Arm-equipped orbital robots are complex systems merging the nonlinear dynamics behavior of classical terrestrial robots with the complexities of the control architecture of space systems. From the one hand, their dynamics is characterized by nonlinearity and by the microgravity behavior; from the other hand, their control architecture relies on highly heterogeneous actuation and limited sensing capability. Tremendous impetus has characterized the research of the last decades towards the realization of such systems; many solutions have been investigated both theoretically and experimentally. Still, the solutions were investigated in a somewhat decoupled fashion stemming from the different points of view of the robotics and the space communities. Centralized control systems taking into account both aspects altogether, and exploiting their features, need to be developed for a successful deployment of the technology. The main contribution of this thesis is to define a unifying framework for designing controllers that better exploit the dynamics and actuation properties of the orbital robots. The framework leverages on the whole-body quantities of the system, and on their conservation laws. The robot requirements are enforced by introducing the innovative tasks of momentum dumping and control of the center-of-mass of the whole robot, which are more natural and thus more fuel efficient than the classical spacecraft positioning tasks. Thrusters-decoupled actuators allocation structures are further defined and used for the design of coordinated controllers that limit the allocation of thrusters. Within this framework, whole-body controllers are derived, which merge the advantages of common free-floating and free-flying strategies, while solving their main limitations. The derived controllers allow reducing the thrusters use and the fuel consumption of robotic operations, thereby allowing an extended life and reduced cost of orbital robotics missions. Beyond the conceptual innovation, attention is posed also to the theoretical and practical stability of the controllers. The actuators allocation is formulated in a way that main structural properties of the system are preserved, and thus can be exploited in the stability analysis. The theoretical stability is proven for some of the classical controller and for the whole-body controllers analyzed in the thesis. The practical stability and effectiveness of the controllers considering a realistic set of thrusters is analyzed via extensive numerical simulation. The practical stability and effectiveness of the controllers considering a real arm is validated with hardware experiments on a 3D robotic motion simulator of on-orbit servicing scenarios.     «

Arm-equipped orbital robots are complex systems merging the nonlinear dynamics behavior of classical terrestrial robots with the complexities of the control architecture of space systems. From the one hand, their dynamics is characterized by nonlinearity and by the microgravity behavior; from the other hand, their control architecture relies on highly heterogeneous actuation and limited sensing capability. Tremendous impetus has characterized the research of the last decades towards the real...     »

Mit einem Arm ausgerüstete Raumfahrtroboter sind komplexe Systeme, die die nichtlineare Dynamik klassischer erdischer Roboter mit der Komplexität der Regelungsarchitektur von Raumfahrtsystemen vereinen. Auf der einen Seite ist ihre Dynamik von Nichtlinearität und Schwerelosigkeit charakterisiert; auf der anderen Seite beruht ihre Regelungsarchitektur auf hoch heterogenen Aktuatoren und limitierter Sensorfähigkeit. Enorme Fortschritte hat es in der Forschung der letzten Jahrzehnte in Richtung der Realisierung von solchen Systemen gegeben; viele Lösungen wurden sowohl theoretisch als auch experimentell erforscht. Jedoch wurden diese Lösungen von verschiedenen Blickwinkeln der Robotik und Raumfahrt her betrachtet und entwickelt. Die Entwicklung von zentralisierten Regelungsansätzen, die beide Aspekte berücksichtigen und sich ihre Eigenschaften zum Vorteil machen, wird für die erfolgreiche Verwendung der Technologie benötigt. Der Hauptbeitrag dieser Dissertation ist die Definition eines vereinheitlichenden Rahmens für die Entwerfung von Reglern, die die Dynamik von den Raumfahrtroboter und die Eigenschaften ihrer Aktoren besser entfalten. Dieser Rahmen nutzt sich zum Vorteil die Größen des gesamten Mehrkörpersystems und ihre Erhaltungsgesetze. Die Regelungsanforderungen sind durch die innovative Einführung der Aufgaben der Abladung des Momentums und der Regelung von den Massenmittelpunkten des gesamten Systems festgelegt, die natürlicher und daher effizienter sind als die klassischen Aufgaben der Regelung des Raumfahrtzeuges. Triebwerk-Entkoppelte Aktorenallokationsstrukturen werden für den Entwurf von koordinierten Regelungsansätzen definiert und benutzt, die die Allokation von Triebwerken limitieren. Innerhalb dieses Rahmens sind Ganzkörperregelungsansätze hergeleitet, die die Vorteile von üblichen Free-Floating und Free-Flying Strategien vereinigen, während sie ihre Hauptlimitationen lösen. Die hergeleiteten Regelungen ermöglichen die Reduzierung von Triebwerkaufwand und von Treibstoffverbrauch des robotischen Einsatzes, dadurch wird eine längere Lebensdauer und eine Reduzierung der Kosten der robotischen Missionen gefördert. Über die konzeptionelle Innovation hinaus, wird die Aufmerksamkeit auf die theoretische und praktische Stabilität der Regelungsansätze gelenkt. Die Aktuatorenallokation ist auf eine Art und Weise formuliert, dass die Haupteigenschaften des Systems erhalten bleiben, die nachfolgend in der Stabilitätsanalyse benutzt werden können. Die theoretische Stabilität wird für einige klassische Regelungsansätze und für die in dieser Dissertation hergeleiteten Ganzkörperregelungsansätze analysiert. Die praktische Stabilität und die Effektivität der Regler mit realistischen Triebwerken werden durch extensive numerische Simulationen überprüft. Die praktische Stabilität und die Effektivität der Regler mit einem realistischen Arm werden mittels Laborexperimenten mit einem dreidimensionalen robotischen Bewegungsimulator von On-Orbit Servicing Szenarios validiert.     «

Mit einem Arm ausgerüstete Raumfahrtroboter sind komplexe Systeme, die die nichtlineare Dynamik klassischer erdischer Roboter mit der Komplexität der Regelungsarchitektur von Raumfahrtsystemen vereinen. Auf der einen Seite ist ihre Dynamik von Nichtlinearität und Schwerelosigkeit charakterisiert; auf der anderen Seite beruht ihre Regelungsarchitektur auf hoch heterogenen Aktuatoren und limitierter Sensorfähigkeit. Enorme Fortschritte hat es in der Forschung der letzten Jahrzehnte in Richtung de...     »