Three full-state optimal controllers are proposed to fulfill the requirements of flying an indoor holonomic airship in real-time, namely, hovering control, set-point control and continuous reference tracking. In the hovering control design, the airship is assumed to be a quasi stationary plant, and an infinite horizon linear quadratic regulator (LQR) operating in again scheduling manner is employed. Meanwhile, a controller based on the state-dependent Riccati equation (SDRE) and ad hoc feedforward compensation is synthesized to tackle the set-point control problem. Lastly, a continuous tracker is dedicated to rejecting alldisturbances along any given reference trajectory. With reasonable computation cost, the proposed controllers show significant advantages over the PD controller in both simulationand real flights. A state estimator designed with the unscented Kalman filter is also implemented in this work. The purpose is to track the airship state for the feedback loop and other navigation tasks by fusing information from the on-board (an inertia measurement unit and a laser range finder) and/or o-board (an infra-red based motion capture system) sensors. A loosely coupled sensor fusion scheme is employed and validated in experiments. / Trois méthodes optimales de commande à retour d'état complet sont proposées ici afin d'accomplir les exigences du vol intérieur d'un ballon dirigeable holonomique, et ceci, en temps réel. Les manoeuvres exigées incluent le maintien d'une position stationnaire, le mouvement vers un point et suivant une trajectoire continue. Pour la régularisation, un modèle quasi-stationnaire du ballon est assumé et un régulateur quadratique-linéaire (LQR) à horizon infini est utilisé dans un mode d'échelonnage des gains. De plus, les mouvements vers un point sont accomplis en se basant sur le retour d'état pour résoudre l'équation de Riccati qui en dépend et pour compenser la dynamique non-linéaire. Finalement, les perturbations autour d'une trajectoire continue sont rejetées par une méthode dédiée afin de suivre cette trajectoire. Preuves expérimentales et simulées à l'appui, ces méthodes de commande démontrent des avantages significatifs par rapport aux méthodes classiques de commande porportionelle-dérivée (PD), et ceci, avec des exigences modérées sur le système informatique. Ce travail de thèse démontre aussi l'utilisation d'un filtre de Kalman non-parfumé (UKF) pour estimer l'état du système. Cette estimation produit le retour d'ètat complet nècessaire aux mèthodes de commande et à d'autres tâches de navigation en combinant les mesures de différents systèmes enbarqués (système inertiel et télédétecteur par laser) et non-embarqués (système de capture du mouvement à l'infra-rouge). Une méthode de fusion sensorielle à séparation partielle est utilisée et validée expérimentalement.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.106573 |
| Date | January 2012 |
| Creators | Yang, Yin |
| Contributors | Inna Sharf (Internal/Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Master of Engineering (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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