Task-priority control of space robots using control Lyapunov barrier functions

This thesis presents an optimization-based kinematic control framework for a planar free-floating space robot performing the autonomous capture of a non-cooperative target in orbit. Building upon the pseudo-inverse task-priority controller, the proposed method integrates Control Lyapunov Functions and Control Barrier Functions within a unified quadratic programming formulation. This approach enables the simultaneous satisfaction of trajectory tracking and safety constraints, such as joint limits, collision avoidance, and capture-region enforcement. A two-level hierarchical optimization structure is developed, where safety-related constraints have the highest priority, and secondary objectives refine base regulation without compromising end-effector control. Numerical simulations in a planar microgravity environment demonstrate accurate tracking, formal safety compliance, and smooth coordinated motion between the spacecraft and manipulator. The results confirm that the proposed framework enhances robustness and safety assurance, representing an advancement for autonomous on-orbit servicing and debris-removal missions.

Negli ultimi anni, la crescente esigenza di missioni autonome di manutenzione in orbita (On-Orbit Servicing) e di rimozione attiva dei detriti spaziali (Active Debris Removal) ha stimolato un notevole interesse nello sviluppo di strategie di controllo sicure e affidabili per sistemi robotici spaziali. La capacità di un veicolo spaziale dotato di manipolatore di catturare e stabilizzare bersagli non cooperativi in orbita comporta sfide complesse legate al disaccoppiamento dinamico, alla gestione della ridondanza e alla garanzia di sicurezza operativa. In questa tesi viene presentato un framework di controllo cinematico basato su ottimizzazione per un robot spaziale planare a base libera, progettato per eseguire la cattura autonoma di un bersaglio non cooperativo in orbita. A partire dal controllore basato sulla pseudo-inversa dello jacobiano con task-priority, il metodo proposto integra le Control Lyapunov Functions e le Control Barrier Functions all’interno di una formulazione unificata di programmazione quadratica. Questo approccio consente di soddisfare simultaneamente gli obiettivi di trajectory tracking e i vincoli di sicurezza, come i limiti articolari, l’evitamento delle collisioni e il rispetto della regione di cattura. È stata sviluppata una struttura gerarchica di ottimizzazione a due livelli, in cui i vincoli di sicurezza hanno la massima priorità, mentre gli obiettivi secondari raffinano la regolazione della base senza compromettere il controllo dell’end-effector. Le simulazioni numeriche, condotte in un ambiente planare di microgravità, dimostrano un accurato inseguimento della traiettoria, il rispetto formale dei vincoli di sicurezza e un movimento coordinato fluido tra il veicolo spaziale e il manipolatore.