In orbit servicing manipulator advanced guidance design for close proximity operations

Developing capabilities and technologies for In-Orbit Servicing (IOS) operations, such as active debris removal, refuelling, assembly and manufacturing, is currently of great interest to the space community and orbital robots (spacecraft equipped with one or more manipulators) are considered one of the key building blocks for these applications. The primary objective of this thesis is to develop an online algorithm for the trajectory planning of a robotic arm during the uncontrolled target capture maneuver in an IOS mission. The research question revolves around creating a strategy and algorithm that can handle the limited information about the target’s state and execute the capture maneuver, considering physical limitations and real mission constraints such as joints torques, velocities and accelerations, computational power, available information and others. To address the gap in the existing literature regarding trajectory planning for IOS missions employing robotic manipulators, a multi-stage hybrid approach is proposed. This approach involves a combination of Proportional Navigation (PN) technique with traditional tracking technique, specifically adapted for the robotic arm’s operation. The key message of this work is that efficient trajectory planning for robotic arm manipulation in IOS missions is achievable, even when faced with real-world constraints. The key findings are obtained through numerical simulations in the Matlab environment, which demonstrate the performance of the algorithm developed. These findings contribute to the field of space exploration and satellite servicing by providing a practical approach to address the growing demand for efficient and sustainable operations in space. The research underscores the significance of IOS missions in extending the lifespan of satellites, reducing space debris, and promoting technological advancements, all of which are crucial for the long-term sustainability of orbital environments and the continued evolution of space-based assets.

Lo sviluppo di capacità e tecnologie per le operazioni di In-Orbit Servicing (IOS), come la rimozione attiva di detriti, il rifornimento, l’assemblaggio e la produzione, è attualmente di grande interesse per la comunità spaziale. I robot orbitali (veicoli spaziali dotati di uno o più manipolatori) sono considerati uno dei elementi fondamentali per tali applicazioni. L’obiettivo principale di questa tesi è sviluppare un algoritmo per la pianificazione online della traiettoria di un braccio robotico durante la manovra di cattura di un target non controllato in una missione IOS. L’obiettivo della ricerca ruota attorno alla creazione di una strategia e di un algoritmo in grado di gestire le limitate informazioni sullo stato del target ed eseguire la manovra di cattura, considerando limitazioni fisiche e vincoli reali della missione come coppie, velocità e accelerazioni dei giunti, potenza di calcolo, disponibilità delle informazioni e altri. Per colmare il gap nella letteratura esistente sulla pianificazione della traiettoria per le missioni IOS con manipolatori robotici, viene proposto un approccio ibrido a più stadi. Questo approccio coinvolge una combinazione della tecnica di Proportional Navigation (PN) con una tecnica di tracking tradizionale, appositamente adattata per l’operazione del braccio robotico. Il messaggio chiave di questo lavoro è che la pianificazione efficiente della traiettoria per la manipolazione del braccio robotico nelle missioni IOS è realizzabile, anche quando si affrontano vincoli del mondo reale. Le principali conclusioni sono ottenute attraverso simulazioni nu- meriche nell’ambiente Matlab, che dimostrano le prestazioni dell’algoritmo sviluppato. Questi risultati contribuiscono al campo dell’esplorazione spaziale e del servizio ai satelliti, fornendo un approccio pratico per affrontare la crescente domanda di operazioni efficienti e sostenibili nello spazio. La ricerca sottolinea l’importanza delle missioni IOS nell’estendere la vita utile dei satelliti, ridurre i detriti spaziali e promuovere l’avanzamento tecnologico, tutti cruciali per la sostenibilità a lungo termine degli ambienti orbitali e l’evoluzione continua degli asset spaziali.