Riassunto analitico
The removal of space debris represents one of the substantial challenges for future space missions.
The development and the validation of novel technologies to tackle this problem requires a simulator capables to reproduce the space conditions on ground.
For example, robotic systems can be used to simulate the dynamics of free-floating bodies in gravity-free conditions.
The control of such systems is negatively affected by the presence of time delays in the control-loop and the discretization of the control inputs.
These factors cause an increase in energy of the system, thence instability.
In order to address the possible instability in the control of free-floating rigid bodies dynamics rendered by a robotic simulator, the thesis analyzes a simplified model of the robotic system, in which it has been calculated the minimum mass achievable on an admittance controller following a pole location analysis approach.
Then three energy-based control strategies are implemented to compensate the time delay and to accurately simulate the dynamics of a free-floating body.
The considered methods, namely time domain passivity approach, energy tank and wave variable, allow one to obtain system stability exploiting the passivity.
The benefits and the drawbacks of each controller are evaluated in a performance and robustness study.
The proposed solutions are validated in a simulation environment and experimentally on a single degree of freedom robot.
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Abstract
La raccolta dei detriti nello spazio rappresenta una delle più importanti sfide per le missioni spaziali future.
Lo sviluppo di nuove strategie per affrontare questo problema richiedono di riprodurre lo scenario operativo spaziale sulla Terra.
Nello specifico, i sistemi robotici sono usati per simulare la dinamica di un corpo flottante in assenza di gravità.
Il controllo di tali sistemi è affetto negativamente dalla presenza del tempo di ritardo nel loop di controllo e dalla discretizzazione dei segnali.
Questi fattori causano un aumento di energia nel sistema, generando quindi instabilità.
Per affrontare la possibile generazione di comportamenti instabili nel controllo di un corpo rigido flottante, la tesi analizza un modello semplificato di un sistema robotico, nel quale è stato calcolato la minima massa raggiungibile con un controllore di ammettenza, seguita da una analisi sulla locazione dei poli (pole location analysis).
Quindi tre strategie di controllo basate su metodi energetici sono state implementate per identificare e compensare gli effetti della instabilità e per simulare accuratamente la dinamica del corpo flottante.
I metodi presentati, più precisamente time domain passivity approach, energy tank e wave variable, permettono di ottenere un sistema stabile sfruttando il criterio della passività.
I vantaggi e svantaggi di ogni controllore sono stati esaminati con uno studio sulle performance e sulla robustezza.
Le soluzioni presentate sono state validate in un ambiente simulato e sperimentate su un robot ad un singolo grado di libertà.
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