Internati o nal  Journal of Ele c trical   and Computer  Engineering  (IJE CE)  V o l.  6, N o . 5 ,  O c tob e r  201 6, p p . 2 251 ~226 1  I S SN : 208 8-8 7 0 8 ,  D O I :  10.115 91 /ij ece.v6 i 5.9 188          2 251     Jo urn a l  h o me pa ge : h ttp ://iaesjo u r na l.com/ o n lin e/ind e x.ph p / IJECE  Hover Position of Quadrotor Ba se d o n  PD-like  Fuz z y  Line ar   Programming       Iswanto 1,2 ,  O y a s   Wa hy un ggo ro 1 , Adh a   Im am Ca hy adi 1   1  Department of   Electrical Eng i n eering  and  Infor m ation  Technolo g y , Universitas  Gadjah Mad a , Y o g y ak arta, Indon esia  2  Departm e nt  of   Ele c tri cal  Eng i n eering ,  Univ ers i tas Muhammadiy a h Yog y akarta,  Yog y ak arta, Ind onesia      Article Info    A B STRAC T Article histo r y:  Received Nov 27, 2015  Rev i sed   Au g 5, 201 6  Accepted Aug 23, 2016      The purpose of  this paper  is to pres ent th e a l titude  contro l a l gorithm  for  quadrotor  to b e  able  to fly   at a pa r ticu l ar  altitude. Sev e ral pr evious  research ers hav e  conducted st udies on quadr otor al titud e  b y  using PID  control but ther e are problem s in the  overshoot and oscillat i on. T o  optim ize  the control, tunn ing on PID algorithm mu st  be first conducted to  determine  proportional an d derivative  co nstants.  Hence, the pap e r pres ents al titud e   control modification b y  using  PID- like fuzz y withou t tunin g . The PID   algorithm  is  a  control   algor ith m   for linear s y stem s. W h ile, system  to be   controlled  is a non-linear, so that  lin ear ization is needed  b y  using   equilibr i um . The proposed algori t hm  is a  m odification of the PID algorithm   us ed as  an alt i t ude contro l which enab les  q u adrotor to be  s t able when   hovering.  The  algorithm used is not PI D algorith m with tuning using fuzzy ,  but this is a single input single output  (SISO) control PID-like  fuzzy  lin ear   programming. The result of the r e search shows that quadrotor  can hover in a  rapid raise tim e, stead y  stat e and  settling  tim e wi thout perform in g overshoot  and osci lla tion . Keyword:  Altitu d e  con t rol  Fuzzy  l i n ea r  pr og ram m i ng   Ho ve r posi t i o n   PD-li k e   Qua d rot o r   Copyright ©  201 6 Institut e  o f   Ad vanced  Engin eer ing and S c i e nce.  All rights re se rve d .  Co rresp ond i ng  Autho r :  Iswa nto ,    Depa rt em ent  of El ect ri cal  E n gi nee r i n g a n d  I n f o rm at i on Te chn o l o gy ,   Uni v ersitas Ga dja h   M a da,    Yo gy aka r t a , In do nesi a.   Em a il: iswan t o.s3 te1 3 @m ail. u g m .ac.id       1.   INTRODUCTION  Qua d rot o r is  a n   unm anne d ai rcra ft  that has  four  m o tors wi th  BLDC  type  at each e n d a n d  has  bee n   widely use d  in civilian applications , m i litary, team  search and re scue  (SAR) and ae rial phot ogra phs  bec a use   its  m a n e u v e rabilit y, v e rtical t a k e off an d  land ing ,  hov er  positio n  and  its a b ility fly i n g  in d a ng erou s areas [1 ].  Howev e r, qu ad ro tor is a  n on-lin ear sy stem   that are  very  difficult to sta b l e , t h ere f ore m a ny  resea r che r s ha ve   co ndu cted  st ud ies to  stab ilize q u a dro t o r   b y  con t ro llin g th e fourth  ro tors u s i n g   variou s m e th o d s and  alg o rith m s . The co mm o n l y u s ed  co nv en tional co n t ro ller is  a p r op ortion a l  in teg r al  d e ri v a t i v e  (PID)  wh ich  is a  lin ear co n t ro l  [2 ].  In a d di t i on t o   PID  co nt r o l ,  t h ere a r e m ode rn c o nt r o l s  use d  f o r  co nt r o l  o p t i m i zat i on of  a qua d r ot or   suc h  as by Ra ffo et al.  [3]  who used  H ∞  c o n t rol  al g o ri t h m s , an d bl ac kst e p p i n g al g o ri t h m  use d  by  B e s n a r d et   al. [4 ] an d  Zh en g  et al [5 ] to  stab ilize th e p o sitio n  o f  th e  q u ad ro tor. Mod e l  Pred ictiv e Con t ro l Algo rithm an d   l i n ear  qua d r at i c  co nt r o l  i s   on e o f  t h e  m odern  co nt r o l s   us ed t o  co nt r o l   qua d r ot or  by   R i nal d i  et  al .  [6]  a n d   Alexis et al. [7] respectively .  In ad dition, the propose d   m e thod is also  based on arti ficial  intelligence to  cont rol   opt i m izat i on q u a d r o t o r ,  nam e l y  Genet i c  Al g o rith m  [8] ,  A d apti ve Ne u r o - F u z z y  Infe re nce  Sy ste m   ( A N F I S ) [9 ],  an d fu zzy lo g i c  alg o r ith m s  [ 1 0].  Su ch m e t hod s p r o v i d e  opt i m al  resul t s  a n d  can  be  i m pl em ent e d   because they  do  not c o ntain a  lot of m a the m atical equations.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 5 ,  O c tob e r  20 16   :   225 1  –  22 61  2 252 PID C o n t ro l is a lin ear con t ro l fo r lin ear syste m s  such as  m a gnet i c  act ua t o r [ 1 1] , Po si t i on C ont rol   [1 2] , T r aject or y  C ont r o l   [1 3 ] , B r us hl ess  D C  m o t o rs [ 14] , an d B r us he d  DC  M o t o r  [ 1 5]  so  t h at  t h e  PI D   cont roller  has  been wi dely used  by som e  researche r s  for exam ple by  Ziegler  Ni ch ol s [ 16] , a s  a  m o t o r  cont rol l e rs si n ce PID has a s i m p l e  st ruct ure  wi t h  a  m e t hod  of det e rm i n i ng a com m on PID pa ram e t e r,  t hus i t   h a s th e ab ility in  supp ressi n g   an  in terferen ce well. Ho wev e r, it resu lts in  a larg e  p e rcen tag e  of  o v e rsh oot an d  th e con t ro l sign alin g u s ed  tend s to b e  larg e,  wh ich  m a y cause saturati on i n  the actuat o r.  Great  gesture c ont rol   req u i r es  bi g en ergy  i n  w h i c h  several  m e t hod s pr op ose d  t o  i m prove t h e co nt r o l  of t h e ge s t ure by  usi ng  h y b ri d   cont rol  t h at  i s  Part i c l e  Swar m  Opt i m i zati on (PS O )- base d  PID co nt r o l  [ 17]  an d f u zzy  l ogi c al go ri t h m - based  PID   co nt r o l  [1 8] .   Som e  researchers suc h  as Zefang He and L o ng Zh ao [ 1 9]  used P I D c o n t ro l with  Zieg l e r-Nicho l s  tu n i ng   u s ed   for qu adro t o r stabilit y. By u s ing   feedb a ck  lin earizatio n  t h eory, a non lin ear Qu adro to r is m o d e led  into a linear one. Ot her re se arche r s suc h  a s  Hassan Ta nveer  et  al . [20]  and B o l a n d i  et  al . [21]  use d  Tay l or' s   m e t hod f o r q u a dr ot o r  m odel   l i n eri zat i on so  t h at  t h e M I M O  qua dr ot o r   m odel  con v ert e d t o  SIS O . T uni n g  PI D   usi n g I A E  was  used  by  B o l a ndi  et  al . [ 21]   t o  o p t i m i ze t h e cont r o l  o f  q u a dr ot o r .  Whi l e  aut o  t u ni n g  m e t h o d   was use d  by  Tan v eer Hassa n  et   al . [ 20]   t o  opt i m i ze  PID c ont rol. Some researc h ers  use d  the m e thods  of  m o d e rn  con t rol an d  in tellig ent co n t ro l su ch   as Ch en  et al. [2 2 ]  using  Neu r al Network   for tu n i ng  th e PID and  M i an  & Wa ng  [2 3]   usi n g bac k st ep pi n g  fo r Tu ni n g   t h e   PI D.   Fuzzy  l i n ear p r o g ram m i ng has been wi del y  used by   some researchers  such as Aza d eh et al. [24]  usi n g i t  for set t i ng i n  t h e g r ee nh o u se. B e si de s bei n g use d  f o r t h e gree n h o u s e, t h e m e t hod  was use d  t o  co nt r o l   i rri gat i o n by   Lu et  al  [2 5] .  It  can easi l y  be ap pl i e d t o   a l i n ear sy st em  and ha s a  po we rf ul  p r o g r am m i ng  structure.   Th e purpo se  o f  th is p a p e r is to  presen t an  al titu d e   control algorithm  for quadro to r t o  hov er stab ly at  a cert a i n  hei g ht  by  usi ng  fu zzy  l i n ear pr o g ram m i ng al gori t h m  t h at  i s   PD. T h e sy st e m at i c s of t h i s  pape r   co nsists o f   q u a d r o t or m o d e lin g ,  altitu d e  con t ro l strateg i es, fu zzy con t ro ller alg o r ith m s , analyzin g  resu lt an d  concl u si o n .       2.   R E SEARC H M ETHOD  Qua d rot o r syste m  is a non-linear sy stem  that has  4 rotors  at each end that  can  be m odele d  by  using  Eul e ri an a ngl e s  [2 6] . In t h i s  pape r, q u a d r o t o r i s   m odel e d  by  usi n g eul e ri an an gel  t hus t h e q u ad rot o r s y st em   has si x  deg r ee s o f   free dom  defi ned  by  t w el ve st at es s h o w n  i n   Fi g u re   1  [2 7] . Si x  o u t  of  t h e t w el v e  st at es  regu late th e attitu d e  of  q u a d r o t or system in clud ing   quad r o t or’s Eu ler an g l es of   ro ll, p itch ,  yaw i.e.   T 2 and angular s p eed  of t h e  qua drotor i.e. T r q p 4  on t h ree  orthogona l  axes  of t h e  body.  Six ot her  states are three posit i ons  nam e ly T z y x 1 , and t h ree li near  spee d of the ce nter  of m a ss of the   qua d r ot or ass o ciated with fixed re fe rence  fram e  (fram e   earth) i.e. T z y x 3 . Th i s  quad r ot o r  sy st em   m odel  used 1 2  eq uat i o ns o f  n on l i n ea r st at e i n  a gl ob al  fram e work  as  T x x x 12 1 with the state  vari a b l e s as   T x 4 3 2 1 .          Fi gu re  1.  Q u a d rot o r m odel i n g  wi t h   Eul e ri a n   angl es       Fi gu re  1 s h o w s  t h at  t h ere  are t w o  co or di nat e   fram e s, one  o f   whi c h i s  t h e  ea rt h a n d  t h e  ot h e r f r am e i s   the body in t h e center  of  gravity of  the  quadrotor  [28].  In t h e figure it  is seen that the m ovem e nt  of t h e   qua d r ot or  by  6  deg r ees o f  f r e e dom  i nvol vi n g  t h e m ovem e nt  of t r a n sl at i o n base d o n  t h e  x, y  and z a x i s . The   ro tation  o f  th e  q u a dro t o r  is roll ro tatio n  on  th e x-ax is,  p itch  ro tation  on  th e y-ax is, an d   yaw ro tation  on  th e z- ax is. Each  ax is ro tatio n  m a trix  can   b e   written  as:     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN :  208 8-8 7 0 8       Ho ver  Po sitio n  o f  Quad ro to r Ba sed  o n   PD-l ike Fu zzy Lin e a r  Prog ra mmi n g (Iswan to )   2 253  C S S C x R 0 0 0 0 1 , ;   C S S C y R 0 0 1 0 0 , ;   1 0 0 0 0 , C S S C z R  (1 )     By u s ing  th e eq u a tion   (1 ), ZYX ro tatio n matrix  is  d e fi n e d as    C C C S S C S S S C C C S S S S C S S C S C S C C S S C C R   (2 )     Th us, t r ans f or m a t i on m a t r i x  obt ai ne d i s  as  f o l l o w s     C C S C S C S r q p 0 0 0 1   (3 )     w h er e  c =  co s ,   t =  ta n  an d s  =  s i n .   Based   o n  Newt o n ' s seco nd  law  o f  m o tio n tran slatio n a l, th e fo llo wi n g  equatio n  is  ob tain ed     mv v m F  (4 )     whe r e   T r q p and  T z y x v .    z y x m r q p z y x m F  (5 )     In Figure  1, the force acti n g  on qu ad ro tor is ob tain ed fo rm u l ated  as    thrust g F F F  (6 )     Sub s titu tin g Newton 's secon d  law  with  th e fo rce actin g on   th e qu ad ro tor, t h e  fo llowing  eq u a tion  is ob tain ed    T R mg z y x m r q p z y x m 0 0 0 0  (7 )     Sub s titu tin g the tran sfo r m a tio n  m a trix , th e  fo llo wi n g  equ a t i o n  is ob tain ed       z y x r q p m c c T mg c s s s c T s s c s c T z y x m  (8 )     Thus the  equat i on  of linear ac celerati o n  i n  the x ,  y, z is as  fo llo ws:      y r z q s s c s c T m x 1  (9 )       z p x r c s s s c T m y 1  (1 0)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN :  2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  N o . 5 ,  O c tob e r  20 16   :   225 1  –  22 61  2 254   x q y p c c T m g z 1  (1 1)     B a sed  on  Ne wt on' s sec o n d  l a w  of m o t i o n  r o t a tio n ,  the fo llowing  eq u a tion   is ob tain ed :       (1 2)     whe r e,    is th e  m o men t  o f  in ertia Qu adro t o r  as shown in   fo llo wing  equ a tion    z y x 0 0 0 0 0 0  (1 3)     wh ile   T z y x   So t h at the  angular accele r ation e quation i n  t h e  x, y, z is as   follows:     r q p x y z x x  (1 4)     r p y q y z x y  (1 5)     q p r z x y x z  (1 6)     An g u l a r s p ee d,  p;   q a n d  r  can   be  obt ai ne d  fr o m   t h e l e vel   of t h e E u l e r a n gl e s  usi n g  a t r a n s f orm a t i on m a t r ix.     W r q p  (1 7)     c c s c s c s r q p 0 0 0 1  (1 8)     So  t h at th e  angu lar sp eed   o f  ro ll, p itch an d  yaw of  the quadrot o r  ca n be de termined  as     r q p c s c s c c s c s s c c 0 0 1  (1 9)     Thu s , t h e  ro ll,  p itch  an d yaw  are    r t c q t s p  (2 0)     r s q c  (2 1)     r c c q c s   (2 2)     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN :  208 8-8 7 0 8       Hover Position of  Quad rotor Based on  PD-l ike  Fuzzy  Linear Programm i n g (Iswanto)   2 255 3.   C O N T ROL AN D STRA TEGY  Altitu d e  con t rol u s es fu zzy lin ear prog ramm i n g, wh ile  th e syste m  wil l  b e  co n t ro lled   b y  qu adro to r i n   a no n-l i n ea r sy st em . Theref ore a l i n eari z at i on m e t hod  fo r t h e sy st em  i s  needed . No n-l i near m odel s  of   q u a dro t o r  is then  lin earized  at th e p o i n t  of  b a lan ce  (e qu ilib ri u m ), so  th at  th e syste m  can  b e   pro cessed in  a  lin ear m o d e l.  In  co ndu cting  lin earization ,  t h e po in t  o f  equ ilib riu m  o f  th e  qu adro to r m u st b e   d e term in ed   an d it  can  b e  written  as   , , , 0 X f . So t h at the  twelve  non li near equations  can  be  written as    0 7 1 x x x  (2 3)     0 8 2 x y x  (2 4)     0 9 3 x z x  (2 5)     0 12 11 10 4 5 4 5 4 x t c x t s x x x x x x  (2 6)     0 12 11 5 4 4 x s x c x x x  (2 7)     0 12 11 6 5 4 5 4 x c c x c s x x x x x  (2 8)      0 1 6 4 6 5 4 7 x x x x x s s c s c T m x x  (2 9)      0 1 6 4 6 5 4 8 x x x x x c s s s c T m y x  (3 0)      0 1 5 4 9 x x c c T m g z x  (3 1)     0 12 11 10 x x p x x y z x x  (3 2)     0 12 10 11 x x y q x y z x y  (3 3)     0 11 10 12 x x r x z x y x z  (3 4)     If it is assu m e d that the equi librium  point i s  allocat ed to several positions in Cartesian coordinates  (x; y; z) and at som e  positions  of yaw angle  whic h is defined as 2 x ,  3 x  and 6 x . Thus, t h e value   of   the whole equation  of state  at  this equilibrium  point is , , , X , so that it can be  written as 1 x ,  2 x ,  3 x ,  0 4 x ,  0 5 x ,  6 x ,  0 7 x ,  0 8 x ,  0 9 x ,  0 10 x ,  0 11 x , and  0 12 x . The   represe n tations  of the  state equation an d  sy stem  outp u t a r e s h o w n as  f o llo ws,     Bu Ax x   D u Cx y , (35)     whe r e m a trix A an d B  are  obtaine d  by  u s ing Jac o bi  linearization m e thods. Matri x   A and B are  deri ved  partially to the  n on- lin ear  m o del.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN:  2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  No. 5 ,  Octob e r  20 16   :   225 1  –  22 61  2 256     , , , | , , , | , , , | , , , | 12 12 1 12 12 1 1 1 X x f X x f X x f X x f A ;      , , , | , , , | , , , | , , , | 4 12 1 12 4 1 1 1 X u f X u f X u f X u f B     The n , the A and B m a trixes are obtained a s        6 4 6 6 1 2 2 2 3 2 6 6 6 6 12 12 O I O N O I O A ;     4 4 4 8 4 12 M O B , with O is  the zero m a trix and  I is th e identity  m a trix.  Wh ile  the N  and M  can be defi ned  as     0 0 2 2 g g N ;   z z z z y y x x k k k k db db db db m b m b m b m b M 0 0 0 0 4 4     The  o u tp ut o f  t h e  qua d r ot or m odel ca n  be  de f i ned  by  the  y  v ector as  f o llo w s      T z y x y     so that the C and  D  m a tr ixies can be  writ ten as     9 1 3 1 9 3 3 3 12 4 L O O C  and  0 D  with   0 0 0 1 0 0 1 1 1 9 1 L . T hus , the  line a rized m ode l  of the qu ad ro tor is    u B x A x 4 12 12 12    x C y 12 4  (3 6)     By linearization usi ng equ ilibrium , the whol e equations of  state  except x,  y, z, and yaw are assum e d   to be very sm all. This  results  in a ll the i n put s  for all four  m o tors a r e ass u m e d to  ha ve sa m e  speed. So t h at the   MIMO system can be sim p li fied into   SISO syste m  by usi ng t h e speed  of altitude change and the altitude  which  have the followi ng equation    9 3 x z x  (3 7)      5 4 1 9 x x c c T m g z x  (3 8)     The equation of the altitude syste m  state of  the  quadrot or can  be  defi ned as follows    u B x A x   x C y   (3 9)     whe r e the  value of  T x x x 9 3 , 9 3 x x x ,  0 0 1 0 A ,  4 0 B , and  0 1 C . So that the  trans f er f unctio n of   z  ca n be d e fine d by   the f o llowi ng   eq uat i on      2 4 s G S  (4 0)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN:  208 8-8 7 0 8       Hover Position of  Quad rotor Based on  PD-l ike  Fuzzy  Linear Programm i n g (Iswanto)   2 257 4.   FUZ Z Y  LOGIC  CONTROLLER  Fuzzy logic algorithm  is  an artific ial intell i g ence algorithm s  that ar e often use d  by  so m e  previo us   investigat ors to m a ke a  deci sion [29] ,[30]. The design  of th e altitude cont rol  of the  quadrotor to m a intain  altitude is direct control as  shown in Fi gure  2. The fi gure shows that  there is alti tude to  cont rol the  quadrotor  syste m . The control desi gn is  propor tional cont rol  which  is a linear control. Altitude  control equation  used i n   the system  is proportional as  s een i n  the followi ng equation:     p p S K S K G 2 4  (4 1)     whe r e  p K  is a pr op o r tional c o n s tant an d   is m o ment of i n ertia for each  m o torcycle. The stability of  the  sy stem  from  the eq uatio n is determ ined by  usin g the r oot  locus as sh o w n in Fig u re  3( A). T h e fi gu re  sho w s   that there is  one pair  of  poles on t h e  im aginary axis in t h e  im ag e; that is poles l o cated  on the top si de  of t h e  im aginary axis  value d  3 and  poles  lo cated on the  bottom   on the im aj inear axis  valu e d   3.  The  sy stem  requi res   settling ti m e  and has the sm a llest possi ble overshoot. Thus it take s a large dam p ing for th e cont rol  so that t h e  pole at t h e zero point  of th e real  axis of  t h e root  l o cus will  be  shifted to t h e left of the real axis.            Figu re 2.   B l oc k diag ram   of  al titude  co ntr o l o f  qua dr oto r       Proof: by using the root locus it is  seen that equatio n ( 4 0)  has a p o le  value that is not on the left of  the im aginary axis,  the n  th e c ont rol is  unsta ble. T h e c ontr o l eq uatio n wa s tested by   usi ng t h e step s s h ow n in   Figure 3(B ) . The figure shows  that  the  system   is  not stable  and there is   continuous oscillation.   It proofs that  Deri vative in the control is necessa ry to be com e  stable. T h en  P D  co ntr o l equatio n in   the quadrotor syste m  is as follows:      p d p d S K K S K K G 2 4  (4 2)     whe r e  p K  is a pro p o r tio nal const a nt and  d K  is a derivative co nsta nt whic h value s  are obtaine d  by  usin g the   tuning  respectively. The stabi lity of the syst e m  in equation  (42) is sought  by usi n g th e root  locus. Figure  4(A)  shows that there is a pole lo ca ted on t h e left  of t h e im aginary axis that  indi cates the syste m  will be stabl e . T h e  equation,  when tested by  using steps, will perform  os cillation for a short ti m e  and then  will be st able as  shown in  Figure 4(B). It can be is se en that by using  deri vatives, t h e sy ste m  will first perform  oscill ation,  then t h e  oscillations  will be sm oothe d and fi nally it becom e s stable.            Figu re  3.  ( A )   Diag ram  of r o ot loc u s  pr o p o r tiona l co ntr o l  ( B ) Test ste p  f o r  pr op o r tional  cont rol   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN:  2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  No. 5 ,  Octob e r  20 16   :   225 1  –  22 61  2 258     Figu re  4.  ( A )   R oot l o cus  o f  c ont rol t h at is  pr op o r tiona l  de rivative.  (B )  Tes t  step f o r  pr op o r tional c o ntr o l  of   Deri vative       To be o p tim al, a tuning to get  the variable v a lues pr o p o r tio nal and d e rivat i ve is require d,  so that the  PID-like fuzzy  linear progra m m i ng is n ecessary  fo r the cont rol. T h is co nt rol uses SISO fuzzy of m a m d ani’s   type using three  m e m b er vari ables fo r i n put  and  output that is negative  sm a ll, zero, and positive sm all. B y   usin g t h ree i n p u t an d  o u tp ut v a riable s, t h e  rule-based is as follows  if (Z is NS) then  (output1 is NS)  if (Z is Z) then  (output1 is Z)  if (Z is PS) t h en  (output1 is PS)  Figure 5 shows altitude control  using SISO control wi th fuzzy  logic algorithm s  of  m a m d ani’s  m e thod. T h is pape r p r ese n ts two fuzzy  co ntr o ls i.e fuzzy  contr o l as pr o p o r tio nal and  deri vative w h ich ha v e   three  varia b les of input a n d  output set m e mber c o nsistin g of ne gative,  ze ro  a n d po sitive. The output  of each  of the control   will be summ e d  and  connected to thro tell Quadrotor.  The fir s t desig n  co n ducte d is fuzzy  co ntr o l desig n  as p r op otional  whic h  has in put  with  value er r o r   data range, so that the set variable s of the in put o f  f u zzy  cont rol as p r o p o rtio nal has a r a nge  fr om  -15  to 1 5   sho w n in Fig u r e  6 (A ). It is seen  that the m e m b er set not only uses the  up linear set and do wn linear  set, but   also  uses a triangles m e m b e r s set. Mem b e r  set is  used  for  linear system s,  while  the qua d r ot or sy stem s  is  a   non-linear  syste m , so t h at a lin earization m odel is  needed.            Figu re  5.  B l oc k  diag ram  of P D -like  F u zzy  linier  pr o g ram m i ng c o ntr o l       In addition to  the input,  fuzzy  cont rol as proportional has out put  in m o tor speeds  pulse  range. The  determ ination of t h e output value is ne e d ed  in o r de r f o r  the  cont rol  to be opti m u m ,   so  tha t  the ran g e  fo r  m o tor   spee d val u e is  - S p eed a n d +  Spee d s h o w n in Fig u r e 6  (B ) .  Th e f i gu r e  shows th at th e i n put value of the  spee d  is 1 2 0 0   deri ve d  fr om  the pete r C o r k e’s  m odel [2 4] .            (A)   (B)     Figu re  6.  The  s e t of  in put a n d  out put  f o r  f u zz y  cont rol as  p r op o r tional   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
I J ECE   I S SN:  208 8-8 7 0 8       Hover Position of  Quad rotor Based on  PD-l ike  Fuzzy  Linear Programm i n g (Iswanto)   2 259 The sec o nd  de sign c o nd ucted  is in in put s e t desig n   fo r f u zz y  contr o l as  de rivative s h ow n  in Fig u r e  7 .   In the  figure it  is seen that  th e  inp u t set  o f   fu zzy  co ntrol  as  deri vative  has  a ra nge  f r om   dz  to  dz  .   T h e v a lu e  will affect the perform ance  of t h e cont rol  syste m .  W h en the range value is gr eat, the  overshoot on  the  qua drot or ca n be sm oothed  due to the ra pid  acceleration  va lu es can  be rea d  by the de riva tive inputs, so  that it  will generate t h e  out put  val u e which  will result in  a decrease in t h e  propor tional  control value.   The design of fuzzy  control out put  as deri vatives  is  needed to obtain  op ti m u m  altitude control of  qua drot or. T h e r e are three set  m e m b ers  that  is negative small, zero, and  positve sm all.  This output variable  has ra n g e w h i c h the  value is  obtaine d  fr om  half o f  th e pr op o r tional out put  s h o w n  in Figu re 7.  T h e fig u re   sho w s  that  fuz z y  cont rol  o u tp ut as  deri vative s  has  ra n g e  value  fr om  -50 0  t o  + 5 0 0 .           (A)   (B)     Figu re  7.  The  s e t of  in put a n d  out put  f o r  f u zz y  cont rol as  de rivative       5.   R E SU LTS AN D ANA LY SIS  Altitude control system  fo r quadrot or  hover position uses PD-lik e fuzzy control consi s ting  of t h ree  p a r t s: inpu t,  ou tpu t  and  contr o l.  The control  was tested by using  peter Corke’s si m u la tion with has  a  specificatio n s h o w n in  Table  1.  The  table s h o w s t h at  the qua d r ot or  t o  b e   use d  fo r  the  sim u lation  has   4 k g   weig ht and  ha s a  m o m e nt of inertia x, y ,  and z o f  0 . 0 8 2 0  kg.m 2 , 0 . 084 5 k g . m 2  an d  0 . 13 77  kg .m 2 . W i th the  specification  data provided, t h e stability of t h e  qua drot or  syste m  can tested  by usi n g  unit  step.    Unit step is used to test the quadrotor altitude co ntrol syste m  for 1 m e ter  as shown in Figure 8(A).  B y  using u n it step fo r fu zzy  logic co ntr o ller algo rithm   the alti tude control can st abilize the qua dr oto r ,  and it  takes a stea dy  state at 2.98 th  second, settling ti m e  of  1.94 second, an d  raise tim e of 1.15 second which is  considered short.  In  perform i ng take  off and h over, there are no  oscillation an d overshoot  on the  quadrotor.  Havi ng  tested  by  usi n g  unit  step, t h e re sult s sh o w s that t h ere  is no  ove r hoot and  osci llation, the  cont rol is si m u lated in Peter Corke’s  sim u lator. In the simula tor, firstly the param e ter i s  set to initial   position  of  quadrotor xy (-1,0), the  desired  he ight of 8  m e ter,  and hover  positio n of the qu adrotor  xy (-1.0). The  expe rim e nts are per f o rm ed b y  inv o lvin g  v e rtical win d  d i sturba nce.  T h e si m u lation result shows that the  qua d r ot or  h ove rs at  8 m e ter altitude s h o w n in Fi gu re  8(B ) .  There  are  f o u r   gra p hs s h o w n i n  fi gu re i.e  set  poi nt ,   disturbance, and Erro r z.  Altitude controll er quickly stabilizes  the quadrot or, and it takes a steady state at   8. 38 4 th  second, settling ti me of 8.975 seconds and raise  time of 4.02 second  with  PID-Like Fuzzy algorith m  but it takes  a st eady state at 13.39 th  second,  settling ti m e  of 13.9 seconds  and raise tim e  of  5.804 second wit h   PD  L o op Sha p ing. At 15 th  se con d ,t he   qua d r ot or is  distu r b e d by    up ward v e r tical win d   f o r  2 second , so  th at  the quadrot o r i s  shifted  upwa rd from  the initi al position. By using PID- like fuzzy control, it is shifted 1 meter  only and ret u rn to its  previous  position.      Table  1. T h e  c h aracteristic  of quadrotor  No Variable   Value  1 G  9, 81  m / s 2   2 M  4  kg   3 I x 0. 0820 k g .m 2 4 I y 0. 0845 k g .m 2   5 I z  0. 1377  k g .m 2   6  B  1. 2953 x 1 0 -5  kg.m   7 D  0. 165  m   8  K  1. 0368 x 1 0 -7  kg.m 2       Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                        I S SN:  2 088 -87 08  I J ECE   Vo l. 6 ,  No. 5 ,  Octob e r  20 16   :   225 1  –  22 61  2 260     Figu re  8.  ( A )  T e st step  fo r F u z z y  cont rol s u c h  as  P D   (B )  Gra p h  o f   q u ad rot o r test with  dist ur ba nce       6.   CO NCL USI O N   Fuzzy linear  programm ing algorith m  in PD controller used for a  hover position on quadrotor has  been  presented in this paper.   This algorithm  is not used as  PD tuning ,  but  it is used for  cont rolling the altitude   of the  quadrotor. Based  on si m u la tion  re sult s, the r e a r e t h r ee g r ap hs  nam e ly  setpoint,  al titude a n d  dist ur ba nce  which show that the  quadrotor can h over  without overshoot or  oscillation.  When t h e quadrot or is di sturbed  by vertical wi nd, the control  can st abilize it and return i t  to its previo us position. Thus, the fuzzy  linear   pr o g ram m i ng a l go rithm s  can  be a pplied  o n  the  qua d r ot or  w h ich  has  a  no n- linear sy stem .       ACKNOWLE DGE M ENTS  Th is r e sear ch   was supp or ted b y  PUPT Proj ect g r a n t from  DIKTI through Researc h  Directorate,  Uni v ersitas Ga dja h  M a da wit h  the co ntract num ber:  94 4/ UN 1- P. II I/LT/DIT - L I T/2 0 1 6 ,  awarde d to A / P Dr .   Oy as Wahy un gg o r o .       REFERE NC ES   [1]   N.  We n,   et a l . , “UAV Online Path Planning Algo rithm  in  a Low  Altitude D a nger ous Environm ent,”  I EEE /CAA J.  Autom. S i n ., vo l/issue: 2(2), pp. 1 73–185, 2015 .  [2]   M. Z. Mustapa,  “Altitude Con t ro ller  Design for  Quadcopter UAV,”  J. Teknol. , vol/issue: 74(1), pp.  181–188, 2015 .  [3]   G.  V.  Ra ffo,   et al. , “An integral predictive/nonlinear H ∞  control structure for  a q u adrotor helicop ter,”  Automat i c a ,  vol/issue: 46(1), pp.  29–39 ,  2010 .  [4]   L. Besnard ,   et al. , “Quadrotor  vehicle contro l via sliding m ode c ontroller driven b y  s liding m ode  disturbance  observer,”  J. Franklin   Inst ., vol/issue: 349(2), pp . 658–684 , 2012 .  [5]   E. H. Zh eng,  et al. , “Second ord e r sliding m ode  control for a qu adrotor UAV,”  ISA Trans ., vol/issue: 53(4), pp . 1- 7,  2014.  [6]   F .  Rina ldi,   et  al . , “Linear qu adratic  contro l for  q u adrotors  UAVs dy na mi c s  a n d fo r m a t i o n  f l i g h t ,”  J.  Int e ll . Robo t.  Sy st.  The o ry Appl ., vol/issue: 70( 1–4), pp . 203–2 20, 2013 .  [7]   K.  Al e x i s ,   et  al. , “ M odel pr edic tive  quadrotor  c ontrol:  at titud e ,   alti tude  and pos ition  exper i m e nt al studi es,”   IET   Control Theory  Appl ., vo l/issue:  6(12), pp . 1812– 1827, 2012 .  [8]   J. Yang,  et a l . ,   “Sy s t e m Ide n t i f ic a t i on of Qua d rot o r UAV Ba se d on Ge ne t i c  Algori t h m, ”  i n   Pr oceed ings  of 20 14  IEEE Chinese G u idance, Na viga tion and  Control Conferen ce , pp . 2336–2340, 201 4.  [9]   S .  Reza zadeh ,  et  al . , “Optim al Attitude Con t rol of a Quadrotor  UAV  Using Adaptiv e Neuro-Fuzzy  Infer e nce  S y stem  ( ANFI S  ),” in  3rd International Confer ence on Control,  Instrumentatio n, and Automation ( I CCIA 2013 ) ,  pp. 219–223 , 20 13.  [10]   N.  M.  Ra ha rj a,  et al. , “Hover position quadrotor cont rol w i t h  fuzz y  log i c , ”  in  Internationa l Conference on  Infonnation  Technology, Computer and  Electrica l Eng i neering  ( l CITACEE) , pp.  89–92, 2014 .  [11]   D. Q. Truong,  et  al. , “Developm ent of a novel linear m a gnetic actuator  with trajector y  con t rol b a sed on an onlin e  tuning fu zzy  PI D controller ,”  In t.  J. Precis. Eng. Manuf. , vo l/issu e: 13(8) , pp . 140 3–1411, 2012 .  [12]   N. M. Yazdani and A. Y.  Se qerloo, “Perfor m ance Com p arison between  Classic and Intelligent Methods for  Position Control of DC Motor , ”  I n t.  J.  El ec tr . Co m put. Eng . , vol/issue: 4(3), pp. 3 66–371, 2014 .  [13]   S.  M.  Mi rz ae i  and M.  H.  Moa t ta r,  “Opt i m i z e d   PID Controller  with Bacterial F o raging Algorith m ,”  Int. J. Electr.  Comput. Eng . , v o l/issue: 5 ( 6), pp . 1372–1380 , 20 15.  [14]   S. a K. Mozaffari Niapour,  et  al. , “Brushless DC m o tor drives supplied b y  PV power s y stem  based on Z-source  inverter  and FL- I C MPPT contro ller , ”  Energy Co nvers. Manag . , v o l/issue: 5 2 (8–9) , pp . 3043–3059 , 2011.  [15]   K. A. Danapalasinga m ,  “Energy  Optim ization  of Brushed DC  M o tor in Ele c t r ic P o w e r-A ssisted, ”   J. Teknol .,  vol/issue: 70(3), pp.  63–67 ,  2014 .  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.