Pseudo-spectral optimal solvers are used to optimize numerically a performance index of a dynamical system with differential constraints. Although these solvers are commonly used for space vehicles and space launchers for trajectory optimization, few experimental papers exist on optimal control of small airships. The objective of this thesis is to evaluate the use of a pseudo-spectral optimal control solver for generating dynamically constrained, minimal time trajectories. A dynamical model of a small airship is presented, with its experimental virtual mass, drag and motor experimentally modeled. The problems are solved in PSOPT, a pseudo-spectral optimal control code. Experimental tests with a small scale model are performed to evaluate the generated paths. Although drift occurs, as a consequence of an open loop control, the vehicle is capable of following the path. This results of this thesis may find uses in verifying how close to optimal discreet path planners are, to plan complex trajectories on short distances, or to generate dynamic maneuverer such as take-off or landing. Ultimately, improving path planning of small airships will improve their safety, maneuverability and flight-time, which makes them fit for scientific monitoring, for search and rescue, or as mobile telecommunications platforms.

Orientadores: Paulo Augusto Valente Ferreira, Ely Carneiro de Paiva / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Eletrica e de Computação / Made available in DSpace on 2018-08-04T03:59:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Faria_BrunoGuedes_M.pdf: 2340545 bytes, checksum: 440ff7a9aa46f5a39514e81423363750 (MD5) Previous issue date: 2005 / Resumo: Nos últimos anos tem-se observado um crescente interesse de empresas e instituições de pesquisa pelo desenvolvimento de veículos robóticos, dotados de diferentes níveis de capacidade de operação autônoma, objetivando a execução de diversas tarefas. Dentro deste contexto o CenPRA, Centro de Pesquisas Renato Archer, propôs o Projeto AURORA. O Projeto AURORA (Autonomous Unmanned Remote mOnitoring Robotic Airship) tem como seu principal objetivo o desenvolvimento de protótipos de veículos aéreos tele-operados, e a obtenção de veículos telemonitorados, através do desenvolvimento de sistemas com graus de autonomia crescentes. Para que se possam agregar níveis crescentes de autonomia ao veículo, é essencial incrementar seu sistema de controle e navegação de maneira gradativa. Por esse motivo o aprimoramento das estratégias de controle do sistema é essencial. Assim, é primordial possuir um modelo fidedigno do sistema físico em questão, pois somente dessa forma é possível elaborar leis de controle e testá-las imediatamente em simulação antes de partir para os ensaios práticos no veículo real. Além disso, um modelo adequado é essencial para a simulação do vôo do dirigível de forma a permitir a análise preliminar de seu comportamento diante de uma nova missão. O principal objetivo deste trabalho é a implementação e validação de metodologias para a identificação do modelo dinâmico longitudinal do dirigível. Foram abordadas três metodologias para a identificação do modelo dinâmico do dirigível: a identificação estacionária, que identifica os coeficientes aerodinâmicos do dirigível a partir de um vôo estacionário, a identificação dinâmica, que identifica esses coeficientes e a dinâmica linearizada do veículo a partir de um vôo com entradas de perturbação conhecidas e, finalmente, a identificação por meio de estratégias evolutivas, que procura otimizar alguns parâmetros do modelo dinâmico. As três metodologias foram testadas, validadas e comparadas através de ensaios de simulação, utilizando-se o simulador do dirigível AS800 do Projeto AURORA / Abstract: In recent years many research institutions and companies have been demonstrating a growing interest in the development of unmanned aerial vehicles with different autonomous operation levels in order to allow for the performance of many types of tasks. Within this context, CenPRA (Renato Archer Research Center) proposed the Project AURORA. Project AURORA (Autonomous Unmanned Remote Monitoring Robotic Airship) aims at the development of unmanned airships remotely operated with a view to the creation of an autonomous flight airship by the incorporation of increasing levels of autonomy. In order to increase the vehicle autonomy level, the development of a proportionally enhanced control and navigation systems is essential. It is extremely important to have a very accurate model of the physical airship system, given that this is the only way to design control laws for the vehicle and test them in simulation before performing actual flight tests. Moreover, an accurate model is essential to predict the vehicle behavior in simulation before any real flight demanding a new type of mission. The definition of identification methodologies for the AS800 airship system identification is the main scope of this work. Three methodologies were considered to allow the airship dynamic model identification: stationary identification, which identifies aerodynamic coefficients from stationary stabilized flight conditions; dynamic identification, which identifies these coefficients and the vehicle linear dynamics from the application of known inputs into the system; and, finally, through evolution strategies, which uses an evolutionary approach for the optimization of the aerodynamic coefficients of the dynamic model. All the methodologies were tested, validated and compared through simulation experiments by using the AS800 airship simulator of the Project AURORA / Mestrado / Automação / Mestre em Engenharia Elétrica