Prinsip dan Komponen Utama Drone

Drone adalah sebuah sebutan sederhana dari "kendaraan terbang tanpa awak". Sering juga disebut dengan UAV, unmanned aerial vehicle, atau UAS, unmanned aircraft system, namun benda ini jauh lebih dikenal dengan sebutan drone saja. 

Tulisan ini akan mencoba untuk menjelaskan prinsip kerja drone beserta komponen utama yang diperlukan untuk membangun sebuah drone. 

Jenis Drone

Secara umum, ada dua jenis drone, yaitu fixed wing dan multi-rotor (multi-motor). Fixed wing drone, memiliki bentuk dan bekerja dengan prinsip-prinsip yang sama dengan pesawat terbang. Motornya diletakkan horizontal, sehingga baling-balingnya dapat menggerakkan badan drone secara horizontal pula. Sayap dan badan drone dibuat aerodinamis, untuk mendapat daya angkat optimal pada saat drone bergerak horizontal.

Multi-rotor drone bekerja dengan prinsip-prinsip yang sama dengan helikopter. Motornya diletakkan vertikal, sehingga baling-balingnya dapat membuat daya angkat (thrust) secara vertikal pula. Drone multi-rotor inilah yang menjadi fokus pembahasan pada tulisan ini.

Drone 4-motor sering dikenal juga dengan nama quadcopter (quad = 4). Sementara saudara-saudara lainnya: 3-motor dikenal dengan nama tricopter, 6-motor dengan nama hexacopter dan 8-motor dengan nama octocopter. 

Komponen Utama Drone 4-motor (Quadcopter)

Dalam tulisan ini, penjelasan akan lebih berfokus pada drone 4-motor, sebagai contoh panduan pemahaman drone secara umum. 
Berikut ini adalah penjelasan singkat tentang komponen utama yang diperlukan oleh sebuah drone 4-motor. 

Kerangka (Frame)

Sebuah drone memerlukan kerangka atau dalam bahasa Inggris disebut sebagai frame ataupun rig. Kerangka drone 4-motor, biasanya menyerupai huruf "x" ataupun tanda "+". Keempat motor terpasang pada ujung-ujung kerangka tersebut.
Perbedaan utama antara keduanya adalah ke arah ke mana "muka" dari pengendali utama atau flight controller menghadap. Gambar berikut dapat memberikan ilustrasi perbedaan antara keduanya.

Kerangka "+" dan "x" 

Sementara itu, ukuran sebuah drone khususnya multi-rotor, ditentukan dari panjang diagonal kerangkanya, dalam satuan milimeter (mm). Drone 4-motor umumnya memiliki diagonal dengan panjang 450mm, 330mm, 250mm ataupun lebih kecil. Jadi, sebuah drone 4-motor sering disebut dengan menggunakan atribut 450 ataupun 330 drone, karena memiliki kerangka 450mm atau 330mm.

Drone 6-motor, atau hexacopter, umumnya memiliki panjang diagonal 550mm atau lebih. Karena jumlah motornya yang banyak, ditambah panjangnya baling-baling, yang diatur agar tidak saling bersentuhan, menyebabkan kerangka hexacopter harus disesuaikan menjadi lebih besar dari kerangka quadcopter pada umumnya.

Motor dan Baling-baling (Motors and Propellers)

Motor dan baling-baling adalah penggerak utama yang mengakibatkan drone dapat terbang di udara. Drone 4-motor memiliki 2 motor yang menggerakkan baling-baling searah jarum jam (clockwise - cw). Dan 2 motor lainnya lagi menggerakkan berlawanan arah jarum jam (counter-clockwise - ccw).
Mengapa demikian? Karena, poros di mana motor dan baling-baling terpasang, dan bergerak ke satu arah, akan cenderung berputar berlawanan arah gerakan baling-baling tersebut, sesuai prinsip momen torsi dalam hukum fisika. 

Dalam hal ini, 2 motor yang menggerakkan baling-baling searah jarum jam akan cenderung mengakibatkan timbulnya momen torsi pada kerangka drone untuk berputar berlawanan arah jarum jam. Sementara itu, 2 motor lainnya yang memutar baling-baling berlawanan arah jarum jam juga mengakibatkan timbulnya momen torsi pada kerangka drone, tapi ke arah sebaliknya. Pada akhirnya, keempat motor yang menggerakkan baling-baling sesuai penjelasan sebelumnya, akan saling menghilangkan momen-momen torsi yang mereka ciptakan sendiri.

Umumnya, motor-motor ini dilengkapi dengan propeller cap, atau baut pengunci baling-baling. Jika baling-baling yang dipakai tidak memiliki ulir sendiri, maka baut pengunci ini berfungsi untuk memastikan baling-baling terkunci rapat dan ikut berputar sesuai dengan putaran motor. Warna dari propeller cap sering digunakan untuk membedakan gerakan motor. Motor yang bergerak searah jarum jam (clockwise - cw) biasanya dilengkapi dengan propeller cap yang berwarna hitam. Sementara motor yang bergerak berlawanan arah jarum jam (counter-clockwise - ccw) biasanya berwarna perak atau merah.
Berikut ini gambar dua pasang motor dengan jenis berbeda dan memiliki propeller caps yang berbeda pula (hitam - searah jarum jam dan perak atau merah - berlawanan arah jarum jam). 

 

Pengendali Utama (Flight Controller atau Main Controller)

Pengendali Utama, dikenal dalam bahasa Inggris sebagai flight controller (FC) ataupun main controller (MC), merupakan komputer mini yang dipasang sebagai pengendali utama sebuah drone. Dia bertugas mengumpulkan dan mengelola informasi ketinggian, kecepatan, arah, kemiringan dan lain-lain dan mengusahakan agar drone tetap dalam keadaan yang sesuai dengan yang diharapkan.
Sebuah flight controller yang baik dapat mengumpulkan sebanyak-banyaknya informasi melalui berbagai peralatan sensor, yang "tertanam" dalam flight controller itu sendiri, maupun yang terhubung dengannya.
Semakin banyak sensor yang "tertanam", ataupun yang dapat terhubung dengannya, semakin baiklah (dan biasanya semakin mahal juga) flight controller tersebut. Adapun jenis sensor yang umum "tertanam" dalam sebuah flight controller adalah sebagai berikut.

• Accellerometer, sensor pendeteksi kecepatan dan perubahan posisi,
• Magnetometer, sensor pendeteksi ke arah mana flight controller menghadap (kompas),
• Gyroscope, sensor pendeteksi perubahan arah gerak,
• Barometer, sensor pendeteksi perubahan tekanan udara (penentu ketinggian),
• dan biasanya juga sensor GPS.

Selain informasi yang didapat dari berbagai sensor yang "tertanam", flight controller juga mendapat informasi melalui penerima (receiver) radio controller.
Gambar berikut ini menunjukkan dua flight controller yang cukup populer dipakai dalam membangun drone: ArduCopter (Ardupilot) dan NAZA M V2.

Selain dua flight controller di atas, masih banyak lagi flight controller lainnya tersedia di berbagai toko online dan toko hobi. Tapi, prinsip kerja mereka pada dasarnya adalah sama. 

Mereka menerima masukan dari penerima (receiver) radio controller, juga dari seluruh sensor yang terhubung dengannya. Dari berbagai masukan ini, flight controller akan bergerak sesuai perintah sambil berusaha menstabilkan diri sendiri selama di angkasa. 

Pengendali Kecepatan Elektronik (Electronic Speed Controller - ESC)

Dalam suatu ketika, flight controller dapat memerintahkan 2 motor di sebelah kiri untuk berputar lebih cepat dari 2 motor lain di sebelah kanannya, untuk membuat drone "bergulir" (rolling) ke kanan. Hal ini terjadi ketika flight controller mengirim sinyal untuk menambah kecepatan berputar, kepada Pengendali Kecepatan Elektronik, atau ESC - Electronic Speed Controller, yang terhubung dengan motor-motor di sebelah kiri. 
Dengan demikian dapat dipahami bahwa ESC menerjemahkan sinyal dari flight controller untuk menambah atau mengurangi daya sebuah motor yang terhubung dengannya. 
Sebuah ESC mampu memompa daya listrik cukup besar kepada motor yang terhubung dengannya dalam suatu saat. Hal ini diperlukan, agar drone dapat terus terjaga kestabilannya selama mengudara. Flight controller-lah yang secara terus menerus mengirimkan sinyal-sinyal kepada ESC agar keempat motor berputar sesuai instruksinya untuk menjaga kestabilan.
Berikut ini adalah contoh di mana empat buah ESC terhubung dengan bagian bawah platform dari kerangka sebuah drone 4-motor.

Sementara itu, gambar berikut di bawah menunjukkan empat buah ESC yang terhubung dengan sebuah Power Distribution Board (PDB).

PDB ini memiliki tugas tidak lebih hanya untuk mendistribusikan daya listrik dari baterai kepada keempat ESC yang terhubung langsung dengannya. 
Selain kedua jenis konfigurasi di atas, ada pula ESC 4-in-1 di mana empat buah ESC digabung ke dalam satu container, namun masih memiliki 3 kabel keluaran untuk setiap motor-nya.

Salah satu contoh dari 4-in-1 ESC ini dapat dilihat pada gambar di atas, yaitu Skywalker Quattro 25Ax4 ESC.

Radio Controller (RC), Transmitter dan Receiver

Pengendali jarak jauh dengan menggunakan frekuensi radio, atau lebih dikenal dengan nama radio controller (RC)saja, mutlak diperlukan untuk mengendalikan drone 4-motor. 

Pengendali ini memerlukan alat pemancar atau transmitter dan penerima atau receiver. Pemancar selalu ada di tangan Anda, sang pengendali drone, sementara penerima dipasang pada drone dan terhubung langsung dengan Pengendali Utama, flight controller. 

Radio controller yang diperlukan untuk mengendalikan drone membutuhkan minimal 4 kanal atau channels untuk berkomunikasi dengan drone. Masing-masing channel dipakai untuk mengendalikan: throttle atau lift, yaw atau rudder, pitch atau elevator dan roll atau aileron. 

Contoh dari sebuah RC transmitter (Ruslan Masinjila: https://sites.google.com/site/ruslanmasinjila/rl_500_xa). 

Throttle atau lift digunakan untuk mengangkat atau menurunkan ketinggian drone. Yaw atau rudder untuk menoleh atau memalingkan muka drone ke kiri dan kanan. Pitch atau elevator untuk membuat drone maju atau mundur. Sedangkan roll atau aileron membuat drone bergeser ke kiri atau kanan. Semua dilakukan mengikuti perintah dari radio controller. 

Jika flight controller memiliki beberapa mode penerbangan, atau flight mode, maka diperlukan sedikitnya satu channel tambahan untuk melakukan perubahan flight mode. Akan perlu beberapa channel tambahan pula untuk dapat mengendalikan gimbal dan kamera. Semakin banyak peralatan yang akan dikendalikan melalui radio, semakin banyak pula channel yang diperlukan untuk berkomunikasi dengan drone. 

Baterai Lipo 

Sebuah drone, tidak lengkap tanpa adanya baterai. Baterai yang paling umum dipakai sekarang ini adalah baterai Lithium-ion Polymer, atau lebih sering disingkat sebagai Li-Po atau Lipo saja. Baterai Lipo ini sangat populer di dunia Radio Controller, termasuk drone dalam 5 tahun terakhir ini. Umumnya, setiap sel baterai Lipo memiliki daya nominal sebesar 3.7 Volt. Jika sebuah drone membutuhkan daya yang besar, karena motor-motornya yang berdaya besar atau karena berat total drone besar, maka diperlukan baterai dengan daya yang besar pula. Dengan demikian diperlukanlah baterai dengan jumlah sel 2 sampai dengan 6 sel. Total daya listrik yang dibawa berkisar dari 7.4 sampai 22.2 Volt. Indikator jumlah sel dalam sebuah baterai Lipo ditampilkan dalam satuan "S". Misalnya baterai dengan 2 sel, berindikasi "2S", 3 sel dengan "3S", 4 sel dengan "4S" dan seterusnya.

Baterai-baterai tersebut juga memiliki kapasitas berbeda dan kemampuan mengalirkan arus dalam satu waktu, yang berbeda pula. Kapasitas baterai umumnya dinyatakan dalam skala milli-ampere per-hour (mAh), seperti 1000 mAh atau 5500 mAh. Sementara kemampuan mengeluarkan arus dalam satu waktu dinyatakan dalam skala C (C rating), misalnya 30C, 45C ataupun 50C.
Sebuah baterai yang memiliki kapasitas 1000 mAh akan habis dipakai selama satu jam dengan mengalirkan arus sebesar 1000 mA (1 Ampere = 1 A) secara konstan. Jika baterai yang sama memiliki skala C sebesar 30C, artinya baterai tersebut mampu mengalirkan arus sampai dengan 30 kali 1000 mA (= 30 A) dalam satu saat. Biasanya arus akan maksimal dialirkan pada saat joystick di radio controller ditekan secara penuh. Pada kasus ini, baterai tersebut akan total habis digunakan selama 2 menit jika terus menerus mengalirkan arus sebesar 30 A. 

Demikianlah sudah dijelaskan keenam komponen utama dari sebuah drone 4-motor, sebagai berikut:

• Kerangka (frame),
• Motor dan baling-baling,
• Pengendali utama (flight controller atau main controller),
• Pengendali kecepatan elektronik (electronic speed controller),
• Radio controller transmitter dan receiver,
• Baterai Lithium-ion Polymer (Lipo).

Mudah-mudahan tulisan ringkas ini dapat membuka cakrawala pembaca untuk lebih mudah memahami tentang drone. Banyak referensi lain tersedia di Internet untuk memahami lebih dalam tentang komponen-komponen pembangun drone seperti disebutkan di sini. 

Untuk mengikuti bagaimana penulis membangun sebuah drone 4-motor, silakan ikuti tulisan ini: "Jatayu, Sebuah Drone 4-Motor - Bagian 1."

Selamat berkreasi dan selamat mengangkasa!