I. PENDAHULUAN1.1. Latar BelakangNilai kecepatan dan arah angin di suatu tempat pada beberapa ketinggian tertentu bisa didapatkan dari hasil pengamatan pilot balon atau radiosonde. Salah satu alat pengamatan pilot balon adalah theodolite, yaitu sebuah instrumen yang digunakan untuk mengukur sudut horizontal atau sudut vertikal suatu objek pengamatan, instrumen ini berupa teropong monokular yang berotasi pada suatu mekanik dengan sistem gymbal dua aksis. Salah satu aksis mewakili sudut elevasi (sudut vertikal) dan aksis yang lain mewakili sudut azimut (sudut horizontal) dari posisi objek yang diamati melalui teropong. Dua nilai sudut elevasi dan azimut pada berbagai nilai ketinggian yang diperoleh dari masingmasing aksis tersebut diturunkan menjadi nilai kecapatan dan arah angin. Pada theodolite optik pembacaan nilai sudut elevasi dan azimut dilakukan secara manual dengan cara membaca jarum yang menunjuk pada skala busur sudut. Dalam perkembangan teknologi instrumentasi telah dikembangkan sebuah theodolite digital yang memiliki tampilan LCD (Liquid Crystal Display). Pada tampilan tersebut nilai sudut elevasi dan azimut dapat dibaca dalam bentuk digital. Hal ini memberikan kemudahan dan mengurangi kemungkinan kesalahan pembacaan dan pencatatan oleh pengamat. Kesalahan pengamat memberikan pengaruh besar terhadap analisa lebih lanjut pada berbagai penelitian yang menggunakan koleksi data arah dan kecepatan angin yang tidak mewakili keadaan sebenarnya. Koleksi data yang salah dapat memberikan hasil analisis yang menyimpang atau memberikan hasil simulasi dan pemodelan yang salah pula. Dengan mengembangkan sistem kerja instrumen theodolite yang dapat melakukan pembacaan dan pencatatan secara otomatis, hal ini memberikan kemudahan kepada pengamat sekaligus mengurangi dampak kesalahan oleh pengamat. Dalam penelitian ini akan dilakukan pembuatan theodolite elektronik dengan menggunakan sensor posisi 3D pada sistem gymbal dari theodolite tersebut dan menyimpan hasil pembacaan sensor dengan menghubungkan instrumen tersebut dengan perangkat komputer. Selain itu dilakukan pembuatan perangkat lunak yang dapat melakukan pengolahan data

posisi 3D menjadi data arah dan kecepatan angin yang ditampilkan dalam berbagai bentuk seperti tabel, grafik 2D, dan grafik 3D.

1.2.

Tujuan

Tujuan dari penelitian ini adalah membuat theodolite elektronik dengan memanfaatkan komponen perangkat keras mouse sebagai sensor posisi 3D. Dan membuat perangkat lunak pada perangkat komputer sebagai antarmuka pengamatan pilot balon.

II. TINJAUAN PUSTAKA2.1. Pengamatan Pilot Balon

Pengamatan pilot balon diciptakan untuk tujuan pengukuran arah dan kecepatan angin pada ketinggian yang beragam. Pengamatan ini dilakukan dengan mengikuti kenaikan dan posisi sebuah balon karet dengan menggunakan theodolite balon. Balon tersebut diisi oleh gas hidrogen atau helium dan naik dengan kecepatan konstan yang diinginkan atau berdasarkan ketentuan baku. Besar kecepatan vertikal balon telah ditentukan dengan mengukur jumlah gas yang diisi kedalam balon. Massa balon yang ringan dan ukuran balon yang telah ditentukan membuat balon dapat digerakan oleh angin dan pergerakan tersebut mewakili kecepatan dan arah angin pada ketinggian balon. Sudut azimut dan elevasi yang dibentuk antara stasiun pibal dan balon diamati dan dicatat pada interval waktu tertentu.

1

Gambar. Observasi Pilot Balon (sumber: http://www.pilotballoon.com/pibalpub.htm)

Sudut elevasi menunjukkan ketinggian sudut balon yang berkisar antara 0 pada permukaan horizontal pengamat hingga 90 kearah atas pengamat. Sudut azimut menggambarkan posisi sudut horizontal balon yang berkisar antara 0 hingga 360. Nilai 0 atau 360 menunjukkan arah utara, 90 menunjukkan arah timur, 180 menunjukkan arah selatan, 270 menunjukkan arah barat. Sudut dicatat berdasarkan interval waktu tertentu, dimana waktu pencatatan dapat menghasilkan nilai ketinggian balon. Dengan demikian dapat dibuat rekonstruksi proyeksi harizontal balon yang menghasilkan arah dan kecepatan angin pada setiap tingkatan ketinggian.

2.1.1. Komponen Pengamatan Komponen pertama adalah Theodolite. Instrumen ini berupa teropong yang dilengkapi dengan mekanisme sistem gymbal dua aksis yang memungkinkan teropong tersebut dapat berputar tiga dimensi mengikuti bentuk bola. Salah satu aksis memungkinkan teropong untuk berputar secara vertikal dan menunjukkan perubahan posisi sudut elevasi dari balon. Aksis yang lain memungkinkan teropong untuk berputar secara horizontal dan menunjukkan perubahan posisi sudut azimut. Nilai sudut azimut dan elevasi dari balon dapat dibaca pada skala yang ditunjukkan oleh busur pada masing-masing aksis.

Gambar. Bagan Pilot Balon

2

(sumber: http://www.pilotballoon.com/diagram.htm)

Komponen kedua adalah Balon. Dalam pengamatan udara atas, balon yang digunakan merupakan lapisan tipis berbentuk bola (spherical) yang terbuat dari

bahan karet alami ataupun sintetik. Balon ini diisi oleh gas yang lebih ringan dari udara (hidrogen atau helium) sehingga dapat membubung dengan kecepatan tertentu.

Tabel. Spesifikasi balon cuaca grup 400, NovaLynx Corporation. Nominal Neck Uninflated Model Color Weight Diameter Diameter gm 4008210 4008211 4008230 4008231 4008232 4008233 4008234 4008235 4008236 4008237 4008239 in (mm) in (cm) Pilot Balloons 10 10 30 30 30 100 100 100 200 red black red black natural red black natural natural 0.9 (23) 0.9 (23) 0.6 (14) 0.6 (14) 0.6 (14) 0.6 (14) 0.6 (14) 0.6 (14) 1.3 (32) 3.2 (8) 3.2 (8) 7.1 (18) 7.1 (18) 7.1 (18) 13.8 (35) 13.8 (35) 13.8 (35) 18.9 (48)

Std Inflated Diameter ft (cm)

Burst Diameter ft (cm)

1.5 (46) 1.5 (46) 2.1 (64) 2.1 (64) 2.1 (64) 2.4 (74) 2.4 (74) 2.4 (74) 3.9 (118)

2.0 (60) 2.0 (60) 3.3 (102) 3.3 (102) 3.3 (102) 4.4 (133) 4.4 (133) 4.4 (133) 8.9 (270)

Sounding Balloons 300 500 natural natural 1.3 (32) 1.3 (32) 23.6 (60) 32.7 (83) 42.5 (108) 5.0 (154) 5.7 (175) 6.1 (185) 12.8 (390) 17.7 (540) 22.3 (680)

400800 natural 1.3 (32) 8242 (sumber: www.novalynx.com) Ketebalan lapisan balon relatif sangat tipis, sehingga menjadi sangat rentan. Memar atau goresan kecil akan menimbulkan penurunan ketinggian maksimum yang dapat dicapai balon sebelum meledak atau pecah. Secara umum terdapat 4 macam ukuran balon, yaitu 10,20,30, dan 100 gram. Balon dengan ukuran 30 dan 100 gram digunakan untuk kepentingan militer dan pengamatan cuaca. Balon ukuran 10 gram memiliki laju kenaikan dan tinggi maksimum yang lebih rendah. Biasanya digunakan untuk pengamatan ketinggian awan. Sedangkan

balon ukuran 30 dan 100 gram selain laju kenaikan dan tinggi maksimum yang lebih tinggi juga lebih mudah untuk diamati. Balon ukuran 30 gram dapat digunakan untuk pengamatan hingga ketinggian 4600 m (15000 feet) dan balon hilang pada ketinggian yang lebih besar. Sedangkan balon ukuran 100 gram dapat digunakan untuk pengamatan lebih dari 4600 m. Agar dapat dengan mudah diamati oleh teropong balon ini memiliki beberapa warna yang bervariasi, yaitu merah dan

3

hitam. Sedangkan warna natural atau putih digunakan pada observasi radiosonde. Komponen ketiga ialah inflation Kit, yaitu peralatan yang digunakan untuk mengisi balon dengan gas ringan dan mengatur kecepatan naik balon. Balon pibal diisi dengan gas yang lebih ringan dari udara seperti hidrogen atau helium yang biasa digunakan dalam pengamatan pibal pada umumnya. Gas hidrogen memiliki daya angkat yang paling besar per satuan volume. Namun gas ini mudah terbakar. Sedangkan gas helium lebih aman digunakan tetapi memiliki daya angkat yang lebih rendah.

posisi balon dengan menggunakan theodolite. Posisi rotasi teropong yaitu azimut dan elevasi dicatat dalam selang waktu tertentu. Selang waktu pengamatan pada ketentuan baku adalah setiap satu menit sekali. 2.1.3. Perhitungan Arah dan Kecepatan Angin Arah dan kecepatan angin dapat diturunkan dari nilai sudut azimut (Az) dan elevasi (El) dari posisi balon, waktu pada setiap titik pengamatan, ketinggian balon (h), dan kecepatan naik balon. Kecepatan dan arah angin dihitung berdasarkan posisi balon pada satu titik waktu pengamatan terhadap posisi balon pada satu titik waktu pengamatan sebelumnya, bukan terhadap titik awal pengamatan. Posisi balon yang direkam dalam posisi sudut dengan komponen azimut dan elevasi dapat dikonversi kedalam posisi sistem koordinat tiga dimensi. Sistem koordinat dengan tiga sumbu x,y, dan z, dimana sumbu x adalah sumbu yang sejajar dengan arah mata angin timur-barat, sumbu y adalah sumbu yang sejajar dengan arah mata angin utara-selatan, dan sumbu z adalah sumbu untuk perpindahan secara vertikal yang tegak lurus permukaan bumi pada titik nol pengamatan. Kecepatan (ff) dan arah angin (dd) dihitung setelah menentukan jarak perpindahan posisi balon pada proyeksi horizontal (dn).

Gambar. Inflation kit (sumber: http://www.pilotballoon.com/heinflat.htm)

2.1.2. Pengamatan (Release and Tracking)

d n = h n Cotg El n

(sumber: BMG 2004)

Dengan menggunakan jarak perpindahan posisi balon tersebut dapat dihitung perpindahan posisi balon pada komponen utara-selatan (U-S) yaitu y dan komponen timur-barat (T-B) yaitu x.

y n = d n Cos Az n x n = d n Sin Az ny = y n y n +1Gambar. Pengamatan Balon (Tracking) (http//www.Pilotballoon.com/release.htm)

x = x n xn +1(sumber: BMG 2004)

Instrumen theodolite pada pengamatan pilot balon dipersiapkan dan diatur untuk menghadap arah utara sebagai titik nol derajat sudut azimut. Balon yang telah disiapkan dilepaskan didepan theodolite. Pengamat melakukan tracking balon dengan cara mengikuti pergerakan dan

Menentukan kecepatan angin (ff) dengan membagi jarak perpindahan posisi balon dengan selang waktu pengamatan (t) seperti pada persamaan berikut:

ff =

x 2 + y 2 t

4

(sumber: BMG 2004)

Gambar. Theodolite Optik

dan arah angin (dd) pada persamaan berikut:tan = y x y x(sumber: BMG 2004)

=arctan

Pembacaan sudut azimut dan sudut elevasi pada theodolite digital dilakukan secara elektronik. Instrumen ini menggunakan rotary encoder, yaitu perangkat elektromekanik yang dapat merubah posisi sudut dari suatu aksis kedalam kode analog ataupun kode digital. Alat ini dapat dijumpai pada kontrol-kontrol mekanik dan robotik pada suatu industri.

dalam konvensi meteorologi arah angin merupakan arah dari mana angin tersebut berhembus. Angin yang berhembus dari arah utara diberi nilai 0 dan angin yang berhembus dari selatan diberi nilai 180. Sedangkan angin yang berhembus dari timur diberi nilai 90 dan angin yang berhembus dari barat diberi nilai 270. Dengan demikian jika: a) x = + ; b) x = + ; c) x = ; d) x = ; y = + ; y = ; y = ; y = + ; maka dd = 90 maka dd = 90 + maka dd = 270 maka dd = 270 +

(sumber: BMG 2004)

2.2.

Theodolite Optic dan Digital

Gambar. Absolute rotary encoder (sumber:http://en.wikipedia.org/wiki/ Rotary_encoder.html)

Theodolite optik memiliki dua buah skala penunjuk yang berada pada masingmasing aksis. Jarum pada busur skala menunjukkan posisi rotasi teropong yang merupakan posisi sudut balon pibal. Dengan menggunakan theodolite optik pengamatan dilakukan dengan pembacaan dan pencatatan secara manual.

Gambar. Shaft encoder (sumber: http://www.encoder.com/literature/ optical-encoder-guide.pdf)

a)

b)

(sumber:http://www.csulb.edu/%7Embrenner/ theodoli.htm)

c)(Sumber:http://en.wikipedia.org/wiki/ Image:SovietTheodolite.jpg) Gambar. Thru-bore encoder (sumber:http://www.encoder.com/literature/ optical-encoder-guide.pdf)

5

index.html)

Theodolite digital menggunakkan LCD sebagai media antarmuka untuk menampilkan hasil pembacaan posisi sudut balon pibal. Layar ini menggunakan 4 hingga tenaga baterai ukuran AA. Pada layar LCD ini pengamat dapat membaca nilai sudut dengan format derajat-menit-detik untuk sudut azimut dengan kode H dan sudut elevasi dengan kode V secara bergantian. Beberapa theodolite memiliki dua baris tampilan digital pada layar LCD (Dual-line LCD) sehingga dapat menampilkan nilai azimut dan elevasi secara bersamaan. Untuk penggunaan lapangan theodolite digital dilengkapi dengan tripod sebagai kaki penyangga dan beberapa aksesoris lainnya. Hasil pembacaan data dapat disimpan pada perangkat penyimpan data eksternal seperti laptop atau PDA.

Gambar. NE-20H/20S Digital Theodolite (Sumber : http://www.alibaba.com/)

2.3.

Sensor Rotary Optical Encoder dan Sistem Gymbal

Rotary optical encoder memiliki sebuah piringan dengan beberapa lubang pada bagian tepinya yang berfungsi sebagai jalur melingkar yang dapat menginterupsi pancaran cahaya infra merah antara lightemitting-diode (LED) sebagai pemancar cahaya (photoemitter) dengan photodiode sebagai sensor cahaya (photodetector).Gambar. Antarmuka LCD pada theodolite digital (Sumber: http://www.digitaltheodolite.com/ index.html)

Gambar. Bagan Rotary Optical Encoder (sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/ encoders.htm)

Gambar. TOPCON DT-104 (Sumber:http://www.mohaveinstrument.com/

Gimbal (Gymbal) merupakan sistem penyangga yang memiliki titik pusat yang memungkinkan suatu objek dapat berputar pada suatu poros atau aksis. Sistem gymbal dua aksis memungkinkan suatu objek untuk berputar ke segala arah atau berputar secara tiga dimensi dengan menggunakan rotasi

6

pada aksis yang memiliki sumbu horizontal dan aksis yang memiliki sumbu vertikal.

Gambar. Sistem Gymbal (sumber: http://en.wikipedia.org/wiki/Gymbal.htm)

Semua objek pada dunia 3D memiliki transformasi yang mengacu pada titik pusat dunia tersebut. Namun untuk dapat ditampilkan pada layar monitor, semua objek tersebut memiliki posisi relatif terhadap sebuah titik pengamatan yang disebut dengan kamera. Kamera memiliki koordinat yang berupa titik dimana posisi pengamat berada relatif terhadap dunia 3D. Objek yang masuk dalam daya pandang kamera dapat ditampilkan dalam layar monitor. Dengan demikian kamera memiliki sistim koordinat yang terpisah dari dunia 3D. Jadi, dalam pemrograman 3D paling sedikit terdapat dua sistem koordinat dan dua buah titik pusat. Objek yang lebih dekat dengan kamera memiliki ukuran yang lebih besar dibandingkan dengan objek lain yang kongruen dan berada lebih jauh dari kamera. Pada dunia 3D, selain terdapat dimensi yang mewakili arah atas-bawah dan dimensi yang mewakili arah kanan-kiri terdapat dimensi jarak dalam posisi relatif objek terhadap kamera. Hal tersebut ditampilkan pada layar yang hanya memiliki dua dimensi kanan-kiri dan atas-bawah. Dalam pemrograman 3D hal ini dinamakan perspektif. Persamaan perspektif dapat mengkonversi vektor 3D menjadi vektor 2D. Jika sebuah titik 3D memiliki koordinat (x, y, z), maka untuk dapat ditampilkan di layar komputer titik ini dikenversi kedalam vektor 2D (xPerspektif, yPerspektif).xP ek ersp tif yP ektif ersp =k x z =k y z

Ket: xPerspektive : nilai posisi pada sumbu x dalam vektor 2DGambar. Sistem Gymbal pada Theodolite (Sumber : http://www.csulb.edu/%7Embrenner/ history.htm)

yPerspektive : nilai posisi pada sumbu y dalam vektor 2D k : nilai konstanta untuk jarak proyeksi.

2.4.

Pemrograman Grafis 3D

Sebuah titik pada pemrograman 3D berada pada dunia maya yang memiliki tiga dimensi besaran jarak dan titik pusat dengan koordinat (0, 0, 0) yang disebut dunia 3D. Objek 3D yang berada pada dunia ini memiliki koordinat lokal yang mengacu pada titik pusat tersebut. Seperti pada vektor 2D, sebuah titik 3D pada dunia ini mengalami tiga buah transformasi dasar yaitu translasi, dilatasi, dan rotasi.

Nilai k adalah jarak antara kamera terhadap layar yang berada di depan kamera atau pada mata manusia merupakan jarak antara pupil terhadap retina. Nilai k dapat bervariasi dan mewakili nilai kecembungan lensa mata atau kamera.

7

III. METODOLOGI3.1. Waktu dan Tempat

Penelitian ini dilaksanakan pada bulan Juli 2008 sampai Maret 2009 di Workshop Instrumentasi Meteorologi, Departemen Geofosika dan Meteorologi, Fakultas Matematika dan Ilmu Pengetahuan Alam, Institut Pertanian Bogor.

komponen mouse tersebut diberi nama sensor posisi 3D. Perangkat mouse yang digunakan adalah mouse mekanik (mechanical mouse) dengan bola yang menggerakkan tongkat pemutar X dan Y.

3.2.

Bahan dan Alat

Bahan dan alat yang digunakan pada penelitian ini antara lain: Sebuah silinder plastik dengan diameter-i 7,8 cm dan diameter-ii 12,3 cm sebagai dudukan statik theodolite. Pipa PVC dengan panjang 24,5 cm dan diameter 4,8 cm (2 inchi) digunakan untuk membuat model teropong. Sebuah sensor posisi 3D, terdiri dari dua buah rotary optical encoder dan rangkaian penerjemah kode digital Dua buah tombol karbon memiliki impedensi sebesar 1,2k ohm Sistem gymbal 2 aksis, terdiri dari 2 buah roda berpuli berdiameter luar 4,8 cm, 1 buah roda transmisi yang memiliki bantalan karet dengan diameter 3 cm, 4 buah roda berpuli pembantu dengan diameter luar 0,6 cm, dan dua buah karet penghubung. Port penghubung dan kabel data PS/2 (port serial 2) komputer Balon karet sederhana Satu buah kompas Perlengkapan Workshop Mekatronik Seperangkat Komputer (PC) dengan operating system Windows Xp SP2. Bahasa Pemrograman Visual Basic 6.0

Gambar. Komponen Elektronik dari Mouse Mekanik (Sumber: http://www.devhardware.com/)

3.3.1. Studi Literatur Sensor dan Sistem Mekanik Gymbal Tahap awal penelitian ini adalah melakukan studi mengenai karakteristik sensor posisi 3D dan sistem mekanik gymbal pada teropong theodolite. Studi pada sensor diperlukan untuk mengetahui bagaimana sensor yang digunakan dalam penelitian ini dapat memberikan nilai input pada perangkat komputer dan memanfaatkan kemampuan tersebut agar dapat membaca posisi balon dan mengirimkan hasil pembacaan tersebut pada antarmuka yang disusun dengan perangkat komputer. Studi mengenai sistem mekanik gymbal membantu untuk merancang desain sederhana dari badan mekanik theodolite dan merancang desain untuk pemasangan atau penempatan posisi sensor pada badan mekanik. 3.3.2. Perakitan badan mekanik theodolite Perakitan badan mekanik dapat terbagi menjadi beberapa bagian, yaitu: 1) Bagian dasar theodolite yang merupakan komponen statis yang menjaga theodolite tetap berada pada titik acuan pengamatan dan menghadap pada arah utara mata angin. Bagian dasar ini didesain agar dapat tersambung pada tiang statis. 2) Bagian sensor dan sistem gymbal yang memiliki dua aksis. Masing-masing aksis pada sistem gymbal theodolite terhubung dengan sensor posisi 3D yang membaca setiap pergerakan rotasi dari aksis tersebut dan mengkonversikannya menjadi kode digital. Pada bagian ini juga terdapat dua

3.3.

Metode Penelitian

Theodolite mencatat posisi balon pilot dalam koordinat sudut azimut, elevasi, dan ketinggian. Pada penelitian ini, pembuatan theodolite dilakukan dengan memanfaatkan komponen perangkat keras mouse komputer untuk dijadikan sebagai sensor posisi. Perangkat keras mouse berfungsi untuk menentukan posisi kursor dalam sistem koordinat kartesian 2D. Sedangkan pada penelitian ini fungsi tersebut digunakan untuk mencatat posisi dalam sistem koordinat sudut 3D. Sehingga pada pembahasan selanjutnya

8

tombol perintah pengamatan yang terdiri dari tombol pencatat dan tombol kalibrasi.

4,8 cm (2 inchi)

Pengamatan Balon (Tracking)

Rotasi Azimut

Rotasi Elevasi

Crosshair LED (Photoemitte r) Piringa n Kode Azimut LED (Photoemitte r) Piringa n Kode Elevasi Penampang melintang model teropong (Penunju k sasaran)

Gambar. Tampak Melintang Teropong dengan Penunjuk Sasaran (Crosshair)

Photodiode (Photodetect or)

Photodiode (Photodetect or)

Pengubah sinyal elektrik menjadi kode digital

Perangkat Komputer

Gambar. Diagram Sistem Kerja Sensor Posisi 3D

Perancangan tingkat ketelitian atau akurasi sensor dilakukan dengan cara merancang dan menentukan jumlah ketukan digital yang dihasilkan oleh sensor berbanding dengan besar sudut maksimal yang dapat dicapai oleh sebuah aksis pada sistem gymbal. Pada aksis yang mewakili rotasi sudut azimut, besar sudut maksimal yang dapat dicapai adalah sebesar 360 atau satu putaran aksis dimulai dari arah utara mata angin hingga kembali kearah yang sama. Dan pada penelitian ini aksis elevasi dirancang hanya dapat mencapai sudut sebesar 90. Semakin banyak jumlah ketukan digital yang dapat diperoleh untuk mewakili nilai satu derajat sudut pengamatan semakin tinggi nilai akurasi yang dapat diperoleh. Dengan demikian tingkat akurasi berbanding lurus dengan jumlah ketukan digital per satu derajat. 3.3.3. Pembuatan perangkat lunak Pengembangan perangkat lunak dilakukan dengan menggunakan bahasa pemrograman Visual Basic 6.0. Tujuan utama dibuatnya perangkat lunak ini adalah sebagai media tampilan dari hasil pengamatan theodolite elektronik. Namun selain itu, untuk dapat menyajikan informasi data pengamatan dengan lebih informatif, perangkat lunak yang dikembangkan dalam penelitian ini memiliki beberapa fungsi dan kemampuan, seperti: Tampilan grafis 3D dan 2D posisi balon secara real time saat tracking balon dilakukaan.

Ket :

Sistem Gymbal 2 Aksis Sensor Posisi 3D Rotary Optical Encoder

3) Bagian teropong yang terhubung dengan aksis elevasi. Model teropong didesain dengan menggunakan pipa PVC. Model teropong dilengkapi dengan dua buah crosshair pada bagian depan teropong dan pada bagian tengah teropong.

9

Pengolahan data dan entri data secara manual. Simulasi tampilan 3D dan 2D dari data yang dimasukan melalui entri manual. Data yang dikirim oleh sensor ke perangkat komputer dapat dikonversi menjadi data dengan besaran sudut. Data sudut kemudan diolah dan menghasilkan beberapa macam data baru unuk kemudian ditampilkan pada antarmuka grafis maupun tabel. Perhitungan untuk data komponen pengamatan pilot balon dapat menggunakan persamaan trigonometri sederhana. Jika adalah sudut azimut dan adalah sudut elevasi maka berdasarkan petunjuk pengamatan pilot balon BMG tahun 2004 persamaan perhitungan data komponen pengamatan pilot balon adalah sebagai berikut: Ketinggian:

H (n) = Vbalon t

Proyeksi bidang datar:

d(n) =

H(n) Cos ; atau Sin

d(n) = H(n) Cotg Posisi komponen T-B: x (n) = d(n) * Sin Posisi komponen U-S: y (n) = d(n) * Cos Vektor angin :

R(n) =Arah angin:

( x(n) - x(n - 1) ) 2 + ( y(n) - y (n - 1)) 2y (n) - y (n - 1) x(n) - x (n - 1)

D(n) = arctanKecepatan Angin:

yaitu uji pengamatan pilot balon dan uji akurasi alat. Uji pengamatan dilaksanakan dengan melakukan simulasi pengamatan pilot balon sederhana. Pengamatan dilakukan dengan alat dan bahan sederhana dan tidak memenuhi standar pelaksanaan pengamatan pilot balon BMG. Balon karet berisi helium dilepaskan di depan theodolite yang sebelumnya telah diukur kecepatan vertikalnya. Pengukuran kecepatan vertikal balon dilakukan dengan menerbangkan balon yang telah diikat dengan tali yang sangat ringan. Balon diterbangkan selama 13 detik. Waktu terbang sebanyak 13 detik adalah nilai acak dan bukan suatu ketentuan baku. Ketinggian posisi balon yang dapat dicapai saat terbang selama 13 detik diwakili oleh panjang tali yang tergantung pada dasar balon hingga lantai dimana balon mulai diterbangkan. Kecepatan vertikal balon bisa didapat dengan membagi ketinggian posisi balon dengan waktu tempuh balon. Setelah itu dilakukan pelacakan atau tracking dan pembacaan setiap selang waktu 15 detik hingga balon hilang dari pandangan. Uji pengamatan pilot balon ini dapat dilakukan hingga dua atau tiga kali pengamatan. Hasil pembacaan theodolite elektronik dapat didemonstrasikan dengan perangkat lunak yang telah dibuat. Uji akurasi alat dilaksanakan dengan melakukan rekonstruksi bangun sebuah ruangan berbentuk balok yaitu ruangan dengan dinding empat sisi. Uji ini dilakukan dengan mengukur posisi sudut azimut dan elevasi dari empat buah titik sudut bagian atas ruangan. Dengan mengetahui tinggi ruangan, tinggi theodolite dari lantai, dan posisi sudut dari titik yang diukur, maka bangun dari ruangan tersebut dapat direkonsruksikan kembali secara visual grafis 3D. Semakin berhimpitnya rekonstruksi bangun ruangan hasil pengukuran dengan rekonstruksi bangun ruangan seharusnya (kontrol). Maka akurasi alat semakin baik.

Vangin (n) =

R(n) t

3.3.4. Pengujian alat dan perangkat lunak Untuk dapat melihat kinerja instrumen dan perangkat lunak perlu dilakukan pengujian. Theodolite yang dibuat dapat diuji dengan melakukan dua macam pengujian

10

IV. HASIL DAN PEMBAHASAN4.1. Sistem Kerja Sensor Posisi 3D

Saat melakukan tracking pada balon pibal dengan menggunakan theodolite, teropong digerakkan menghadap pada arah dimana posisi balon pibal berada. Dalam proses ini rotasi teropong memberikan gerakan rotasi pada dua buah aksis dari sistem gymbal theodolite. Sensor posisi 3D mengukur nilai besaran sudut dari rotasi tersebut dan mengirimkannya kepada perangkat lunak dalam komputer (PC).

elektronik penterjemah mengubah sinyal elektrik menjadi kode digital. Dengan demikian aksis sistem gymbal membuat sensor posisi 3D membangkitkan data digital yang mewakili besar sudut rotasi dari teropong yang mengikuti perpindahan posisi balon.

Aksis Elevasi Aksis Azimut Sensor Posisi 3D

LED Photodio de Rotary optical encoder gymbal 2 aksis

Gambar. Pemasanagn Sensor Posisi 3D pada Sistem Gymbal Theodolite

Sensor posisi 3D menggunakan dua buah rotary optical encoder yang masingmasing memiliki piringan dengan jalur kode melingkar pada bagian tepiannya. Jalur ini berupa celah-celah yang dapat meloloskan ataupun menginterupsi sinar infra merah yang memancar dari LED yang berfungsi sebagai pemancar cahaya ke Photodiode yang berfungsi sebagai sensor cahaya. Masing-masing aksis dari sistem gymbal dihubungkan pada piringan kode pada rotary optical encoder dengan menggunakan karet penghubung. Sehingga gerakan rotasi aksis azimut dan elevasi pada sistem gymbal dapat memberikan gerakan rotasi pada piringan kode tersebut. Gerakan rotasi ini membuat piringan kode menginterupsi dan melewatkan cahaya infra merah sesuai dengan susunan celah kode dan keadaan tersebut membuat photosensor membangkitkan sinyal elektrik. Rangkaian

Gambar. Sensor pada Theodolite Elektronik

Kode digital hasil konversi tersebut dikirim ke perangkat komputer sebagai data input melalui jalur USB pada CPU (Central ProcessingUnit). Dengan driver plug and play yang sudah tersedia pada perangkat komputer, data digital dari sensor posisi 3D dapat dikonsumsi dengan cara mengambil nilai kode digital tersebut dari sistem operasi komputer dengan menggunakan bahasa pemrograman visual basic 6.0.

11

Tabel. Perbandingan Putaran Aksis Gymbal dan Nilai Digital yang Dihasilkan Sensor Posisi 3D pada Theodolite Versi 2.

Nama Aksis Azimut Elevasi

Besar Putaran Aksis Gymbal (putaran) 1 (360) 1 (360) 1/4 (90)

Jumlah Nilai Digital Komputer (pixel) 5940 1672 418

Gambar. Bagan Rotary Optical Encoder (sumber : http://en.wikipedia.org/wiki/ Rotary_encoder.htm)

Sebelum ditampilkan pada antarmuka perangkat lunak, nilai pixel yang telah diperoleh dikonversi dan dikalibrasi menjadi nilai sudut dari posisi azimut dan elevasi balon pibal dalam satuan derajat dengan menggunakan bahasa pemrograman.

4.2.

Theodolite Elektronik

Jika tempat berdirinya teropong theodolite dan petugas pengamat dijadikan titik pusat acuan dengan koordinat (x,y,z) = (0,0,0) pada sistem koordinat kartesian 3D, dan pengamatan pilot balon mencatat posisi suatu objek oleh sensor posisi 3D dalam koordinat sudut azimut dan elevasi, maka posisi suatu titik objek relatif terhadap titik acuan dapat dikonversi dari sistem koordinat sudut menjadi posisi pada sistem koordinat kartesian 3D. pada waktu yang sama data yang sudah dikonversi tersebut digambarkan kembali dalam antarmuka grafik 3D pada perangkat lunak komputer secara real time atau bersamaan dengan waktu berlangsungnya pengamatan pilot balon. Sensor posisi 3D yang digunakan dalam penelitian ini menggunakan jalur input data perangkat mouse. Dengan demikian data yang dikirim dari sensor berupa besaran unit data grafis layar monitor dalam satuan pixel. Aksis azimut mencatat posisi arah mata angin balon pilot dari titik pengamatan sehingga sensor posisi 3D menghasilkan nilai kode digital yang menunjukkan posisi sudut balon dari 0 hingga 360. Sedangkan aksis elevasi mencatat posisi ketinggian sudut balon, sehingga sensor posisi 3D menghasilkan nilai kode digital yang mewakili sudut 0 hingga 90. Untuk rotasi aksis azimut sebesar 360, sensor posisi 3D dapat menghasilkan nilai sebesar 5940 pixel. Dan rotasi aksis elevasi sebesar 90, nilai yang dihasilkan sensor sebesar 428 pixel pada data input komputer. perbandingan besar putaran aksis dan jumlah nilai pixel yang dihasilkan sensor dapat dilihat pada tabel dibawah ini.

Selama pelaksanaan penelitian hingga selesai, pembuatan badan mekanik theodolite menghasilkan dua versi theodolite. Versi pertama memiliki beberapa kekurangan pada penghubungan sensor dengan sistem gymbal. Dari kekurangan tersebut kemudian dibuat badan mekanik theodolite versi berikutnya yang mengalami berbagai perbaikan.

Gambar. Theodolite Elektronik Versi 1

Gambar. Theodolite Elektronik Versi 2

Theodolite versi 1 didesain dengan memanfaatkan bola mouse sebagai bola aksis yang dapat memberikan rotasi azimut dan elevasi pada sensor. Bola aksis terhubung

12

dengan suatu tiang statis. Sehingga gerakan rotasi dari badan mekanik instrumenlah yang secara tidak langsung memberikan gerakan rotasi kepada sensor. Jadi dalam proses pelacakan balon, bola aksis dan tiang statis tetap diam. Sedangkan badan mekanik instrumen berotasi dalam aksis horizontal dan vertikal. Theodolite versi 1 ini memiliki kekurangan yang sangat vital yaitu terdapat kehilangan gesekan yang besar antara bola aksis dengan tongkat sensor pada proses rotasi aksis. Sehingga ketika instrumen melakukan rotasi azimut maupun elevasi, terkadang bola aksis tidak dapat memberikan gerakan pada tongkat sensor. Hal ini menjadi vital karena dengan demikian nilai yang didapatkan dari instrumen tidak dapat dipercaya sama sekali. Dalam perkembangan berikutnya tongkat sensor diberi bantalan karet. Pada instrumen ini dapat dilihat bantalan berwarna kuning pada tongkat sensor seperti pada gambar. Namun dengan membesarnya diameter tongkat sensor maka nilai digital yang dihasilkan oleh instrumen menjadi lebih kecil. Karena jika proses rotasi antara bola aksis dengan tongkat sensor diasosiasikan dengan proses roda memutarkan roda, maka perbandingan antara roda aksis dengan roda sensor menjadi lebih kecil. Nilai digital yang dihasilkan oleh istrumen adalah sebagai berikut.Tabel. Nilai Digital dari Theodolite Versi 1

sebagai arah 0 sudut azimut. Bagian dudukan atau dikenal dengan baseboard merupakan bagian statis yang menjaga instrumen theodolite tetap berada pada titik acuan pengamatan dan menjaga arah 0 sudut azimut tetap menghadap arah utara. Pada penelitian ini bagian dudukan menggunakan sebuah silinder plastik dengan diameter-i pada lingkaran atas sebesar 7,8 cm dan diameter-ii pada lingkaran bawah sebesar 12,3 cm. Bantalan jalur pada bagian atas dudukan berfungsi sebagai jalur lintas roda transmiter yang berfungsi meneruskan rotasi azimut yang berporos pada bagian tengah dudukan ke piringan kode rotary optical encoder pada sensor posisi 3D. Rotasi pada aksis azimut membuat roda transmiter berputar dengan arah yang sama dan berlawanan arah dengan putaran semu dari dudukan theodolite.Putaran aksis azimut Bagian dudukan theodolite (baseboar d)

Aksis Azimut

Aksis transmiter

Diameter-i 7,8 cm

Putaran semu dudukan theodolite

Nama Aksis Azimut Elevasi

Besar Putaran Aksis Gymbal (putaran) 1 (360) 1/4 (90)

Jumlah Nilai Digital Komputer (pixel) 911.6 216.2

Kelemahan lain adalah desain posisi aksis yang mudah berubah. Pada proses rotasi, bola aksis dapat dengan mudah bergeser dan memberikan nilai yang tidak stabil. Sehingga data digital yang dihasilkan tidak dapat dipercaya. Selain itu pada theodolite versi 1 terdapat kendala untuk mengembangkan badan mekanik agar dapat memiliki aksis yang lebih stabil. Theodolite versi 2 dikembangkan untuk mengatasi kekurangan versi sebelumya. Theodolite ini dikembangkan dengan dua aksis terpisah dan memiliki silinder yang berfungsi sebagai bagian dudukan. Pada pelaksanaan pengamatan pilot balon, theodolite dipasang menghadap utara

Putaran roda transmit er Diameter-ii 12,3 cm Bantalan Jalur Roda transmit er

Alas Sensor

Gambar. Bagan Dudukan dan Roda Transmiter Theodolite.

Theodolite elektronik dalam penelitian ini menggunakan sistem gymbal 2 aksis. Aksis pertama adalah aksis azimut yang dapat berotasi sebanyak 360 untuk menjangkau seluruh arah mata angin. Nilai sudut azimut membesar dengan rotasi searah

13

jarum jam. Sudut 0 menunjukkan arah utara, sudut 90 menunjukan arah timur, sudut 180 menunjukkan arah selatan, dan sudut 270 menunjukkan arah barat. Aksis kedua adalah aksis elevasi yang menunjukkan ketinggian elevasi dari balon pilot dengan kisaran sudut 0 sejajar dengan permukaan horizontal hingga sudut 90 menunjukkan arah vertikal tepat diatas titik pengamatan dan tegak lurus permukaan horizontal.

Aksis Azimut - Bagian model teropong (biru)

menghadap arah utara. Dengan demikian mekanik aksis elevasi ikut berputar dalam rotasi azimut relatif terhadap dudukan theodolite seperti pada gambar dibawah. Roda-roda pada sistem gymbal merupakan roda berpuli yang saling dihubungkan dengan menggunakan karet yang berfungsi sebagai rantai penghubung. Aksis elevasi dari sistem gymbal menggunakan satu roda utama dengan diameter 4,8 cm. Roda ini dihubungkan dengan roda pembantu berdiameter 0,5 cm yang melingkar pada batang piringan kode. Sehingga roda pembantu dan piringan kode dapat berputar secara paralel karena berputar pada sumbu yang sama. Perbandingan putaran roda pada sistem gymbal elevasi adalah sebagai berikut: - Roda utama : Diameter = 4,8 cm Keliling = 14,45 cm - Roda pembantu piringan kode elevasi : Diameter = 0,5 cm Keliling = 1,57 cm - Rasio = 9,42 : 24,50 = 1 : 2,6 Maka rasio putaran roda utama dengan putaran roda pembantu piringan kode elevasi 1 adalah 1 : 9,2 Rotasi dari aksis azimut tidak dapat memberikan rotasi secara langsung kepada roda pembantu pada batang piringan kode azimut. Hal tersebut dikarenakan penempatan posisi sensor posisi 3D pada desain mekanik yang tidak memungkinkan untuk dihubungkan secara langsung dengan menggunakan karet penghubung. Untuk itu pada sistem gymbal theodolite bagian aksis azimut diberi roda transmiter yang berfungsi meneruskan rotasi aksis azimut ke roda pembantu pada batang piringan kode. Rotasi yang diteruskan tersebut dihasilkan dari rotasi roda transmiter yang diputarkan oleh rotasi semu dudukan theodolite karena berputarnya aksis azimut. Sehingga roda transmiter berjalan pada bantalan jalur pada dudukan theodolite dan berputar mengelilingi dudukan. Pada aksis transmiter terdapat dua roda yang bekerja dan berputar secara paralel. Yaitu roda transmiter-1 yang mengambil putaran dari aksis azimut dan roda transmiter2 yang meneruskan putaran tersebut ke roda pembantu pada batang piringan kode azimut. Roda transmiter-2 dihubungkan dengan roda pembantu menggunakan karet penghubung setelah melalui dua buah roda pengalih arah karet penghubung.

Aksis Transmite r

Aksis Elevasi

- Bagian sistem gymbal dan sensor (hijau) - Bagian dudukan (merah) Gambar. Sketsa Desain Theodolite Elektronik

Gambar. Rotasi Aksis Azimut Gymbal

Aksis azimut sistem gymbal ini berada pada garis membujur di titik tengah penampang lingkaran dudukan theodolite. Sehingga keseluruhan badan mekanik sistem gymbal termasuk aksis elevasi dan teropong dapat berputar pada sumbu vertikal diatas dudukan theodolite yang statis dan tetap

14

Bantalan jalur pada dudukan theodolite merupakan salah satu komponen sistem gymbal azimut yang membantu menghasilkan rotasi pada piringan kode sensor. Besar sudut putaran aksis azimut sama besar dengan besar sudut putaran semu bantalan jalur. Oleh karena itu putaran semu bantalan jalur dapat dianggap sama dengan putaran aksis azimut. Sedangkan untuk menghitung rasio jumlah putaran roda yang terhubung secara seri maka jumlah putaran berbanding terbalik dengan besar keliling roda. Perbandingan putaran roda pada sistem gymbal azimut adalah sebagai berikut: - Bantalan jalur : Diameter = 7,8 cm Keliling = 24,50 cm - Roda transmiter-1 : Diameter = 3 cm

Keliling = 9.42 cm - Rasio = 9,42 : 24,50 = 1 : 2,6 Maka rasio putaran aksis azimut dengan putaran roda transmisi-1 adalah 1 : 2,6 - Roda transmiter-2 : Diameter = 4,8 cm Keliling = 14,45 cm -Roda pembantu piringan kode azimut : Diameter = 0,34 cm Keliling = 1,07 cm - Rasio = 1,07 : 14,45 = 1 : 13,5 Maka rasio putaran roda transmiter-2 dengan putaran roda pembantu piringan kode azimut adalah 1 : 13,5. Dan jumlah putaran roda pembantu piringan kode azimut dalam 2,6 putaran adalah 35 putaran

Tabel. Rasio Putaran Roda Sistem Gymbal dan Nilai Kode Digital yang Dihasilkan Sensor pada Perhitungan Matematis dan Manual.

Nama Aksis

Besar Putaran Aksis Gymbal (putaran) 1 (360) 1 (360) 1/4 (90) 1/4 (90)

Roda Transmiter-1 (putaran) 2,5 2,6 Ket:

Piringan Kode Sensor Posisi 3D (putaran) 33,0 35,1 2,3 2,6

Jumlah Nilai Digital Komputer (pixel) 5940 418 -

Azimut Elevasi

Manual Matematis Manual Matematis

Pengamatan Balon dengan Teropong (Tracking) Rotasi Azimut = Putaran Semu Dudukan Theodolite (1 putaran) Roda Transmiter-1 = Roda Transmiter-2 (2,5 putaran) Sensor Azimut (33 putaran) Sensor Elevasi (2,3 putaran) Rotasi Elevasi = Putaran Roda Utama (1/4 putaran)

Sistem Gymbal Sensor Posisi 3D

Pengubah sinyal elektrik menjadi kode digital Perangkat Komputer - Azimut = 5940 pixel - Elevasi = 418 pixel Gambar. Diagram Alur Kerja Sistem Gymbal

Nilai pixel yang diperoleh dari konversi besar sudut aksis ke jumlah putaran dan jumlah pixel dapat menunjukkan tingkat ketelitian instrumen. Jumlah nilai pixel berbanding lurus dengan tingkat ketelitian instrumen. Artinya semakin besar jumlah pixel yang dapat diperoleh maka semakin baik tingkat ketelitian instrumen. Nilai pixel sebesar 5940 untuk aksis azimut menunjukkan ketelitian sebesar 5940 pixel per 360. Dengan demikian satu derajat sudut aksis azimut dapat dibagi menjadi 16,50 pixel. Artinya tingkat ketelitian instrumen untuk aksis azimut sebesar 0,061 derajat. Nilai pixel sebesar 418 untuk aksis azimut menunjukkan ketelitian 418 per 90. Satu derajat sudut aksis elevasi dapat dibagi menjadi 4,64 pixel. Artinya tingkat ketelitian instrumen untuk aksis elevasi sebesar 0,215 derajat. Pada penelitian ini bagian teropong dari theodolite didesain dengan membuat model teropong dari bahan pipa PVC

15

sepanjang 24,5 cm dengan diameter 4,8 cm (2 inchi). Model teropong dilengkapi dengan dua buah crosshair yang berfungsi sebagai penunjuk sasaran. Crosshair yang pertama berada di bagian depan teropong dan crosshair yang kedua dipasang di bagian tengah teropong agar tidak terlalu dekat dengan mata dan menjadi baur.

bidang datar permukaan. Setelah aksis pada instrumen kembali pada posisi 0 kemudian tombol kalibrasi ditekan hingga data sudut yang terbaca oleh program kembali ke 0. Tombol kedua adalah tombol untuk memerintahkan program untuk mencatat posisi aksis sistem gimbal saat itu.

4.3. Perangkat Lunak Penggambar Pibal 3DData digital hasil konversi sensor yang dikirimkan pada perangkat komputer dapat diolah dan disajikan kembali dalam bentuk visual oleh perangkat lunak sehingga data yang disajikan menjadi lebih informatif dibandingkan dengan penyajian berupa tabel. Dengan demikian pengguna akan lebih mudah dalam melakukan analisa atau interpretasi. Untuk tujuan menyajikan data menjadi lebih informatif perangkat lunak dibuat dalam bentuk grafis 3D dan 2D. Selain itu perangkat lunak dilengkapi dengan tabel hasil, indikator pengamatan dan beberapa fungsi lain yang dapat mempermudah proses pengamatan dan interpretasi oleh pengguna. Perangkat lunak ini dibuat dengan menggunkan bahasa pemrograman Visual Basic 6.0 dalam sistem operasi Windows XP sp2. Perangkat lunak diprogram dengan menggunakan resolusi layar monitor 1024 x 768 pixel. Program dapat berjalan baik pada spesifikasi perangkat komuter seperti yang telah disebutkan. Hal tersebut menjadi perimbangan jika terjadi error pada perangkat lunak ketika dijalankan pada perangkat komputer dengan sistem operasi dan resolusi layar yang berbeda. Secaram umum keutamaan (feature) perangkat dapat dibagi menjadi tiga bagian. Yaitu grafik real time pengamatan, tabel pengolah data, dan grafik simulasi data pilot balon. Perangkat lunak dapat menampilkan data dalam sajian grafis 3D dan 2D pada saat yang bersamaan dengan waktu pembacaan posisi balon pada saat melakukan pengamatan. Tabel pengolah data menyediakan layanan entri data secara manual dan menampilkan simulasi grafis dari data tersebut.

Gambar. Pengamatan Menggunakan Crosshai Teropong pada Balon Pilot.

Dengan adanya crosshair posisi balon yang diamati tepat berada di tengah daya pandang teropong dan sudut yang dibaca oleh sensor benar-benar mewakili posisi balon pilot yang diamati. Cara menggunakan crosshair ialah dengan menghimpitkan titik persilangan crosshair depan dan belakang dan memposisikan balon yang diamati pada titik tersebut. Sehingga dapat ditarik garis lurus antara mata, crosshair belakang, crosshair depan, dan balon pilot. Dengan demikian pengamatan menjadi tepat pada sasaran. Bagian penting lain dari instrumen adalah tombol perintah. Pada penelitian ini instrumen yang dibuat dilengkapi dengan du tombol perintah yang memiliki impedensi 1,2k ohm. Tombol pertama yaitu tombol sebelah kiri berfungsi untuk melakukan kalibrasi nilai data sensor pada program. Masing-masing data sudut yang dibaca oleh program dikalibrasi pada nilai 0. Kalibrasi dilakukan dengan mengembalikan posisi sudut aksis azimut dan elevasi pada posisi 0. Aksis azimut diposisikan kembali menghadap utara dan aksis elevasi atau teropong diposisikan kembali utuk sejajar dengan

16

F

B

C

EGambar. Antarmuka Perangkat Lunak Penggambar Pilot Balon 3D

A

D17

Perangkat lunak dibuat dengan menampilkan beberapa komponen penting pengamatan pilot balon seperti pada gambar. Komponen A terdiri dari menu perangkat lunak dan tabulasi dari mode tabel olah data, simulasi, dan pengamatan. Komponen B merupakan komponen utama, yaitu layar tampilan 3D dari hasil pengamatan pilot balon. Bagian ini memiliki wilayah antarmuka paling luas. Dengan mengamati layar 3D ini pengguna dapat menyaksikan jejak balon yang diamati dari berbagai arah mata angin. Dan tampilan 3D ini dilengkapi dengan fungsi rotasi dan zoom kamera. Pengguna dapat melakukan rotasi dan zoom dengan menggunakan keyboard ataupun mouse. Sehingga komponen layar 3D ini lebih interaktif. Pengguna dapat melihat proyeksi dari jejak jelajah balon di udara terhadap bidang horizontal pada komponen C. Layar 2D ini pasif dan tidak dapat

melakukan fungsi rotasi dan zoom. Komponen D menampilkan data aktual dari pengamatan pilot balon. Setelah memberikan perintah catat dengan menggunakan tombol perintah pada instrumen, data balon dapat segera dikonsumsi pada tabel tersebut. Komponen E merupakan indikator dari rotasi aksis gimbal pada instrumen theodolite elektronik. Jarum pada layar azimut memberikan informasi besar sudut azimut instrumen dengan menggunakan teks dan gambar. Begitu juga pada layar elevasi, jarum indikator memberikan informasi besar sudut elevasi instrumen. Sebelum melakukan pengamatan, pengguna perangkat lunak melakukan persiapan dengan melakukan input kecepatan vertikal balon dan selang pengamatan pada komponen F. Selain itu pada komponen ini dapat dilakukan beberapa pengaturan tampilan layar 3D.

a)

18

b)

c)Gambar. Keutamaan Perangkat lunak, a) Pengamatan, b) Tabel Olah Data, c) Simulasi Data.

19

4.3.1 Alur Kerja Program Pengamatan dimulai dengan persiapan inisiasi input kecepatan naik balon (vertikal) dan selang waktu pengamatan. Kecepatan naik balon dapat ditentukan dalam satuan feet/menit atau meter/detik. Begitu juga selang waktu pengamatan dapat ditentukan dalam satuan menit atau detik. Hal ini dapat disesuaikan dengan keperluan pengamat. Setelah inisiasi siap petugas dapat memerintahkan program untuk memulai pengamatan dengan menekan tombol F2 pada

keyboard. Hal ini sangat penting agar program pengamatan dimulai bersamaan dengan pelepasan balon. Selama pengamatan dilaksanakan program terus melakukan pengambilan data sensor dari instrumen. Sehingga pergerakan rotasi pada sistem gymbal instrumen mempengaruhi nilai variabel sudut pada program. Dengan demikian indikator sudut azimut dan elevasi pada program dapat menunjukkan posisi rotasi dari aksis sistem gymbal instrumen.KONVERSI PIXEL KEDALAM SUDUT PERHITUNGAN PILOT BALON

MULAI

PERSIAPAN PENGAMATAN : - INPUT KECEPATAN NAIK BALON - SELANG PENGAMATAN

TIDA K

MULAI PENGAMATA N? YA PENGAMBIL AN DATA SENSOR

DATA VEKTOR, KECEPATAN, DAN ARAH ANGIN

DATA KOORDINAT 3D BALON

RENDERING GRAFIK 3D DAN 2D YA ANTARMU KA TABEL ANTARMU KA LAYAR GRAFIS

TIDA K

PERINTAH CATAT OLEH INSTRUMEN?

TIDA K TIDA K SIMPAN DATA PENGAMATA N? YA PENYIMPANA N DATA PADA HARD DRIVE Gambar. Diagram Alir Perangkat Lunak Penggambar Pilot Balon

AKHIRI PENGAMATA N? YA

AKHIRI PROGRAM? YA SELES AI

TIDA K

Data sensor dicatat sebagai data pengamatan ketika petugas pengamatan menekan tombol pencatat pada instrumen. Nilai variabel sudut pada proses pengambilan data sensor diisikan pada variabel baru berupa variabel array data pengamatan. Variabel array tersebut sebanyak jumlah data

pengamatan dari awal hingga akhir pengamatan. Setelah tombol pencatat pada instrumen ditekan, program segera mengirim data tersebut pada sub rutin perhitungan pilot balon hingga didapatkan beberapa data baru. Yaitu vektor, kecepatan, arah angin dan

20

koordinat 3D posisi balon pada sistem koordinat kartesian 3D x,y,z. Vektor angin adalah jarak jelajah angin yang arah jelajahnya ialah proyeksi horizontal berupa garis yang menghubungkan satu posisi balon yang ditarik dari posisi balon sebelumya. Jelajah angin tersebut menunjukkan perpindahan balon yang terbawa angin. Koordinat 3D balon menunjukkan posisi balon dalam sumbu x,y,z relatif terhadap titik pusat (0,0,0) yaitu posisi dimana balon dilepaskan dan posisi pengamat berada. 4.3.2 Pengambilan Data Sensor pada Perangkat Komputer Kode digital yang dikirimkan oleh sensor melalui slot input PS/2 pada CPU diambil dengan menggunakan bahasa pemrograman. Pada perangkat komputer kode digital tersebut sudah menjadi bentuk bilangan unit layar monitor dalam satuan pixel. Bilangan tersebut diambil dengan script berikut: Modul pengambil nilai digital sensor :Option Explicit fungsi API pengambil posisi mouse Public Declare Function _ GetCursorPos Lib "user32" _ (lpPoint As POINTAPI) As Long membuat jenis variabel pointapi Type POINTAPI X As Long Y As Long End Type deklarasi variabel Public Mo As POINTAPI Public MoElev As Long Public MoAzim As Long

Perhitungan konversi data sensor kedalam sudut sebagai berikut. Azimut : Tingkat ketelitian = 16,50 pixel / derajat SudutAzimut = DataAzimut / 16,50 Elevasi : Tingkat ketelitian = 4,64 pixel / derajat SudutElevasi = DataElevasi / 4,64 4.3.3 Pemrograman Grafis 3D Program Posisi balon secara 3D dicatat oleh instrumen dalam sistem koordinat angular (,,R). Alpha adalah sudut azimut, epsilon adalah sudut elevasi, dan R adalah jari-jari posisi balon terhadap titik pusat seperti pada gambar berikut.

(,,R)Ketinggian balon

R

,,

Utar a

Gambar. Koordinat Angular dari Balon Pilot

Sub rutin lokal pada form:Private Sub PosMouse() ret = GetCursorPos(Mo) MoElev = Mo.Y MoAzim = Mo.X End Sub

Dengan menggunakan script diatas data sensor diisikan kedalam variabel MoAzim untuk data sensor azimut dan variabel MoElev untuk data sensor elevasi. Selanjutnya dengan menggunakan angka tingkat ketelitian pada masing-masing aksis, data sensor dalam satuan pixel dikonversi kedalam besaran sudut dalam satuan derajat.

Variabel utama yang dicatat oleh program adalah sudut azimut, sudut elevasi, kecepatan naik balon, dan selang waktu pengamatan. Ketinggian balon didapatkan dari perkalian kecepatan naik balon dan selang waktu pengamatan. Nilai R didapat dari ketinggian balon dibagi dengan nilai sinus sudut elevasi. Dengan demikian posisi balon dapat digambarkan pada koordinat angular. Sebelum memasuki sub rutin rendering 3D, koordinat posisi balon dikonversi dari koordinat angular (,,R) kedalam koordinat kartesian 3D (x,y,z). Setelah dikonversi koordinat tersebut siap untuk masuk ke proses rendering grafis 3D. Dalam sub rutin rendering koordinat ini dijadikan koordinat pada Dunia 3D yang kemudian diadaptasikan pada Kamera

21

dengan melakukan transformasi vektor 3D. Adaptasi tersebut adalah ketika Kamera melakukan proses rotasi dan zoom terhadap Dunia 3D. Setelah proses adaptasi maka koordinat 3D posisi balon sudah mengacu pada Kamera, tidak lagi terhadap titik pusat pengamatan. Setelah melalui tahapan adaptasi terhadap kamera program siap menggambar pada layar 2D dengan melalui tahapan terakhir. Menggambar grafis 3D adalah menggambar objek berdimensi tiga (x,y,z) pada layar antarmuka berdimensi dua (x,y). Sebuah titik 3D dikonversi menjadi 2D dengan persamaan proyeksi layar. Tahapan terakhir dari proses rendering adalah proyeksi layar. Dalam program Penggambar Pilot Balon 3D ini proyeksi layar menggunakan script sebagai berikut: Deklarasi Variabel :Public Type Koo2D sbX As Double sbY As Double End Type Public Type Koo3D sbX As Double sbY As Double

sbZ As Double End Type Public Public Public Public Public HPC VPC rasioH rasioV CAM As Koo3D

Fungsi Proyeksi Layar:Public Function Proyeksi _ (TitikPro As Koo3D) As Koo2D On Error GoTo akh proyeksi pada sumbu x 2D Proyeksi.sbX = ((TitikPro.sbX _ + CAM.sbX) * HPC * rasioV / _ (TitikPro.sbZ + CAM.sbZ)) proyeksi pada sumbu x 2D Proyeksi.sbY = ((TitikPro.sbY _ + CAM.sbY) * VPC * rasioH / _ (TitikPro.sbZ + CAM.sbZ)) akh: End Function

Jadi keseluruhan proses dari sub rutin rendering memiliki alur seperti diagram alir dibawah.DATA KOORDINAT 3D BALON KOORDIN AT DUNIA 3D ADAPTASI KAMERA (TRANSFORMASI 3D) KOORDINAT 3D RELATIF TERHADAP KAMERA PROYEKSI LAYAR KOORDINAT 2D MENGGAMBAR OBJEK PADA LAYAR Gambar. Diagram Alir Proses Rendering 3D

22

4.4.

Uji Instrumen

Uji instrumen dibagi menjadi dua macam uji yaitu uji pengamatan dan uji kalibrasi instrumen. Uji pengamatan dilakukan untuk melihat praktek penggunaan instrumen pada observasi pilot balon sedangkan uji kalibrasi dilakukan untuk dapat melihat perbandingan antara nilai yang dihasilkan oleh instrumen dan nilai sebenarnya atau disebut juga akurasi instrumen. 4.4.1 Uji Pengamatan Uji pengamatan dilakukan sebanyak tiga kali pelacakan balon. Sebelum pelepasan balon, terlebih dahulu diukur kecepatan vertikal terhadap balon yang digunakan untuk pengamatan. Satu balon yang diukur kecepatannya dianggap mewakili kecepatan vertikal balon yang lain. Berikut adalah hasil pengukuran kecepatan vertikal balon:Waktu (detik) Jarak tempuh Vertikal (meter) Kecepatan Vertikal (meter/detik) Gambar. Persiapan Uji Pengamatan, Menghubungkan Instrumen dan Perangkat Komputer.

13 9,74 13 10,58 Rata-rata

0,75 0,81 0,78

Pengukuran kecepatan vertikal balon hanya dilakukan sebanyak dua kali ulangan karena pengulangan pengukuran yang lebih banyak membutuhkan waktu yang lebih banyak pula. Sehingga dikhawatirkan kemampuan daya angkat balon yang akan digunakan untuk pengamatan semakin melemah dan tidak memiliki kecepatan vertikal yang sama dengan pengukuran.

Gambar. Persiapan Uji Pengamatan, Persiapan Pelepasan Balon Pilot.

Gambar. Persiapan Uji Pengamatan, Mencari Arah Utara dengan Kompas

Ketepatan pengukuran kecepatan vertikal balon dianggap tidak memiliki kepentingan yang besar dengan pertimbangan data kecepatan dan arah angin dari hasil uji instrumen tidak akan digunakan lebih lanjut. Sehingga dengan dua kali ulangan pengukuran kecepatan vertikal balon sudah cukup untuk melaksanakan uji pengamatan. Uji pengamatan sebisa mungkin dilakukan di tempat terbuka yang memiliki sedikit penghalang wilayah pandang atau lebih baik lagi di tempat yang tidak memiliki penghalang sama sekali. Sebelum melakukan pengamatan, tiang statik theodolite dihadapkan pada arah utara dengan mengacu pada sebuah kompas. Setelah itu instrumen dapat dihubungkan pada sebuah komputer portabel (laptop).

23

Hasil uji pengamatan disimpan pada suatu file untuk kemudian dijalankan lagi oleh perangkat lunak yang telah dibuat

dengan menggunakan mode simulasi. Dengan demikian analisa hasil pengamatan dapat dilakukan pada waktu yang berbeda.

Gambar. Hasil Uji Pengamatan ke-1

Pada hasil uji pengamatan ke-1, balon terlihat terbawa oleh angin kearah yang acak terutama arah utara dan selatan. Namun pada kenyataannya, mulai dari pelepasan hingga akhir pengamatan balon begerak pada arah selatan dan tenggara. Pada pengamatan ini hasil pelacakan balon tidak sesuai dengan posisi balon sebenarnya. Kesalahan pada hasil pengamatan terjadi karena adanya gangguan teknis antara hubungan kabel data USB pada instrumen dengan slot data USB pada perangkat komputer portabel. Gerakan rotasi azimut pada instrumen membuat goncangan pada posisi pemasangan kabel data USB sehingga pengiriman data oleh instrumen terputus dan tersambung secara acak. Pengiriman data yang terputus-putus sedangkan gerakan mekanik yang kontinu menghasilkan besar sudut yang tidak sama antara alat dengan perangkat lunak baik itu sudut azimut maupun elevasi. Ketika pengamat melakukan kalibrasi dengan tombol perintah instrumen yang sedang tidak terhubung pada perangkat lunak, maka hal tersebut menghasilkan posisi

nol kalibrasi perangkat lunak pada arah dimana pencatatan terakhir dilakukan atau pada pengamatan ini adalah arah selatan sedangkan posisi nol kalibrasi instrumen pada arah utara. Sehingga ketika instrumen digerakkan untuk mencatat posisi balon di arah selatan, maka perangkat lunak menunjukkan arah utara. Setelah pemasangan kabel data USB dirapikan hasil uji pengamatan ke-2 menunjukkan hasil yang lebih baik. Data yang tercatat oleh perangkat lunak dapat mewakili posisi balon sebenarnya dibandingkan dengan pengamtan sebelumnya. Dengan melakukan enam kali pencatatan dapat menggambarkan balon yang bergerak ke arah tenggara. Setelah itu balon hilang dari pandangan karena balon terlihat relatif sangat kecil. Pada pengamatan ke-3, balon bergerak ke arah selatan dan dapat diikuti oleh pembacaan instrumen dengan baik dengan menunjukkan arah yang dapat mewakili

24

posisi balon pada tampilan grafis perangkat lunak. Pencatatan hanya dapat dilakukan sebanyak dua kali karena balon terhalang

oleh pepohonan dan pengamatan tidak dapat dilanjutkan.

Gambar. Hasil Uji Pengamatan ke-2

Gambar. Hasil Uji Pengamatan ke-3

25

4.3.3 Uji Kalibrasi Dengan melakukan uji kalibrasi dapat dilihat perbandingan hasil pengukuran instrumen terhadap posisi objek sebenarnya. Dari perbandingan tersebut dapat dilihat tingkat ketepatan alat atau disebut juga akurasi. Uji kalibrasi dilakukan dengan mengukur 4 titik sudut bagian atas suatu ruangan berbentuk balok dan diberi nama titik A, B, C, dan D. Posisi instrumen theodolite diberi nama titik I. Titik sudut tersebut menjadi objek pengukuran pada pelaksanan uji kalibrasi dan theodolite elektronik mengukur sudut azimut dan elevasinya. Tinggi ruangan menjadi peubah tetap. Dengan demikian hasil yang didapatkan dari pengukuran oleh theodolite adalah jarak horizontal antara posisi instrumen terhadap sudut ruangan. Hasil ini dihitung dari sudut azimut, elevasi dan ketinggian. Pada uji ini, peubah ketinggian dihitung dari posisi ketinggian instrumen dan bukan dari lantai ruangan. Sehingga peubah ketinggin yang dimasukan dalam perhitungan adalah selisih ketinggian ruangan dengan ketinggian instrumen dari lantai ruangan.

A

B

8,96 m

I1,65 m

2,42 m

D7,08 m

C

Gambar. Denah Ruangan Uji Kalibrasi.

Ket : - Tinggi ruangan = 2,99 m - Tinggi instrumen = 1,53 m Hasil pengukuran sudut oleh theodolite diambil nilai rata-ratanya dan direkonstruksi ulang dengan menggambarnya dengan tampilan grafis 3D pada perangkat lunak.

Tabel. Data Hasil Uji Kalibrasi A Ulangan Azimut Elevasi

B Azimut Elevasi Azimut

C Elevasi Azimut

D Elevasi

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 Ratarata

339 336 328 328 327 330 329 328 328 327 330

6 7 9 10 13 11 11 11 10 12 10

9 11 20 18 17 17 19 16 21 18 16.6

6 6 13 14 13 12 11 11 11 12 10.9

125 127 128 123 118 112 112 120 112 113 119

25 26 29 30 27 27 27 27 25 25 26.8

251 251 251 241 256 250 252 252 251 251 250.6

20 16 17 23 18 18 15 18 19 20 18.4

26

Hasil pengukuran uji kalibrasi direkonstruksi ulang pada perangkat lunak dengan garis berwarna biru dan bangun dengan garis berwarna hitam merupakan kontrol atau bangun pembanding. Bangun kontrol ini merupakan rekonstruksi dari bentuk ruangan sebenarnya. Dari hasil uji dapat dilihat bahwa bentuk dan ukuran bangun berwarna hitam menyerupai bangun berwana biru namun tidak berhimpitan. Hal tersebut menandakan nilai pengukuran yang dihasilkan oleh alat mendekati nilai sebenarnya. Jika bangun berwarna hitam dan bangun berwarna biru semakin berhimpitan maka nilai akurasi dari alat semakin baik. Sebaliknya jika bentuk dan ukuran bangun berwarna hitam dan bangun berwarna biru semakin berbeda maka nilai akurasi alat semakin buruk.

Nilai akurasi dari instrumen dipengaruhi oleh desain badan mekanik theodolite dan desain sistem gymbal theodolite. Badan mekanik yang tidak kokoh dapat memberikan perubahan posisi sudut pada aksis dari sistem gymbal theodolite yang kemudian mempengaruhi hasil pengukuran. Selain itu, posisi kalibrasi elevasi nol dan azimut nol menjadi tidak konsisten. Desain sistem gymbal yang kurang baik menyebabkan terjadinya kehilangan pergeseran rotasi pada beberapa roda aksis. Sehingga besar rotasi aksis yang menggerakan sensor berkurang. Dengan demikian besar rotasi pada aksis tidak sama dengan besar sudut yang terukur oleh sensor.

Gambar. Hasil Uji Kalibrasi

27

V. KESIMPULAN DAN SARAN5.1 Kesimpulan

Sensor Posisi 3D mampu merubah rotasi pada suatu aksis menjadi bilangan digital dalam perangkat komputer. Sehingga kemampuan tersebut dapat dimanfaatkan untuk membuat theodolite elektronik. Pada penelitian ini kemampuan sensor tersebut berhasil dimanfaatkan untuk membuat instrumen theodolit elektronik. Nilai besar sudut pengamatan yang di baca oleh instrumen berhasil dikirimkan ke perangkat lunak dalam bentuk bilangan digital. Dengan memanfaatkan rasio putaran roda aksis yang besar dibandingkan dengan roda sensor, maka bisa didapatkan nilai resolusi instrumen yang tinggi. Desain sistem mekanik theodolite yang tidak stabil dan posisi kalibrasi nol pada aksis azimut dan elevasi yang tidak konsisten memberikan nilai akurasi yang kurang baik. Perangkat lunak yang dibuat dalam penelitian ini dapat mengambil data digital yang dikirimkan oleh Sensor Posisi 3D. Data terbebut diolah lebih lanjut dan menghasilkan nilai jelajah, kecepatan dan arah angin. Untuk tujuan penyajian yang lebih informatif data dan hasil pengamatan pilot balon ditampilkan dalam antarmuka grafis 3D dan 2D. Antarmuka tersebut memudahkan analisa dan interpretasi data oleh pengguna.

5.2

Saran

Desain theodolite yang lebih kokoh dan lebih baik dapat memberikan hasil pengukuran yang lebih akurat. Untuk itu sistem aksis gymbal theodolite dapat didesain dengan menggunakan gerigi mekanik yang lebih stabil.

28

DAFTAR PUSTAKAAlan. 2006. Students of Game Design. http://www.studentsofgamedesign.com/ Antal, Barzan. 2007. Battle of the Mice. http://www.devhardware.com/c/b/InputDevices/battle of mice the.htm BMG. 2004. Petunjuk Singkat Pengamatan Pilot Balon. Keputusan Kepala BMG Tentang Organisasi Tata Kerja Balai Meteorologi dan Geofisika, stasiun Meteorologi, Stasiun Klimatologi, dan Stasiun Geofisika. Jakarta. Brenner, Martin. 2007. The Pilot Balloon Web Resource. http:// www.pilotballoon.com Computer Mouse. 2008. http://www.computermouse.org.uk/ Encoder Products Company. Optical Encoder and Accessories. http://www.encoder.com/literature/optical -encoder-guide.pdf NovaLynx Corporation. Meteorologycal Balloons. http://www.novalynx.com OFCM. 1997. Rawinsonde and Pibal Obsevations. U.S. DEPARTMENT OF COMMERCE. E-book Wikipedia. 2008. Accuracy and Precision. http://en.wikipedia.org/wiki/Accuracy_an d_precision Wikipedia. 2008. Theodolite. http://en.wikipedia.org/wiki/Theodolite Wikipedia. Gimbal. en.wikipedia.org /wiki/Gimbal.htm Wikipedia. Mouse (Compuing). http://en.wikipedia.org/wiki/Mouse_(com puting).htm Wikipedia. Rotary Encoder. http://en.wikipedia.org/wiki/ Rotary_encoder.htm

29

LAMPIRAN

30