Controllo Basato su Metodi Energetici per la Simulazione di Dinamiche Multi-body Mediante Sistemi Robotici

L'impiego di un satellite equipaggiato con un manipolatore robotico è riconosciuto come una tecnologia promettente per future missioni spaziali inerenti alla manutenzione in orbita di satelliti difettosi. Questa tecnologia può estendere la vita operativa di satellite non operativi o consentire una manovra di de-orbiting, mitigando l'aumento dei detriti spaziali. Tuttavia, gli algoritmi di controllo richiedono un'accurata validazione prima della missione spaziale e un simulatore affidabile, in grado di riprodurre le condizioni di microgravità a terra, è di fondamentale importanza. In questo contesto, OOS-Sim, una struttura robotica recentemente sviluppata presso il centro aerospaziale tedesco, è impiegata per supportare la validazione sperimentale degli algoritmi di controllo. Il simulatore è composta da due robot industriali controllati in ammettenza e dotati di sensori di coppia e di forza, uno dei robot industriali è equipaggiato con un manipolatore leggero. I robots industriali simulano la dinamica di un satellite in accordo ad un modello matematico. In questo genere di simulatori, i tempi di ritardo nel loop di controllo e gli effetti di discretizzazione dei segnali causano un aumento di energia rendendo il sistema potenzialmente instabile. In questa tesi, i fattori sopra menzionati che violano il principio di conservazione dell'energia, sono identificati e corretti attraverso strategie di controllo che assicurano una simulazione dinamica a consistenza energetica, garantendo stabilità. In particolare, osservatori di energia sono sviluppati per monitorare l'attività nel sistema e controllori passivi agiscono per correggere la velocità o la forza comandata al robot. Questo approccio è inizialmente implementato per compensare gli effetti instabili causati dal tempo di ritardo presente nel loop di controllo. Successivamente, un integratore passivo ed esplicito è sviluppato per prevenire la deriva di energia causata dall'integrazione delle dinamiche in tempo discreto, sulla quale il moto del robot si basa. Infine, una struttura di controllo unificata è stata sviluppata per compensare il ritardo nel loop di controllo e la deriva di energia dovuta dall'integratore. Quindi, la strategia adottata garantisce la stabilità del robot industriale e consente di simulare dinamiche di satelliti assicurando una consistenza energetica come dimostrato da esperimenti. Pertanto, il sistema robotico può essere utilizzato come piattaforma per validare algoritmi di controllo anche per il robot spaziale. Un ulteriore contributo della tesi è lo sviluppo e la validazione sperimentale di controllori di coppia per il robot spaziale. In particolare, un primo controllo di coppia è stato sviluppato per il manipolatore leggero montato sulla base del satellite, la quale non è attuata. Successivamente, motivati da requisiti imposti in progetti ESA inerenti a questo genere di missione spaziali, i quali impongono un controllo a bassa frequenza per l'attuazione della base, un secondo controllore di coppia è stato sviluppato per regolare il manipolatore e la sua base. In particolare, i problemi di stabilità dovuti al basso tempo di campionamento del controllore alla base sono analizzati da un punto di vista energetico e viene quindi proposto un controllore basato sulla passività. Inoltre, quest'ultimo viene esteso al caso di inseguimento di traiettorie per il manipolatore considerando gli effetti causati dai diversi tempi di campionamento dei controllori. Questo rappresenta uno scenario tipico per un robot spaziale che esegue un compito di manutenzione in orbita. Infine, i controllori sono validati con esperimenti sul simulatore robotico.