Design and control of an internally-actuated rover with soil parameter estimation

This work aims to analyze the design, the modelling, the control, and the soil parameter estimation logic of an internally actuated rover, particularly useful in microgravity conditions, in which the wheeled rovers fail. As far as the design is concerned, particular attention is given to being able to realize the various drive systems respecting the constraints imposed by the specific application, mainly regarding the small dimensions involved, leading to the need to opt for micromechanical components. The modeling is carried out by analytically calculating the equations of motion of the three-dimensional nonlinear system without using multibody softwares but, instead, using 3D kinematics and Lagrange equations, resulting in a computationally efficient and tailored algorithm. The control is designed in an optimal manner using a linear quadratic regulator, considering perfectly rigid soil, highlighting the critical aspects of its application in non-ideal ground conditions, identifying a parametric model of the mechanical response of the soil. In order to make the exploration of celestial bodies possible in the presence of unfavorable terrain, a soil parameter estimation logic is presented consisting of different phases capable of estimating them in real time together with the state of the system, through an extended Kalman filter and least squares etimation.

In questo lavoro vengono affrontate la progettazione, la modellizzazione, il controllo, e la logica di stima dei parametri del terreno per quanto riguarda un prototipo di rover internamente azionato, particolarmente utile in condizioni di microgravità in cui i rover dotati di ruote falliscono. Per quanto riguarda la progettazione, particolare attenzione viene posta nel riuscire a realizzare i vari sistemi di azionamento rispettando i vincoli imposti dalla specifica applicazione, principalmente per quanto riguarda le scarse dimensioni a disposizione, portando alla necessità di optare per componenti di micromeccanica. La modellizzazione viene effettuata calcolando in maniera analitica le equazioni del moto del sistema nonlineare tridimensionale, senza l'ausilio di software multibody, ma utilizzando la cinematica 3D e le equazioni di Lagrange, risultando in un algoritmo computazionalmente efficiente e su misura. Il controllo è progettato in maniera ottimale tramite regolatore lineare quadratico, considerando terreno perfettamente rigido, evidenziando le criticità della sua applicazione in condizioni di suolo non ideali, identificando un modello parametrico della risposta meccanica del suolo. Allo scopo di rendere possibile l'esplorazione di corpi celesti in presenza di suolo sfavorevole viene presentata una logica di stima del parametri del terreno composta da diverse fasi in grado di stimarli in tempo reale insieme allo stato del sistema, tramite filtro di Kalman esteso e il metodo dei minimi quadrati.