QUADROTOR PROPORTIONAL-DERIVATIVE STABILIZATION ON SO(3) WITH DISTURBANCE COMPENSATION

ANDREAS PRASETYANTO SANDIWAN, Dr. Eng. Adha Imam Cahyadi, S.T., M.Eng.; Dr. Ir. Samiadji Herdjunanto, M.Sc.

2016 | Skripsi | S1 TEKNIK ELEKTRO

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) adalah wahana terbang yang populer untuk keperluan komersial, militer, dan akademik. Quadrotor adalah jenis UAV yang menarik karena struktur mekaniknya sederhana. Namun, quadrotor memerlukan algoritma kontrol tertentu untuk mengendalikan kecepatan rotasi keempat rotornya. Pada dasarnya ada dua macam kendali quadrotor, yaitu kendali roll, pitch, yaw (RPY) terpisah dan kendali SO(3). Kendali RPY mengendalikan sudut RPY secara terpisah, sementara kendali SO(3) menggunakan persamaan kinematika pada SO(3). Kendali SO(3) dipilih untuk penelitian ini karena dapat menghindari singularitas, sementara kendali RPY tidak dapat. Namun, dapat mengendalikan quadrotor pada SO(3) semata tidaklah cukup karena penerbangan quadrotor sesungguhnya pasti mengalami gangguan. Kompensasi gangguan merupakan masalah yang menantang dalam kendali quadrotor. Skripsi ini menyajikan stabilisasi proporsional-derivatif pada SO(3) dengan kompensasi gangguan untuk quadrotor. Desain aturan kendali dimulai dengan memodelkan kinematika dan dinamika nonlinear dari quadrotor. Kemudian, aturan kendali dasar didesain dengan skema proporsional-derivatif. Kompensasi gangguan ditambahkan ke dalam aturan kendali dasar dengan menggunakan batas atas dari magnitudo gangguan. Aturan kendali dasar dan aturan kendali yang disertai kompensasi diuji dengan simulasi numeris. Simulasi menunjukkan bahwa aturan kendali dasar tidak dapat menetralisasi gangguan dengan baik, sementara aturan kendali dengan kompensasi gangguan dapat. Kompensasi gangguan mampu melawan efek gangguan dan mengurangi bound dari variabel keadaan. Selain itu, kompensasi tersebut mampu menangani gangguan konstan dan acak.

Unmanned Aerial Vehicle (UAV) is a popular flying craft for commercial, military, and academic purposes. Quadrotor is an appealing UAV type because of its simple mechanical structure. However, it requires a particular algorithm to control the rotational speeds of its four rotors. There are basically two approaches to control quadrotor, namely separate roll, pitch, yaw (RPY) angle control and SO(3) control. The first one controls the RPY angles separately, while the second one uses kinematics equation in SO(3). SO(3) control is chosen for this research because it can avoid singularity, while RPY control can not. However, being able to control the quadrotor on SO(3) alone is not enough because there is always disturbance in real flight. Disturbance compensation is a challenging problem in quadrotor control. This report presents proportional-derivative stabilization on SO(3) with disturbance compensation for quadrotor UAV. The first step in designing the control law is to model the quadrotor nonlinear kinematics and dynamics in SO(3). The basic control law is designed using proportional-derivative scheme. Disturbance compensation is added to the basic control law by using the upper bound of the disturbance magnitude. The basic control law and the control law with compensation is tested using numerical simulation. The simulation shows that the basic control law can not neutralize the disturbance well, while the control law with disturbance compensation can. The disturbance compensation is able to counter the disturbance effect and reduce the bound of the state variables. It is also able to handle both constant disturbance and random disturbance.

Kata Kunci : proporsional-derivatif, SO(3), kendali, quadrotor, UAV, kompensasi gangguan