Hierarchical Control Design for Space Robots with Application to In-Orbit Servicing Missions

Nowadays, the space community has widely recognized the potential of In-Orbit Servicing to extend satellite operational life, and acknowledges the need for Active Debris Removal to effectively combat the space debris problem. Various proposal have been introduced throughout the years to safely perform an orbital capture. A particularly promising approach involves deploying an autonomous spacecraft, called chaser, equipped with a highly dexterous robotic arm capable of capture and detumble a resident space object. This operation presents complex technical challenges, which can be addressed improving robustness and autonomy of Guidance, Navigation, and Control (GNC) functions. The purpose of the thesis is to develop innovative control schemes for the robotic capture of a tumbling target. Specifically, the aim is to build a combined controller, based on a hierarchical framework, to correctly command the end-effector of the manipulator to track the desired trajectory. A simulation environment is build up including a representation of the sloshing dynamics, for the chaser, a phenomenon that has been barely studied for space robots. Then, the controller is developed, following the independent construction of two loops. An inner loop has been built to control the dynamics of the multi-body system, relying on robust control theory and Lyapunov-based control. Hence, an outer loop, used to feed the inner one, has been developed, based on a new extension of the inverse kinematics problem for space robots and Lyapunov-based control. The controller’s effectiveness has been tested in a simulation environment and the performance are compared with another controller, developed in previous works. The outcomes of this analysis demonstrate that the developed controller is more robust and versatile to less favourable initial conditions.

Al giorno d’oggi, la comunità spaziale ha ampiamente riconosciuto il potenziale della manutenzione in orbita per estendere la vita operativa di un satellite, e riconosce la necessità della rimozione attiva dei detriti per combattere efficacemente il problema dei detriti spaziali. Varie proposte sono state introdotte nel corso degli anni per eseguire in sicurezza una cattura orbitale. Un approccio particolarmente promettente prevede l’impiego di un veicolo spaziale autonomo, chiamato chaser, dotato di un braccio robotico particolarmente agile, in grado di catturare e stabilizzare un oggetto spaziale residente. Questa operazione presenta diverse difficoltà tecniche, che possono essere affrontate migliorando la robustezza e l’autonomia delle funzioni di guida, navigazione e controllo (GNC). Lo scopo della tesi è quello di sviluppare schemi di controllo innovativi per la cattura robotica di un target, rotante su se stesso in maniera incontrollata. In particolare, l’obiettivo è quello di costruire un controllore combinato, basato su un schema gerarchico, per comandare correttamente l’end-effector del manipolatore a seguire la traiettoria di riferimento desiderata. È stato impostato un ambiente di simulazione, che include una rappresentazione dello sciabordare del propellente nel serbatoio del chaser, un fenomeno che è stato poco studiato per i robot spaziali. Successivamente, il controllore viene sviluppato, seguendo la costruzione indipendente di due anelli. L’anello interno è stato costruito per controllare la dinamica del sistema multi-corpo, basandosi sulla teoria del controllo robusto e sul controllo alla Lyapunov. Quindi viene sviluppato l’anello esterno, utilizzato per azionare quello interno, basato su una nuova estensione del problema della cinematica inversa per robot spaziali, e controllo alla Lyapunov. L’efficacia del controllore è stata testata in un ambiente di simulazione e le prestazioni sono state confrontate con un altro controllore, sviluppato in lavori precedenti. I risultati di questa analisi dimostrano che il controllore sviluppato è più robusto e versatile in condizioni iniziali meno favorevoli.