SISTEM KENDALI PD AUTOTUNING BERBASIS LOOP SHAPING PADA WAHANA UDARA TANPA AWAK QUADROTOR

ATIKAH SURRIANI, Adha Imam Cahyadi, S.T., M.Eng., D.Eng; Hanung Adi Nugroho, S.T., M.E., Ph.D.

2015 | Tesis | S2 Teknik Elektro

Wahana udara tanpa awak atau yang dikenal dengan Unmanned Aerial Vehicle (UAV), menjadi objek penelitian yang populer dalam beberapa dekade ini. Hal ini dikarenakan UAV dapat diimplementasikan dalam berbagai bidang diantaranya keperluan pertanian, kebutuhan sipil, militer, meteorologi, dan SAR. UAV yang memiliki banyak rotor seperti quadrotor bergerak dengan menggunakan 4 rotor dan memiliki 6 derajat kebebasan (Degree of Freedom). Hal tersebut menyebabkan quadrotor memiliki beberapa kelebihan, diantaranya kemampuan Vertical Take Off and Landing (VTOL) disamping fixed wing aircraft yang memerlukan landasan udara untuk terbang dan mendarat, kemampuan hovering atau melayang tetap diudara diatas target, dapat terbang di area tertutup, berbahaya, dan tidak dapat dijangkau manusia serta memiliki kemampuan manuver yang baik. Quadrotor merupakan sistem Multiple Input Multiple Output (MIMO), karena memiliki 4 masukan dan 6 derajat kebebasan quadrotor merupakan sistem yang under-actuated, rentan terjadi coupling sehingga sistem quadrotor menjadi tidak linier, rentan terhadap ketidakstabilan, dan sulit dikendalikan. Penelitian ini, merancang pengendali PD auto-tuning loop shaping untuk mendapatkan keluaran yang stabil dari attitude dan altitude quadrotor pada parameter yang tidak diketahui. Penelitian ini menggunakan dua algoritme estimasi yaitu Recursive Least Squares (RLS) dan Gradient Method (GM). Hasil simulasi menampilkan tanggapan dari setiap algoritme terhadap attitude dan altitude quadrotor dan menganalisis tanggapan tersebut menggunakan Integral of Time Absolute Error (ITAE) untuk memperlihatkan kinerja dari setiap algoritme. Berdasarkan hasil simulasi, rancangan sistem kendali PD auto-tuning loop shaping dapat mengendalikan attitude dan altitude quadrotor. Hal tersebut terlihat pada tanggapan attitude dan altitude sistem quadrotor. Selain itu, tanggapan posisi quadrotor berhasil dikendalikan mengikuti skenario lintasan yang diinginkan. Dari hasil analisis, diperoleh nilai ITAE untuk algoritme RLS pada altitude 2602,1 ms2, dan attitude 6457,4 rads2, 11249,5 rads2, 11172,1 rads2 sedangkan untuk algoritme GM pada altitude 11842,7 ms2, dan attitude 4048,4 rads2, 11566,2 rads2, 11969.9 rads2. Berdasarkan nilai ITAE, algoritme RLS, memiliki nilai kesalahan relatif terhadap waktu yang lebih rendah dibandingkan dengan algoritme GM kecuali pada bagian attitude di sudut yaw.

Unmanned Aerial Vehicle known as UAV is becoming popular research object for last decade. It is due to its many possible applications such as agricultural monitoring data, composition data of water and soil, military, civilian, meteorogical and Surveillance and Rescue. Multiple rotors UAV, such as quadrotor uses 4 rotors to move and it has 6 Degree of Freedom (DoF). Because of it, quadrotor has many advantages i.e., Vertical Take Off and Landing (VTOL) in contrast fixed wing aircraft that requires a prepared airstrip for take off and landing. Other advantages of Quadrotor are its ability to hover above the ground, and performing desired tasks in an indoor, dangerous, and inaccessible environment. It also has an ability to maneuver sharply. Quadrotor is Multiple Input Multiple Output system. This flying robot has 4 inputs and 6 DoF that it makes quadrotor becoming an under-actuated system and it is susceptible to coupling. Therefore, quadrotor system is susceptible to non-liniearity, instability, and its difficulty to control. In this research, PD auto-tuning loop shaping controller is designed to achieve stable output of quadorotor's attitude and altitude under unknown parameters. Two estimation algorithms namely Recursive Least Squares (RLS) and Gradient Method (GM) are implemented to the control system. We present the responses of each algorithm toward attitude and altitude of quadrotor and analyze it using Integral of Time Absolute Error (ITAE) to validate the adaptive law performance. Based on simulation results, design of PD auto-tuning controller based on loop shaping has achieved to control attitude and altitude of quadrotor. It is shown to the responses of altitude and attitude quadrotor system. Position response of quadrotor achieved to follow desired trajectory. Regarding to ITAE analysis for RLS algorithm, the ITAE values for altitude and attitude are 2602.1ms2, 6457.4rads2, 11249.5rads2, 11172.1rads2, while the ITAE values for GM algorithm are 11842.7ms2, 4048.4rads2, 11566.2rads2, 11969.9rads2. It shows that RLS algorithm estimation has error relative to time value lower than GM algorithm estimation, however yaw angle has higher value.

Kata Kunci : PD Auto-tuning, Loop Shaping, Quadrotor, Gradient Method, Recursive Least Squares, Attitude, Altitude.