Dynamics, control and flight testing of an unmanned, finless airship

This thesis discusses a number of developments in the dynamics and control of a novel, autonomous, highly-maneuverable, finless, almost-lighter-than-air vehicle (ALTAV). The airship is inherently unstable due to absence of fins and is highly prone to winds. Four vectored thrusters are used to ensure closed-loop stability. This thesis deals with improvements made to an existing dynamics model, including the incorporation of the rotational damping moments of the airship, the drag resulting from the protuberances on the airship hull, the reaction torques and the gyroscopic moments on the airship due to the thrusters. Open-loop and closed-loop tests were designed and carried out to validate thephysical parameters that were empirically estimated, and, in general, good agreement was obtained. Furthermore, a complete controller suite that includes a low-level controller and a high-level guidance controller was designed and implemented for autonomous operation of the vehicle. Experimental testing was carried out to validate the performance of the controller suite in the presence of winds. The controller suite was shown to perform reliably even under the influence of winds of comparable magnitude to the airship's speed.Cette thèse examine le dynamique et contrôle d'un dirigeable autonome, extrêmement manoevrable, dépourvu d'ailerons et presque plus léger que l'air (ALTAV). Ce dirigeable est intrinsèquement instable dû à l'absence de surfaces stabilisatrices et aussi très succeptible au vent. Quatre propulseurs vectorisés sont utilisés pour assurer la stabilité en boucle fermée. Cette thèse concerne les améliorations au modèle dynamique existant, incluant l'incorporation des moments d'amortissements rotationnels du dirigeable, la traînée résultant des protubérances du dirigeable, les torques de réactions et moments gyroscopiques sur le dirigeable dû aux propulseurs. Des essais à boucle ouverte et boucle fermée ont été conçus et effectuées pour valider les paramètres physiques estimé empiriquement, et, en général, un bon accord a été obtenu. En outre, une suite de contrôle incluant un contrôleur à bas niveau et un contrôleur d'orientation de haut niveau a été conçu et mis en oeuvre pour l'opération autonome du véhicule. Les essais expérimentaux ont été effectués pour valider la performance de la suite de contrôle en présence de vents variables. Cet ensemble de contrôle a été c'est démontré fiable même sous l'influence de vents de vitesses comparable à la vitesse du dirigeable