Développement de lois de pilotage pour le service en orbite

Development of steering law for On Orbit Servicing operation

• Auteur / Autrice : Sofiane Kraiem
• Direction : Mathieu Rognant, Yves Brière
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique et Robotique
• Date : Soutenance le 16/05/2022
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe d'accueil doctoral Analyse, Commande Dynamique et Conception des systèmes (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département électronique, optronique et signal
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Benoît Clément, David Henry, Vincent Dubanchet, Hélène Evain, Paolo Gasbarri, Jerzy Sasiadek
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Benoît Clément, David Henry

Mots clés

Mots clés contrôlés

Espace extra-atmosphérique -- Exploration

Manipulateurs (mécanismes)

Commande automatique

Robotique

Mots clés libres

Automatique

Robotique

Contrôle

Robotic

Control

Automatic

Résumé

Les manipulateurs spatiaux permettent de répondre à une variété de problèmes dans les futures exploitations et explorations spatiales, tels que le déploiement en orbite, l’élimination active des débris ou les opérations de maintenance. Toutefois, il est difficile de contrôler de manière autonome les systèmes de manipulateurs spatiaux dans le cas de structures légères et de grande taille présentant alors un comportement flexible. La dynamique flexible représente un défi, premièrement par sa modélisation et secondement les couplages avec le manipulateur peuvent détériorer la qualité du contrôle. Cette thèse aborde les problèmes de conception et de contrôle d’un manipulateur spatial autonome équipé de dispositifs d’échange de moment cinétique pour le contrôle de la rotation d’un vaisseau spatial lorsqu’il est confronté à des perturbations internes au système, des incertitudes de modèle et des erreurs de mesure. La modélisation de la dynamique rigide-flexible d’un système multi-corps reste une tâche difficile, et une première contribution de ce travail est un outil de modélisation générique pour dériver la cinématique et la dynamique d’un manipulateur spatial flottant dont les rotations sont contrôlées et en présence d’appendices flexibles. Cette analyse a conduit à la contribution principale de cette thèse, à savoir l’implémentation et la conception d’une loi de contrôle pour les opérations de maintenance en orbite. Grâce au modèle, la commande proposée inclut les états non mesurables (i.e. les modes flexibles) dans le découplage et la linéarisation du système, et les lois de pilotage établies sont basées sur l’inversion dynamique non linéaire où des observateurs sont introduits pour améliorer la qualité de la linéarisation. Dans une première mise en oeuvre, un observateur d’état étendu a été utilisé pour estimer la dynamique flexible. Puis, dans un deuxième temps, les incertitudes de modélisation et les erreurs de mesure ont été traitées par l’ajout d’un observateur de perturbations non linéaires. Les interdépendances entre les observateurs et la dynamique de contrôle ont motivé un calcul simultané de leurs gains afin d’améliorer la stabilité du système et les performances de contrôle. Ce point a été atteint par la résolution d’inégalités matricielles linéaires pour garantir la stabilité obtenue à l’aide d’une fonction de Lyapunov appropriée. Afin de mettre en évidence l’intérêt du schéma proposé et de valider notre approche dans un environnement réaliste, des tests approfondis d’un cas d’utilisation de l’assemblage d’un télescope spatial en orbite ont été réalisés sur un simulateur haute-fidélité.

Space manipulators allow to respond to a variety of problems in future space exploitation and exploration such as on-orbit deployment, active debris removal or servicing operations. However, a difficulty to autonomously control space manipulator systems arise with large and light structures presenting flexible behavior. Flexible dynamics remain a challenging topic as its modeling may present a first difficulty while the different coupling with the manipulator may deteriorate the control quality. This thesis addresses design and control problems related to autonomous space manipulator equipped with kinetic moment exchange devices for spacecraft rotation control when dealing with system internal disturbances, model uncertainties and measurement errors. The modeling of rigid-flexible dynamics of a multi-body system remains a challenging task, and a first contribution of this work is a generic modeling tool to derive kinematic and dynamic of a rotation-free-floating Space Manipulator System (SMS) with flexible appendages. This analysis led to the main contribution of this thesis, namely the implementation and the design of such control scheme for On-Orbit Servicing operations. Thanks to the model, proposed control include the non-measurable states (i.e flexibility) in the system decoupling and linearization, and the steering laws established are based on Nonlinear Dynamic Inversion (NDI) framework where observers are introduced to improve the quality of linearization. In a first implementation an Extended State Observer (ESO) have been involved to estimate flexible dynamics. Then, in a second time, the modeling uncertainties and measurement errors have been handled by the addition of a Nonlinear Disturbance Observer (NDO). Inter-dependencies between observers and control dynamics have motivated a simultaneous computation of their gains to improve system stability and control performances. This point has been achieved by the resolution of Linear Matrix Inequalities (LMI) to guarantee stability with an appropriate Lyapunov function. In order to highlight the interest of the proposed scheme and validate our approach in a realistic environment,extensive tests of an on-orbit space telescope assembly use-case have been performed on a high-fidelity simulator.