Towards safe and reliable on-orbit autonomous operations with manipulators

Even if space robotics is considered one of the most promising technologies for on-orbit servicing missions, the use of spacecraft equipped with manipulators is still very limited. The reason lies in the complexity involved in this kind of missions, which require advanced algorithms to go through very different and demanding phases. First, the space robot has to rendezvous with a target object, which could be uncooperative and thus require the acquisition of information about the motion and physical properties. Then, an effective coordinated control of the spacecraft-manipulator ensemble is necessary, including trajectory generation and robust control schemes for both systems. A stable interaction between the robot and the target must be guaranteed during physical contact due to grasping and manipulation tasks. Moreover, unexpected collisions may occur since the robot is required to operate very close to other objects, and thus a reaction strategy should be implemented to avoid severe damages and the failure of the mission. These are only some of the challenges involved in an on-orbit autonomous robotic missions with manipulators. In this thesis, the attention is focused on the relative pose estimation problem and the physical contact handling. In particular, an high-order numerical extended Kalman filter and an unscented Kalman filter are developed in the differential algebra framework to address the relative state estimation. The improvement in the robustness provided by including nonlinear terms in the estimation process and the reduction of the computational burden thanks to the differential algebra are demonstrated through a comparison among differential-algebra-based filters and the standard counterparts. As regards the physical contact handling, an observer initially developed for humanoids is first reviewed and analyzed considering space-related issues. Then, a new observer is proposed based on a centroid-joints formulation of the space robot's dynamics. In both schemes, three momentum-based residuals are defined which can be used to reconstruct the external contact wrench. The angular and joint momentum residuals of the new observer show an interesting decoupling from the linear velocity of the spacecraft, which results in improved performance when realistic measurements are considered. Indeed, the linear velocity is not easy to acquire accurately and at high frequency in orbit. The validation of both observers have been carried out on real hardware, that is an important step towards their use in a real space scenario. Along with the contact detection and force estimation, the residuals are used to identify the location of the collision, namely to isolate the collision. Afterwards, another technique for the detection and isolation is also presented, which is based on monitoring the components of the robot's total momentum. The performance is evaluated numerically and a discussion of the pros and cons is reported. Finally, a reaction control strategy to unexpected collisions is proposed which exploits the information from the observer. Thanks to the controller, the robot, after recognizing the impact, moves away from the obstacle reaching a safe position and configuration. It is demonstrated that the controlled system is input-to-state stable, i.e. the error on the states is bounded even during the contact. The performance is assessed through a simulation example, considering a 7 degrees-of-freedom robotic arm on a 6 degrees-of-freedom moving spacecraft, equipped with thrusters and variable speed control moment gyros.

L'utilizzo in orbita di manipolatori robotici è ancora molto limitato, nonostante siano considerati una delle tecnologie più promettenti per numerose operazioni, quali l'ispezione di satelliti, l'assemblaggio di grandi strutture, il rifornimento, la manutenzione, etc. Questo è dovuto alla complessità di questo genere di missioni, che richiedono lo sviluppo di algoritmi avanzati per fronteggiare numerose fasi. Un robot spaziale può essere chiamato ad eseguire un rendezvous con un oggetto target, che potrebbe essere non cooperativo e quindi richiedere la stima del moto e delle proprietà fisiche. Inoltre, un adeguato controllo del sistema accoppiato satellite-manipolatore deve essere sviluppato, insieme ad un efficace algoritmo di generazione di traiettorie per entrambi i sistemi. È necessario garantire una stabile interazione fisica tra il robot e il target nel caso si debba svolgere manipolazione o afferrare il target. Inoltre, data la vicinanza tra i due oggetti in orbita, situazioni di collisioni inaspettate potrebbero insorgere, mettendo a rischio l'intera missione se non trattate in maniera opportuna. Queste sono solo alcune delle sfide tecnologiche che bisogna affrontare nella progettazione di una missione di servicing con robots autonomi. In questa tesi, vengono proposti alcuni algoritmi e strategie per affrontare il problema della stima della posizione ed assetto relativi e la gestione di contatti inaspettati. Un filtro di Kalman esteso di alto ordine e un filtro di Kalman uscented sono stati sviluppati utilizzando l'algebra differenziale per eseguire la stima degli stati relativi. Attraverso un confronto tra i filtri proposti e le rispettive versioni standard, viene mostrato come l'introduzione di termini non lineari nel processo di stima migliori la robustezza e come l'algebra differenziale aiuti a ridurre il peso computazionale. Per quanto riguarda la gestione di contatti inaspettati, un'osservatore sviluppato inizialmente per umanoidi è stato applicato al sistema satellite-manipolatore, considerando le problematiche relative ad uno scenario in orbita. In seguito, si è sviluppata una nuova formulazione dell'osservatore, che si basa su una dinamica centroidale del robot spaziale. In entrambi gli osservatori, il momento totale del sistema viene utilizzato per definire tre residui che possono essere sfruttati per ricostruire forza e coppia agenti sul robot a causa del contatto. Nello schema proposto, i residui calcolati a partire dai momenti angolari e dei giunti risultano essere disaccoppiati dalla misura della velocità del satellite, garantendo delle prestazioni migliori quando misure realistiche vengono considerate. Infatti, la velocità del satellite è una grandezza difficilmente misurabile accuratamente ed ad alta frequenza durante operazioni in orbita. Questi residui possono essere inoltre utilizzati per identificare il punto dove è avvenuto il contatto. Entrambi gli osservatori sono stati validati utilizzando la On-Orbit Servicing Simulator facility del DLR. I tests sperimentali rappresentano un passo importante verso l'utilizzo di queste tecniche in uno scenario spaziale reale. In seguito, un'altra tecnica viene proposta per riconoscere ed isolare il contatto, che si basa sul monitoraggio diretto delle componenti del momento totale del sistema. Le prestazioni vengono valutate attraverso simulazioni numeriche e viene fatto un confronto con gli osservatori analizzando i pro e i contro di ciascuna tecnica. Infine, è presentata una strategia di controllo per reagire al contatto indesiderato. Grazie alle informazioni derivanti dall'osservatore, il controllore comanda al robot il movimento da seguire per allontanarsi dall'ostacolo, raggiungendo una posizione e una configurazione sicure ed evitando possibili situazioni di instabilità. Viene dimostrato analiticamente che il sistema così controllato risulta essere stabile anche durante l'azione del disturbo esterno dovuto al contatto. Le prestazioni del controllore sono valutate attraverso un esempio in simulazione in cui viene modellato un sistema composto da un manipolatore a sette gradi di libertà montato su un satellite. Per controllare il moto di quest'ultimo vengono utilizzati propulsori e giroscopi a velocità variabile per il controllo della coppia.