Drone.. Sebagai Media Pembelajaran STEM ?

alat peraga pendidikan berbasis digital dan stem
Apa itu Drone ?

Drone merupakan aplikasi dari UAV (unmanned aerial vehicle), atau yang kita kenal dengan sebutan pesawat tanpa awak.

Teknologi UAV mencakup banyak topik seperti aerodinamika sebuah drone, material yang digunakan untuk memproduksi bentuk fisik drone, hingga papan rangkaian elektronika, chipset dan software, yang merupakan otak sebuah drone.

Bagaimana Prinsip Kerja Drone ?

Pernahkah kamu melihat pesawat tanpa awak di televisi ?

Pesawat UAV ini terbuat dari material komposit yang ringan untuk mengurangi berat pesawat dan kemampuan manuvernya. Material komposit yang ringan namun kuat ini memampukan sebuah drone militer untuk terbang dengan tinggi.

Drone dapat dilengkapi dengan berbagai perangkat sesuai teknologi tercanggih saat ini seperti kamera infra merah, GPS dan laser (baik itu drone untuk keperluan komersial, maupun UAV militer).

Drone dikendalikan oleh manusia di darat dengan menggunakan remote ground control system (GSC), atau bisa juga disebut sebagai ground cockpit.

Sistem kendaraan tanpa awak memiliki dua bagian, yakni drone itu sendiri dan sistem pengendali.

Pada bagian ujung (hidung) pesawat tanpa awak adalah lokasi yang biasa digunakan untuk menempatkan berbagai sensor dan sistem navigasi terkini. Sisanya adalah komponen-komponen lainnya, seperti : mikrokontroler, motor, dan sebagainya.

Material yang digunakan pada tubuh drone adalah material komposit yang didesain dengan sangat kompleks. Material ini memiliki bobot yang ringan dan mampu menyerap guncangan (vibrasi), dengan demikian bunyi yang dihasilkan juga dapat berkurang jauh (kebisingan suara berkurang).

Ukuran dan Jenis-jenis Drone

Terdapat berbagai variasi ukuran drone, dengan yang terbesar digunakan untuk keperluan militer seperti drone Predator. Kemudian pesawat tanpa awak, yang memiliki sayap tetap (fixed wing) dan membutuhkan landasan yang pendek. Jenis ini biasanya digunakan untuk meliput daerah yang luas, seperti survey geografi lansekap atau untuk memantau para pemburu satwa liar di taman nasional.

Jenis berikutnya adalah Drone VTOL (Vertical Take-Off and Landing), drone yang mampu lepas landas dan mendarat secara vertikal. Banyak drone-drone kecil (quadcopter, yang memiliki empat baling-baling), menggunakan sistem VTOL ini, bahkan ada yang dapat lepas landas dari telapak tanganmu.

Sistem Navigasi Drone

Drone-drone tercanggih saat ini memiliki dual sistem navigasi GNSS (Global Navigational Satellite System) seperti GPS dan GLONASS (GPS versi Rusia).

Drone dapat terbang menggunakan sistem navigasi satelit (GPS atau GLONASS), maupun tanpa satelit, dengan kata lain menerbangkan drone secara manual. Posisi drone tidak sestabil seperti menggunakan GPS atau GLONASS karena adanya pengaruh dari kekuatan angin, sehinggasi pengendali drone harus melakukan penyesuaian posisi drone setiap sat.

Keakuratan yang tinggi terhadap navigasi drone sangat diperlukan untuk aplikasi drone pada pembuatan peta 3D, survey lansekap, misi penyelamatan (SAR – Search and Rescue Missions, dan militer.

Drone yang menggunakan sistem navigasi satelit, secara otomatis akan mencari sinyal satelit GNSS setelah drone diaktifkan. Sistem GNSS yang canggih menggunakan teknologi konstelasi satelit (Satellite Constellation), yakni beberapa satelit yang bekerja bersama untuk memberikan koordinat dan tersinkronisasi sehingga menghasilkan navigasi yang akurat untuk posisi drone.

Teknologi radar yang terdapat pada drone akan memberikan sinyal dan menampilkan data-data sebagai berikut :

  • Sinyal bahwa adanya cukup satelit GNSS yang terdeteksi dan terhubung ke drone
  • Menampilkan lokasi drone saat ini dari kedudukan si pengendali
  • Merekam jalur kembali drone ke posisi awal.
Banyak drone terkini mengadopsi fitur teknologi “Return to Home” dengan variasi kondisi sebagai berikut :
  • Si pengendali menekan tombol “return to home” secara manual dari remote control atau software aplikasi (apabila drone dilengkapi dengan fitur ini).
  • Tenaga listrik yang mulai berkurang (low battery level), maka UAV akan terbang ke posisi semula (home point) secara otomatis.
  • Kehilangan sinyal antara UAV dengan remote control, maka UAV akan otomatis terbang kembali ke posisi semula hingga menemukan kembali sinyal dari remote control.

Fitur terkini dari drone adalah kemampuannya untuk menghindari rintangan (misalnya pepohonan, gunung, bukit, dan sebagainya) saat penerbangan otomatis kembali ke posisi awal :

  • Drone akan melambat saat mendeteksi ada objek rintangan di depannya.
  • Drone melakukan manuver hingga tidak mendeteksi rintangan, dan melanjutkan penerbangan ke posisi semula.

Pintar ya ? Ini merupakan salah satu bentuk aplikasi dari kecerdasan buatan (AI – Artificial Intelligence)

Teknologi Deteksi Rintangan dan Menghindari Tabrakan

Saat ini banyak drone telah dilengkapi dengan collision avoidance system, atau terjemahan Bahasa Indonesianya adalah Sistem Pra-tabrakan.

Sistem penginderaan drone ini menggunakan sensor pendeteksi rintangan untuk memindai kondisi di sekitarnya (ada rintangan atau tidak), selanjutnya algoritma software dan Teknologi SLAM (Simultaneous Localization And Mapping) menghasilkan gambar ke dalam bentuk peta 3D sebagai data bagi komponen pengendali penerbangan (flight control) yang terdapat pada drone untuk “merasakan” dan melaksanakan algoritma matematis untuk menghindari objek rintangan. Sistem seperti ini menggunakan satu atau lebih sensor-sensor sebagai berikut :

Teknologi Stabilitas Gyro, IMU dan Pengendali Penerbangan

Teknologi Stabilitas Gyro (Gyro Stabilization Technology) merupakan komponen penting yang membuat drone mampu terbang dengan stabil dan mulus. Perangkat Giroskop mendeteksi gaya-gaya yang timbul terhadap drone dan data penting ini menjadi informasi navigasi bagi unit pengendali penerbangan (flight controller).

Sementara IMU (Inertial Measurement Unit) bekerja dengan cara mendeteksi percepatan drone saat ini menggunakan satu atau lebih perangkat akselerometer. IMU akan mendeteksi perubahan rotasi drone seperti pitch (saat drone bergerak maju atau mundur), roll (saat drone bergerak ke kanan atau ke kiri), yaw (saat drone berputar atau melakukan rotasi ke kiri atau ke kanan), dengan menggunakan satu atau lebih giroskop. Beberapa IMU menggunakan magnetometer dengan memanfaatkan kekuatan medan magnet untuk mengatur posisi drone agar tetap stabil.

Giroskop merupakan komponen dari IMU, dan IMU sendiri merupakan komponen penting dari Unit Pengendali Penerbangan (flight control), yang merupakan “otak” utama sebuah drone. 

Desain Propeller dan Arah Motor Drone

Motor listrik dan propeller (baling-baling) adalah teknologi drone, yang memungkinkan pesawat tanpa awak ini dapat terbang di udara pada berbagai arah (flying) atau pun mempertahankan posisi diam melayang di udara (hovering).

Pada drone jenis quadcopter, motor dan baling-baling bekerja  berpasangan dengan 2 motor / baling-baling yang berputar searah jarum jam (clockwise – CW propeller) dan 2 motor / baling-baling yang berputar berlawanan arah jarum jam (counter clockwise – CCW propeller).

Motor / baling-baling ini menerima data dari Unit Pengendali Penerbangan (flight control) dan dari Unit ESC (electronic speed controller) yang mengatur kecepatan drone, apakah itu manuver penerbangan (flying) ataukah manuver diam melayang (hovering).

Parameter Penerbangan Drone Secara Real-time di Layar

Hampir semua drone memiliki GSC (Ground Station Controller), yang kita kenal dengan sebutan Remote Control, bahkan tersedia software aplikasi yang memungkinkan untuk mengontrol penerbangan drone dan menampilkan apa yang drone “lihat” pada layar sebuah telpon genggam (smartphone).

Teknologi Zona Larangan Terbang Drone

Dalam rangka untuk meningkatkan keselamatan penerbangan dan mencegah terjadinya kecelakaan pesawat, maka drone pun saat ini dilengkapi dengan fitur “No Fly Zone” yang disesuaikan dengan peraturan zona setempat, sehingga drone akan menghindari area steril ini.

Teknologi GPS Ready to Fly

Ketika kompas yang terdapat pada drone telah sesuai / terkalibrasi, drone selanjutnya akan mencari lokasi satelit GPS. Ketika sudah menemukan lebih dari 1 satelit, maka drone telah siap untuk terbang dalam moda “Ready to Fly“.

Kompas Internal dan Fungsi Fail-safe

Memungkikan UAV dan Sistem Remote Control mengetahui dengan tepat lokasi penerbangan drone. Kalibrasi kompas sangat diperlukan untuk menentukan titik mula drone terbang (home point).  Sehingga drone dapat kembali ke home point apabila terjadi masalah saat penerbangan, misalnya drone kehilangan sinyal dari remote control. Sistem ini dikenal dengan istilah “fail-safe function“.

Teknologi Transmisi Video Life FPV

Teknologi FPV (First Person View) menggunakan kamera video yang dipasangkan pada drone dan memancarkannya ke si pengendali secara live, sehingga si pengendali menerbangkan drone berdasarkan dengan apa yang dilihatnya pada layar yang terdapat di remote control si pengendali. Dengan demikian si pengendali menerbangkan drone seperti sedang berada di dalam “cockpit” drone tersebut.

Teknologi FPV memungkinkan si pengendali untuk menerbangkan drone secara lebih presisi, terutama saat menghindari rintangan. Dengan demikian si pengendali dapat dengan mudah menerbangkan drone di dalam ruangan misalnya, atau terbang melalui hutan yang penuh dengan pepohonan, atau terbang di sekeliling gedung-gedung di kota, yangmana manuver ini akan sulit dilakukan apabila si pengendali menerbangkannya hanya dengan melihat drone tersebut dari kejauhan.

Saat ini telah berkembang begitu pesat liga balap drone, yang tidak akan dapat terlaksana tanpa adanya teknologi transmisi video secara live ini.

Teknologi FPV ini menggunakan sinyal radio untuk memancarkan dan menerima data video  secara live.

Pada drone dipasangkan perangkat pemancar nirkabel multi-band lengkap dengan antena. Perangkat penerima sinyal video untuk si pengendali dapat berupa unit remote control yang dilengkapi dengan layar tampilan, komputer, tablet, bahkan telepon genggam (smartphone).

Saat ini beberapa merk drone mampu memancarkan video hingga jarak 8 km.

Video live dan memaksimalkan jarak pemancaran video merupakan teknologi drone yang menarik untuk dikembangkan.

Pada tahun 2016, telah dikembangkan dan diumumkan ke publik teknologi video live terbaru, yang dipancarkan melalui jaringan 4G / LTE dengan jarak tak terbatas (unlimited) dan video latency yang rendah.

Apa itu video latency ? Singkatnya adalah waktu jeda antara gerakan fisik pada kondisi yang sebenarnya dengan gerakan yang tampak di layar video / direkam. Video latency yang rendah menghasilkan gerakan gambar yang tampak mulus dan mendekati kondisi yang sebenarnya. Ini penting sekali bagi si pengendali yang menerbangkan drone dengan menggunakan teknologi FPV. Bayangkan apabila video latency-nya tinggi, di layar si pengendali tampak posisi drone masih jauh dari tembok misalkan, padahal kondisi sebenarnya sudah sangat dekat, sehingga drone menabrak tembok.

Kamera Performa Tinggi

Drone-drone generasi awal sudah dilengkapi dengan kamera, namun masih kurang cocok untuk aplikasi pengambilan film di udara, karena adanya distorsi yang cukup besar dari lensa sudut lebar (wide angle lens).

Teknologi drone terkini dilengkapi dengan kamera video khusus yang dirancang untuk fotografi dan pengambilan film di udara (aerial filming).

Pada Tahun 2016, 2017 dan 2018 bermunculan drone-drone yang dilengkapi kamera video model gimbal dengan perbesaran optik dan digital (optical and digital zoom) hingga 180x.

Hal ini berguna bagi industri, dimana drone dimanfaatkan untuk memantau secara detail kondisi bilah-bilah turbin angin raksasa misalkan, struktur, kabel-kabel, modul dan komponen, apakah terlihat ada kerusakan fisik atau tidak.

Drone juga dapat dipasangkan kamera malam (night vision camera) dan kamera panas inframerah (thermal infrared camera).

Gimbal dan Kontrol Sudut Kemiringan

Teknologi gimbal sangat vital untuk pengambilan foto udara dengan kualitas bagus, gambar 3D atau film.

Gimbal memungkinkan getaran yang dihasilkan oleh drone “terserap” dan tidak sampai ke kamera video sehingga dapat menghasilkan gambar dengan kualitas baik.

Gimbal memungkinkan si pengendali untuk mengatur sudut pengambilan gambar selagi dalam manuver penerbangan.

Banyak tersedia di pasaran gimbal 3-axis dengan 2 moda operasional : FPV dan non-FPV.

Pada Tahun 2017, sebuah perusahaan bernama Ambarella mengumumkan chip H22 untuk kamera drone. Chip H22 ini memungkinkan kamera untuk mengambil video kualitas HD 4k, dan termasuk teknologi penstabilan gambar secara elektronik (eletronic image stabilization). Chip ini dapat menggantikan penggunaan kamera gimbal.

Drone dengan Sensor untuk Peta 3D

LiDAR, Multispectral dan Photogrammetry digunakan untuk membuat model 3D sebuah gedung atau area daratan (landscape). Sensor low light night vision dan thermal vision digunakan pada drone untuk memantau gedung-gedung dan area daratan pada lahan pertanian, pemadam kebakaran, misi SAR (search and rescue).

Banyak drone dilengkapi dengan sensor-sensor yang berbeda, lengkap dengan software untuk pengolahan datanya. Software akan mengolah data dari kamera panas (thermal camera) misalkan dan sensor kamera RGB reguler. Mengkombinasikan data dari berbagai sensor untuk melakukan kalkulasi posisi akurat dan informasi orientasi.

Sebagai contoh, sensor multispectral pada drone dapat membuat Digital Elevation Maps (DEMS) – peta sudut elevasi digital sebuah area daratan untuk menghasilkan data presisi mengenai kesehatan tanaman pangan, bunga, semak, pepohonan, fauna, dan seterusnya.

Pada Tahun 2016, muncul drone yang menggunakan sensor Time-of-Flight (ToF), dikenal juga sebagai “Flash LiDAR”, dapat dimanfaatkan untuk memindai objek, mengukur volume, altimeter reaktif, fotografi 3D, augmented reality games dan banyak lagi.

Pengambilan gambar resolusi tinggi pada drone yang stabil sangat penting. Menggunakan software photogrammetry terbaik untuk memproses gambar menjadi peta sebenarnya dan model juga penting. Berikut beberapa software mapping drone :

  • DroneDeploy 3D Mapping Solutions
  • Pix4D Mapper Photogrammetry Software
  • AutoDesk ReCap Photogrammetry Software
  • Maps Made Easy – Orthophoto and 3D Models
  • 3DF Zephyr Photogrammetry Software
  • Agisoft PhotoScan Photogrammetry Software
  • PrecisionHawk Precision Mapper / Viewer
  • Open Drone Map
  • ESRI Drone2Map For ArcGIS
Sistem Operasi pada Teknologi Drone

Sebagian besar pesawat tanpa awak menggunakan Linux dan sedikit menggunakan MS Windows.

Yayasan Linux telah meluncurkan proyek yang dikenal dengan Dronecode Project pada Tahun 2014. Output Proyek Dronecode adalah untuk menghasilkan platform sistem operasi khusus untuk pesawat tanpa awak (UAV) yang open source.

Drone dapat kita lihat sebagai komputer terbang. Dengan sistem operasi, pengendali penerbangan dan main board lengkap dengan kode pemrograman, mereka tentu saja dapat pula di-hack.

Drone telah dikembangkan pula untuk terbang keliling mencari drone lain lalu melakukan hacking ke dalam jaringan nirkabel, memutuskan hubungan drone dengan si pengendali, dan mengambil alih drone tersebut. Namun demikian, sebagaimana virus dan anti-virus, dikembangkan pula cara-cara untuk melindungi drone dari para hacker.

Aplikasi Drone

Drone telah diaplikasikan pada berbagai aktivitas, berikut adalah daftar aktivitas yang memanfaatkan drone :

  1. Misi Pencarian dan Penyelamatan (SAR)
  2. Pemasaran
  3. Pembuatan film
  4. Pemadam Kebakaran
  5. Pengiriman Parsel
  6. Pembuatan struktur gambar
  7. Pertanian presisi
  8. Hiburan keluarga
  9. Pertunjukan Konser Cahaya
  10. Menghitung stok barang
  11. Memetakan cuaca
  12. Lingkungan
  13. Konservasi Alam
  14. Asuransi
  15. Kepolisian
  16. Olah Raga
  17. Dan masih banyak lagi
Drone dan STEM

Ya, drone dapat kita gunakan sebagai media dalam Pendidikan Berbasis STEM.

Hukum-hukum fisika, algoritma matematika, pemrograman komputer, material bahan, engineering, teknologi video dan 3D, hingga seni fotografi dan film, semua terintegrasi dalam sebuah lahirnya drone dan aplikasinya.

Simak video menarik berikut ini yang akan membuat kalian takjub dan semakin menyukai drone.

Selamat Berkarya !

Sumber :

  1. Corrigan, Fintan (2019, 8 May). How Do Drones Work and What Is Drone Technology
  2. Thiang, Herry (2016, 24 Oktober). Istilah, Pengertian dan Jenis Drone.

Leave a Reply