 LSB on the Y axis and 48 LSB on the Z axis. Test result of gyroscope sensor having drift rate of change of error with 0.03o / s on the roll axis, 0.08o/ s on the pitch axis and 0.04o/ s on the yaw axis. The distance between the device and PC usage up to 20 m in line of sight area and 10 m when outdoors. The testing result of wireless air mouse can be used on Windows XP, Windows 7 and Vista operating systems.
ii
KATA PENGANTAR
Puji dan syukur kehadirat Tuhan YME, yang senantiasa mencurahkan perhatiannya untuk menjaga segala hasil kreasiNya. “Permainan kecil” Nya telah menghaturkan segalanya hingga terlahir skripsi berjudul “Wireless Air Mouse menggunakan Inertial Sensor Pendeteksi Pergerakan”. Demikian kiranya penulis mencurahkan segala kekaguman atas alur yang telah Ia rancang. Penulis percaya bahwa setiap langkah yang penulis ambil telah digariskan olehNya dengan sangat terperinci. Penulis juga percaya, bahwa langkah penulis untuk menyelesaikan pendidikan di Fakultas Teknik Jurusan Teknik Elektronika dan Komputer Universitas Kristen Satya Wacana adalah rencanaNya mempersiapkan penulis untuk suatu hal yang besar dalam hidup penulis. Orang tua penulis, Bapak dan ibu Samsuri. Kakak penulis, mbak Lestari dan mas Ardi. Keponakan penulis, Hanri dan Dika. Terimakasih atas segala yang telah diberikan, baik berupa doa, perhatian, dukungan dan movitasi serta semangat bagi penulis dalam menyelesaikan skripsi ini. Bapak Ir. F. Dalu Setiaji, M.T. dan Bapak Ir. Lukas B.S, M.Sc., penulis ucapkan banyak terimakasih karena senantiasa meluangkan waktu dalam membimbing dan memberikan arahan baik dalam penulisan maupun dalam proses perancangan alat. Pimpinan fakultas dan segenap staff FTEK, terimakasih atas segala kesempatan dan peluang yang diberikan. Seseorang yang tak bosan-bosan memberikan support, bimbingan, harapan dan motivasi bagi penulis. Yang tak pernah menjauh ketika penulis terjatuh, yang tak pernah marah ketika memerah. Linda Ambardini, S.Si. Teman-teman seperjuangan, Romo Johan (sekaligus ketua RT), Syeh Onne, P.dt Blek, P.dt Eko, P.dt Patria serta Biku Yansen (koh otot), simbah Rea serta para pemuka kepercayaan lain yang tidak dapat penulis sebutkan satu persatu. Sungguh, bersama kalian hidup ini semakin berwarna. Jangan pernah lupa, darimana kita berasal. Teman-teman RT sebelah, Ivan Patty, Hansen, bang Aldo, Daniel D**cuk yang telah terlebih dahulu meraih gelar “ST” sehingga membuat penulis semakin termotivasi untuk segera menyelesaikan skripsi.
iii
Teman-teman lama, Adit, Adrian BH, Happy (Bajuri), mas Widji tanpa “j”, penulis bangga pernah berjuang bersama kalian. Penulis merasa ada, ketika bersama kalian. Kalian sudah, kini giliran penulis. Teman-teman sekampung, Codot, T-pos, Ius, Herry, Suryo, dan para penghuni kampung “LAB-XT” tercinta lainnya, pak Bambang, pak Sentot, dan para penghuni yang mungkin tak bisa terlihat oleh penulis. Seluruh untai kata yang sulit dirangkai ini menandakan bahwa penulis tak mampu mengungkapkan segenap hati dan pikiran hanya kedalam dua lembar kata pengantar ini. Penulis berharap, semoga coretan yang telah dikerjakan selama sembilan bulan ini dapat bermanfaat dan memberikan inspirasi bagi siapapun yang membacanya. “Seseorang mungkin pernah terjatuh, seseorang mungkin pernah tenggelam, seseorang mungkin pernah merasa sirna dari kehidupan. Inilah kehidupan. Inilah tempat segala impian diwujudkan. Seburuk apapun jalan yang ditempuh. Jangan pernah merasa itulah jalan yang paling buruk. “Sepenggal cerita dibalik tikus terbang yang penuh pengharapan”
Lab XT, September 2012
Penulis
iv
DAFTAR ISI
INTISARI .......................................................................................................................... i ABSTRACT...................................................................................................................... ii KATA PENGANTAR ...................................................................................................... iii DAFTAR ISI .................................................................................................................... iv DAFTAR GAMBAR ...................................................................................................... vii DAFTAR TABEL ............................................................................................................ ix BAB I. PENDAHULUAN .............................................................................................. 1 1.1
Latar Belakang Masalah ..................................................................................... 1
1.2
Batasan Masalah................................................................................................. 2
1.3
Sistematika Penulisan......................................................................................... 3
Bab I. Wireless Air Mouse ................................................................................................. 5 2.1.
Gerak Translasi Dan Rotasi Pada Mouse ...................................................................... 5
2.2.
Sensor Inersia ................................................................................................................ 7
2.2.1.
2.2.1.1
Permodelan Sensor Akselerometer ...................................................... 8
2.2.1.2
Pengaruh Gravitasi Terhadap Sensor Akselerometer .......................... 9
2.2.1.3
Sensor Akselerometer Lis3lv02dl ..................................................... 11
2.2.2.
2.3.
Akselerometer ............................................................................................. 8
Sensor Giroskop ........................................................................................ 14
2.2.2.1
Permodelan Sensor Giroskop ............................................................ 15
2.2.2.2
Sensor Giroskop Itg3205 ................................................................... 16
2.2.2.3
Metode Integral Numerik Aturan Trapezoidal .................................. 17
Bluetooth ..................................................................................................................... 18
2.3.1.
Aplikasi Dan Fitur .................................................................................... 18
2.3.2.
Topologi Jaringan Bluetooth ..................................................................... 19
2.3.3.
Protokol Bluetooth .................................................................................... 20
2.3.4.
Keamanan Bluetooth................................................................................. 22
2.3.5.
Fhss .......................................................................................................... 23
BAB III. PERANCANGAN ALAT ................................................................................ 25 3.1.
Cara Kerja Alat ................................................................................................ 26
3.2.
Perancangan dan Realisasi Perangkat Wireless Air Mouse.............................. 26 v
3.2.1
Modul Pengendali Utama ......................................................................... 26
3.2.2
Modul Bluetooth DF-Bluetooth V3 .......................................................... 28
3.2.3
Modul Touch Panel .................................................................................. 30
3.2.4
Perancangan IMU (Inertial Measurement Unit) ....................................... 31
3.2.5
Perancangan Sistem Catu Daya ................................................................ 33
3.3.
3.2.4.1
Perancangan Catu Tegangan ............................................................. 34
3.2.4.2
Perancangan Pengisi Ulang Baterai ................................................... 34
3.2.4.3
Perancangan Pendeteksi Kapasitas Baterai ....................................... 36
Perancangan Perangkat Lunak Wireless Air Mouse......................................... 37 3.3.1.
Perhitungan Koordinat Kursor Berdasarkan Pembacaan Sensor ...... 38
3.3.1.1. Perhitungan Perubahan Koordinat Kursor Pada Permukaan Alas . 39 3.3.1.2. Perhitungan Perubahan Koordinat Kursor Tanpa Alas ................. 43 3.3.2.
Aplikasi Desktop Air Mouse Driver .................................................. 47
BAB IV ........................................................................................................................... 49 PENGUJIAN DAN ANALISIS ...................................................................................... 49 4.1.
Pengujian Sistem Catu Daya ............................................................................ 49
4.2.
Pengujian Koneksi Bluetooth ........................................................................... 51
4.3.
Pengujian IMU (Inertial Measurement Unit) .................................................. 53
4.3.1
Pengujian Sensor Akselerometer .............................................................. 53
4.3.2
Pengujian Sensor Giroskop ....................................................................... 57
4.5.
Pengujian Driver Mouse pada PC .................................................................... 63
BAB V. KESIMPULAN DAN SARAN ......................................................................... 68 5.1.
Kesimpulan ...................................................................................................... 68
5.2.
Saran Pengembangan ....................................................................................... 69
DAFTAR PUSTAKA…………………………………………………………………..70 LAMPIRAN A. PANDUAN PENGGUNAAN………………………………………..72
vi
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Perubahan posisi mouse dan koordinat kursor pointer mouse ...................... 5 Gambar 2.2 Perubahan sudut ketika menggerakkan mouse di udara ............................... 6 Gambar 2.3 Sistem massa pegas untuk mengukur percepatan ......................................... 8 Gambar 2.4 Sistem massa pegas pada bidang datar ......................................................... 9 Gambar 2.5 Sistem massa pegas diposisikan pada keadaan miring ............................... 10 Gambar 2.6 Blok diagram akselerometr LIS3LV02DL[6]. ............................................ 11 Gambar 2.7. Konfigurasi pin accelerometer ................................................................... 11 Gambar 2.8 Efek coriolis benda yang bergerak lurus pada cakram berputar ................. 14 Gambar 2.9 Percepatan coriolis[7] ................................................................................. 15 Gambar 2.10 Sumbu pengukuran giroskop ITG3205 ..................................................... 17 Gambar 2.11 Fungsi f(x) (hitam) didekati dengan fungsi linier (merah) ....................... 18 Gambar 2.12 Beberapa contoh modul aplikasi Bluetooth .............................................. 19 Gambar 2.13 Topologi jaringan Bluetooth [10] ............................................................. 20 Gambar 2.14 Layer-layer di dalam stack protokol Bluetooth [10] ................................. 20 Gambar 2.15 Single frequency hopping system ............................................................. 23 Gambar 3.1 Diagram alat keseluruhan ........................................................................... 25 Gambar 3.2 Konfigurasi pin mikrokontrontroler ARM Cortex-M0 LPC1114 .............. 27 Gambar 3,3 Modul mikrokontroler sebagai pengendali utama ...................................... 28 Gambar 3.4 Modul bluetooth produk DF-Bluetooth V3 ................................................ 29 Gambar 3.5. Keluaran pin pada touch panel .................................................................. 30 Gambar 3.6 Skematik touch panel ketika panel ditekan ................................................ 31 Gambar 3.6 Skema diagram modul sensor akselerometer .............................................. 31 Gambar 3.6 Konfigurasi pin ITG-3205 .......................................................................... 32 Gambar 3.7 Skema modul sensor giroskop ITG-3205 ................................................... 33 Gambar 3.8 Blok diagram sistem catu daya ................................................................... 33 Gambar 3.9 Skema regulator tegangan LDO MAX8881 ............................................... 34 Gambar 3.11 Li-Ion charger LTC4055 .......................................................................... 36 Gambar 3.12 Perancangan modul pendeteksi kapasitas baterai MAX17058 ................. 37 Gambar 3.13 Diagram alir perangkat lunak mikrokontroler .......................................... 38 Gambar 3.14 Diagram alir perhitungan perubahan kursor bidang datar ........................ 40 vii
Gambar 3.15 Ilustrasi discrimination window ............................................................... 40 Gambar 3.16 Metode penghitungan secara trapezoidal ................................................. 42 Gambar 3.16 Diagram alir proses perhitungan koordinat kursor ketika diudara............ 43 Gambar 3.17 Grafik perubahan kecepatan sudut terhadap waktu .................................. 45 Gambar 3.19 Konfigurasi mode wireless air mouse....................................................... 47 Gambar 3.20 Konfigurasi pengaturan kecepatan mouse ................................................ 48 Gambar 3.21 Konfigurasi tombol pemintas .................................................................... 48 Gambar 4.1 Pengujian Sistem Catu Daya ....................................................................... 49 Gambar 4.2 Pengujian pengontrol pengisian ulang baterai ............................................ 50 Gambar 4.3 Pengukuran proses pengisian ulang baterai ................................................ 51 Gambar 4.4 Blok pengujian modul bluetooth DF-Bluetooth V3.................................... 51 Gambar 4.5 Data bluetooth yang ditampilkan pada terminal ......................................... 52 Gambar 4.6 Pengukuran raw data sensor akselerometer ............................................... 54 Gambar 4.7 Pengukuran zero g bias error akselerometer ............................................... 55 Gambar 4.8 Hasil pengujian giroskop poros roll ............................................................ 58 Gambar 4.9 Hasil pengujian giroskop poros pitch ......................................................... 58 Gambar 4.10 Hasil pengujian giroskop poros yaw ......................................................... 58 Gambar 4.11 Pengukuran sudut poros roll ..................................................................... 60 Gambar 4.12 Pengukuran sudut poros pitch ................................................................... 60 Gambar 4.13 Pengukuran sudut poros yaw .................................................................... 60 Gambar 4.14 Hasil kompensasi error drift poros roll .................................................... 61 Gambar 4.15 Hasil kompensasi error drift poros pitch .................................................. 61 Gambar 4.16 Hasil kompensasi error drift poros yaw.................................................... 61 Gambar 4.20 Antarmuka instalasi perangkat lunak driver mouse .................................. 64 Gambar 4.21 Jalan pintas driver mouse pada desktop dan start menu ........................... 64 Gambar 4.22 Notifikasi aplikasi driver mouse pada system tray ................................... 64 Gambar 4.23 System tray menu ...................................................................................... 65 Gambar 4.24 Proses pencarian perangkat wireless air mouse ........................................ 66 Gambar 4.25 Hasil instalasi driver mouse pada Windows XP ....................................... 66
viii
DAFTAR TABEL
Tabel 2.1 Deskripsi pin LIS3LV02DL ........................................................................... 12 Tabel 2.2 Karakteristik akselerometer LIS3LV02DL .................................................... 13 Tabel 2.3 Deskripsi pin antarmuka serial LIS3LV02DL ................................................ 14 Tabel 3.1. Daftar konfigurasi pin yang digunakan pada mikrokontroler........................ 27 Tabel 4.1. Hasil pengukuran LDO regulator MAX8881EUT33-T ................................ 50 Tabel 4.2. Hasil pengujian jarak transmisi tanpa ada halangan ...................................... 52 Tabel 4.3. Hasil pengujian saat ada halangan ................................................................. 53 Tabel 4.4. Hasil Pengukuran nilai maksimum dan minimum akselerometer ................. 54 Tabel 4.5. Hasil pengamatan data akselerometer pada kondisi statis ............................. 55 Tabel 4.6. Hasil pengukuran oleh akselerometer pada sumbu x arah positif ................. 56 Tabel 4.7. Hasil pengukuran oleh akselerometer pada sumbu y arah positif ................. 57 Tabel 4.8 Hasil pengukuran sensor gyroscope sumbu Z ................................................ 59 Tabel 4.9 Hasil pengukuran sensor gyroscope sumbu Y ................................................ 59
ix
