Riassunto analitico
L'impiego di un satellite equipaggiato con un manipolatore robotico è riconosciuto come una tecnologia promettente per future missioni spaziali inerenti alla manutenzione in orbita di satelliti difettosi. Questa tecnologia può estendere la vita operativa di satellite non operativi o consentire una manovra di de-orbiting, mitigando l'aumento dei detriti spaziali. Tuttavia, gli algoritmi di controllo richiedono un'accurata validazione prima della missione spaziale e un simulatore affidabile, in grado di riprodurre le condizioni di microgravità a terra, è di fondamentale importanza. In questo contesto, OOS-Sim, una struttura robotica recentemente sviluppata presso il centro aerospaziale tedesco, è impiegata per supportare la validazione sperimentale degli algoritmi di controllo. Il simulatore è composta da due robot industriali controllati in ammettenza e dotati di sensori di coppia e di forza, uno dei robot industriali è equipaggiato con un manipolatore leggero. I robots industriali simulano la dinamica di un satellite in accordo ad un modello matematico. In questo genere di simulatori, i tempi di ritardo nel loop di controllo e gli effetti di discretizzazione dei segnali causano un aumento di energia rendendo il sistema potenzialmente instabile.
In questa tesi, i fattori sopra menzionati che violano il principio di conservazione dell'energia, sono identificati e corretti attraverso strategie di controllo che assicurano una simulazione dinamica a consistenza energetica, garantendo stabilità. In particolare, osservatori di energia sono sviluppati per monitorare l'attività nel sistema e controllori passivi agiscono per correggere la velocità o la forza comandata al robot. Questo approccio è inizialmente implementato per compensare gli effetti instabili causati dal tempo di ritardo presente nel loop di controllo. Successivamente, un integratore passivo ed esplicito è sviluppato per prevenire la deriva di energia causata dall'integrazione delle dinamiche in tempo discreto, sulla quale il moto del robot si basa. Infine, una struttura di controllo unificata è stata sviluppata per compensare il ritardo nel loop di controllo e la deriva di energia dovuta dall'integratore. Quindi, la strategia adottata garantisce la stabilità del robot industriale e consente di simulare dinamiche di satelliti assicurando una consistenza energetica come dimostrato da esperimenti. Pertanto, il sistema robotico può essere utilizzato come piattaforma per validare algoritmi di controllo anche per il robot spaziale.
Un ulteriore contributo della tesi è lo sviluppo e la validazione sperimentale di controllori di coppia per il robot spaziale. In particolare, un primo controllo di coppia è stato sviluppato per il manipolatore leggero montato sulla base del satellite, la quale non è attuata. Successivamente, motivati da requisiti imposti in progetti ESA inerenti a questo genere di missione spaziali, i quali impongono un controllo a bassa frequenza per l'attuazione della base, un secondo controllore di coppia è stato sviluppato per regolare il manipolatore e la sua base. In particolare, i problemi di stabilità dovuti al basso tempo di campionamento del controllore alla base sono analizzati da un punto di vista energetico e viene quindi proposto un controllore basato sulla passività. Inoltre, quest'ultimo viene esteso al caso di inseguimento di traiettorie per il manipolatore considerando gli effetti causati dai diversi tempi di campionamento dei controllori. Questo rappresenta uno scenario tipico per un robot spaziale che esegue un compito di manutenzione in orbita. Infine, i controllori sono validati con esperimenti sul simulatore robotico.
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Abstract
The use of a spacecraft equipped with a robotic manipulator is recognized as a promising technology for on-orbit servicing missions. This can extend the lifetime of a defunct satellite or accomplish a safe de-orbiting manoeuvre, thus, mitigating the problem of space debris. Control algorithms for the spacecraft equipped with the manipulator need to be validated on ground prior to the space mission. Hence, a reliable simulator capable of reproducing the microgravity conditions on ground is required. To this end, a state-of-the-art robotic facility, namely OOS-Sim was developed at the German Aerospace Center for experimental validation of space robot control algorithms. The facility is composed of two admittance-controlled industrial robots equipped with force-torque sensors to simulate model-based satellite dynamics and one of the industrial robots is equipped with a Light-Weight-robot. In such kind of robotic simulators, delays in the control loop and discretization effects of the signals can lead to an increase in energy, potentially rendering the system unstable.
In this thesis, the aforementioned factors violating the energy conservation principle are identified, isolated and addressed through control strategies to ensure energy-consistent dynamics simulation while preserving system stability. In particular, energy-observers are designed to monitor the activity in the system and passivity-based controllers are developed to correct the velocity or force commanded to the robot. This approach is firstly implemented to compensate the unstable effects caused by the time-delays inherent in the control loop. Secondly, an explicit and passive discrete-integrator is designed to prevent the energy drift caused by the integration process of the model-based dynamics, which the robot motion rely on. Finally, a unified framework is designed to compensate both the time-delay and discrete-time integration effects. As a result, the robotic simulator is rendered stable and energy-consistent while simulating satellite dynamics as proved by experiments. Hence, the simulator serves as a reliable platform to validate control algorithms for the space robot.
A further contribution of the thesis is the design and experimental validation of different torque-based controllers for the space robot arm. In particular, a torque-controller for the Light-Weight-Robot arm mounted on the non-actuated satellite-base is firstly designed. Later, driven by ESA space mission requirements, which impose a low frequency control of the base actuation, a torque-controller is designed for the regulation of the manipulator and the actuated base. In particular, stability issues due to the multi-rate controllers of the manipulator and base are analysed from an energy perspective and a passivity-based stabilizing controller is proposed. Finally, it is extended to the tracking case for the manipulator considering the multi-rate effects, which is a typical scenario for a space-robot performing servicing manoeuvres. The controllers are also validated through experiments on the reliable robotic simulator.
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