Kontrol Tracking Fuzzy Berbasis Performa Robust untuk Quadrotor

Kontrol Tracking Fuzzy Berbasis
Performa Robust untuk
Tugas Akhir
Quadrotor
TE 141599

Oleh :
Dinang Sohendri / 2212100097

Dosen Pembimbing :
Dr. Trihastuti Agustinah S.T., M.T.

Bidang Studi Teknik Sistem Pengaturan
Jurusan Teknik Elektro
Institut Teknologi Sepuluh Nopember

Pokok Bahasan
• Latar Belakang, Permasalahan, Tujuan

• Stabilisasi, Altitude, Tracking X,Y, Performa Robust


• Simulasi

• Kesimpulan

Pendahuluan
Latar Belakang

Permasalahan

Tujuan

Kestabilan
rendah

Rentan
gangguan

Angin
Angin


Stabilisasi -> Fuzzy T-S
Tracking -> LQR (delay), Adaptif (rentan), SMC (chattering)

Pendahuluan
Latar Belakang

Permasalahan

Tujuan

• Merancang sistem kontrol untuk kestabilan sudut
gerak Roll, Pitch, Yaw
• Merancang sistem kontrol untuk tracking posisi
Quadrotor mengikuti referensi

Pendahuluan
Latar Belakang

Permasalahan


Tujuan

Memperoleh sistem kontrol tracking fuzzy berbasis
performa robust untuk mengatur gerak quadrotor
• Mampu mengikuti sinyal referensi
• Eror tracking minimal
• Tahan terhadap gangguan dari luar

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

Model Matematika Quadrotor
Vektor State


x1  X
x2  X
x3  Y
x4  Y
x5  Z
x6  Z

x7  
x8  
x9  
x10  
x11  
x12  

 X   x1  
x2

      

(

)
/
s
s
c
s
c
U
m
x

X
2
x
11
x
7
x
11
x

9
x
7
1
    


 Y   x 3  

x4
Translasi


    

 Y   x 4  (c x11s x 7  s x11s x9 c x 7 ) U 1 / m
 Z   x  

x6
5

    




(
)
/
g
c
c
U
m
x


 Z   6  
x9 x7
1


x8

   x 7  
     (( J  J ) x x  U l ) / J 
zz 10 12
xx 
2
   x8   yy

   x 9  
x10
Rotasi    x10    (( J zz  J xx ) x8 x12  U 3l ) / J yy 

   x  
x12
11

    
J
J

x
x
U
d
J
((
)
)
/



  x12   xx
yy 8 10
4
zz 


Perancangan Sistem
Model Quadrotor


Stabilisasi

Altitude Z

Sinyal kontrol Quadrotor
• Thrust
U1 = F1+F2+F3+F4
• Roll
U2 = F2-F4
• Pitch
U3 = F1-F3
• Yaw
U4 = F1-F2+F3-F4
Fi = Gaya tiap motor

Tracking X, Y

Perancangan Sistem
Model Quadrotor


Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

Arsitektur Sistem Kontrol Quadrotor
U1

xr
yr

Kontrol
Tracking
Fuzzy

d
d

zr

x, x , y, y , z , z
Lup luar

Stabilisasi

U2
U3
U4

 , , ,, ,
Lup dalam

Quadrotor

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

Kontrol Stabilisasi Quadrotor
• Matriks sistem
Aroll

A pitch

Ayaw

 0 
0 1 
, Broll  



0
0
6
.
6667




0 1 
 0 

, B pitch  


0 0 
6.6667 

0 
0 1 
3 

, B yaw  10 0.7825 
0
0





digunakan kontrol state-feedback
dengan teknik pole placement
P roll = P pitch = P yaw = [-4 -12]

K roll  [7.2 2.4]

K pitch  [7.2 2.4]
K yaw  10 4 [6.1342 2.0447]

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

Kontrol Altitude (ketinggian) Quadrotor
r(t)

+

Σ



-

Ki

+

Σ

u(t)

ẋ = Ax+Bu

x(t)

C

y(t)

K

Matiks Sistem
 AZ
AZi  
 C
0
AZi   0
 1

0
 BZ 
, BZi   
0
0 
1 0
 0 
0 0, BZi  0.2858
 0 
0 0

Dengan teknik pole placement
p = [-4 -12 -13]

K z  103[0.8957 0.1015]
K iz  103 [2.1834]

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

Kontrol Tracking X,Y menggunakan fuzzy Takagi-Sugeno
Aturan plant untuk gerak X
Aturan plant ke-1:
If

Then

x9 is M 1 ( sekitar 0 rad )
x  Ax1 x  B x1
y  C x1 x  D x1

Aturan plant ke-2:
If
x9 is M 2 ( pi / 9 rad )

Then x  Ax 2 x  Bx 2
y  C x 2 x  Dx 2

Aturan kontroler untuk gerak X
Aturan kontroler ke-1:
If

x9 is M 1 ( sekitar 0 rad )

Then   K1[ x  x r ]

Aturan kontroler ke-2:

If

x9 is M 2 ( pi / 9 rad )
Then   K 2 [ x  xr ]

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Aturan plant untuk gerak Y
Aturan plant ke-1:
If
x7 is M 1 ( sekitar 0 rad )
Then x  Ay1 x  B y1
y  C y1 x  D y1
Aturan plant ke-2:

If
x7 is M 2 ( pi / 9 rad )
Then x  Ay 2 x  B y 2
y  C y 2 x  D y 2

Tracking X, Y

Aturan kontroler untuk gerak Y
Aturan kontroler ke-1:
If
x7 is M 1 ( sekitar 0 rad )

Then   K1[ x  x r ]

Aturan kontroler ke-2:

If

x7 is M 2 ( pi / 9 rad )

Then   K 2 [ x  x r ]

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

Keseluruhan sistem lup tertutup
x (t ) 

2

2

 h ( x (t ))h ( x (t ))[( A  B K
i

z

j

z

i

i

j ) x(t )

 Bi K j x r (t )]  w(t )

(1)

i 1 j 1

dengan

i ( xz (t ))
h j ( x z (t ))  2
,
i 1 i ( xz (t ))

Model Referensi
x r  Ar x r  Br r (t )
1
0
 0
Ar  
B

,
r
8.5


8
.
5

7
 



i ( xz (t ))  M i ( xz (t ))

xr(t) = state referensi
Ar = Matriks stabil asimtotik
Br = Matriks masukan
r(t) = masukan referensi

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

• Augmented fuzzy sistem
2

dengan

2

x (t )   hi ( x z (t ))h j ( x z (t ))

 Ai  Bi K j
~
Aij  
0


i 1 j 1

~
~~
(t )]
[ Aij ~
x (t )  Ew

• Performa tracking H∞
tf


0

Tracking X, Y

(2)

 x(t )  ~
 w(t )
~
x (t )  
, w(t )  

(
)
x
t
 r (t ) 
 r 
tf

~
x (t )T Q~
x (t )dt
{ [ x(t )  xr (t ) ] Q[ x(t )  xr (t )]}dt  ~



T

tf

0

~
~(t )T w
~(t )dt
~
x (0)T P~
x (0)   2 w


0

 Bi K j  ~  I 0 
, E


Ar 
0
B
r


(3)

dengan
~  Q  Q
Q

 Q Q 

~ P
P   11
0

0 
P22 

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

~

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

~

Jika P  P T  0 adalah solusi umum dari pertidaksamaan matriks
~ ~ ~~
1 ~ ~~ ~ ~
Aij T P  PAij  2 PEE T P  Q  0

(4)



untuk 𝑖 = 𝑗 = 1, 2, maka sistem lup tertutup adalah stabil dan performa
tracking H∞ adalah terjamin untuk nilai 𝛾.
Pertidaksamaan diatas dapat dinyatakan sebagai berikut:
 S11 S12 
H12
 H11
0
S

H
H 22
 21 S 22 
21
T

S11  ( Ai  Bi K j ) P11  P11 ( Ai  Bi K j )


1

2


 0

Br T P22

0 
P22 Br   0
  2 I 

H11  S11

P11 P11  Q

S12  S 21T   P11Bi K j  Q

H 12  H 21T   P11Bi K j  Q

S 22  Ar T P22  P22 Ar 

H 22  Ar P22  P22 Ar  Q

1

2

P22 Br Br T P22  Q

T

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

Persoalan kontrol tracking dapat diformulasikan sebagai persoalan
minimisasi berikut:
T
min  2
dengan syarat
- P11  P11  0
T
P11 , P22
- P22  P22  0
H12
0 
-  H11
H
 21
 0

H 22
Br T P22

P22 Br   0
  2 I 

Prosedur Desain:
1. Pilih fungsi keanggotaan dan aturan fuzzy
2. Berikan tingkat pemelemahan awal γ2.
3. Selesaikan LMI sehingga P11 , P22 dan Kj diperoleh.
4. Turunkan tingkat pelemahan γ2 dan ulangi langkah 3-5 sampai solusi
P11 dan P22 tidak definit positif.
5. Susun kontroler fuzzy

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Parameter yang digunakan
0
1 4.8
1. Q  10  

0
1
.
8


2. Tingkat pelemahan γ = 0.85
Sehingga didapatkan

Gain Kontroler :

K x1  [1.2448 0.7130]

K x 2  [1.3247

0.7588 ]

K y1  [1.2448 0.7130]

K y 2  [1.3247 0.7588]

Tracking X, Y

Matriks Stabilitas
1.5730
Px1  
0.5745

0.5745 
0.3371 

1.5730 0.5745
Py1  

0.5745 0.3371

 0.7483
Px 2  
0.3977

0.3977 
0.3537 

 0.7483 0.3977
Py 2  

0.3977 0.3537

Eigenvalue lup tertutup
det(I  ( Ai  Bi K j  Bi K j ; zeros(2,2) Ari ))  0
 x1  {3.3576,3.6371,1.5635,5.4365}
 x 2  {3.3576,3.6371,1.5635,5.4365}
 y1  {3.3576,3.6371,1.5635,5.4365}
 y 2  {3.3576,3.6371,1.5635,5.4365}

Hasil Simulasi
Stabilisasi

Altitude

Tracking X, Y

Uji Noise

Hasil Simulasi
Stabilisasi

Altitude

Tracking X, Y

Uji Noise

Stabilisasi Roll, Pitch, dan Yaw dengan berbagai kondisi awal

Waktu steady-state 1.75 detik
Ess = 0%

Hasil Simulasi
Stabilisasi

Altitude

Tracking X, Y

Uji Noise

Ketinggian Quadrotor (Sb Z)

Waktu steady-state 1.8 detik
Ess = 0%

Hasil Simulasi
Stabilisasi

Altitude

Tracking X, Y

Uji Noise

Tracking Sb X dan Y

IAB Sb X 0.1149
IAB Sb Y 0.0617
Beda fasa 0.78 detik

Hasil Simulasi
Stabilisasi

Tracking X, Y

Altitude

Uji Noise

Tracking Sb X dan Y dengan gangguan

Nilai 𝛾 divariasikan untuk memperoleh gamma optimal
γ

0.9
0.85
0.8
0.7

Kx1

[1.1678

0.6751 ]

[1.2448
[1.3371
[1.6935

0.7130 ]
0.7572 ]
0.9303 ]

Kx2

||Tz,w (s)|| = γ*

[1.2428 0.7184 ]
[1.3247 0.7588 ]

0.8535
0.8007
0.7454
0.5883

[1.4229

0.8058 ]

[1.8022

0.9900 ]

Hasil Simulasi
Stabilisasi

Altitude

Error Posisi Sb X
γ

Error

IAE

0.9
0.85
0.8
0.7

± 0.065
± 0.061
± 0.057
± 0.045

0.3976
0.3729
0.3459
0.2701

Tracking X, Y

Uji Noise

Hasil Simulasi
Stabilisasi

Uji Noise

Tracking X, Y

Altitude

Nilai 𝛾 divariasikan untuk memperoleh gamma optimal
γ

0.9
0.85
0.8
0.7

Ky1

[1.1678
[1.2448
[1.3371
[1.6935

0.6751 ]
0.7130 ]
0.7572 ]
0.9303 ]

Ky2

[1.2428
[1.3247
[1.4229
[1.8022

0.7184 ]
0.7588 ]
0.8058 ]
0.9900 ]

||Tz,w (s)|| = γ*

0.8535
0.8007
0.7454
0.5883

Hasil Simulasi
Stabilisasi

Tracking X, Y

Altitude

Error Posisi Sb Y
γ

Error

IAE

0.9
0.85
0.8
0.7

± 0.065
± 0.061
± 0.057
± 0.045

0.3976
0.3729
0.3459
0.2701

Uji Noise

Hasil Simulasi
Stabilisasi

Altitude

Tracking X, Y

Uji Noise

Uji Noise yang diberikan pada sensor kecepatan dimodelkan dengan
Uniform Random Number

No

Besar Noise

1
2
3
4
5

5%
10%
20%
40%
80%

Deviasi
Deviasi
U2
U3 IAE Sb
Posisi X Posisi Y
(N)
(N)
X
(m)
(m)
0.001
0.001
0.5
0.5 0.0866
0.002
0.002
1
1 0.0901
0.005
0.005
2
2 0.0972
0.01
0.01
4
4 0.1114
0.02
0.02
8
8 0.1398

IAE
Sb Y
0.0492
0.0536
0.0624
0.0801
0.1152

Hasil Simulasi
Stabilisasi

Altitude

Sumbu X

Tracking X, Y

Uji Noise

Sumbu Y

Penutup
Kesimpulan

Saran

Kesimpulan
• Metode kontrol fuzzy Takagi-Sugeno bekerja dengan baik untuk
mengendalikan gerak quadrotor dengan nilai Integral Absolute Error
(IAE) 0.1149 pada sumbu X dan 0.06171 pada sumbu Y

• Kontrol tracking fuzzy yang dirancang memiliki performa robust dengan
tingkat pelemahan gangguan terhadap performa keluaran kurang dari γ
yang ditentukan.

Saran
• Saat uji noise, sinyal kontrol mengalami chattering dengan amplitude
besar, sehingga perlu dibatasi untuk menghemat energi.

Terima Kasih

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

Parameter Quadrotor yang digunakan

No
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10

Parameter
Massa
Gravitasi
Moment Inersia pada sumbu X
Moment Inersia pada sumbu Y
Moment Inersia pada sumbu Z
Jarak rotor dari pusat massa
Gaya drag
Gaya trust
Bandwith aktuator
Konstanta gaya dorong

Simbol
m
g
Jxx
Jyy
Jzz
l
d
b
ω
K

Nilai
3,499 kg
9,81 kg/m2
0.03 kg.m2
0.03 kg.m2
0.04 kg.m2
0.2 m
3,13x10-5
7,5x10-7
15 rad/s
120 N

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

Kontrol State-Feedback
u(t)

B

+

Σ

+



x(t)

A
-K

Orde-1

Ts
, Ts (2%)  4
4
1
1

G
s  1 Ts s  1
4
4



s

Ts

Jika diinginkan Ts = 1 detik maka
p = [-4 -12]

K roll  [7.2 2.4]

K pitch  [7.2 2.4]
K yaw  10 4 [6.1342 2.0447]

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

Kontrol Altitude (ketinggian) Quadrotor
r(t)

+

Σ



-

Ki

+

Σ

u(t)

ẋ = Ax+Bu

x(t)

C

y(t)

K

Matiks Sistem
 AZ
AZi  
 C
0
AZi   0
 1

0
 BZ 
, BZi   
0
0 
1 0
 0 
0 0, BZi  0.2858
 0 
0 0

Jika diinginkan Ts = 1 detik maka
p = [-4 -12 -13]

K z  103[0.8957 0.1015]
K iz  103 [2.1834]

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

Kontrol Tracking X,Y menggunakan fuzzy Takagi-Sugeno
• Matriks Sistem Sumbu X
0


0 1 
,

Axi  
B
xi
( c c c ) U / m 

0
0


 x11 x9 x 7 1 
0
Ax1  
0
0
Ax 2  
0

1
 0 

,
B
x1
9.81
0


1
 0 

,
B
x2
9.2184 
0



linierisasi θ sekitar 0 rad
linierisasi θ ± pi/9 rad

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

Kontrol Tracking X,Y menggunakan fuzzy Takagi-Sugeno
• Matriks Sistem Sumbu Y
0


0 1 
Ayi  
B

,
yi
(  c c ) U / m 

0 0 
 x11 x 7 1 
0
Ay1  
0
0
Ay 2  
0

1
 0 
, B y1  

0
 9.81
1
 0 

B
,
y2
 9.2184 
0



linierisasi ϕ sekitar 0 rad
linierisasi ϕ ± pi/9 rad

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

• Membership function untuk Aturan plant dan Kontroler

Perancangan Sistem
Model Quadrotor

Stabilisasi

Altitude Z

Tracking X, Y

LMI diselesaikan dengan 2 langkah
Langkah pertama: menyelesaikan LMI berikut sehingga Y11  P111 dan
X j  K j Y11 diperoleh.
1

T
T
Y
A
A
Y
B
X
B
X
I




(
)
i 11
i j
i j
 11 i
2


Y11


Langkah kedua

 H11
Substitusi P11 dan Kj ke  H 21
 0

H12
H 22
Br T P22


Y11 
0

 Q 1 
0 
P22 Br   0 untuk mendapatkan P22
  2 I 