6
BAB II
TINJAUAN PUSTAKA
2.1 Penelitian TerdahuluPenelitian yang berkaitan dengan perancangan drone berbasis jaringan 4G tidak banyak dilakukan sebelumnya. Namun ada beberapa penelitian berikut yang merujuk kepada drone berbasis 4G antara lain:
1. Qualcomm Technologies Inc. (2017)
Pada tahun 2017, perusahaan teknologi nirkabel dan semikonduktor Qualcomm menguji coba sebuah drone berbasis jaringan 4G-LTE komersial. Drone yang diujikan menggunakan Flight Controller buatan dari Qualcomm itu sendiri yaitu Qualcomm Snapdragon Flight dengan software Qualcomm Snapdragon Navigator yang telah diprogram dan terhubung dengan modem 4G untuk logging dan diagnostik. Drone tersebut diberi nama 390QC. Drone tersebut juga terhubung dengan RC transmitter/receiver yang terus aktif selama penerbangan yang memungkinkan pengambilalihan kendali oleh operator di darat untuk alasan keamanan [6].
Gambar 2.1 Quadcopter yang dibuat oleh Qualcomm Technologies Inc. (Sumber: Qualcomm, 2017)
Gambar 2.2 Data pipeline dari drone 4G Qualcomm (Sumber: Qualcomm, 2017)
Pengumpulan data dari drone tersebut bekerja dengan cara logs dari modem LTE dikumpulkan secara bersamaan dengan logs dari Snapdragon Navigator yang menghasilkan korelasi dari status penerbangan dan data dari modem dengan catatan waktu yang telah disinkronkan. Data dan logs tersebut disimpan di SD Card pada drone dan dikirimkan ke database melalui jaringan 4G. Hasil dari pengujian tersebut mendukung bahwa jaringan 4G-LTE komersil mampu digunakan untuk drone yang beroperasi diluar garis pandang visual / Beyond Visual Line of Sight (BVLOS) pada ketinggian 400 kaki diatas permukaan tanah.
Penelitian berikutnya adalah oleh Peter Burke (2019) dari University of California at Irvine yang mengembangkan drone berbasis 4G. Drone tersebut berjenis fixed wing dan menggunakan Flight Controller Omnibus F4 Pro dan terhubung dengan komputer onboard berupa Raspberry Pi Zero. Drone tersebut juga dilengkapi dengan modul GPS.
Gambar 2.3 Drone 4G berjenis fixed wing pada penelitian Peter Burke (Sumber: Burke, 2019)
Drone ini bekerja dengan cara menghubungkan Flight Controller Omnibus F4 Pro dengan Raspberry Pi Zero. Pi Zero disini bertindak sebagai companion computer atau komputer pendamping yang menghubungkan drone dengan jaringan 4G. Komputer yang terhubung dengan 4G ini meneruskan status dan data log dari drone tersebut ke suatu cloud server yang mana pada penelitian ini menggunakan server AWS Instance. Kemudian dari ground station atau PC yang berada di darat juga terhubung dengan komputer yang ada di drone melalui server tersebut. Dengan begitu, drone mampu dikendalikan dari darat selama terhubung dengan jaringan 4G [7].
Gambar 2.4 Skema jaringan dari drone 4G dari penelitian Peter Burke (Sumber: Burke, 2017)
3. Harsito dan Muhammad Rizal (2020)
Penelitian berikutnya oleh Harsito dan Muhammad Rizal dari Teknik Mesin Universitas Muhammadiyah Malang pada tahun 2020. Yang merupakan kaji awal serta menganalisa pengaruh kontrol kecepatan dan respon sinyal dari quadcopter berbasis 4G. Quadcopter ini menggunakan modul WiFi NodeMCU yang diintegrasikan dengan flight controller Ardupilot Mega (APM) sebagai perantara antara quadcopter dan jaringan 4G.
Gambar 2. 5 Diagram blok dari quadcopter 4G oleh Harsito dan Rizal (Sumber: Harsito, 2021)
Pada diagram blok diatas dapat dilihat bahwa NodeMCU terhubung ke Blynk Server yang menjadi perantara komunikasi antara quadcopter dengan ground station berupa ponsel Android yang menjadi kendalinya.
Hasil dari penelitian tersebut menyatakan bahwa telah berhasil menggunakan jaringan 4G sebagai sistem kendali quadcopter. Namun karena penelitian tersebut berupa kaji awal sehingga hanya berupa pengujian kendali motor BLDC quadcopter dengan jaringan 4G, tidak sampai pengujian terbang. Serta penggunaan NodeMCU yang bukan merupakan companion computer melainkan hanya sebagai platform IoT membuat quadcopter pada penelitian ini tidak dapat dikembangkan menjadi autonomous quadcopter. Sehingga diperlukan adanya companion computer sebagai syarat untuk merancang autonomous quadcopter.
2.2 UAV (Unmanned Aerial Vehicle)
Secara istilah, Unmanned Aerial Vehicle atau pesawat nirawak merupakan sebutan untuk kendaraan berpenggerak yang tidak membawa operator manusia, atau tidak berawak. UAV dapat dioperasikan secara mandiri (Autonomous) atau dari jarak jauh. Dapat digunakan untuk sekali pemakaian atau digunakan berulang kali, dan dapat membawa berbagai muatan tergantung pada jenis, fungsionalitas, karakteristik operasional dan tujuan misinya [8].
UAV awalnya dibuat untuk keperluan militer. Namun seiring berkembangnya teknologi dan peneletian-penelitian yang terkait dengan UAV, sekarang UAV memiliki fungsi yang berbeda-beda. Pesawat tanpa awak sekarang dapat digunakan untuk menjangkau daerah yang jauh dan berbahaya yang apabila dilakukan dengan pesawat berawak dapat membahayakan keselamatan dari awak pesawat tersebut. UAV juga dapat digunakan dalam keadaan darurat seperti dalam
pencarian korban bencana yang tidak memungkinkan apabila dilakukan pencarian dengan awak secara terus menerus [9].
Berdasarkan jenisnya, UAV terbagi menjadi 2 jenis: 2.2.1 Fixed-Wing
Jenis ini memiliki bentuk yang menyerupai pesawat terbang yang memiliki sayap. Pada UAV berjenis fixed-wing biasa menggunakan propeller untuk menghasilkan gaya dorong, namun untuk terbang dan bermanuver di udara, jenis ini menggunakan aerodinamika dari perubahan bentuk sayap. [10] Kelebihan dari UAV berjenis ini adalah struktur nya yang sederhana, perawatan yang lebih mudah, jarak tempuh dan waktu terbang yang lebih jauh dengan daya yang lebih sedikit. Sedangkan kekurangan dari UAV berjenis ini adalah diperlukan nya lintasan/runway untuk lepas landas dan mendarat, tidak memiliki kemampuan untuk hovering untuk inspeksi dari dekat, dan kesulitan untuk mendarat di daerah yang sempit seperti hutan [11].
Gambar 2.6 Drone berjenis fixed-wing (Sumber: http://www.plazagps.com/)
2.2.2 Rotary-Wing
Jenis ini menggunakan putaran baling-baling untuk terbang dan bermanuver di udara. Rotorcraft sendiri terbagi menjadi 2 jenis yang pertama adalah single-rotor atau memiliki 1 baling-baling yang memutari single-rotor contohnya seperti helikopter. Dan yang kedua adalah multi-rotor atau dikenal sebagai multicopter. Multicopter terdiri dari lebih dari 2 rotor (biasanya 3, 4, 6, 8) dan memiliki banyak varian berdasarkan jumlah motor penggerak dan konfigurasi sistem propulsinya. Kelebihan jenis ini yang paling utama adalah kemampuan untuk lepas landas dan mendarat secara vertikal / VTOL (Vertical Take-Off and Landing). Kelebihan lainnya adalah kemampuan untuk hovering, lebih stabil dan mampu mengangkat beban yang lebih berat. Sedangkan kekurangan dari jenis ini adalah kekompleksan sistem mekanik dan elektriknya, kecepatan yang lebih rendah, jangkauan yang tidak begitu jauh dan waktu terbang yang lebih pendek dibandingkan dengan fixed-wing karena konsumsi daya yang lebih besar [11].
Gambar 2.7 Berbagai macam konfigurasi dari multicopter (Sumber: https://www.flyingtech.co.uk/)
2.3 Quadcopter
Quadcopter merupakan bagian dari kategori Vertical Take Off and Landing-Unmanned Aerial Vehicles (VTOL-UAV) karena dapat lepas landas dan mendarat tanpa perlu suatu landasan yang kuat. Hal ini dapat dilakukan dengan menggunakan quadcopter yang terbang tanpa sayap seperti pesawat terbang, tetapi menggunakan empat rotor baling – baling di setiap sudut. Setiap motor dan baling – baling pada quadcopter berperan dalam mengasilkan daya dorong dan torsi dari titik pusat rotasi. Hasilnya akan mengarah pada gaya angkat untuk quadcopter. Gaya angkat ini dapat membuat quadcopter terbang di udara [12].
2.3.1 Prinsip Kerja
Quadcopter memiliki 4 rotor dengan sudut yang tetap (fixed angle) dan dari keempat rotor tersebut yang menghasilkan 4 gaya masukan yang mana
merupakan thrust atau gaya dorong dari masing-masing propeller. Quadcopter sendiri memiliki 2 jenis konfigurasi yaitu konfigurasi “+” dan konfigurasi “X” [13].
Gambar 2.8 2 Jenis konfigurasi quadcopter yang paling umum, + dan X (Sumber: Zahran, 2019)
Quadcopter memiliki 2 baling-baling yang berputar searah jarum jam (3 dan 4) dan 2 baling-baling yang berputar berlawanan arah jarum jam (1 dan 2). Hal ini perlu karena untuk saling menangkal torsi reaksi dari masing-masing propeller. quadcopter dengan konfigurasi X cenderung lebih stabil ketimbang konfigurasi +, yang sering digunakan untuk akrobatik. Dalam tulisan ini, penulis merujuk kepada quadcopter dengan konfigurasi X.
Kontrol pergerakan dari quadcopter sendiri ada 4 jenis seperti yang ditunjukkan oleh gambar 2.9 dibawah ini:
Gambar 2.9 Kontrol pergerakan dari quadcopter berkonfigurasi X (Sumber: http://socialledge.com/)
1. Throttle
Throttle adalah kontrol untuk gerakan naik dan turun, dimana keempat baling-baling berputar dengan kecepatan yang sama. Makin tinggi kecepatan maka akan membuat quadcopter semakin naik tinggi, dan makin rendah maka quadcopter akan semakin turun.
2. Pitch
Pitch adalah gerakan maju dan mundur dari quadcopter. Untuk maju, maka propeller yang di belakang (propeller 2 dan 4 pada gambar 2.9) berputar dengan kecepatan yang lebih tinggi daripada propeller yang di depan (propeller 1 dan 3 pada gambar 2.9). Untuk gerakan mundur maka sebaliknya, propeller bagian depan berputar dengan kecepatan yang lebih tinggi daripada propeller bagian belakang.
Roll adalah gerakan ke kiri dan kanan dari quadcopter. Dengan menambah putaran dari propeller bagian kanan (propeller 1 dan 4 pada gambar 2.9) akan membuat quadcopter untuk membelok ke samping kiri. Dan sebaliknya, apabila putaran propeller di bagian kiri (propeller 2 dan 3 pada gambar 2.9) akan membuat quadcopter untuk membelok ke samping kanan.
4. Yaw
Yaw adalah gerakan berputar ke kiri dan kanan. Hal ini dilakukan dengan cara memanipulasi torsi reaksi dari keempat propeller. Apabila propeller yang searah jarum jam (propeller 3 dan 4 pada gambar 2.9) berputar lebih cepat dari propeller berlawanan arah jarum jam (propeller 1 dan 2 pada gambar 2.9), maka akan menghasilkan ketidakseimbangan torsi reaksi dan membuat quadcopter berputar ke arah kiri, karena torsi reaksi dari propeller searah jarum jam lebih besar. Sebaliknya, quadcopter akan berputar ke arah kanan apabila torsi reaksi dari propeller yang berputar berlawanan arah jarum jam lebih besar. Yaitu dengan cara membuat propeller berlawanan arah jarum jam (propeller 1 dan 2 pada gambar 2.9) berputar lebih cepat daripada yang searah jarum jam (propeller 3 dan 4 pada gambar 2.9)
2.3.2 Kinematika Quadcopter
Quadcopter memiliki 6 derajat kebebasan (6 degrees of freedom) dimana 3 untuk gerakan translasi (maju-mundur, kiri-kanan, atas-bawah), dan 3 untuk gerak rotasional terhadap sumbu pitch, roll, dan yaw. Namun, quadcopter hanya memiliki 4 input independen dari putaran keempat rotor yang membuat
quadcopter merupakan sistem underactuated, karena sistem penggerak/aktuator pada sistem tersebut lebih sedikit ketimbang derajat kebebasannya [14].
Ketika quadcopter terbang dalam ruang 3 dimensi, maka terdapat 2 sistem koordinat. Yang pertama disebut body frame yaitu koordinat ikut bergerak dengan quadcopter tersebut, dan inertial frame yang diam dan tidak bergerak sehingga menjadi koordinat acuan pada quadcopter [5]. seperti yang ditunjukan pada gambar 2.10 dibawah ini
Gambar 2.10 Koordinat inertial frame dan body frame pada quadcopter (Sumber: https://www.researchgate.net/)
Dalam memodelkan dan mengendali sistem mekanik perlu untuk memahami koordinat referensi dan matriks rotasi untuk mentransformasi states dari satu ruang konfigurasi (body frame) ke yang lain (inertial frame). Karena, pembacaan dari sensor-sensor pada quadcopter seperti kompas, accelerometer, gyroscope, semua didapat dengan mengacu kepada body frame dari quadcopter yang sedang mengudara. Sedangkan input yang diberikan (throttle, pitch, roll, yaw) mengacu terhadap inertial frame. Sehingga diperlukan matriks rotasi yang digunakan untuk mengetahui attitude dan orientasi dari quadcopter tersebut terhadap inertial frame [15].
Orientasi dari quadcopter dapat di definisikan dalam 3 sudut Euler yaitu, sudut roll (ϕ), sudut pitch (θ), dan sudut yaw (ψ), dan memiliki matriks rotasi dari body frame terhadap inertial frame sebagai berikut:
𝑅 = [
𝐶𝜓𝐶𝜃 𝐶𝜓𝑆𝜃𝑆𝜙 − 𝑆𝜓𝐶𝜙 𝐶𝜓𝑆𝜃𝑆𝜙 + 𝑆𝜓𝑆𝜙 𝑆𝜓𝐶𝜃 𝑆𝜓𝑆𝜃𝑆𝜙 − 𝐶𝜓𝐶𝜙 𝑆𝜓𝑆𝜃𝐶𝜙 − 𝐶𝜓𝑆𝜙
−𝑆𝜃 𝐶𝜃𝑆𝜙 𝐶𝜃𝐶𝜙
],
yang mana Sx = sin(x) dan Cx = cos(x). Matriks rotasi R adalah matriks ortogonal
sehingga R-1 = RT yang merupakan matriks rotasi dari inertial frame terhadap
body frame, dan [13].
2.3.3 Dinamika Quadcopter
Pada saat quadcopter melakukan hover tanpa angin, maka besarnya gaya dorong yang dihasilkan oleh tiap propeller dapat dinyatakan sebagai berikut:
𝑇𝑖 = 𝐶𝑇 . 𝜔𝑖2
Dimana CT merupakan konstanta proporsionalitas yang ditentukan dari
eksperimen. Propeller yang berputar juga menghasilkan torsi reaksi yang dapat dinyatakan dengan persamaan berikut:
𝑀𝑖 = 𝐶𝑀 . 𝜔𝑖2
Dimana CM juga merupakan konstanta proporsionalitas yang ditentukan dari
percobaan [16].
Karena quadcopter didorong oleh 4 buah baling-baling. Maka, kecepatan sudut dari tiap propeller akan menentukan total dari gaya dorong f dan momen reaksi τ.
Gambar 2.11 Quadcopter dengan konfigurasi X (Sumber: Introduction to Multicopter Design and Control)
Pada quadcopter dengan konfigurasi X dengan panjang lengan ke pusat sebesar d, memiliki total thrust yang bekerja dinyatakan dengan persamaan berikut:
𝑓 = ∑ 𝑇𝑖= 𝐶𝑇 (𝜔12+ 𝜔22+ 𝜔32+ 𝜔42)
4
𝑖=1
Serta, momen/torsi yang bekerja pada sumbu x, y, z akibat putaran propeller pada quadcopter dinyatakan dengan persamaan:
𝜏𝑥 = 𝑑𝐶𝑇( √2 2 𝜔1 2−√2 2 𝜔2 2−√2 2 𝜔3 2+√2 2 𝜔4 2) 𝜏𝑦 = 𝑑𝐶𝑇( √2 2 𝜔1 2+√2 2 𝜔2 2−√2 2 𝜔3 2−√2 2 𝜔4 2) 𝜏𝑧 = 𝐶𝑀(𝜔12− 𝜔 2 2+ 𝜔 3 2− 𝜔 42) 2.4 Komponen Quadcopter
Berikut ini merupakan bagian – bagian penyusun dari quadcopter: 2.4.1 Frame
Frame atau ada yang menyebutnya sebagai fuselage merupakan bagian yang penting dari quadcopter dan bertindak sebagai tempat untuk mengangkut semua peralatan dan komponen elektronik dari quadcopter. Sehingga, keamanan, kegunaan, ketahanan serta kinerja dari quadcopter sangat bergantung pada konfigurasi pada frame yang digunakan. Maka dari itu, faktor-faktor seperti
bentuk, berat, material dan kekuatan dari frame harus dipertimbangkan dengan seksama dalam membangun sebuah quadcopter [17].
Gambar 2.12 Frame Quadcopter (Sumber: https://dronequadcopterx.blogspot.com/)
Frame secara umum terdiri dari 2 bagian: bagian dasar atau base frame dan bagian lengan. Bagian dasar dari frame biasanya menggunakan 2 bagian dengan ukuran yang sama untuk bagian atas dan bagian bawah. Sedangkan bagian lengan memiliki bentuk dan dimensi yang sama. Frame dari quadcopter juga dirancang untuk mengantisipasi mengendurnya sambungan baut yang disebabkan oleh getaran pada saat quadcopter beroperasi [18]. Selain itu, material yang digunakan untuk frame harus memiliki kekuatan dan kekakuan yang tinggi namun dengan massa jenis yang rendah untuk mengurangi bobot dari frame tersebut. Perbandingan beberapa material yang umum digunakan untuk frame beserta sifatnya tertera pada tabel 2.1 dibawah ini:
Tabel 2.1 Perbandingan Material Frame Quadcopter Massa Jenis (g/cm3) Modulus Young (GPa) Kekuatan Tarik (MPa) Carbon Fiber 1.55 64 110 Nylon (66) 1.15 3.69 90 Polycarbonate 1.22 5.17 75
Aluminium 2.70 69 90
Akrilik 1.18 2.62 69
Dari tabel 2.1 diatas dapat dilihat bahwa material serat karbon memiliki massa jenis yang relatif kecil namun dengan kekakuan dan kekuatan yang tinggi. Namun, serat karbon memiliki harga yang mahal dan sulit untuk diproses nya [19]. Dalam penulisan ini frame yang digunakan merupakan frame F450 yang memiliki material PA66-GF30 pada bagian lengan dan material FR-4 pada bagian base frame atas dan bawahnya.
PA66-GF30 merupakan material Nylon 66 yang 30% diperkuat dengan serat kaca, membuat material ini memiliki kekuatan dan kekakuan yang tinggi dengan berat yang kecil [20]. Sedangkan FR-4 merupakan material komposit dari serat kaca woven yang diikat dengan resin epoxy membuat material ini memiliki rasio kekuatan ke berat (strength to weight ratio) yang tinggi. Material ini banyak digunakan untuk pembuatan PCB karena kekuatan nya dan ketahanan nya terhadap api (flame retardant) [21].
2.4.2 ESC (Electronic Speed Controller)
Electronic Speed Controller atau ESC merupakan perangkat yang digunakan untuk mengontrol kecepatan dari motor BLDC (Brushless DC Motor) dan terdiri atas susunan MOSFET (Metal Oxide Semiconductor Field Effect Transistor). Itu yang membuat ESC dapat bekerja secara cepat dalam mengirim dan mematikan pulsa ke motor BLDC [22]. ESC biasanya terdiri dari beberapa bagian antara lain power stage untuk masuknya daya, current sensing untuk mengetahui besaran arus yang masuk, mikrokontroler untuk mengendalikan motor BLDC, dan komunikasi antarmuka ke flight controller yang digunakan [1].
Gambar 2.13 ESC 30A (Sumber: http://npclab.blogspot.com/)
Untuk menentukan pengontrol mana yang digunakan, sangat penting untuk mengetahui daya (arus puncak) motor. Disarankan agar ESC yang digunakan memiliki arus puncak yang lebih besar dari pada motor. Misalnya, output mesin adalah 12 A (amps) ketika throttle terbuka penuh. ESC yang digunakan adalah ESC 18A atau 20A. Jika terpaksa menggunakan ESC 10A kemungkinan ESC akan panas bahkan terbakar dengan throttle terbuka penuh. ESC mensuplai motor sesuai dengan sinyal Pulse Width Modulation (PWM), yang diterima di input ESC. Selain itu, ESC ini juga memiliki Battery Eliminator Circuit (BEC) yang memiliki output tegangan kecil untuk mensuplai flight controller dan sensor lainnya. Tabel 2.1 dibawah adalah contoh spesifikasi dari ESC 30A dengan firmware SimonK yang sering digunakan untuk model flying atau drone. Berikut ini merupakan fitur yang dimiliki ESC 30A SimonK ini:
1. ESC ini dengan firmware dari SimonK memberikan efisiensi tertinggi (100%) untuk multicopter dengan desain N-Channel MOSFET
2. Akurasi tinggi dengan Crystal Oscillator (temperatur tidak mempengaruhi jangkauan operasi PWM)
3. Tidak ada pemutus tegangan rendah (low voltage cutoff) untuk menghindari crash saat mengudara
4. Tidak ada pemutus temperatur berlebih (over temp cutoff) untuk menghindari crash saat mengudara
5. Refresh rate sangat tinggi, tidak ada buffering pada sinyal input dan menghasilkan response rate lebih dari 490Hz
6. Frekuensi motor 16KHz, memberikan respon tercepat dari motor dan beroperasi dengan tenang
Tabel 2.2 Spesifikasi SimonK EC 30A
Parameter ESC 30A
Arus Konstan Maksimum 30A Arus Lebih (>10s) 40A
Keluaran BEC 5V/3A
Massa (g) 25gr
Dimensi (mm) 50 x 25 x 8
2.4.3 Brushless DC Motor (BLDC)
Motor BLDC merupakan salah satu jenis motor listrik synchronous. Pada
dasarnya motor BLDC bekerja dengan menggunakan prinsip tarik menarik antara dua magnet dengan kutub yang berlawanan atau gaya tolak menolak antara dua magnet dengan kutub yang sama. Secara konstruksi, motor BLDC terdiri dari sebuah rotor berupa magnet sehingga kutub-kutubnya tetap sedangkan statornya berupa gulungan kawat berenamel sehingga kutub magnetnya dapat berubah-ubah tergantung pada polaritas belitan stator yang diberikan. arus. Motor BLDC memiliki konstruksi dua belas belitan stator dan delapan kutub magnet permanen pada rotor. Untuk dapat mengatur putaran pada motor BLDC, diperlukan informasi untuk mengetahui letak rotor. Untuk itu diperlukan sensor pendeteksi posisi rotor yaitu hall effect sensor yang merupakan sensor dengan kemampuan
mendeteksi letak magnet. Di bawah ini akan dijelaskan mengenai konstruksi pada motor BLDC [23].
Gambar 2.14 Konstruksi Motor BLDC (Sumber: https://instrument.itb.ac.id/)
Pada gambar diatas, motor BLDC disajikan dengan 12 belitan stator dan 8 kutub magnet pada rotor. Untuk memutar motor BLDC, Anda harus tentukan posisi rotor yang terletak di Motor BLDC digunakan untuk mengontrol belitan di mana stator akan diberikan tegangan sesuai dengan polaritas untuk menarik atau penggerak magnet pada rotor sehingga rotor dapat bergerak atau berputar. Untuk mendeteksi posisi rotor dapat menggunakan sensor hall effect melekat pada statornya. Di dalam motor BLDC memiliki tiga sensor hall effect yang dipasang pada stator. Tiga sensor hall effect ditempatkan pada posisi berikut: H1 padaposisi = 3600, H2 pada posisi = 600, H3 pada posisi = 1200 ke stator. efek aula sensor memberikan output logika "1" ketika mendeteksi kutub magnet utara (N) dan logika “0” saat mendeteksi kutub magnet selatan (S). Dapat dilihat pada Gambar 2.15 di bawah ini:
Gambar 2.15 Pembacaan Hall Effect (Sumber: Danu Akbar, 2018)
Data pembacaan dari hall effect serta pemberian tegangan pada stator sesuai polaritasnya dapat dilihat pada tabel dibawah ini.
Tabel 2.3 Data Pembacaan Hall Effect terhadap input Tegangan pada Stator
Pada motor BLDC ini implementasinya menggunakan sumber DC sebagai sumber energi utama yang kemudian diubah menjadi tegangan AC dengan menggunakan ESC (Electronic Speed Controller).
Motor BLDC juga memiliki yang bernama nilai KV. Nilai KV disini menandakan jumlah rpm yang dihasilkan motor BLDC apabila diberikan tegangan sebesar 1volt dan tanpa beban. Misalkan motor BLDC memiliki nilai KV 1000 ini berarti motor tersebut akan berputar 1000 rpm apabila diberi tegangan 1volt tanpa beban.
2.4.4 Propeller (Baling-baling)
Propeller (atau baling-baling) adalah baling-baling untuk menjalankan
pesawat terbang. Baling-baling ini mentransfer daya dengan mengubah gerakan rotasi menjadi daya dorong untuk mendorong kendaraan seperti pesawat terbang,
melalui massa seperti udara, dengan memutar dua atau lebih bilah kembar menjauh dari sumbu utama. Baling-baling bertindak sebagai sayap yang berputar, dan menghasilkan gaya yang menerapkan Prinsip Bernoulli dan Hukum Gerak Newton, menghasilkan perbedaan tekanan antara permukaan depan dan belakang [22].
Ada beberapa parameter penting yang dimiliki baling-baling dalam aeromodelling RC. Parameter ini dapat digunakan sebagai panduan untuk memilih baling-baling sesuai kebutuhan:
1. Diameter dan Pitch
Semua baling-baling RC yang tersedia memiliki 2 buah ukuran, yaitu diameter dan pitch. Diameter dihitung berdasarkan diameter lingkaran yang dibentuk saat baling-baling berputar. Sedangkan pitch merupakan jarak yang ditempuh oleh baling-baling jika diputar 1 putaran penuh. Semakin panjang diameter dan pitch baling-baling semakin banyak pula udara yang disapu dan semakin besar pula daya dorong yang dihasilkan. Satuan dari diameter dan pitch dari baling- baling adalah inch. Baling-baling dengan ukuran 10x4.5 memiliki diameter 10inch dan pitch 4.5 inch.
Gambar 2.16 Pitch dan Diameter Propeller (Sumber: http://www.bowersflybaby.com/)
2. Jumlah Bilah
Secara umum jumlah bilah pada baling-baling pesawat model RC adalah 2 bilah. Namun ada juga yang menggunakan 3 mata pisau dan 4 mata pisau. Lebih banyak bilah pada baling-baling menyebabkan lebih banyak udara yang dikeluarkan, menghasilkan kinerja yang lebih baik impuls yang lebih besar. Lebih banyak bilah juga membutuhkan motor dengan torsi yang lebih besar.
3. Arah Putar
Dengan arah gaya dorong yang sama, baling-baling RC aeromodelling memiliki dua jenis arah putaran; searah jarum jam (CW, clockwise) dan berkebalikan arah jarum jam (CCW, counterclockwise). Arah putar ini menentukan yawing moment yang dihasilkan dari baling- baling. Pada quadcopter, dibutuhkan sepasang baling baling CW dan CCW agar yawing moment dapat saling menghilangkan.
Gambar 2.17 Propeller 1045 (Sumber: https://www.jsumo.com/)
2.4.5 GPS
GPS (Global Positioning System) adalah sistem satelit navigasi dan penentuan posisi yang dimiliki dan dikelola oleh Amerika Serikat. Sistem ini didesain untuk memberikan posisi dan kecepatan tiga dimensi serta informasi
mengenai waktu. GPS terdiri dari 3 segmen yaitu segmen angkasa, kontrol/pengendali, dan pengguna. Segmen angkasa terdiri dari 24 satelit yang beroperasi dalam 6 orbit pada ketinggian 20.200 km dengan periode 12 jam (satelit akan kembali ke titik yang sama dalam 12 jam). Segmen Kontrol/Pengendali terdapat pusat pengendali utama yang terdapat di Colorodo Springs, dan 5 stasiun pemantau lainnya dan 3 antena yang tersebar di bumi ini [24]. Pada sisi pengguna dibutuhkan penerima GPS yang biasanya terdiri dari penerima, prosesor, dan antena.
GPS merupakan komponen penting dalam drone. Kini, hampir semua drone sudah dibekali dengan GPS terutama drone tersebut digunakan untuk keperluan militer, keamanan, bahkan hanya sekedar hobi [25]. Fungsi GPS pada drone adalah memungkinkan pengguna mengetahui lokasi pasti apabila drone tersebut sudah terbang melebihi jarak pandang visual (Beyond Visual Line of Sight). Dengan adanya GPS pada drone juga kita dapat merencanakan jalur terbang dari drone kita berdasarkan koordinat GPS. Selain itu, apabila terjadi kendala seperti habis baterai, koneksi dengan kendali terputus, kita dapat memrogram drone agar dapat kembali ke tempat awal mereka takeoff dengan bantuan GPS, dan masih banyak lagi fungsi dari GPS pada drone.
Gambar 2.18 Modul GPS Ublox Neo M8n (Sumber: https://www.tokopedia.com/)
Modul GPS yang terdapat pada drone biasanya juga dilengkapi dengan magnetometer atau kompas yang digunakan untuk mengetahui orientasi dari drone tersebut.
2.4.6 Companion Computer
Companion computer pada drone berfungsi sebagai perantara ataupun penunjang fungsi dari flight controller [7]. Companion computer berkomunikasi dengan flight controller dan mendapatkan semua data yang dihasilkan flight controller. Dengan begitu, dapat digunakan drone untuk mengambil keputusan pada saat terbang. Meskipun flight controller dapat melakukan navigasi otonom dan pemrosesan perintah, ia tidak dapat memproses semua data sensorik mentah dari kamera dan melakukan deteksi target, pelacakan, dan perencanaan jalur yang diperlukan [26]. Sehingga penggunaan companion computer pada drone memungkinkan kita untuk merencanakan misi penerbangan dari drone dan memungkinkan drone untuk terbang autonomous secara penuh.
2.4.7 Flight Controller
Flight Controller adalah kumpulan dari berbagai komponen-komponen dan sensor yang berfungsi untuk menjaga drone atau pesawat RC tetap seimbang
dan dapat terkendali. Flight Control merupakan salah satu komponen yang penting untuk membuat quadcopter. Flight control sendiri adalah alat untuk memproses perintah yang diberikan melalui remote control. Flight controller drone memiliki sensor keseimbangan berupa Gyro dan Accelerometer. Beberapa FC yang terbaru bahkan memiliki sensor tekanan udara (barometer, kompas (magnetometer) dan GPS. Sensor barometer berfungsi untuk menjaga ketinggian multirotor pada ketinggian tertentu kemudian magnetometer dan GPS digunakan untuk menjaga orientasi,autopilot dan fitur failsafe [27].
Sekarang ini banyak terdapat jenis-jenis flight controller yang mempunyai komponen hardware yang sama namun setiap pengembang (developer) dari flight controller mempunyai algoritma tersendiri dalam pemrogramannya sehingga akan menghasilkan karakteristik penerbangan yang berbeda pula. Pada penelitian menggunakan flight controller dengan jenis Pixhawk 2.4.8.
.
Gambar 2.19 Pinout dari Pixhawk 2.4.8 (Sumber: https://www.ardupilot.org)
Gambar 2.20 Servo rail dari Pixhawk 2.4.8 (Sumber: https://www.ardupilot.org)
Berikut ini merupakan spesifikasi dari Pixhawk 2.4.8: • Processor
- 32-bit STM32F427 Cortex M4 Core with FPU - 32-bit STM32F103 Co-Processor (For Failsafe) - 168 MHz / 256 KB RAM / 2 MB Flash Memory • Sensor
- MPU6000 3-axis Accelerometer/Gyroscope - ST Micro L3GD20 3-axis 16-bit Gyroscope
- ST Micro LSM303D 3-axis 14-bit Accelerometer/Magnetometer - MEAS MS5611 Barometer • Dimensions - Weight : 38g - Width : 50mm - Thickness : 15.5mm - Length : 81.5mm 2.5 Raspberry Pi
Raspberry Pi merupakan komputer mini yang memiliki ukuran kecil yaitu sebesar kartu ATM tetapi mampu menjalankan tugas yang sama dengan komputer PC. Spesifikasi teknis Raspberry Pi terdiri atas: prosesor Broadcom BCM2835 700MHz, memori 512MB untuk Tipe B atau 256MB untuk tipe A, memakai SD Card sebagai pengganti harddisk, dan memakai daya 2,5W serta berdimensi 3,37” x 2,21” x 0.83”. Raspberry Pi menggunakan SD Card sebagai media penyimpanannya. Selain itu Raspberry juga dilengkapi 2 buah port USB untuk tipe B, konektor HDMI, lalu untuk tipe B, Raspberry Pi dilengkapi dengan port
ethernet. Pada Raspberry Pi tidak disediakan switch power. Port micro USB pada Raspberry Pi digunakan sebagai supply power, penggunaan micro USB dikarenakan murah dan mudah didapatkan. Raspberry Pi membutuhkan supply sebesar 5V dengan arus minimal 700mA untuk tipe B dan 500mA untuk tipe A [28].
Gambar 2.21 Raspberry Pi tipe B (Sumber: https://www.sparkfun.com/)
Tabel 2.4 Perbandingan Spesifikasi Raspberry Pi tipe A dan tipe B
Berikut ini juga merupakan pinout dari Raspberry Pi tipe 3B+ seperti yang digunakan pada penelitian ini ditunjukan pada gambar 2.22 dibawah ini:
Gambar 2.22 Pinout dari Raspberry Pi 3B+ (Sumber: https://www.etechnophiles.com/)
2.6 MAVLink
MAVLink atau MicroAir Vehicle Link merupakan protokol untuk berkomunikasi dengan kendaraan tanpa awak atau biasa disebut dengan nmanned vehicle (UAV). Protokol ini dirancang sebagai paket data yang tunduk pada aturan tertentu. MAVLink pertama kali diterbitkan pada tahun 2009 oleh Lorenzo Meier. Aplikasi yang paling umum digunakan adalah komunikasi antara stasiun kontrol tanah dan UAV. Tujuan dari pembuatan protokol ini adalah untuk standarisasi protokol komunikasi antara GCS dan UAV sehingga pengembang flight controller dapat mengembangkan pembacaan GCS-nya, protokol tersebut dapat dikembangkan secara universal [29].
2.7 Mission Planner
Mission Planner adalah Software berbasis ground station dengan fitur lengkap untuk proyek autopilot open source ArduPilot. Mission Planner berfungsi sebagai ground control station untuk Pesawat, Copter dan Rover [7]. Software ini hanya kompatibel dengan operation system Windows saja. Mission Planner dapat
digunakan sebagai utilitas konfigurasi atau sebagai pemberi kontrol dinamis untuk autonomous vehicle. Pada implementasi ini digunakan untuk melihat status dari aktivitas Gerakan quadcopter yaitu ketinggian terbang, jalur terbang yang sudah ditentukan, kondisi dan parameter lainnya secara real time
.
Interface Mission Planner dapat dilihat pada gambar dibawah ini:Gambar 2.23 Interface dari Software Mission Planner (Sumber: Dokumen Pribadi)
2.8 ZeroTier
ZeroTier merupakan platform open-source yang memungkinkan pengguna untuk membuat dan mengelola private network. ZeroTier mampu menghubungkan berbagai perangkat ditempat yang berbeda dengan cara setiap perangkat tersebut terhubung ke client ZeroTier. Kemudian setiap perangkat yang terhubung akan mendapatkan “alamat ZeroTier” yang menyerupai alamat IP. Semua perangkat yang terhubung di network ZeroTier mampu berkomunikasi satu sama lain menembus NAT, Firewalls dengan menggunakan encrypted traffic [7]. ZeroTier juga memiliki kelebihan antara lain:
1. Self-healing. Apabila suatu perangkat yang terhubung mengalami lost link atau semacam hilang kontak maka ZeroTier dapat mengupayakan pemulihan untuk kembali mendapatkan lagi akses ke perangkat tersebut 2. Terenkripsi. Sehingga keamanan dari setiap perangkat yang terhubung
terjamin dengan baik
3. Dapat menembus berbagai macam firewall yang menghambat hubungan antar perangkat
4. Open Source. Semua orang dapat membuat dan mengelola network nya masing-masing
Dengan kelebihan-kelebihan diatas, maka ZeroTier memenuhi syarat kualitas untuk mengimplementasikan hubungan drone dengan ground control.
