This thesis is mainly concerned with the optimal trajectory generation and nonlinear tracking control for stratospheric airship platform. Full ascent three-dimensional flight trajectory synthesis is solved to a station-keeping position with and without jet stream condition. To overcome limitations of previous studies, full point-mass equations of motion for flight mechanics of the airship are treated by considering moving wind field, added mass, and buoyancy effects. Furthermore, necessary accurate modeling is developed based on wind-tunnel test results, flight test, computational fluid dynamics analysis, and meteorological observation data. The real constraints of flight conditions and airship performance are included so that the optimal trajectories reflect the realistic conditions to the best extent possible without simplification of model and assumption. The sequential quadratic programming approach is employed as a numerical solver for both minimum flight time and minimum energy performance indices. The solutions obtained satisfy all the constraints, and represents that the minimum time trajectories are better than those of the minimum energy trajectories. To compensate the difference of mismatching between the point-mass model of optimal trajectory and 6-DOF model of the nonlinear tracking problem, new refined trajectory optimization scheme is proposed. By applying this, it reduces the dissimilarity of both problems and leads to decrease the number of uncertainties existing on the nonlinear equations of motion in stratospheric airship. In addition, its refined optimal trajectories supplies better results of non-sensitive to the variation of jet stream during the flight. Finally, 6-DOF nonlinear equations of motion are derived including the moving wind field and vectorial backstepping approach is applied based on Lyapunov stability. Its good performance also opens the possibilities to apply the nonlinear methodologies to follow the refined optimal trajectories successfully.
본 논문에서는 현재까지 미미한 연구가 수행된 성층권비행선의 비행궤적 최적화와 비선형 추종 제어 문제를 다루었다. 성층권 비행선이 고도 20 km 이상의 성층권에서 장기간 정점체공 (station-keeping)을 하기 위해서는 지상에서 정점체공 위치까지 정밀하게 유도되어야 하며, 상대적으로 낮은 비행속도 및 성능을 갖는 대형 성층권 비행선의 경우 지상 10-20km 사이에 존재하는 평균속도 40m/s 이상의 제트 스트림 영역을 통과하여야 하므로 최적의 비행궤적 산출은 아주 중요한 문제가 된다. 제트 스트림을 고려한 최적궤적 문제을 산출하기 위해, 우선 바람의 효과를 포함하는 3차원 질점 운동방정식을 유도하고 비행선의 고유특성인 가상질량, 부력, 부력중심의 이동 및 제트 스트림 모델링 등 실제적인 비행운동 모델을 정립하였다. 비행시간 최소화 및 조종 에너지 최소화를 목적함수로 설정하고, 동적 최적문제에 파라미터 최적화 기법을 적용하여 지상에서 고도 20 km까지의 3차원 최적 비행궤적을 산출하고 제트 스트림의 영향을 분석하였다. 또한 최적화 과정 중 대상 비행선의 성능과 공역문제 등 실제 비행조건을 고려한 다양한 구속조건을 적용하여 현재까지 수행된 이전 연구들에서 제시되지 않은 3차원 최적결과를 제시하였다. 또한 산출된 최적궤적을 실제 비선형 추종제어기의 기준궤적으로 사용하기 위한 적합 (matching) 최적궤적 산출방법을 새롭게 제안하여, 실제 질점 운동방정식을 통해 얻은 최적궤적을 비선형 추종제어기의 6자유도 비선형운동방정식의 기준궤적으로 적용할 수 있도록 하였다. 제안된 방법은 궁극적으로 제트스트림의 영향이 최소화된 궤적을 제공하며, 비선형 추종제어기 구성시 미지 변수들을 제거하는 장점을 제공한다. 비선형 추종제어기의 경우는 제트 스트림의 효과를 고려한 비선형 6자유도 방정식을 벡터 표현으로 유도하고, 리아프노프 안정성을 만족시키는 백스테핑 제어기를 기법을 제시하였다. 제안된 벡스테핑 제어기의 성능은 적합 최적궤적 산출방법을 통해 얻은 최소비행시간 최적궤적을 기준궤적으로 적용하여 그 결과를 통해 입증하였다.
