Resumo: Esta tese está contextualizada no âmbito de dirigíveis autônomos. Os dirigíveis são plataformas vantajosas para aplicações de longa duração devido sua capacidade de sustentar parte de seu próprio peso, reduzindo o consumo de energia. Além disso, os dirigíveis são plataformas com baixo grau de intrusão, o que é uma característica muito importante para aplicações de monitoramento ambiental. Esta tese está contextualizada dentro do projeto DRONI. Este projeto visa desenvolver um dirigível autônomo para monitoramento ambiental da reserva de Mamirauá na floresta Amazônica. Os dirigíveis são conhecidos por sua dinâmica não-linear com várias incertezas paramétricas. Esta tese propõe Controladores Incrementais (ICs) como uma solução para a malha de controle a fim de contornar os erros paramétricos de modelagem. Os controladores incrementais reduzem a sensibilidade do sistema à erros de modelagem adicionando a dependência de medição das derivadas dos estados. Consequentemente, ICs aumentam a sensibilidade do sistema aos ruídos e atrasos de medida. Adicionalmente, redundância entre atuadores e saturação devem ser levados em conta ao projetar ICs. Portanto, nesta tese, discutimos como projetar ICs apresentando soluções para estes problemas. No entanto, as malhas de controle e guiamento necessitam de informações tais como velocidade linear e angular, posição geográfica e orientação. Estas informações podem ser extraídas através de sensores inerciais (tais como girocópio, acelerômetro e magnetômetro), GPS e barômetro. Portanto, uma comparação entre diferentes técnicas de filtragem é apresentada com o objetivo de definir qual técnica melhor se encaixa às malhas de controle e guiamento. Além disso, o problema de estimação do vento é tratado. As técnicas tradionais baseadas em modelo são apresentadas e discutidas. Então, uma estratégia inovadora baseada em dados é proposta. Os resultados obtidos nos levaram a propor uma estratégia invadora resultado da fusão entre a técnica baseada em modelo e a técnica baseada em dados, resultando em um técnica híbrida de estimação de vento. Finalmente, o problema de guiamento é tratado. Uma versão modificada da estratégia Line-of-sight é apresentada. Esta estratégia recebeu adaptações para considerar as restrições cinemáticas do dirigível e seu comportamento variante no tempo quando em transição entre voo pairado e voo cruzeiro. Como resultado final, obtivemos um sistema em malha fechada composto por Guiamento, Controle e Estimação. Como demonstrado nos resultados de simulação, a arquitetura de controle proposta é capaz de cobrir todas as fases de voo do dirigível em uma missão completa, nomeadamente: voo cruzeiro, voo pairado, decolagem e aterrissagem vertical Ver menos

Abstract: This thesis is in the context of autonomous airships. Airships are advantageous platforms for long duration missions because the lifting gas sustain part of the vehicle weight, reducing energy consumption. Also, airships are platforms with low degree of intrusion in the environment, which is an important characteristic for environmental monitoring applications. This thesis is placed in the context of the project DRONI. This project aims to develop an autonomous airship for the enviromental monitoring in the Mamirauá reserve in Amazon rainforest. Airships are known to have a nonlinear dynamics with many uncertain parameters. The identification of such parameters require complex testing, such as wind tunnel tests. This thesis proposes Incremental Controllers (ICs) as a solution for the control loop in order to overcome the modeling lack. ICs reduce the sensitivity to model uncertainties by adding the dependency of derivative measuring, which increases the sensitivity to measurement noise and delay. Furthermore, actuator redundancy and saturation are issues when designing ICs for airships. Therefore, in this thesis, we discuss how to design ICs presenting solutions for the design issues mentioned before. Nevertheless, the control and guidance loops require access to linear and angular velocities. Meanwhile, the guidance must have access to positions, attitude, and incident wind in the airship body. These information can be retrieved by inertial sensors (such as gyroscope, accelerometer and magnetometer), GPS, and barometer. Thus, a comparison between different filtering strategies is presented in order to define which technique provides better feedback for the control and guidance loops. Also, the wind estimation problem is addressed. Traditional model-based estimators are presented, then a data-driven strategy is proposed. The results obtained led us to propose a novel estimation strategy that performs a fusion between both model-based and data-driven approaches resulting in a hybrid version of a wind estimator. Finally, the guidance problem is addressed. A modified version of the so-called Line-of-sight strategy is presented. This strategy receives adaptations for considering the kinematic restrictions of the airship and the varying behavior when transitioning between hovering and cruise flights. As a final result, we obtained a closed loop system addressing Guidance, Control and Estimation problems. As demonstrated in simulation results, this final control architecture is capable of covering all flight phases of a complete mission, namely: cruise, hovering, vertical take-off and landing Ver menos