NONLINEAR MODELING OF QUADROTOR AERIAL VEHICLE * Idris E. Putro 1 , A. Budiyono 2 , KJ. Yoon 3 ABSTRACT Quadrotor aerial vehicle is basically an unstable system and exhibits nonlinear behavior. Understanding its dynamics is therefore an essential element in developing an effective control for such a vehicle. The paper is focused on the development of nonlinear model of quadrotor dynamics derived from Newton-Euler formulation and presented in Earth-Center Earth-Fixed coordinate under Matlab/Simulink environment. Quadrotor aerial vehicle is modeled by four rotor system in cross configuration. Thrust generation from propellers is calculated using combined Momentum theory and Blade element theory approach. Gyroscopic effects and hub forces are considered for aerodynamic forces-moments contribution while ground effect is ignored to simplify the model. The adjusted rotor system sub-block modeling and parameters measurements method have been improved to increase the precision of the nonlinear quadrotor aerial vehicle model. The developed model is validated by using pertinent flight data obtained from flight experiment. Keywords: Nonlinear, modeling, quadrotor, stability augmentation system Abstrak Wahana terbang quadrotor merupakan wahana terbang yang pada dasarnya memiliki dinamika gerak yang tidak stabil dan bersifat nonlinear dalam model persamaan geraknya. Pemahaman akan dinamika terbang quadrotor ini dapat membantu untuk merancang dan mengembangkan sistem kendali yang tepat yang dapat dipakai pada wahana tersebut. Tulisan ini difokuskan untuk memaparkan perancangan dan pengembangan model nonlinear dari dinamika gerak quadrotor. Dinamika gerak quadrotor ini diturunkan dari persamaan Newton-Euler dan menggunakan tata acuan koordinat ECEF dengan Matlab/Simulink sebagai piranti lunak pemrogramannya. Model Quadrotor di buat dari empat buah sistem rotor dengan konfigurasi saling silang. Sistem rotor inilah yang akan membangkitkan gaya dorong untuk terbang. Gaya dorong dari propeller pada sistem rotor ini dihitung dengan pendekatan menggunakan kombinasi antara teori momentum dan teori blade element. Pada model ini juga dipertimbangkan efek giroskopis yang akan berpengaruh pada gaya-gaya dan moment aerodinamika, sedangkan faktor ground effect diasumsikan sangat kecil sehingga dapat diabaikan.Pemodelan sistem rotor pada quadrotor ini dilakukan dengan melakukan beberapa pengukuran untuk mendapatkan parameter yang sesuai dengan kondisi sebenarnya, sehingga keakurasian model sistem rotor dapat meningkatkan pula keakurasian model nonlinear quadrotor. Validasi model kemudian dilakukan dengan membandingkan hasil keluaran dari simulasi dengan data terbang. 1. INTRODUCTION Autonomous unmanned aerial vehicle (UAV) have increasingly become interesting topic for robotics research in recent years. One of the most active areas is the autonomous control system development for quadrotor UAVs. This autonomous vehicle can be used in various application and provide a lot of benefits. Quadrotor is suitable for surveillance, remote inspection, disaster management and defense or security support mission all done in a small foot-print. Quadrotor aerial vehicle is a typically mini aerial vehicle, agile four-rotor system, with two pairs of counter-rotating rotors, and to be controlled by varying relative speed of each propeller. It has the 1 Guidance anc Control Division, National Institute of Aeronautics and Space, Indonesia 2,3 Professor of Aerospace Engineering Dept, Konkuk University, Seoul, Korea