Prinsip terbang: bagaimana multirotor menahan dirinya agar tetap diam di udara

Baling-baling mendorong udara ke bawah dan menerima gaya dorong ke atas sebagai reaksi. Gaya dorong kira-kira sebanding dengan kuadrat kecepatan rotor dan dengan massa jenis udara, dan diameter yang lebih besar menghasilkannya dengan lebih efisien (T = C_T × ρ × n² × D⁴, dengan ρ massa jenis udara, n kecepatan rotor, dan D diameter). Di tempat yang tinggi atau pada hari yang panas, udaranya lebih tipis, sehingga rotor harus berputar lebih cepat untuk mengangkat bobot yang sama.

Melayang adalah keadaan ketika gaya dorong total dari empat rotor (atau lebih) tepat mengimbangi berat mg — pada kuadkopter, mg ÷ 4 untuk tiap rotor. Makin berat kamera inspeksi atau sensor kontak, makin cepat rotor berputar dan makin sedikit cadangan gaya dorong yang tersisa untuk naik atau melawan hembusan. Perancangan pesawat inspeksi adalah perebutan atas margin itu.

Multirotor tidak memiliki bidang kemudi. Setiap gerak berasal dari perbedaan kecepatan antar motor. Perlambat motor depan sedikit dan percepat motor belakang, maka pesawat melakukan pitch ke depan; gaya dorong miring ke depan dan pesawat bertambah cepat (T·sinθ pada gambar). Roll bekerja dengan cara yang sama. Untuk berhenti, pesawat miring ke arah sebaliknya dan mengerem.

Yaw bekerja secara berbeda. Baling-baling yang berputar menghasilkan torsi reaksi yang berusaha memutar rangka pesawat ke arah sebaliknya. Pada kuadkopter, satu pasangan diagonal berputar searah jarum jam dan pasangan yang lain berlawanan arah jarum jam, sehingga torsi saling meniadakan. Percepat satu pasangan dan perlambat yang lain sambil menjaga gaya dorong total tetap, maka yang tersisa hanya ketidakseimbangan torsi — pesawat berputar di tempat.

Multirotor adalah kendaraan yang pada dasarnya tidak stabil, dan akan terbalik dalam hitungan detik jika dibiarkan sendiri. Pengendali terbang menahannya dengan kendali bertingkat. Dari luar ke dalam, sistem menetapkan sasaran untuk posisi, lalu kecepatan, lalu sikap, lalu laju sudut badan; lingkar laju yang paling dalam membaca giroskop dan memberi perintah kepada motor. Sebagian besar tahap adalah pengendali PID (mengoreksi menurut besarnya kesalahan, P; penumpukannya, I; dan seberapa cepat kesalahan itu berubah, D) atau tahap yang lebih sederhana yang hanya memakai P (di PX4, misalnya, posisi memakai P sedangkan kecepatan dan laju memakai PID).

Kuncinya, lingkar dalam berjalan lebih cepat. Kesalahan sikap membesar dalam sekejap, jadi lingkar laju berjalan ratusan kali per detik atau lebih, sedangkan lingkar posisi dapat jauh lebih lambat. Mixer membagi kembali perintah “berputar sekian pada sumbu ini” menjadi kecepatan tiap motor. Penyetelan yang buruk tampak di dekat struktur: pesawat bereaksi berlebihan terhadap gangguan kecil, atau merespons terlambat lalu bergeser.

Rasa pesawat yang menahan dirinya sebelum terbalik lebih cepat dipelajari dengan tangan daripada dengan membaca. Coba stiknya di terbang di atas peta dunia lewat peramban (Airffic Simulation, dalam bahasa Jepang).

Kendali hanya bekerja jika pesawat mengetahui keadaannya saat ini. Tidak ada satu sensor pun yang dapat dipercaya sendirian, jadi sensor yang sifatnya berbeda dipadukan — biasanya dengan filter Kalman yang diperluas (EKF) — untuk mengestimasi posisi, kecepatan, sikap, bahkan bias sensor pada saat yang sama.

EKF membagi pekerjaan: memprediksi dengan cepat memakai IMU, dan mengoreksi dengan lambat memakai yang lain. Yang penting adalah apakah ia dapat mengenali sensor yang berbohong, lalu menolaknya. Jika GNSS melonjak karena multipath di bawah jembatan, atau kompas menyimpang karena gelagar baja, dan filter terus memercayainya, pesawat dapat bergeser lurus ke arah struktur. Lihat lingkungan tanpa GNSS, gangguan magnetik, dan bab berikutnya tentang navigasi.

Untuk belajar dari awal apa yang disumbangkan oleh GNSS, barometer, dan kompas, lihat pelajaran pengantar tentang bagaimana drone mengetahui posisinya (Tobira, dalam bahasa Jepang).

Dalam angin, drone menahan posisi dengan miring melawan angin. Makin kencang angin, makin dalam kemiringannya dan makin banyak gaya dorong yang terpakai ke samping — sehingga margin untuk naik atau berbelok makin kecil, dan baterai terkuras lebih cepat. Angka “angin maksimum” dari produsen adalah panduan untuk menahan sikap di udara terbuka, bukan janji bahwa pesawat dapat memotret dekat struktur di dalam aliran yang turbulen.

Struktur membelokkan, memisahkan, dan melepaskan angin menjadi pusaran. Di belakang pilar, di sudut bangunan, dan di sisi bawah angin menara turbin, hembusan berubah arah secara tiba-tiba. Pesawat harus mengukur pergeseran sebelum dapat mengoreksinya, jadi selalu ada jeda — dan jarak yang ia tempuh selama jeda itu menetapkan jarak minimum dari permukaan terhadap struktur. Lihat angin dan turbulensi.

Angin yang sama tampak berbeda bila dilihat dari sisi pengangkutan kargo. Bandingkan dengan bagaimana melayang dan angin menggerus jangkauan pengiriman (Airffic Logistics).

Ketika lantai, langit-langit, atau dinding berada dekat rotor, aliran udara berubah, dan gaya dorong ikut berubah. Inspeksi memang soal mendekati struktur, jadi hal ini tidak dapat dihindari.

Multirotor menghabiskan daya hanya dengan tetap berada di udara. Daya untuk melayang naik lebih cepat daripada beratnya, jadi menambah baterai juga menambah daya yang diperlukan untuk mengangkat baterai itu — sebuah dilema yang melekat. Baterai litium menyimpan jauh lebih sedikit energi per kilogram daripada bahan bakar, dan multirotor inspeksi yang umum paling lama terbang puluhan menit.

• Dingin: suhu rendah mengurangi daya yang tersedia dan menyebabkan tegangan anjlok mendadak. Hangatkan baterai sebelum lepas landas. dingin dan pengesan
• Angin dan berat: angin kencang, muatan berat, dan pendakian yang sering menguras baterai lebih cepat daripada perkiraan.
• Jalan pulang: di area dengan GNSS lemah atau jauh di dalam struktur, perjalanan kembali lebih lama. Tetapkan ambang cadangan sesuai kebutuhan untuk kembali.
• Kesehatan baterai: kapasitas menurun seiring siklus dan penyimpanan. Simpan catatan untuk tiap baterai.

Jika Anda ingin angka tentang berapa lama muatan dan baterai tertentu akan membuat Anda tetap di udara sebelum memilih pesawat inspeksi, Anda dapat memperkirakan waktu melayang dari massa rangka pesawat dan baterai (Airffic Architect). Hasilnya berasal dari model koefisien, bukan dari pengukuran pada dudukan uji gaya dorong, jadi pisahkan keduanya.

Pesawat sayap tetap menghasilkan gaya angkat dari kecepatan maju (gaya angkat = ½ × massa jenis udara × kecepatan² × luas sayap × koefisien gaya angkat). Ia tidak perlu memutar rotor hanya untuk tetap di udara, jadi ia terbang jauh lebih jauh dengan energi yang sama — ideal untuk aset linier sepanjang puluhan kilometer seperti pipa, saluran transmisi, jalur kereta, dan tanggul. Namun ia tidak dapat berhenti dan mendekat.

Terbang menyusuri jalur yang panjang hampir selalu berarti operasi di luar garis pandang (BVLOS). Penghalangnya biasanya koordinasi ruang udara dan prosedur operasi, bukan pesawatnya sendiri — dilanjutkan di operasi jarak jauh dan BVLOS.