Drone (Sejarah, Jenis-jenis, Prinsip Kerja dan Komponen)

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) atau biasa disebut Drone adalah pesawat tanpa awak yang mampu terbang baik secara kontrol manual maupun otomatis. Drone dikendalikan secara otomatis melalui program komputer, atau melalui kendali jarak jauh dari pilot yang terdapat di dataran atau di kendaraan lainnya. Drone mampu terbang dengan menggunakan hukum aerodinamika untuk mengangkat dirinya baik tanpa muatan maupun dengan membawa muatan.

Pada awalnya drone atau Unmanned Aerial Vehicle (UAV), dikembangkan untuk kebutuhan militer. Namun seiring dengan perkembangan teknologi drone dengan berbagai variasi perangkat dan ukuran maka penggunaan drone saat ini telah meluas ke berbagai bidang, seperti dalam bidang fotografi, pertanian, keamanan, pendidikan (riset dasar), dan lain-lain.

Sejarah penggunaan drone pertama kali pada saat perang dunia ke II, pada tanggal 22 Agustus 1849, yaitu ketika Austria menyerang salah satu kota Venice di Itali menggunakan balon yang tidak berawak dan dilengkapi dengan bahan peledak. Pada tanggal 12 September 1916, sebuah sebuah bom yang dapat terbang dikenal dengan Hewitt-Sperry Automatic Airplane. Penggunaan radio kontrol pada pesawat tanpa pilot pertama kali dikembangkan di Inggris pada tahun 1931, yaitu Fairey Queen radio kontrol yang berasal dari Fairey IIIF.

Jenis-jenis Drone 

Berdasarkan jumlah rotor yang digunakan, drone dapat dikelompokkan dalam beberapa jenis. Jumlah rotor akan memengaruhi banyak aspek seperti efisiensi, daya angkat, waktu penerbangan, dan stabilitas. Adapun jenis-jenis drone berdasarkan jumlah rotor yang digunakan adalah sebagai berikut:

a. Bicopter 

Bicopter adalah salah satu jenis multirotor dengan jumlah rotor yang digunakan adalah 2 buah dengan tambahan 2 buah motor servo sebagai kontrol gerakan ke depan dan ke belakang secara independen untuk memberikan kontrol pitch dan yaw.

b. Tricopter 

Tricopters memiliki desain khusus, desain konfigurasi Y3 sistem kendali pada tricopter yakni dengan mengatur arah motor dengan motor servo dan mengatur kecepatan kedua buah motor tersebut.

c. Quadcopter 

Quadcopters umumnya menggunakan dua pasang baling-baling tetap yang identik, yaitu dua searah jarum jam (CW) dan dua berlawanan arah jarum jam (CCW). Quadcopter memiliki 4 mesin yang dipasang pada 4 lengan bingkai simetris sehingga dapat memiliki bentuk + atau X satu. Untuk fotografi, X yang paling sering digunakan karena baling-baling tidak masuk dalam bingkai stabilitas tinggi dan daya tahan yang kuat terhadap benturan.

d. Hexacopter 

Hexacopter memiliki 6 mesin pada kerangka simetris dengan 6 lengan ditempatkan pada sudut 60 derajat. Jenis ini multirotor sangat populer karena memiliki daya angkat yang besar kapasitas dan kestabilan yang kuat sekalipun salah satu mesinnya menderita masalah.

e. Octocopter 

Octocopter adalah versi perbaikan dari HexaCopter dengan kapasitas angkat yang lebih tinggi dan lebih baik stabilitas. Ini dapat terbang dan mendarat secara teratur bahkan dengan kerusakan dua mesin. Kelemahan dari model ini adalah jumlah arus listrik yang dihisap dari sumber energi dan harga tinggi.

Prinsip Dasar Drone 

Drone bekerja berdasarkan daya angkat yang terjadi karena putaran baling-baling yang digerakkan oleh rotor atau motor listrik. Lift atau daya angkat biasanya berhubungan dengan sayap dari sebuah model airfoil fixed-wing, namun lift juga dapat dihasilkan oleh propellers, layang-layang, helikopter, perahu layar bahkan pada bentuk dari sebuah mobil.

Teori untuk menjelaskan lift atau daya angkat adalah Prinsip Bernoulli, yaitu aliran udara merupakan energi yang konstan, ketika udara mengalir pada bagian yang memiliki tekanan udara rendah, maka aliran udara tersebut akan semakin cepat. Dari Prinsip Bernoulli, tekanan udara pada bagian atas bergerak lebih cepat dengan demikian tekanan menjadi rendah dibandingkan dengan bagian bawah yang aliran udaranya bergerak lebih lambat. Perbedaan tekanan udara tersebut menghasilkan gaya aerodinamik.

Pada Hukum Newton tentang Lift and deflection of the flow, lift dihasilkan karena adanya tekanan udara dan gaya tekan dari area wing, bahwa tekanan dari luas wing tidak menghasilkan gaya yang murni, akan tetapi dibutuhkan perbedaan tekanan untuk menghasilkan lift.

Pada gambar di bawah ini menunjukkan konsep baling-baling atau propellers pada drone dengan empat rotor atau Quadcopter. Arah putaran propellers terbagi menjadi dua arah putaran yang berbeda yaitu searah jarum jam / Clock Wise (CW) dan berlawanan arah jarum jam / Counter Clockwise (CCW). Motor yang berputar dengan searah jarum jam atau yaitu Clock Wise (CW) Yaitu motor C dan B sedangkan motor yang berputar berlawanan arah jarum jam yaitu motor A dan D. Perbedaan putaran pada setiap motor bertujuan agar tidak menyebabkan momen putar pada bodi quadopter.

Gerakan dasar pada quadcopter terdiri dari empat gerakan, yaitu; Roll (bergerak menyamping), Pitch (bergerak maju mundur), Yaw (bergerak secara berotasi) dan Throttle (bergerak ke atas landing dan take off). Gambar dan penjelasan dari pergerakan quadcopter adalah sebagai berikut:

a. Throttle 

Throttle merupakan penaikan kecepatan secara keseluruhan pada motor, di mana ketika motor full throttle maka quadcopter akan terjadi momen angkat pada body quadcopter. dan begitu sebaliknya jika motor menurunkan kecepatan maka akan terjadi posisi turun.

b. Pitch 

Pitch merupakan pergerakan maju dan mundur pada quadcopter, di mana dua buah motor yang berada di posisi belakang berputar lebih cepat dibanding dengan motor yang berada di depan sehingga terjadi kemiringan ke arah depan dan akan terdorong ke depan dan akan terjadi gerakan maju, begitupun sebaliknya untuk bergerak mundur.

c. Roll 

Roll merupakan gerakan menyamping, baik ke arah kiri atau kanan, untuk dapat bergerak menyamping perlu adanya perubahan kecepatan pada satu pasang motor, misal quadcopter akan gerak ke samping kanan maka motor sebelah kiri menaikkan kecepatan sehingga terjadi momen miring dan secara tidak langsung bergerak ke samping kanan begitu pun sebaliknya.

d. Yaw 

Pergerakan ini yaitu di mana quadcopter berputar dalam satu poros dilakukan dengan cara menurunkan kecepatan sepasang motor, atas-bawah atau kiri - kanan, dan menaikkan kecepatan satu pasangan motor yang sedikit lambat kecepatannya dibandingkan pasangan motor yang lain.

Bagian-bagian dan Komponen Drone 

Bagian bagian sebuah drone dengan empat rotor atau quadcopter diperlihatkan seperti pada gambar di bawah ini.

Adapun penjelasan dari masing-masing bagian drone tersebut adalah sebagai berikut:

a. Flight Controller 

Flight controller merupakan sebuah mikrokontroler yang memiliki kompleksitas fungsi dalam kontrol quadcopter. Fungsi dari flight controller ini yaitu untuk mengatur kecepatan motor, stabilisasi drone dan mempertahankan ketinggian. Selain itu flight controller menerima semua perintah atau inputan dari pilot. Dalam flight controller sudah tertanam komponen pendukung seperti sensor GPS, compas dan lain-lain, fungsi utama flight controller yaitu mengendalikan semua pergerakan mulai dari yaw, roll, pitch, altitude dan lainnya. seperti pada penelitian ini penulis menggunakan flight controller dengan Pixhawk Flight Controller.

b. Motor 

Motor merupakan komponen utama untuk penggerak quadcopter, karena dengan putaran motor ini quadcopter dapat terbang. Pemilihan motor harus disesuaikan dengan kebutuhan karena beda jenis motor beda fungsi yang dihasilkan motor tersebut. Motor pada quadcopter menggunakan KV= RPM/Volt, ukuran KV berbanding lurus dengan kecepatan putaran motor (RPM). Jika nilai KV rendah makan RPM yang dihasilkan rendah serta untuk torsi atau daya angkat (Throttle) yang besar dan begitupun sebaliknya. Lilitan pada rotor menentukan jumlah torsi yang dihasilkan, apabila semakin banyak lilitan pada rotor maka torsi semakin besar dan untuk RPM kecil begitupun sebaliknya.

c. Propeller 

Propeller dianalogikan sebagai sayap pada burung untuk dapat terbang quadcopter pun demikian, akan tetapi termasuk rotary wing atau sayap putar. Cara kerja dari alat ini yaitu mengubah putaran menjadi gaya dorong untuk bergerak. Terdapat 2 jenis propeller yang diibagi berdasarkan arah putaran dan arah hembusan udara yaitu Clockwise (CW) dan Counter Clockwise (CCW). Dan material yang digunakan berbagai macam mulai dari plastik, karbon, kayu dan lain-lain.

d. Electronic Speed Controller 

ESC merupakan sebuah device yang fungsinya sebagai driver motor brushless yang di mana mengatur kecepatan dan arah putaran. Selain itu tugas ESC yaitu mengubah tegangan DC ke AC 3 fasa untuk dilanjutkan ke motor. ESC ini terhubung langsung ke battery dan ke flight controller melalui kabel yang terdiri dari signal dan ground, dan komponen ini sangat penting untuk motor agar tidak terjadi kerusakan. Tipe dan besaran ampere pada ESC ini bermacam-macam, paling rendah diimulai dari 12 A sampai ratusan Ampere tergantung dari kebutuhan. Biasanya menyesuaikan besaran motor yang dipakai. Tipe ESC di antaranya ada dua, pertama ESC opto di mana tidak mempunyai output tegangan 5v sebagai tambahan, dan terakhir ESC UBEC di mana ESC ini memiliki output tegangan sebesar 5v dan bias digunakan sebagai power source.

e. Frame 

Frame merupakan bagian rangka atau tubuh pada quadcopter yang menjadi tulang atau penyokong semua komponen quadcopter serta tempat ditempelnya semua komponen-komponen sehingga dengan adanya frame ini komponen dapat terintegrasi dengan baik.

f. Battery 

Battery adalah sumber daya utama untuk quadcopter, sehingga penggunaan battery ini harus cocok dan sesuai dengan kebutuhan, dengan melalui analisis dan perhitungan yang sudah dilakukan sebelumnya. Agar didapat hasil yang optimal saat terbang dengan memperoleh waktu terbang maksimal. Jenis yang digunakan yaitu jenis LiPo atau lithium polymer.

g. Radio Transmitter dan Reciever 

Radio Transmitter dan Reciever merupakan pengendali quadcopter yang dapat diprogram sesuai kebutuhan. Biasanya telah sepaket dengan remote control (remote kendali).

h. Power Distribution Board (PDB) 

Power Distribution Board (PDB) berfungsi untuk mendistribusikan daya pada quadcopter dan menyediakan jalur yang lebih rapi untuk menghubungkan baterai dengan ESC.

i. Sensor 

Merupakan perangkat tambahan pada quadcopter yang digunakan untuk mendeteksi adanya perubahan fisik maupun kimia. Sensor yang sering digunakan adalah anemometer, GPS, barometer, dan lain-lain.