<p> Motivated by the increasing need to monitor safety-critical systems subject to uncer-<br> tainties, a novel set-membership approach is proposed to estimate the state of a dynamical<br> system with unknown-but-bounded exogenous inputs. By fully utilizing the system struc-<br> tural information, the proposed algorithm can address both computational efficiency and<br> estimation accuracy without requiring restrictive conditions on the system. Particularly,<br> the system is first decomposed into the strongly observable subsystem and the weakly un-<br> observable subsystem. To make full use of the subsystem’s properties, a set-membership<br> observer based on the unknown input observer and an ellipsoidal set-membership observer<br> are designed for the two subsystems, respectively. Then, the resulting set estimates from<br> each subsystem are fused and transformed to obtain the set estimate for the original system,<br> which is guaranteed to bound the actual system state. The conditions for the boundedness<br> of the proposed set estimate are discussed, and the proposed set-membership observer is also<br> tested numerically using illustrative examples.</p>

Thesis (PhD (Electrical and Electronic Engineering))--Stellenbosch University, 2008. / A strategy for the design of an effective, practically feasible, robust, computationally efficient autopilot for three dimensional manoeuvre flight control of Unmanned Aerial Vehicles is presented. The core feature of the strategy is the design of attitude independent inner loop acceleration controllers. With these controllers implemented, the aircraft is reduced to a point mass with a steerable acceleration vector when viewed from an outer loop guidance perspective. Trajectory generation is also simplified with reference trajectories only required to be kinematically feasible. Robustness is achieved through uncertainty encapsulation and disturbance rejection at an acceleration level. The detailed design and associated analysis of the inner loop acceleration controllers is carried out for the case where the airflow incidence angles are small. For this case it is shown that under mild practically feasible conditions the inner loop dynamics decouple and become linear, thereby allowing the derivation of closed form pole placement solutions. Dimensional and normalised non-dimensional time variants of the inner loop controllers are designed and their respective advantages highlighted. Pole placement constraints that arise due to the typically weak non-minimum phase nature of aircraft dynamics are developed. A generic, aircraft independent guidance control algorithm, well suited for use with the inner loop acceleration controllers, is also presented. The guidance algorithm regulates the aircraft about a kinematically feasible reference trajectory. A number of fundamental basis trajectories are presented which are easily linkable to form complex three dimensional manoeuvres. Results from simulations with a number of different aircraft and reference trajectories illustrate the versatility and functionality of the autopilot. Key words: Aircraft control, Autonomous vehicles, UAV flight control, Acceleration control, Aircraft guidance, Trajectory tracking, Manoeuvre flight control.

Thesis (MScEng (Electrical and Electronic Engineering))--University of Stellenbosch, 2010. / ENGLISH ABSTRACT: This thesis presents the development and implementation of a position based kinematic guidance system, the derivation and testing of a Dynamic Pursuit Navigation algorithm and a thorough analysis of an aircraft’s runway interactions, which is used to implement automated take-off of a fixed wing UAV. The analysis of the runway is focussed on the aircraft’s lateral modes. Undercarriage and aerodynamic effects are first analysed individually, after which the combined system is analysed. The various types of feedback control are investigated and the best solution suggested. Supporting controllers are designed and combined to successfully implement autonomous take-off, with acceleration based guidance. A computationally efficient position based kinematic guidance architecture is designed and implemented that allows a large percentage of the flight envelope to be utilised. An airspeed controller that allows for aggressive flight is designed and implemented by applying Feedback Linearisation techniques. A Dynamic Pursuit Navigation algorithm is derived that allows following of a moving ground based object at a constant distance (radius). This algorithm is implemented and verified through non-linear simulation. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hierdie tesis handel oor die ontwikkeling en toepassing van posisie-afhanklike, kinematiese leidings-algoritmes, die ontwikkeling van ’n Dinamiese Volgings-navigasie-algoritme en ’n deeglike analise van die interaksie van ’n lugraam met ’n aanloopbaan sodat outonome opstygprosedure van ’n vastevlerk vliegtuig bewerkstellig kan word. Die bogenoemde analise het gefokus op die laterale modus van ’n vastevlerk vliegtuig en is tweeledig behartig. Die eerste gedeelte het gefokus op die analise van die onderstel, terwyl die lugraam en die aerodinamiese effekte in die tweede gedeelte ondersoek is. Verskillende tipes terugvoerbeheer vir die outonome opstygprosedure is ondersoek om die mees geskikte tegniek te bepaal. Addisionele beheerders, wat deur die versnellingsbeheer gebaseerde opstygprosedure benodig word, is ontwerp. ’n Posisie gebaseerde kinematiese leidingsbeheerstruktuur om ’n groot persentasie van die vlugvermoë te benut, is ontwikkel. Terugvoer linearisering is toegepas om ’n lugspoedbeheerder , wat in staat is tot aggressiewe vlug, te ontwerp. ’n Dinamiese Volgingsnavigasie-algoritme wat in staat is om ’n bewegende grondvoorwerp te volg, is ontwikkel. Hierdie algoritme is geïmplementeer en bevestig deur nie-lineêre simulasie.

L'aboutissement aux Commandes de Vol Électriques (CDVE) des avions civils actuels s'est fait par étapes, après une longue maturation des différentes technologies mises en place. La prochaine étape est l'utilisation de communications intégralement numériques et d'actionneurs intelligents. Cette thèse propose de nouvelles architectures, en rupture avec l'état de l'art, avec de nouvelles répartitions des fonctions intelligentes entre l'avionique centrale (calculateurs de commandes de vols) et l'avionique déportée (électroniques locales des actionneurs) dont l'avantage est d'exiger moins de ressources par rapport aux architectures conventionnelles tout en satisfaisant les mêmes exigences de sécurité et de disponibilité ainsi que les exigences croissantes en fiabilité opérationnelle de la part des compagnies aériennes. La sûreté de fonctionnement et la robustesse des nouvelles architectures proposées ont été validées respectivement sous OCAS/Altarica et Matlab/Simulink. / The current civil aircraft's electrical flight control has been changed to take benefit of technical improvements. New technologies, when mature, can be incorporated in aircrafts. Evolutions are considered towards a digital communication and intelligent actuators. This thesis is aiming at proposing alternative architectures with distribution of system functionality between flight control computers and actuators with less hardware and software resources. New architectures must meet the same safety and availability requirements with additional operational reliability (required by airlines). Dependability and robustness of new architectures have been validated trough respectively OCAS / AltaRica and Matlab / Simulink

Compte tenu de la forte croissance du trafic aérien aussi bien dans les pays émergents que dans les pays développés soutenue durant ces dernières décennies, la satisfaction des exigences relatives à la sécurité et à l’environnement nécessite le développement de nouveaux systèmes de guidage. L’objectif principal de cette thèse est de contribuer à la synthèse d’une nouvelle génération de lois de guidage pour les avions de transport présentant de meilleures performances en terme de suivi de trajectoire. Il s’agit en particulier d’évaluer la faisabilité et les performances d’un système de guidage utilisant un référentiel spatial. Avant de présenter les principales approches utilisées pour le développement de lois de commande pour les systèmes de pilotage et de guidage automatiques et la génération de directives de guidage par le système de gestion du vol, la dynamique du vol d’un avion de transport est modélisée en prenant en compte d’une manière explicite les composantes du vent. Ensuite, l’intérêt de l’application de la commande adaptative dans le domaine de la conduite automatique du vol est discuté et une loi de commande adaptative pour le suivi de pente est proposée. Les principales techniques de commande non linéaires reconnues d’intérêt pour le suivi de trajectoire sont alors analysées. Finalement, une loi de commande référencée dans l’espace pour le guidage vertical d’un avion de transport est développée et est comparée avec l’approche temporelle classique. L’objectif est de réduire les erreurs de poursuite et mieux répondre aux contraintes de temps de passage en certains points de l’espace ainsi qu’à une possible contrainte de temps d’arrivée / Safety and environmental considerations in air transportation urge today for the development of new guidance systems with improved accuracy for spatial and temporal trajectory tracking.The main objectives of this thesis dissertation is to contribute to the synthesis of a new generation of nonlinear guidance control laws for transportation aircraft presenting enhanced trajectory tracking performances and to explore the feasibility and performances of a flight guidance system developed within a space-indexed reference with the aim of reducing tracking errors and ensuring the satisfaction of overfly time constraints as well as final arrival time constraint. Before presenting the main approaches for the design of control laws for autopilots and auto-guidance systems devoted to transport aircraft and the way current Flight Management Systems generates guidance directives, flight dynamics of transportation aircraft, including explicitly the wind components, are presented. Then, the interest for adaptive flight control is discussed and a self contained adaptive flight path tracking control for various flight conditions taking into account automatically the possible aerodynamic and thrust parametric changes is proposed. Then, the main recognized nonlinear control approaches suitable for trajectory tracking are analyzed. Finally an original vertical space-indexed guidance control law devoted to aircraft trajectory tracking is developed and compared with the classical time-indexed approach

L'objectif de cette thèse est d'optimiser l'utilisation d'actionneurs redondants pour un avion de transport lorsqu’une défaillance des actionneurs arrive en vol. La tolérance aux pannes résulte ici de la redondance des actionneurs présents sur l’avion. Différents concepts et méthodes classiques liés aux chaînes de commande de vol tolérantes aux pannes sont d'abord examinés et de nouveaux concepts utiles pour l'analyse requise sont introduits. Le problème qui est abordé ici est de développer une méthode de gestion des pannes des commandes de vol dans le cas d'une défaillance partielle des actionneurs, qui va permettre à l'avion de poursuivre en toute sécurité la manœuvre prévue. Une approche de commande en deux étapes est proposée et appliquée à la fois à l'évaluation de la manoeuvrabilité restante et à la conception de structures de commande tolérante aux pannes. Dans le premier cas, une méthode d'évaluation hors ligne des qualités de vol basée sur la commande prédictive est proposée. Dans le second cas, une structure de commande tolérante aux pannes basée sur la commande non linéaire inverse et la réaffectation des actionneurs en ligne est développée. Dans les deux cas, un problème de programmation linéaire quadratique (LQ) est formulé. Différents cas de pannes sont considérés lorsqu'un avion effectue une manoeuvre classique. Trois solveurs numériques sont appliqués aux solutions en ligne et hors ligne des problèmes LQ qui en résultent. / The objective of this thesis is to optimize the use of redundant actuators for a transportation aircraft once some actuators failure occurs during the flight. Here, the fault tolerant ability resulting from the redundant actuators is mainly considered. Different classical concepts and methods related to a fault tolerant flight control channel are first reviewed and new concepts useful for the required analysis are introduced. The problem which is tackled here is to develop a design methodology for fault tolerant flight control in the case of a partial actuator failure which will allow the aircraft to continue safely the intended maneuver. A two stages control approach is proposed and applied to both the remaining maneuverability evaluation and a fault tolerant control structure design. In the first case, an offline handling qualities assessment method based on Model Predictive Control is proposed. In the second case, a fault tolerant control structure based on Nonlinear Inverse Control and online actuator reassignment is developed. In both cases, a Linear Quadratic (LQ) programming problem is formulated and different failure cases are considered when an aircraft performs a classical maneuver. Three numerical solvers are studied and applied to the offline and online solutions of the resulting LQ problems.

La prochaine génération d’avions civil sera probablement une révolution en termede configuration d’avion, différant largement de l’architecture désormais classique “fuselage- ailes- moteurs sous voilure”. Du point de vue des qualités de vol, la tendance actuelle est d’évoluer versdes avions de moins en moins stables, à la fois en longitudinal et latéral. Il est dès lors probableque les futurs avions ne seront pas directement contrôlables par un humain sans l’apport de lois decommande stabilisantes. Il devient alors nécessaire de considérer l’apport des systèmes de commandesde vol très tôt dans la conception de l’avion, notamment pour le dimensionnement desempennages, gouvernes et actionneurs, contrairement au processus actuel qui ne prend principalementen compte que des critères “boucle ouverte” d’équilibre en phase de conception préliminaire.Plutôt qu’un processus itératif de dimensionnement puis synthèse de lois de commande, nousproposons d’optimiser simultanément les tailles de gouvernes, actionneurs et commandes de volen tenant compte des instabilités longitudinales et latérales, ainsi que des contraintes industriellessur la structure de correcteurs, sur un cas d’application de type aile volante. Ce processus de“co-design” permet de dimensionner des paramètres physiques de l’avion en tenant compte desapports d’une boucle de retour pour contrer des perturbations externes telles que de la turbulenceatmosphérique, permettant un avion plus sûr et optimal. / Next generation of civil transport aircraft is likely to be a radical change in overallconfiguration compared to traditional tube-and-wing design. From a handling qualities perspective,current trend in modern airliners is to evolve towards more and more unstable aircraft, bothfrom longitudinal and lateral-directional point of view. As a consequence future aircraft may notbe controllable by human operator without stabilizing control laws. It then becomes necessaryto consider flight control systems contribution early in the design phase for control surfaces,empennages and actuators sizing, as opposed to traditional way of working dealing only withopen-loop criteria for preliminary sizing. Instead of an iterative process of sizing and controllaws synthesis, we propose to concurrently optimize control surfaces, actuators and flight controllaws taking into account longitudinal and lateral instability as well as industrial structure forcontrollers, for unstable configurations such as Blended Wing-Body (BWB). This “co-design”procedure enables sizing of physical aircraft parameters taking into account benefits from feedbackstabilization for counteracting external disturbance such as atmospheric turbulence, thus leadingto safer and more optimal aircraft configurations.

Cette étude est le résultat d’une thèse CIFRE de trois ans entre le bureau d’étude d’Airbus (domaine du contrôle de l’avion) et le laboratoire TéSA à Toulouse. L’objectif principal est de proposer, développer et valider une solution logicielle pour la détection et le diagnostic d’un type spécifique de vibrations des gouvernes de profondeur et direction, appelée oscillation en cycle limite (limit cycle oscillation ou LCO en anglais), basée sur les signaux existants dans les avions civils. LCO est un terme mathématique générique définissant un mode périodique indépendant de conditions initiales et se produisant dans des systèmes non linéaires non conservatifs. Dans cette étude, nous nous intéressons au phénomène de LCO induit par les jeux mécaniques dans les gouvernes d’un avion civil. Les conséquences du LCO sont l’augmentation locale de la charge structurelle, la dégradation des qualités de vol, la réduction de la durée de vie de l’actionneur, la dégradation du confort du poste de pilotage et de la cabine, ainsi que l’augmentation des coûts de maintenance. L’état de l’art en matière de détection et de diagnostic du LCO induit par le jeu mécanique est basé sur la sensibilité du pilote aux vibrations et sur le contrôle périodique du jeu sur les gouvernes. Cette étude propose une solution basée sur les données (issues de la boucle d’asservissement des actionneurs qui agissent sur les gouvernes) pour aider au diagnostic du LCO et à l’isolement du jeu mécanique. L’objectif est d’améliorer encore plus la disponibilité des avions et de réduire les coûts de maintenance en fournissant aux compagnies aériennes un signal de contrôle pour le LCO et les jeux mécaniques. Pour cette raison, deux solutions algorithmiques pour le diagnostic des vibrations et des jeux ont été proposées. Un détecteur en temps réel pour la détection du LCO est tout d’abord proposé basé sur la théorie du rapport de vraisemblance généralisé (generalized likelihood ratio test ou GLRT en anglais). Certaines variantes et simplifications sont également proposées pour satisfaire les contraintes industrielles. Un détecteur de jeu mécanique est introduit basé sur l’identification d’un modèle de Wiener. Des approches paramétrique (estimateur de maximum de vraisemblance) et non paramétrique (régression par noyau) sont explorées, ainsi que certaines variantes des méthodes non paramétriques. En particulier, le problème de l’estimation d’un cycle d’hystérésis (choisi comme la non-linéarité de sortie d’un modèle de Wiener) est abordé. Ainsi, les problèmes avec et sans contraintes sont étudiés. Une analyse théorique, numérique (sur simulateur) et expérimentale (données de vol et laboratoire) est réalisée pour étudier les performances des détecteurs proposés et pour identifier les limitations et la faisabilité industrielle. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus confirment que le GLRT proposé (et ses variantes / simplifications) est une méthode très efficace pour le diagnostic du LCO en termes de performance, robustesse et coût calculatoire. D’autre part, l’algorithme de diagnostic des jeux mécaniques est capable de détecter des niveaux de jeu relativement importants, mais il ne fournit pas de résultats cohérents pour des niveaux de jeu relativement faibles. En outre, des types d’entrée spécifiques sont nécessaires pour garantir des résultats répétitifs et cohérents. Des études complémentaires pourraient être menées afin de comparer les résultats de GLRT avec une approche Bayésienne et pour approfondir les possibilités et les limites de la méthode paramétrique proposée pour l’identification du modèle de Wiener. / This research study is the result of a 3 years CIFRE PhD thesis between the Airbus design office(Aircraft Control domain) and TéSA laboratory in Toulouse. The main goal is to propose, developand validate a software solution for the detection and diagnosis of a specific type of elevator andrudder vibration, called limit cycle oscillation (LCO), based on existing signals available in flightcontrol computers on board in-series aircraft. LCO is a generic mathematical term defining aninitial condition-independent periodic mode occurring in nonconservative nonlinear systems. Thisstudy focuses on the LCO phenomenon induced by mechanical freeplays in the control surface ofa civil aircraft. The LCO consequences are local structural load augmentation, flight handlingqualities deterioration, actuator operational life reduction, cockpit and cabin comfort deteriorationand maintenance cost augmentation. The state-of-the-art for freeplay induced LCO detection anddiagnosis is based on the pilot sensitivity to vibration and to periodic freeplay check on the controlsurfaces. This study is thought to propose a data-driven solution to help LCO and freeplaydiagnosis. The goal is to improve even more aircraft availability and reduce the maintenance costsby providing to the airlines a condition monitoring signal for LCO and freeplays. For this reason,two algorithmic solutions for vibration and freeplay diagnosis are investigated in this PhD thesis. Areal time detector for LCO diagnosis is first proposed based on the theory of the generalized likeli hood ratio test (GLRT). Some variants and simplifications are also proposed to be compliantwith the industrial constraints. In a second part of this work, a mechanical freeplay detector isintroduced based on the theory of Wiener model identification. Parametric (maximum likelihoodestimator) and non parametric (kernel regression) approaches are investigated, as well as somevariants to well-known nonparametric methods. In particular, the problem of hysteresis cycleestimation (as the output nonlinearity of a Wiener model) is tackled. Moreover, the constrainedand unconstrained problems are studied. A theoretical, numerical (simulator) and experimental(flight data and laboratory) analysis is carried out to investigate the performance of the proposeddetectors and to identify limitations and industrial feasibility. The obtained numerical andexperimental results confirm that the proposed GLR test (and its variants/simplifications) is a very appealing method for LCO diagnostic in terms of performance, robustness and computationalcost. On the other hand, the proposed freeplay diagnostic algorithm is able to detect relativelylarge freeplay levels, but it does not provide consistent results for relatively small freeplay levels. Moreover, specific input types are needed to guarantee repetitive and consistent results. Further studies should be carried out in order to compare the GLRT results with a Bayesian approach and to investigate more deeply the possibilities and limitations of the proposed parametric method for Wiener model identification.

<p>A dual core Atmel DIOPSIS 940 chip consists of a DSP and an ARM9 functional units in a single silicon die. This thesis presents the process of integration and assessment of using this processor in a flight control system. A complete design of the system is provided including a description of the DIOPSIS 940 from the perspective of requirements of the application. The integration of the processor with a typical set of components of a flight control system is provided. Additionally, a suite of programs required for developing software for the system is included. Capabilities of both cores of the processor are analysed in a series of experiments. Computational performance in typical tasks of a flight control system is analyzed and compared. The application of attitude stabilization for a micro-scale UAS is described.</p>

To address the concern of classical guidance and control designs (where guidance and control loops are designed separately in an “outer loop – inner loop” structure), integrated guidance and control (IGC) ideas have been proposed in the recent literature. An important limitation of the existing IGC algorithms, however, is that they do not explicitly exploit the inherent time scale separation that exist in aerospace vehicles between rotational and translational motions, and hence, can be ineffective unless the engagement geometry is close to the collision triangle. To address this, a time scale separated partial integrated guidance and control (PIGC) structure has been proposed in this thesis. In this two-loop design, the commanded pitch and yaw rates are directly generated from an outer loop optimal control formulation, which is solved in a computationally efficient manner using the recently-developed model predictive static programming (MPSP) and Model Predictive Spread Control (MPSC) techniques. The necessary roll-rate command is generated from a roll-stabilization loop. The inner loop then tracks the outer loop commands using the nonlinear dynamic inversion philosophy. However, unlike classical guidance and control designs, in both the loops the Six-DOF interceptor model is used directly. This intelligent manipulation preserves the inherent time scale separation property between the translational and rotational dynamics, and hence overcomes the deficiency of current IGC designs, while preserving the benefits of the IGC philosophy. The new approach has been applied in the terminal phase of an endo-atmospheric interceptor for engaging incoming high speed ballistic missile targets. Six–DOF simulation results will be presented accounting for a 3-D engagement geometry to demonstrate the usefulness of this method. It offers two important advantages: (i) it leads to very small (near-zero) miss distance, resulting in a “hit-to-kill” scenario and (ii) it also leads to lesser and smoother body-rate demands, relaxing the demand on actuators as well as enlarging the ‘capture region’ (which relaxes the demand on mid-course guidance). Next, to address the problem of modeling inaccuracy that is inherent in aerospace vehicles (mainly because of the inaccuracy of aerodynamic model generated from wind-tunnel testing), a neuro-adaptive design is augmented to dynamic inversion technique in the inner loop. In this design the unmodelled dynamics is adaptively captured using three neural networks in the roll, pitch and yaw channels. Training of the neural networks is carried out online using the Lyapunov stability theory, which results in stability of the inner-loop error dynamics as well as boundedness of network weights. This adaptive body rate tracking loop augmented with the sub-optimal feedback guidance loop results in substantial enhancement of interception performance in presence of realistic (i.e. fairly large) modeling uncertainties of the interceptor. The results have also been validated with representative seeker noise.