Modélisation, commande robuste et analyse de missions spatiales complexes, flexibles et non stationnaires

modeling, robust control design and analysis of time-varying complex space missions involving large flexible structures

• Auteur / Autrice : Ricardo De Oliveira Valente Moreno Rodrigues
• Direction : Daniel Alazard, Francesco Sanfedino
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Automatique
• Date : Soutenance le 12/12/2024
• Etablissement(s) : Toulouse, ISAE
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Systèmes (Toulouse ; 1999-....)
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Équipe d'accueil doctoral Analyse, Commande Dynamique et Conception des systèmes (Toulouse, Haute-Garonne ; 2021-....)
• 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 : Président / Présidente : Sihem Tebbani
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Daniel Alazard, Francesco Sanfedino, Paolo Massioni, Valentin Preda
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Paolo Gasbarri, Paolo Massioni

Mots clés

Mots clés contrôlés

Satellites artificiels -- Orbites

Commande robuste

Structures flexibles

Mots clés libres

Dynamique des Systèmes Multicorps

Structures Flexibles

Analyse de la Robustesse

Service/Assemblage en Orbite

Satellites en Rotation

Contrôle Robuste

Multibody Dynamics

Flexible Structures

Robustness Analysis

On-Orbit Servicing/Assembly

Spinning Satellites

Robust Control

Résumé

La complexité des missions spatiales a augmenté de façon exponentielle, avec des exigences croissantes en matière de performance, de précision et de robustesse. Cette évolution est due à la fois aux progrès technologiques et à la nécessité de satisfaire de nouveaux défis, tels que les satellites en rotation (spinnés), l'assemblage en orbite et le service en orbite. Ces missions nécessitent l'intégration de systèmes mécaniques complexes, notamment des réservoirs de carburant liquide et ballotant, des systèmes de pointage précis et des structures flexibles qui présentent généralement des modes à basse fréquence, proches en fréquence et peu amortis. À mesure que les engins spatiaux deviennent plus modulaires avec plusieurs composants interconnectés tels que les antennes et les charges utiles, il est essentiel de modéliser et de contrôler avec précision ces systèmes multicorps complexes. Les interactions entre les structures flexibles et les systèmes de contrôle peuvent avoir un impact significatif sur les tâches critiques telles que le contrôle de l'attitude et la précision du pointage. Il est donc essentiel de prendre en compte les dynamiques couplées et les perturbations externes pour garantir le succès de la mission.Afin de résoudre ces problèmes, cette thèse présente une approche unifiée de la modélisation et du contrôle des systèmes multicorps flexibles dans les missions spatiales. Elle utilise des modèles de représentation fractionnaire linéaire (LFR) pour capturer efficacement la dynamique complexe et les incertitudes inhérentes à ces scénarios. La recherche commence par la dérivation d'un modèle LFR pour une poutre extsc{Euler}- extsc{Bernoulli} flexible et en rotation, prenant en compte les forces centrifuges et leur dépendance par rapport à la vitesse angulaire. Ce modèle à six degrés de liberté (DOFs) intègre les dynamiques de flexion, de traction et de torsion et est conçu pour être compatible avec l'approche des ports à deux entrées et deux sorties (TITOP), permettant de modéliser des systèmes multicorps complexes. Ce manuscrit présente également un modèle multicorps pour un scénario de mission de vaisseau spatial en rotation, suivi de la conception d'un système de contrôle.La thèse étend l'application des modèles LFR à une mission de service en orbite, en se concentrant sur le contrôle robuste de la dynamique d'attitude malgré les incertitudes et les paramètres variables du système. Une nouvelle approche de modélisation pour le mécanisme d'amarrage est introduite pour prendre en compte les propriétés dynamiques de rigidité et d'amortissement de la chaîne cinématique en boucle fermée formée par le véhicule chasseur et le véhicule cible. Un système de contrôle par rétroaction assurant une stabilité et des performances robustes pendant toutes les phases de la mission est proposé et validé par une analyse structurée des valeurs singulières.A partir de ces éléments, la thèse développe finalement une méthodologie complète pour la modélisation d'une mission d'assemblage en orbite impliquant un robot à bras multiples construisant une grande structure flexible. Ce travail aborde également la dynamique de couplage entre le robot et la structure évolutive tout en considérant les changements significatifs d'inertie et de flexibilité au cours du processus d'assemblage. Un algorithme d'optimisation de planification de tâches est finalement proposé pour assurer des opérations robotiques stables et efficaces, mettant en évidence l'efficacité de l'approche de modélisation basée sur la représentation LFR.

Space missions have grown exponentially in complexity, with increasing demands for performance, precision and robustness. This evolution is driven by both technological advancements and the need for spacecraft to support diverse mission objectives, such as spinning spacecraft, on-orbit assembly and on-orbit servicing. These missions require the integration of large and complex designs, including dynamic fuel tanks, precise pointing systems and flexible structures that typically exhibit low-frequency, closely spaced and poorly damped modes. As spacecraft become more modular with multiple interconnected components like antennas and payloads, accurately modeling and controlling these complex multibody systems is crucial. The interactions between flexible structures and control systems can significantly impact mission-critical tasks such as attitude control and pointing accuracy, making it essential to address the coupled dynamics and external disturbances to ensure successful mission outcomes.In order to tackle these problems, this thesis presents a unified approach to the modeling and control of flexible multibody systems in space missions. It utilizes linear fractional representation (LFR) models to effectively capture the complex dynamics and uncertainties inherent in these scenarios. The research begins with the derivation of an LFR model for a flexible and spinning extsc{Euler}- extsc{Bernoulli} beam, fully accounting for centrifugal forces and their dependence on the angular velocity. This six degrees of freedom model integrates bending, traction and torsion dynamics and is designed to be compatible with the Two-Input-Two-Output Ports (TITOP) approach, enabling the modeling of complex multibody systems. This manuscript also introduces a multibody model for a spinning spacecraft mission scenario, followed by the design of a control system.The thesis further extends the application of LFR models to an on-orbit servicing mission, focusing on the robust control of attitude dynamics despite uncertainties and varying system parameters. A novel modeling approach for a docking mechanism is introduced, capturing the dynamic stiffness and damping properties of the closed-loop kinematic chain formed by the chaser and target spacecraft. The design of a feedback control system ensuring robust stability and performance across all mission phases is proposed, validated through structured singular value analysis.Building on this foundation, the thesis finally develops a comprehensive methodology for modeling an on-orbit assembly mission involving a multi-arm robot constructing a large flexible structure. This work also addresses the coupling dynamics between the robot and the evolving structure while considering significant changes in inertia and flexibility during the assembly process. A path optimization algorithm is ultimately proposed to ensure stable and efficient robotic operations, highlighting the effectiveness of the LFR-based modeling approach.