Progettazione di tecniche di controllo per il riorientamento e manovre di rendez-vous di uno spacecraft

The aim of the present research project was to propose a framework to model, simulate and control a small spacecraft in the proximity of a space station through manifold calculus. In particular, two maneuvers are modeled and simulated, namely reorientation under directional constraints and rendezvous in the presence of physical obstacles. The mathematical model of the roto-translational motion of a spacecraft as well as the design of control fields are entirely written by coordinate-free Lie-grouptype formulations. A number of numerical experiments complement the theoretical endeavor, illustrate the achieved progress and guide the reader through an evaluation of the most convenient control strategy.

L’obiettivo del progetto è quello di proporre lo sviluppo di tecniche di controllo per veicoli spaziali unmanned (senza equipaggio), attraverso l’applicazione del concetto di manifold e campi potenziali artificiali. Il modello matematico del moto rototraslazionale di un veicolo spaziale e la progettazione dei campi di controllo sono interamente scritti da formulazioni di tipo gruppo di Lie prive di coordinate. I campi potenziali artificiali sono articolati in due componenti principali: le zone attrattive, necessarie per attrarre il veicolo verso un punto di arrivo denominato target, e le zone repulsive, definite in prossimità degli ostacoli che servono per deviare la traiettoria al di fuori di aree proibite. In particolare vengono modellate e simulate due manovre: il riorientamento sotto vincoli direzionali e rendez-vous in presenza di ostacoli. In particolare il riorientamento serve ad evitare che alcune componenti montate a bordo della navicella si mantengano in direzioni obbligatorie e evitino le direzioni proibite; il rendez-vous in presenza di ostacoli consiste nel far avvicinare un veicolo spaziale ad un altro evitando gli ostacoli presenti, fino a giungere in prossimità dell’altro veicolo per effettuare la manovra di docking. Una serie di esperimenti numerici completano lo sforzo teorico, illustrano i progressi raggiunti e guidano il lettore attraverso una valutazione della strategia di controllo più conveniente.