The increasing number of satellites and space debris in the Earth orbit has created an urgent need to develop robotic technologies for on-orbit servicing and space debris removal. The system solution investigated in this thesis involves a servicer (base) with an attached robotic manipulator and this system must dock to, or get a hold of the target satellite in order to conduct the required operations. In that context, the problem of post-capture of a tumbling target with unknown inertial properties and angular momentum, by using a space manipulator, is addressed. In particular, a critical aspect investigated is how to maintain minimum coupling between the manipulator-target and the base in order to keep the base attitude unchanged while estimating the unknown properties of the target -- this without the use of attitude control devices. First, the kinematics and dynamics of a free-floating space manipulator are analyzed where particular attention is given to the coupling motion between the arm and the base. Then, the previously developed concept of reactionless manipulation is introduced by presenting the reaction null-space control method, which is unique to free-floating space manipulators.Next, motivated by the reaction null-space control method, a new Adaptive ReactionLess Control algorithm to produce arm motions with minimum disturbance to the base is proposed. The algorithm aims to generate the reactionless manipulation in the presence of uncertainty as a result of capturing an unknown target. In addition, the online momentum-based estimation method is developed for inertia parameters identification, after the space manipulator grasps an unknown tumbling target. The combined control/identification scheme is intended to segue from the instant of capture till the unknown parameters are identified and/or the available stabilization methods can be applied properly. To verify the validity and feasibility of the proposed concept, MSC.Adams/Simulink co-simulation platform is employed to implement a planar base-manipulator-target model as well as the three-dimensional model of the Engineering Test Satellite VII system. The numerical results show that the space manipulator is able to perform reactionless motion while the inertial parameters of the target are identified, for a range of target sizes relative to the base. To make the proposed control scheme practical, a redundancy resolution technique is formulated within the adaptive reactionless control algorithm to integrate a secondary manipulation task, while executing the reactionless motion in the post-capture scenario. In particular, the gradient projection method is employed and implemented to avoid the physical joint limits of the manipulator. The performance of the algorithm is verified through simulations of the two aforementioned models, thus demonstrating that minimum disturbance on the base and joint limits avoidance can be achieved after capture of an unknown tumbling target. Lastly, a preliminary design for a planar test-bed that can serve for experimental validation of the proposed algorithms is presented. The design utilizes an air-bearing table to create a near frictionless surface which would support a base-3-DOF manipulator and a target satellite mock-up. The design includes the dimensioning and sizing of the main components, and selection of actuation, sensing and control hardware. / Une augmentation alarmante du nombre de satellites et de débris orbitaux autour de la Terre a engendré un besoin grandissant de développer des technologies pour l'entretien des satellites en orbite et afin de disposer des débris existants. Cette thèse porte sur une solution constituée d'un satellite de service muni d'un manipulateur robotisé qui lui permet de s'arrimer au satellite ciblé et en maintenir le contrôle afin de compléter les opérations requises. Plus spécifiquement, cette étude porte sur la phase après la saisie d'un satellite culbutant avec un moment angulaire inconnu et ayant des propriétés inertielles inconnues. Un aspect critique à l'étude est le maintien d'un niveau minimal de liens dynamiques entre le satellite capturé et la base du manipulateur afin de préserver son orientation spatiale tout en estimant les propriétés inconnues de la cible, et ce, sans autres systèmes de contrôle d'attitude. Tout d'abord, la cinématique et la dynamique d'un manipulateur en apesanteur sont analysées avec une attention particulière sur les liens mécaniques entre le manipulateur et le satellite de service à sa base. Ensuite, un concept déjà établi pour la manipulation sans réaction est introduit par une méthode de contrôle du noyau de réaction, unique aux manipulateurs spatiaux. Sur cette fondation, une nouvelle méthode de contrôle adaptative et sans-réaction est proposée qui produit des trajectoires de manipulation qui minimise les perturbations à la base. L'algorithme permet de générer ces trajectoires tout en faisant face à l'incertitude quant aux propriétés inconnues de la cible. De plus, une méthode d'estimation en ligne basée sur le moment cinétique est développée pour identifier les paramètres inertiels à la suite de l'arrimage. Ces deux méthodes, de contrôle et d'estimation, peuvent être utilisées de concert jusqu'à l'identification des paramètres inconnus ou jusqu'à ce qu'une méthode de stabilisation puisse être appliquée. Afin de vérifier la validité et la faisabilité de la méthode proposée, une plate-forme de co-simulation entre MSC.Adams et Simulink est utilisée pour simuler un système planaire en plus d'un système tridimensionnel représentant le "Engineering Test Satellite VII". Les résultats démontrent que le manipulateur peut éxécuter des mouvements sans-réactions tout en identifiant les paramètres inertiels, pour un éventail de dimensions du satellite ciblé.Afin de rendre la méthode proposée plus pratique, une technique de résolution des redondances est formulée au sein de l'algorithme de contrôle adaptatif sans-réaction pour permettre d'accomplir une tâche secondaire en simultané. Par exemple, une projection du gradient est utilisée pour éviter les limites physiques du manipulateur. La performance de cette combinaison est vérifiée par des simulations qui démontrent que les perturbations à la base peuvent être minimisées tout en respectant les limites du manipulateur après la saisie d'un satellite culbutant. Finalement, un concept préliminaire pour une plateforme expérimentale planaire est présentée. Cette plateforme crée une surface presque sans friction à l'aide d'une table à coussind'air qui peut supporter un manipulateur à trois degrés de liberté et un satellite-maquette. Ce concept préliminaire inclut les principales dimensions, la sélection des actionneurs, capteurs, et contrôleurs.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:LACETR/oai:collectionscanada.gc.ca:QMM.117066 |
| Date | January 2013 |
| Creators | Nguyen Huynh, Thai Chau |
| Contributors | Inna Sharf (Supervisor) |
| Publisher | McGill University |
| Source Sets | Library and Archives Canada ETDs Repository / Centre d'archives des thèses électroniques de Bibliothèque et Archives Canada |
| Language | English |
| Detected Language | French |
| Type | Electronic Thesis or Dissertation |
| Format | application/pdf |
| Coverage | Doctor of Philosophy (Department of Mechanical Engineering) |
| Rights | All items in eScholarship@McGill are protected by copyright with all rights reserved unless otherwise indicated. |
| Relation | Electronically-submitted theses. |
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