In the past few years, the application of Control Barrier Functions (CBF) and High Order Control Barrier Functions (HOCBF) as a suitable framework to ensure safety for autonomous systems has attracted increasing interest. In particular, autonomous space systems are frequently subject to safety-critical constraints due to the high costs involved in manufacturing and launching. In the present work, the application of a sample data MPC controller subject to CBF and HOCBF constraints is explored as a suitable solution for spacecraft formation flight operations. Specifically, a prototype inspection mission of the International Space Station through a multi-agent formation of CubeSats is explored. Each CubeSat is assumed to be injected in a passive relative orbit around the ISS and controlled such that the state of each agent is maintained within a prescribed safe corridor from its reference relative orbit. Moreover, appropriate conditions on the minimum control authority required to guarantee the constraints satisfaction within the MPC scheme formulation are derived and a numerical procedure to assess the recursive feasibility of the designed controller is presented. Moreover, suitable analytical modifications of the classical CBF and HOCBF constraints definitions are introduced such that the presented sample data MPC control scheme is guaranteed to ensure safety for the state of each agent in between sampling intervals. Lastly, the final control strategy is validated numerically by means of computer simulation. / Under de senaste åren har tillämpningen av Kontrollbarriärfunktioner (CBF) och Högre ordningens kontrollbarriärfunktioner (HOCBF) som ett lämpligt ramverk för att säkerställa säkerhet för autonoma system väckt ett ökande intresse. Autonoma rymdsystem är ett område med särskilt fokus på säkerhetsbegränsningar på grund av de höga tillverknings och uppskjutningskostnaderna. I detta arbete undersöks tillämpningen av en MPC-kontroller med CBF och HOCBF bivillkor för applikation inom formationsflygningsoperationer för rymdfarkoster. Detta görs genom att ett prototypinspektionsuppdrag på Internationella Rymdstationen (ISS) genom en multi-agent formation av CubeSats tas fram. Varje CubeSat är ämnad att injiceras i en passiv relativ omloppsbana runt ISS och styras sådant att varje agents tillstånd bevaras inom en föreskriven säker korridor från dess passiva relativa referensomloppsbana. Lämpliga villkor för den minsta styrbarheten som krävs för att garantera att MPC-schemaformuleringens begränsningar är tillfredsställda härleds, och en numerisk procedur för att bedöma den rekursiva genomförbarheten för den designade kontrollern presenteras. Vidare introduceras lämpliga analytiska modifieringar av de klassiska CBF- och HOCBF-begränsningsdefinitionerna så att det presenterade MPC-kontrollschemat med provdata garanterar säkerheten för varje agents tillstånd mellan dess samplingsintervall. Till sist valideras den slutliga kontrollstrategin numeriskt via datorsimuleringar.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-325878 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Marchesini, Gregorio |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2023:70 |
Page generated in 0.0024 seconds