Coordinated trajectory planning of a multi limb free-flying space manipulator for the capture of collaborative satellites using RRT*

The use of satellites equipped with fully autonomous multi limb space manipulator is a topic towards which space companies are nowadays increasingly focusing their attention: indeed, the new paradigm of on-orbit servicing missions is arising, comprising a variety of operations which spans from refueling, inspecting and repairing of active satellites to the active removal of debris and defunct satellites. In this context, this thesis addresses the investigation and development of numerical solutions to simulate the task of capturing cooperative satellites by a spacecraft equipped with a dual limb space manipulator. Specifically, the work focuses on the modeling of the multibody dynamics of the system and on the coordinated trajectory planning for the end-effectors of the manipulator’s limbs. The final goal is therefore to drive them toward predefined grasping points on the target satellite, ensuring great accuracy both in terms of position and orientation; to do that, their trajectories are generated using the near-optimal Rapidly-exploring Random Tree Star (RRT*) algorithm, taking into account problems like obstacle modeling, collision avoidance and satellite’s base stabilization.

L’utilizzo di satelliti equipaggiati con manipolatori spaziali multi-arto è un argomento verso il quale le aziende operanti in ambito spaziale stanno sempre più concentrando le loro attenzioni: infatti, sta emergendo un nuovo paradigma rappresentato dalle missioni di manutenzione in orbita, comprendenti operazioni che vanno dal rifornimento, l’ispezione e la riparazione di satelliti attivi fino alla rimozione attiva di detriti e satelliti non più operativi. In questo contesto, questa tesi affronta lo studio e lo sviluppo di soluzioni numeriche al fine di simulare la cattura di satelliti cooperativi ad opera di uno veicolo spaziale equipaggiato con un manipolatore spaziale a doppio arto. Nello specifico, questo lavoro si concentra sulla modellazione della dinamica multicorpo del sistema e sulla generazione coordinata della traiettoria degli end-effectors dei due arti del manipolatore. Lo scopo finale è quindi quello di guidarli verso dei punti di affranco predefiniti, garantendo grande precisione sia in termini di posizione che di orientamento; per fare ciò, le loro traiettorie sono generate mediante l’utilizzo dell’algoritmo quasi-ottimale RRT*, tendendo in considerazione problemi come la modellazione degli ostacoli, l’evitamento delle collisioni e la stabilizzazione della base del satellite.