Attitude control design for an internally actuated robot with microgravity emulation

Internally actuated robots are widely used in the exploration of small celestial bodies, due to the fact that low friction forces in microgravity do not allow the employment of wheeled rovers. Such robots use the principle of conservation of angular momentum to transfer the energy from internal flywheels to the full robot body, making them able to move on the terrain by jumping, hopping, tumbling and twisting. In this thesis, the jump phases of the robot have been analysed by considering the effect of the ground parameters on the initial hopping manoeuvre, with a focus on the design of an attitude control for the flight phase, with the aim to stabilize the attitude of the robot and to significantly improve the final position after landing and minimize subsequent rebounds. The control uses the robot’s flywheels for actuation that, thanks to angular moment conservation, allows to influence the attitude of the robot, whose states are achieved throw IMU sensors. In addition, an experimental test-bed that emulates microgravity is designed with a view to future tests on the behaviour of the proposed logics when the robot jumps. This is done by reproducing the desired microgravity level with a force control on the vertical direction. On the horizontal axes, a gantry control is applied to enable the tracking of all the hopping phases (jump, flight phase, landing). The models and controls developed are tested in Simulink, in which sensors noises and motors saturations are included, and they show a good result in terms of both attitude control effectiveness and microgravity emulation.

I robot azionati internamente sono ampiamente utilizzati nell'esplorazione di piccoli corpi celesti, in quanto le basse forze di attrito in microgravità non consentono l'impiego di rover su ruote. Tali robot utilizzano il principio della conservazione della quantità di moto angolare per trasferire l'energia dai volani interni al corpo intero del robot, rendendoli in grado di muoversi sul terreno grazie a manovre di hopping, tumbling, twisting e torpedo. In questa tesi, le fasi di salto del robot sono state analizzate considerando l'effetto dei parametri del terreno sulla manovra iniziale di salto, con particolare attenzione alla progettazione di un controllo di assetto per la fase di volo, con l'obiettivo di stabilizzare l'assetto del robot e migliorare significativamente la posizione finale dopo l'atterraggio e minimizzare i rimbalzi successivi. Il controllo utilizza i volani del robot per l'azionamento che, grazie alla conservazione del momento angolare, permette di influenzare l'assetto del robot, i cui stati sono raggiunti attraverso sensori IMU. Inoltre, viene progettato un banco di prova sperimentale che emula la microgravità in vista di futuri test sul comportamento delle logiche proposte. Questo viene fatto riproducendo il livello di microgravità desiderato con un controllo in forza nella direzione verticale. Sugli assi orizzontali, viene applicato un controllo gantry per consentire il tracciamento di tutte le fasi di salto (salto, fase di volo, atterraggio). I modelli e i controlli sviluppati sono testati in Simulink, in cui sono inclusi i rumori dei sensori e la saturazione dei motori, e mostrano un buon risultato sia in termini di efficacia del controllo dell'assetto che di emulazione della microgravità.