Modélisation et contrôle d’un robot spatial flexible pour la capture d’un débris en rotation

Modeling and Control of a Flexible Space Robot to Capture a Tumbling Debris

• Auteur / Autrice : Vincent Dubanchet
• Direction : David Saussié, Daniel Alazard, Caroline Bérard
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Robotique
• Date : Soutenance le 14/10/2016
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE en cotutelle avec Polytechnique Montréal (Québec, Canada)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Equipe d'accueil doctoral Commande des systèmes et dynamique du vol (Toulouse, Haute-Garonne)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Institut supérieur de l'aéronautique et de l'espace (Toulouse, Haute-Garonne). Département conception et conduite des véhicules aéronautiques et spatiaux
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Gourdeau, Ouassima Akhrif, Samir Bennani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Débris spatiaux

Robotique

Mots clés libres

Robot spatial

Segments flexibles

Schéma de simulation

Synthèse H1 structurée

Incertitudes paramétriques

U-Analyse

Validation HIL

Space robot

Flexible segments

Simulation scheme

Structured H1 synthesis

Parametric uncertainties

U-Analysis

HIL validation

Résumé

Les débris en orbite sont actuellement une source de préoccupation majeure pour les acteurs du spatial et pour le reste de la population, comme en témoignent les articles de presse et les œuvres cinématographiques sur le sujet. En effet, la présence de ces objets menace directement les astronautes en mission et les satellites en opération. Parmi les nombreuses options déjà envisagées pour les traiter, cette thèse se concentre sur l’approche robotique, en proposant des outils et des méthodes de modélisation et de contrôle pour un satellite chasseur équipé d’un bras manipulateur. Des modèles dynamiques et des schémas de simulation optimisés sont ainsi développés pour tout système multi-corps constitué d’une base mobile supportant un nombre quelconque d’appendices rigides ou flexibles. Par la suite, les trajectoires de capture sont générées en conservant la continuité en accélération avec le mouvement naturel du point cible, dans le but de saisir aussi délicatement que possible le débris en rotation. Le suivi de cette trajectoire par l’effecteur du robot chasseur est alors assuré par une loi de contrôle à deux niveaux, dont le réglage repose sur la synthèse H1 structurée. Une étude de robustesse est également mise en place pour assurer la stabilité et les performances du système en boucle fermée, malgré les changements de configuration du bras. Enfin, la validation des travaux de thèse est réalisée par voie numérique avec un simulateur haute-fidélité, et par voie pratique avec un banc d’essais robotique incluant des composants physiques en temps réel.

On-orbit debris are currently causing deep concern for space agencies, related companies, and also among the population. ¿is is evidenced by the numerous scientific articles and recent movies on the matter. Indeed, these objects pose a serious threat for the astronauts on mission and for operational satellites. Among the various technical concepts already designed to address these threats, this thesis focuses on space robotics. Tools and methods are thus introduced for the modeling and control of a chaser satellite equipped with a manipulator. Dynamic models and optimized simulation schemes are developed to handle any multi-body system made up of amoving base embedding various appendages, either rigid or flexible. ¿en, a trajectory planner is designed to ensure acceleration continuity with the natural motion of the debris in order to perform a soft capture. ¿is reference trajectory is tracked by the end-effector of the chaser using a two-level control law, which is tuned by the structured H1 synthesis. A robustness analysis is also presented to assess the stability and the performances of the closed-loop system with respect to the motion of the robotic arm. Finally, the outcome of the thesis is validated by a twofold approach: by numerical means with a highfidelity simulator, and by practical ones with a robotic test bench including physical components in real time.