Dynamic and control of a redundant spacecraft-mounted manipulator affected by external disturbances

In the last few years it became evident that the space sector is at the center of the scientific development, as proven by the recent conquest of Mars by the Nasa rover Perseverance, and by the copious achievement of Space X, which in the last decade has become a global phenomenon and so the icon of a new space race. This development results also in more and more complex and innovative on-orbit systems in which the exploitation of manipulators represents a great strengthening for the operating capabilities of the systems themselves. The analysis and the exploitation of the on-orbit systems equipped with robotic arms require the development of a unique model which takes into account the dynamics of both the satellite and the manipulator. In order to increase the ability of the system, the model presented in this thesis takes into account the disturbances produced by the space environment, regarding both the orbit propagation and the attitude dynamic, so as to obtain a realistic representation of the operating environment of the system and so that the manipulator will be able to operate for a longer period and to carry out more complex tasks, indeed external disturbances are discarded due to the fact that the system operate for a short period. The model is formulated through the spatial vector notation and through the joint space formulation for the dynamic. This notation presents great advantages in terms of compactness and convenience in writing the codes. Finally, the control strategy suggested aim to achieve coordinate trajectory tracking for the end effector of the manipulator and station keeping for the satellite base. Two models are developed in this thesis: the first one which discards the external disturbances, from which the synthesis of the control law is obtained, and the second one which accounts for the external disturbances, in which the control law obtained from the first model is applied, and whose results are analyzed to validate the model itself.

Negli ultimi anni è diventato evidente che il settore spaziale è al centro della ricerca scientifica, come si evince dalla recente conquista di Marte da parte del rover Nasa Perseverance, e dai diversi raggiungimenti di Space X, che negli ultimi dieci anni è diventato un fenomeno globale e l’icona di una nuova corsa allo spazio. Questi sviluppi hanno portato a sistemi orbitanti sempre più complessi nei quali l’utilizzo di manipolatori rappresenta un grande potenziamento per quanto riguarda le capacità operative dei sistemi stessi. L’analisi e l’utilizzo dei sistemi orbitanti equipaggiati con bracci robotici richiedono lo sviluppo di un modello unico che tenga conto della dinamica del satellite e del manipolatore. Per aumentare le capacità del sistema, il modello presentato in questa tesi tiene conto dei disturbi prodotti dall’ambiente spaziale, sia per quanto riguarda la propagazione dell’orbita, sia per quanto riguarda la dinamica di assetto, in modo da ottenere una rappresentazione realistica dell’ambiente operativo del sistema e in modo da consentire al manipolatore di poter operare per un periodo più lungo e portare a termine obbiettivi più complessi, infatti i disturbi esterni vengono trascurati perché si assume che il sistema lavori per poco tempo. Il modello è formulato attraverso la notazione degli Spatial vector e attraverso la formulazione della dinamica nello spazio dei giunti. Tale notazione risulta vantaggiosa in termini di compattezza e comodità nella scrittura del codice. In fine, la strategia di controllo suggerita, mira a tracciare in modo coordinato una specifica traiettoria e una specifica posa rispettivamente per il braccio robotico e il satellite. Due modelli sono stati sviluppati in questa tesi: il primo non tenente conto dei disturbi esterni, da cui si ottiene la sintesi della legge di controllo, e il secondo dove i disturbi esterni vengono considerati, dove la legge di controllo ottenuta dal primo modello viene applicata e i cui risultati sono analizzati per validare il modello stesso.