Detumbling of a non-cooperative space target via Reaction Null Space control

The growth of space debris in Earth's orbit poses a threat to operational satellites and future missions. Over the years, various solutions have been proposed, with Active Debris Capture and Removal supporting the concept of safely disposing of space debris. Among the technologies suitable to this process, the use of a space manipulator for detumbling a grasped target plays a crucial role. This thesis explores detumbling using Reaction Null Space (RNS) control, leveraging the null space of a non-redundant free-flying manipulator to minimize reaction forces on the satellite's base. Designing a precise and robust controller is particularly challenging due to the coupled dynamics with the satellite. Additionally, kinematic singularities may introduce the possibility of unpredicted motions. The Reaction Null Space approach is chosen for its ability to execute a primary task while simultaneously minimizing base reactions. Furthermore, the controller is responsible for monitoring the angular momentum. The manipulator model is derived using robot kinematics and dynamics, applying Lagrange method and incorporating the coupling effects with the satellite. Finally, simulations are conducted to validate the proposed control strategy and identify potential improvements.

La crescente presenza di detriti in orbita terrestre costituisce una minaccia per satelliti e future missioni. Nel corso degli anni sono state proposte diverse soluzioni: l'Active Debris Capture and Removal, ad esempio, sostiene l'idea di una rimozione attiva e sicura. Tra le tecnologie adatte a questo processo, l'utilizzo di un manipolatore spaziale per il detumbling di un target afferrato dall'end-effector riveste un ruolo cruciale. Questa tesi analizza il processo di detumbling attraverso il controllo Reaction Null Space (RNS), sfruttando lo spazio nullo di un manipolatore free-flying non ridondante per minimizzare la reazioni sulla base del satellite in microgravità. La progettazione di un controllore preciso e robusto è particolarmente complessa a causa della dinamica accoppiata con il satellite. Inoltre, la presenza di singolarità cinematiche introduce la possibilità di movimenti imprevedibili. L'approccio Reaction Null Space è scelto per la sua capacità di eseguire un compito primario riducendo contemporaneamente al minimo le reazioni sulla base. Inoltre, il controllore è responsabile del monitoraggio del momento angolare. Il modello del manipolatore è ottenuto attraverso lo studio della cinematica e dinamica del robot applicando il metodo di Lagrange sul sistema. Per concludere, le simulazioni sono eseguite per validare la strategia di controllo proposta e individuare possibili miglioramenti.