Design and Testing of Clustered Components For Modular Spacecraft Architectures

Il settore spaziale sta dimostrando un rinnovato interesse verso concetti basati sull’impiego di sistemi multi-agenti; dallo sviluppo di costellazioni con centinaia di satelliti (mega constellations) a test per architetture federate e dimostratori di assemblaggio in orbita. Inoltre, le piattaforme Cubesat sono ormai uno standard in grado di compiere missioni ambiziose, abbassando quindi il costo di sistemi multi agente. Questo lavoro si propone di studiare i benefici e gli svantaggi di sistemi composti da un grande numero di agenti, quali possono essere degli assemblati in orbita costituiti da innumerevoli satelliti autonomi. Questo documento é diviso in due parti; nella prima ci si concentra su come controllare in maniera affidabile agglomerati composti da un grande numero di attuatori distributi su satelliti diversi. Vengono considerati sia algoritmi centralizzati che decentralizzati per risolvere il problema di allocazione dei compiti; viene infine proposto un nuovo metodo, per il quale vengono fornite dimostrazioni di convergenza. Per caratterizzarne il comportamento, si simula un cluster di ruote di reazione, modellate usando dati ottenuti con un prototipo da laboratorio. In confronto a metodi classici, l’algoritmo proposto mostra un consumo di potenza inferiore e una convergenza piú robusta soprattutto per grandi numeri di attuatori. Infine, si generalizza il modello di attuatore per comprendere anche casi con molteplici input e output. Mentre il caso di molteplici output viene trattato facilmente e differisce di poco dal caso con output singolo, trattare input multipli si é rivelato piuttosto complesso; vengono presentati solo risultati deboli. La seconda parte é dedicata a sfruttare le proprietá dei cluster durante il design preliminare, facendo leva sia su caratteristiche tecnologiche che su proprietá formali per migliorare le procedure di ottimizzazione del desing. Mettendo a frutto i risultati ottenuti nella prima parte, ovvero la capacitá di coordinare in maniera efficace e affidabile un grande numero di attuatori, viene presentato un metodo analitico per l’ottimizzazione di sistema. Una lunga porzione della tesi viene dedicata a dimostrare le proprietá salienti del metodo. Le ipotesi necessarie per applicare il modello vengono esaminate per giudicarne la pretinenza nel caso di design di un cubesat. Infine, una implementazione computazionale viene descritta e applicata alla missione GOMX4-B.