Dynamics and control of a spacecraft manipulator system : analysis, simulation and experiments

Having a manipulator mounted on a spacecraft can enormously expand the capabilities of a satellite, opening new scenarios of application. JAXA ETS VII mission proved the feasibility of rendez-vous and docking between spacecrafts using a robotic arm. While most of the research in the past years have focused on the study of manipulators mounted on non controlled spacecrafts, in this thesis the case of completely controlled spacecraft and manipulator has been studied. The goal of the thesis is the implementation of a Simulink simulator for a spacecraft- manipulator system and the realization of a planar manipulator mounted on a free flying robot , at the Spacecraft Robotics Laboratory at Naval Postgraduate School,Monterey, California. Particular attention has been posed on the fields of kinematics redundancy solution, dynamics modeling and control techniques. The Direct Path Method has been implemented in order to compute in an efficient way the Jacobian matrix of the complete system. In order to solve the redundancy of the system the Simple Jacobian Inversion Technique and a Joint Limit Avoidance Algorithm have been implemented. The dynamics of the system is calculated step by step using the Newton-Euler Algorithm, implemented using the Spatial Algebra formulation. This implementation allows to study the com- plete system as a fixed base manipulator system, whose first link is the spacecraft itself, fixed to a virtual ground using a 6 DOFs joint. In the 2D case the control of the spacecraft has been realized applying a Pulse Width Modulation in order to simulate the real attitude control techniques based on jet thrusters actuators. The implemented control technique is the Computed Torque Control, a typical Feedback Linearization Technique, that means that, if the information on the system parameters and the dynamic model of the system is enough accurate, the control law linearizes the behavior of the system. Finally a manipulator prototype for future experimental activities has been designed and realized. The realized manipulator, is a planar manipulator, composed by modular revolute joints, produced using a rapid prototyping 3D printer.

La possibilità di avere un manipolatore a bordo di un veicolo spaziale può es- pandere enormemente le capacita di un satellite, aprendo nuovi ed interessanti scenari di applicazione. La missione ETSVII della JAXA ha dimostrato la fat- tibilità del rendez-vous e docking tra due satelliti per mezzo di un braccio robotico. Mentre negli anni passati la ricerca accademica si è concentrata sullo studio di manipolatori montati su veicoli spaziali non controllati, in questa tesi è stato studiato il caso concernente il pieno controllo di satellite e braccio robotico.Lo scopo della tesi è stato l’implementazione di un simulatore Simulink del sistema satellite-manipolatore e la progettazione di un manipolatore planare da montare su un robot flottante allo Spacecraft Robotics Laboratory, alla Naval Postgraduate School, Monterey, California. Particolare attenzione è stata posta alla model- lazione della cinamatica, della dinamica e al controllo del sistema. Il Direct Path Method è stato implementato per calcolare in modo efficiente lo Jacobiano del sistema completo. Per la risoluazione della ridondanza del sistema è stata testata la Simple Jacobian Inversion Technique ed è stato implementato un algoritmo di Joint Limit Avoidance. La dinamica del sistema viene calcolata ad ogni passo di integrazione usando il Newton-Euler Algorithm, implementato usando il formal- ismo della Spatial Algebra . Questa formulazione permette di studiare il sistema completo come un manipolatore a base fissa, il cui primo link è il satellite stesso, connesso a terra usando un giunto a 6 DOFs. Nella restrizione bidimensionale il controllo della base è stato realizzato con una tecnica di Pulse Width Modulation, per poter simulare il reale sistema di controllo di un satellite dotato di attuatori a getto. La tecnica di controllo implementata è il Computed Torque Control, una legge di controllo che permette una Feedback Linearization, che significa che, se i parametri del sistema sono noti con accuratezza, il sistema di controllo linearizza il sistema in ciclo chiuso. Infine è stato progettato e realizzato un prototipo di manipolatore per future attivita sperimentali. Il prototipo realizzato e’ un manipolatore planare, composto da giunti di rivoluzione e caratterizzato dall’unione di giunti modulari, realizzati mediante l’utilizzo di una stampante 3D.