ROBOT PENCARI ARAH KEDATANGAN SUARA MENGGUNAKAN
AGORITMA MUSIC (MULTIPLE SIGNAL CLASSIFICATION)
Benny Wijaya Nababan
Email: beni.nababan@gmail.com
Jurusan Teknik Elektro, Universitas Kristen Maranatha
Jalan Prof. Drg. Surya Sumantri, MPH. 65
Bandung 40164, Indonesia
ABSTRAK
Tugas akhir ini menyajikan solusi untuk menemukan arah kedatangan dan lokasi sumber suara. Target ditemukan dengan menangkap gelombang suara menggunakan 2 mikrofon omni-directional. Solusi ini akan baik apabila sumber tetap terletak di lokasi yang sama.
Tugas akhir ini merancang dan merealisasikan robot pencari arah kedatangan suara yang berbasis mikrokontroler dan menggunakan algoritma MUSIC (Multiple Signal Classification) untuk menganalisis dan menemukan arah kedatangan sumber suara, serta algoritma perbedaan keluaran dua sensor untuk menemukan lokasi sumber suara.
Dari beberapa percobaan, algoritma MUSIC yang dipakai pada robot pencari arah kedatangan suara ini belum mampu diimplementasikan dengan baik. Hal ini menyebabkan
hasil berupa estimasi arah kedatangan yang tidak akurat. Sedangkan dengan algoritma perbedaan keluaran dua sensor, robot berhasil menemukan lokasi sumber suara dengan jarak
rata-rata kurang dari 15 cm.
ii
Universitas Kristen Maranatha
DIRECTION OF ARRIVAL SEARCHER ROBOT USING MUSIC
(MULTIPLE SIGNAL CLASSIFICATION) ALGORITHM
Benny Wijaya Nababan
Email : beni.nababan@gmail.com
Department of Electrical Engineering, Maranatha Christian University
Prof. drg. Surya Sumantri, MPH. Street 65
Bandung 40164, Indonesia
ABSTRACT
This Final Project presents a solution to the problems to find direction of arrival and sound source localization. The target lies in getting the direction of a source by capturing its sound with 2 omni-directional microphones. The solution allows the source to be either located at a fixed location.
This Final Project is to design and realize the direction of arrival searcher robot based on microcontroller and uses MUSIC (Multiple Signal Classification) algorithm to analyze and find the direction of arrival of sound, and difference between two sensors algorithm to find the location of the sound.
From some experiments, MUSIC algorithm used in robot searcher has not been able to be implemented properly. This causes the results in the direction of arrival estimation are not accurate. While with the output difference of two sensors algorithm, the robot able to find the location of the sound with an average distance of less than 15 cm.
iv
DAFTAR ISI
II.3 Sensor Ultrasonik HC-SR04... 10
II.4 Direction of Arrival ... 12
II.4.1 Multiple Signal Classification ... 14
II.4.2 Matriks Kovarians S ... 15
BAB III PERANCANGAN DAN REALISASI III.1 Perancangan Perangkat Keras ... 18
III.1.1 Perancangan Elektronika Pada Robot Pencari Arah ... 19
III.1.2 Sensor Suara Analog DFRobot ... 20
III.2 Perancangan Perangkat Lunak ... 21
BAB IV DATA PENGAMATAN DAN ANALISA IV.1 Pengujian Robot Menggunakan Algoritma MUSIC ... 25
IV.2 Analisis ... 25
IV.3 Robot dengan Algoritma Perbandingan Dua Sensor Suara ... 38
IV.4 Analisis ... 45
BAB V KESIMPULAN DAN SARAN V.1 Kesimpulan ... 46
V.2 Saran ... ... 46
DAFTAR PUSTAKA
vi
Universitas Kristen Maranatha
DAFTAR TABEL
Tabel IV.1 Data hasil pengujian robot menggunakan algorima MUSIC ... 25
Tabel IV.2 Data hasil perhitungan dari matriks S pertama ... 26
Tabel IV.3 Data hasil perhitungan dari matriks S kedua ... 28
Tabel IV.4 Data hasil perhitungan dari matriks S ketiga ... 30
Tabel IV.5 Data hasil perhitungan dari matriks S keempat ... 32
Tabel IV.6 Data hasil perhitungan dari matriks S kelima ... 34
Tabel IV.7 Data hasil perhitungan dari matriks S keenam ... 36
Tabel IV.8 Data pengamatan pertama algoritma perbandingan 2 sensor ... 43
Tabel IV.9 Data pengamatan kedua algoritma perbandingan 2 sensor ... 44
DAFTAR GAMBAR
Gambar 2.1 Pengontrol mikro Arduino Uno... 5
Gambar 2.2 ATmega328 ... 6
Gambar 2.3 Macam macam mikrofon ... 8
Gambar 2.4 Diagram polar(a)Omni-directional (b)Bi-directional (c)Cardioid ... 9
Gambar 2.5 Penampang belakang dan depan sensor HC-SR04 ... 11
Gambar 2.6 Timing diagram dari sensor HC-SR04 ... 12
Gambar 2.7 Ilustrasi sudut kedatangan pada sensor array ... 13
Gambar 3.1 Diagram Blok Sistem dengan Algoritma MUSIC... 18
Gambar 3.2 Konfigurasi pin sensor suara dan ultrasonik HC-SR04 ... 19
Gambar 3.3 Analog sound sensor V2 DFRobot... 20
Gambar 3.4 Konfigurasi pin yang digunakan sensor ... 20
Gambar 3.5 Bentuk robot tampak samping (kiri) tampak atas (kanan) ... 21
Gambar 3.6 Flowchart utama robot beroda ... 21
Gambar 3.7 Flowchart membaca nilai sensor suara ... 22
Gambar 3.8 Flowchart mencari matriks kovarians S ... 23
Gambar 3.9 Flowchart mencari nilai eigen ... 23
Gambar 3.10 Flowchart mencari noise eigenvector ... 23
Gambar 3.11 Flowchart mencari P(θ)MUSIC ... 24
Gambar 4.1 Plot PMUSIC untuk data matriks S pertama ... 28
Gambar 4.9 Flowchart inisialisasi mikrokontroler ... 40
Gambar 4.10 Flowchart membaca sensor ultrasonik HC-SR04 ... 41
Gambar 4.11 Flowchart membaca nilai sensor suara ... 41
Gambar 4.12 Flowchart robot gerak maju ... 42
Gambar 4.13 Flowchart robot gerak ke depan... 42
Gambar 4.14 Flowchart robot gerak ke kiri... 43
1
BAB I PENDAHULUAN
Pada bab ini berisi tentang latar belakang masalah, rumusan masalah, tujuan penelitian, batasan masalah, dan sistematika penulisan.
I.1 Latar Belakang Masalah
Kemajuan teknologi mikrokontroler dan akustik saat ini memberikan pengaruh yang besar dalam perkembangan industri robotika. Salah satu perkembangan dalam dunia robotika adalah robot pendeteksi sinyal suara. Prinsip kerja robot ini adalah dengan menemukan keberadaan sumber suara. Dasar dari prinsip ini banyak meringankan kerja manusia seperti contoh implementasinya digunakan pada robot penyelamat, robot pelayan, dan masih banyak yang lainnya.
Prinsip yang diterapkan adalah dengan merancang sensor array pada robot untuk memperkirakan lokasi arah kedatangan sumber suara. Algoritma MUSIC (Multiple Signal Classification) adalah salah satu metode yang banyak dipakai untuk mengestimasi arah kedatangan (direction of arrival) gelombang yang mencapai sensor, dengan cara mengolah data analog dari beberapa sensor suara yang menerima masukan suara.
Setelah sudut kedatangan suara (angle of arrival) dideteksi menggunakan algoritma MUSIC, robot akan memberi respon dengan bergerak sesuai data sudut arah kedatangan sumber suara. Robot pendeteksi arah kedatangan suara ini akan mencari lokasi dan posisi sumber suara. Pada jarak tertentu, robot akan berhenti di lokasi sumber suara.
I.2 Rumusan Masalah
Masalah-masalah yang akan dibahas dalam tugas akhir ini adalah sebagai
berikut:
BAB I Pendahuluan
2. Bagaimana menentukan sudut kedatangan (angle of arrival) dari sumber suara.
3. Bagaimana mengontrol motor DC untuk menggerakkan robot menuju sumber suara.
I.3 Tujuan
Tujuan tugas akhir ini adalah merancang dan merealisasikan robot pencari arah kedatangan sumber suara dengan algoritma MUSIC (Multiple Signal Classification) dan mengontrol untuk menuju sumber suara.
I.4 Pembatasan Masalah
Agar pembahasan tugas akhir ini tidak melebar dan terarah, maka permasalahan dibatasi pada :
Robot yang dirancang adalah robot beroda dengan jumlah roda 3 dengan 2 buah menggunakan motor DC dan 1 roda pasif (ball caster).
Bahan yang digunakan membuat robot adalah bahan akrilik.
Jarak maksimal sumber suara dan robot pencari adalah 50 cm (far field behaviour).
Robot pencari dan sumber suara tidak memiliki hambatan.
Sumber suara menggunakan speaker dengan frekuensi 4 kHz dan amplituda konstan.
I.5 Sistematika Penulisan
Laporan Tugas Akhir ini terbagi menjadi lima bab utama. Untuk memudahkan dalam membaca laporan ini, akan diuraikan secara singkat sistematika beserta uraian dari masing-masing bab yaitu:
BAB I – PENDAHULUAN
BAB I Pendahuluan
Teknik Elektro
Universitas Kristen Maranatha 3
akhir, memberikan batasan masalah yang akan diteliti dan menguraikan sistematika penulisan laporan Tugas Akhir,
BAB II - LANDASAN TEORI
Bab ini menjelaskan mengenai mikrokontroler Arduino uno berawal dari pengetahuan umum dan modul modul Arduino yang digunakan, kemudian
membahas tentang algoritma Multiple Signal Classification (MUSIC) sebagai salah satu algoritma yang digunakan dalam menentukan arah kedatangan, serta penjelasan tentang macam-macam sensor yang digunakan dalam Tugas Akhir ini.
BAB III - PERANCANGAN DAN REALISASI
Bab ini menjelaskan tentang perancangan perangkat keras dan lunak dari robot pencari arah kedatangan suara.
BAB IV - DATA PENGAMATAN DAN ANALISA
Bab ini berisi tentang data hasil Tugas Akhir dan menganalisa seluruh hasil keluaran dari mikrokontroler.
BAB V - KESIMPULAN DAN SARAN
BAB V Kesimpulan dan Saran
BAB V
KESIMPULAN DAN SARAN
Pada bab ini disimpulkan hasil dari realisasi dan disampaikan saran mengenai hal yang bisa ditambahkan untuk penelitian selanjutnya agar mendapatkan hasil yang lebih baik.
V.1 Kesimpulan
Implementasi algoritma MUSIC (Multiple Signal Classification) pada robot pencari arah kedatangan suara dengan menggunakan masukan 2 buah sensor menghasilkan error dengan tingkat yang cukup besar. Hasil data mikrokontroler pada pengamatan Tabel IV.1 menunjukkan bahwa robot
hanya dapat menemukan sudut kedatangan 0⁰ dan 160⁰. Dan dengan melalui perhitungan, sudut yang dihasilkan hanya 0⁰ dan 180⁰. Hal ini
disebabkan keterbatasan pengolahan floating dari mikrokontroler dan jumlah sensor yang digunakan.
Untuk algoritma dengan perbandingan keluaran antara 2 sensor, robot pencari dapat menemukan posisi sumber suara dengan jarak kurang dari 15 cm dan sudut bervariasi berdasarkan posisi akhir robot terhadap sumber suara.
V.2 Saran
Untuk pengembangan tugas akhir ini, jumlah sensor suara yang digunakan
DAFTAR PUSTAKA
1. www.arduino-info.wikispaces.com/QuickRef, 28 April 2015.
2. www.en.wikipedia.org/wiki/Arduino, 29 Mei 2015. 3.
www.mediacollege.com/audio/microphones/directional-characteristics.html, 30 Maret 2015.
4. www.elecfreaks.com/store/download/HC-SR04.pdf, 15 April 2015.
5. Schmidt, Ralph O., “Multiple Emitter Location and Signal Parameter
Estimation”, IEEE Transactions on Antenna and Propagaion Vol. AP -34,No.3, 1986.
6. Muhamed, Rias., “Direction of Arrival Estimation Using Antenna
Arrays”,Virginia.,1996
