Non-linear predictive controller on board a space manipulator system

In recent years, technological development and increasing computational capability on board satellites, allows robotic systems to be able to fulfil tasks more and more challenging. Their necessity is dictated by dangers in a hazardous environment for human crews, as it is the spatial one; at the same time, these systems have to be as autonomous as possible, and they have to operate even if direct human feedback is not instantaneously available. This work thesis focuses on these two aspects: designing a robotic structure that is reliable and potentially able to face various tasks; designing its controller, and looking for high performances even in presence of disturbances and a non-zero angular momentum. The design of the manipulator, chosen to be kinematic redundant, is faced from the very beginning in its kinematic and dynamic aspects, with special regard for singularities, which can deeply affect its operations. The control is based on a Model Predictive Controller (MPC), in a non-linear fashion, to account for the real dynamics of the system to be controlled. Not only the robotic arm, through torques at its joints, but also the attitude of the satellite, by use of reaction wheels, is controlled, to ease the task for the end-effector to reach a point in space. Its stability is proven both theoretically and practically. Its performances are measured in terms of computational time and manipulability, that is the capacity to move of the robotic arm. Robustness to disturbances is proved and tested. Conclusions make a summary of the work, what has been obtained and what can be the future developments.

Durante gli ultimi anni, lo sviluppo tecnologico e l’aumento della potenza computazionale a disposizione dei satelliti hanno permesso lo sviluppo di sistemi robotici sempre più avanzati ed adattabili. Il loro bisogno è dovuto ai pericoli per un equipaggio umano in un ambiente come quello spaziale; allo stesso tempo, questi hanno bisogno di essere più autonomi possibile e poter operare anche quando il comando umano non sia istantaneo. Questa tesi si concentra sui due aspetti: simulare una struttura robotica affidabile ed adattabile; progettare il suo controllo, cercando di soddisfare ottime performance, anche in presenza di disturbi ed un momento angolare iniziale non nullo. La creazione del manipolatore, scelto per essere ridondante a livello cinematico, è affrontata fin dall’inizio, dalla cinematica e dalla dinamica, con una particolare attenzione alla singolarità, che possono fortemente limitarne le possibilità. Il controllo è basato su un controllore predittivo (MPC), comprendente tutte le non-linearità della dinamica del sistema completo. Non solo il braccio robotico, ma anche l’orientamento del satellite viene controllato attraverso l’uso di reaction wheels, mantenendo dunque invariato il momento totale. La stabilità ne è provata a livello pratico, attraverso simulazioni. Le capacità del controllore vengono misurate in termini di tempo computazionale e manipolabilità, che esprime la capacità di muoversi del manipolatore. La robustezza a disturbi di natura casuale, estrapolati da una distribuzione normale, viene testata. Delle conclusioni finali riassumono il lavoro ed i risultati ottenuti, immaginando quelli che possono essere gli sviluppi successivi.