Laporkan Masalah

ROBUST PROPORTIONAL-DERIVATIVE ATTITUDE CONTROL OF QUADROTOR ON SO(3) WITH DEVIATED CENTER OF GRAVITY

ALMIDO H GINTING, Ir. Oyas Wahyunggoro, M.T., Ph.D ; Dr. Eng Adha Imam Cahyadi, S.T., M.Eng

2020 | Disertasi | DOKTOR TEKNIK ELEKTRO

Dalam beberapa tahun terakhir, penggunaan Unmanned Aerial Vehicles (UAV ) sangat meningkat. Quadrotor adalah salah satu tipe yang memiliki kemampuan yang unik seperti terbang melayang, serta terbang dan mendarat secara vertikal. Pada umumnya, posisi pusat gravitasi (CoG) quadrotor diasumsikan berdempet dengan pusat geometris quadrotor. Namun pada banyak kasus, posisi CoG tidak berada pada pusat geometris dan tidak mudah untuk diukur. Sebagai contoh, penempatan komponen elektronik, batrei dan muatan, tidak simetris terhadap pusat geometris quadrotor. Kondisi ini memberi efek pada orientasi, yang disebabkan ketidakseimbangan thrust pada sumbu. Attitude (orientasi) merupakan hal paling mendasar dan penting dalam pengendalian quadrotor. Sehingga dibutuhkan sebuah pengendali attitude yang handal yang dapat mengkompensasi parameter yang tidak pasti seperti efek pergeseran posisi CoG. Beberapa penelitian sebelumnya menggunakan algoritma adaptif untuk mengkompensasi efek pergeseran CoG, sementara pengendali Proportional-Derivative gagal. Algoritma kontrol adaptif tidak memiliki struktur kontrol yang tetap. Pada penelitian ini, sebuah algoritma kontrol robust yang baru dengan aturan kontrol yang tetap di kembangkan. Algoritma control yang diajukan lebih simpel dari segi struktur kontrolnya. Kontrol ini tidak membutuhkan observer, fungsi pendekatan, atau adaptasi secara online, namun hanya membutuhkan fungsi batas dari ketidakpastian parameter posisi CoG. Strategi kontrol yang diajukan menggabungkan sebuah pengendali linear Proportional-Derivative (PD) dengan sebuah kompensator robust. Algoritma kompensator robust yang diajukan dapat meningkatkan kinerja kontrol (PD) untuk mengkompensasi ketidakpastian posisi CoG. Dengan menggunakan fungsi batas dan fungsi Lyapunov pada kondisi nominal, sebuah kompensator dapat diperoleh. Untuk menghindar singularitas dan keraguan seperti pada metode euler dan quaternion, model dinamis dan control yang diajukan secara global menggunakan kelompok special orthogonal-3 (SO(3)). Kehandalan kompensator robust yang diajukan ditunjukan pada beberapa simulasi seperti kondisi nominal, terhadap gangguan, dan juga terhadap posisi CoG yang digeser. Hasil simulasi menunjukan bahwa kinerja kontrol (PD) ditingkatkan oleh kompensator robust. Kestabilan asymptotic di peroleh pada stabilisasi dan pelacakan attitude. Pengendali ini memberikan kinerja yang lebih baik dibandingkan pengendali (PD) nominal, dimana tanggapan sistem lebih cepat. Waktu settling dicapai dalam waktu 0.06 detik, sementara pengendali nominal membutuhkan waktu 1.8 detik

In recent years, the usage of the Unmanned Aerial Vehicles (UAV ) has been increased noticeably. Quadrotor is one type of aerial vehicle that has some unique abilities such as high maneuverability (hovering and VTOL) and maneuver in tight spaces. Commonly, the position of quadrotor's center of gravity (CoG) is assumed coincide with the geometric center of quadrotor. But in many cases, the quadrotor's CoG position may not be located at its geometric center and cannot be easily measured. For example, the placement of the on-board electronic component, the battery and the payloads, may not be fixed symmetrically to the geometric center of a quadrotor. This condition affects the attitude of quadrotor , which cause the unbalance thrust on an axis. Attitude is the most basic and important in controlling a quadrotor. This yields the need of a robust attitude control algorithm which can compensate the uncertain parameter such as the unmeasurable effect of the deviated CoG position. Some previous works use an adaptive algorithm to compensate the effect of the deviated CoG, while a Proportional-Derivative control failed. The adaptive control algorithm has a non-fixed structure of the control law. In this work, a new robust control algorithm with a fixed control law structure is developed. This proposed control algorithm is more simple in terms of its control law structure. It requires no observers, function approximators, or online adaptation laws, but only requires the minimal information about the system, such as the bounding function of the uncertain parameter of the deviated CoG position. The proposed control strategy is to combine a linear controller such as Proportional-Derivative (PD) algorithm with a robust compensator. This proposed robust compensator algorithm can improve the performance of the Proportional-Derivative control to compensate the uncertain CoG position of quadrotor. By using a bounding function and control lyapunov function in nominal condition, a robust compensator can be obtained. To avoid complexities and ambiguities associated with other attitude representations such as Euler angles or quaternions, both of the attitude dynamics and the proposed control system are globally expressed on the special orthogonal-3 (SO(3)) group. The robustness of the proposed robust compensator is demonstrated by some simulations. It is tested in several cases, i.e., in nominal condition, under a disturbance, and under deviated CoG position. The simulation results show that the performance of a Proportional-Derivative control is improved by the robust compensator. The asymptotic stability of the quadrotor attitude is achieved in stabilization and tracking control of attitude. This proposed controller gives a better performance compared to the nominal proportional derivative controller, where the response of the system is faster. The settling time is reached in 0.06 sec, while the nominal controller can reach in 1.8 sec.

Kata Kunci : Quadrotor, CoG, Bounding Function, Proportional-Derivative, Compensator, Special Orthogonal-3

  1. S3-2020-390556-abstract.pdf  
  2. S3-2020-390556-bibliography.pdf  
  3. S3-2020-390556-tableofcontent.pdf  
  4. S3-2020-390556-title.pdf