Metodología de diseño de reguladores de posición y fuerza para robots flexibles de un grado de libertad basada en platitud.

En la década de los 70, surgen los robots flexibles en el campo de la ingeniería, y con ellos una nueva filosofía que da lugar a nuevas aplicaciones, la mayoría de ellas en la industria aeroespacial. Las características que originan el empleo de tales robots son la ligereza y la flexibilidad. Esto se traduce en menor peso y volumen en la estructura, y como consecuencia, en menor consumo de energía. El hecho de que se empleen materiales más ligeros origina una estructura más flexible, la cual puede presentar grandes vibraciones al ser sometida a pequeñas perturbaciones. Es por ello que resulta necesario emplear algoritmos de control específicos, capaces de cancelar las vibraciones. Pero, además, existen otras ventajas fundamentales que hacen que este tipo de robots puedan ser empleados, con mayor versatilidad y seguridad, que los robots rígidos. Tales son el aumento de la ligereza y la disminución de la inercia. Estas características permiten que los manipuladores puedan emplearse en tareas de contacto con cualquier tipo de objeto, especialmente, aquellos frágiles o fácilmente deformables, debido a que la gran flexibilidad de este tipo de robots permite absorber la energía del impacto. En esta tesis, se analiza el comportamiento dinámico de los robots flexibles de un grado de libertad y se estudian posibles soluciones para los problemas más relevantes que presentan estos sistemas en el ámbito científico-técnico. Se desarrollan algoritmos de control para la cancelación activa de las vibraciones de los robots flexibles de un grado de libertad y para controlar la fuerza que ejerce el robot cuando entra en contacto con una superficie. El tipo de controladores utilizados requieren el conocimiento de los parámetros físicos del sistema, por lo que se utilizan estimadores algebraicos para poder realizar una estimación de sus valores reales. Una vez conocidos los valores de los parámetros que rigen el comportamiento físico del sistema, pueden diseñarse los controladores. Son varios los algoritmos diseñados en esta tesis. Entre los controladores de posición destacan: el control de posición proporcional integral generalizado (gpi) #por sus siglas en ingles generalizad proporcional integral-, el control gpi adaptativo ante cambios de masa en el extremo y el control robusto al efecto que producen los modos superiores de vibración no tenidos en cuenta en el modelado dinámico del eslabón flexible, denominado spillover o deslizamiento (una estructura flexible está compuesta por infinitos modos de vibración; sin embargo, al aumentar la frecuencia de los mismos disminuye su amplitud, por lo que se pueden considerar los más significativos y despreciar el resto). Este efecto puede llegar a desestabilizar sistemas que son estables de forma teórica. Entre los controladores de fuerza (par) destacan dos: el control de fuerza en movimiento libre (cuando el robot se mueve libremente sin colisionar con ningún objeto ni someterse a ninguna restricción en su movimiento natural) y el control de fuerza en movimiento restringido (tras colisionar con una superficie). Todos estos controladores son desarrollados, simulados y experimentados, siendo, asimismo, combinados los de posición y de fuerza para dar lugar a un nuevo algoritmo de control combinado de posición-fuerza, capaz de controlar la posición de un robot flexible y aplicar una fuerza concreta tras impactar con una superficie

Aerodynamic Technologies for Earth Observation Missions in Very Low earth Orbit

Flying at VLEO has several advantages such as the increase of the resolution of images recorded by optical instruments, the increase of geospatial position accuracy, the improvement of the signal to noise ratio and the reduction of energy consumption by active payloads. However, the drag produced by the interaction of the atmospheric gas particles with the surfaces of the spacecraft requires an extended knowledge of orbital aerodynamics. The aim of this work is to carry out a study from the principles of orbital aerodynamics to the definition of requirements for a set of satellite platforms covering Earth Observation applications taking advantage of operating in Very Low Earth Orbit (VLEO) and making use of aerodynamic technologies. Four platform concepts were defined: optical coverage platforms, optical Very High Resolution (VHR) for high performance platforms, low cost optical VHR platforms and Synthetic Aperture Radar (SAR) platforms. In addition, the main orbit and attitude control operations to be done with these concepts were analyzed. A relation between the different mission concepts and the performances to be obtained with enhanced aerodynamics was established to identify which of the four platform concepts could perform as a commercial platform to guarantee the use for different applications.The DISCOVERER project has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation program under grant agreement No 737183Postprint (published version

Attitude control for satellites flying in VLEO using aerodynamic surfaces

This paper analyses the use of aerodynamic control surfaces, whether passive or active, in order to carry out very low Earth orbit (VLEO) attitude maneuver operations. Flying a satellite in a very low Earth orbit with an altitude of less than 450 km, namely VLEO, is a technological challenge. It leads to several advantages, such as increasing the resolution of optical payloads or increase signal to noise ratio, among others. The atmospheric density in VLEO is much higher than in typical low earth orbit altitudes, but still free molecular flow. This has serious consequences for the maneuverability of a satellite because significant aerodynamic torques and forces are produced. In order to guarantee the controllability of the spacecraft they have to be analyzed in depth. Moreover, at VLEO the density of atomic oxygen increases, which enables the use of air-breathing propulsion (ABEP). Scientists are researching in this field to use ABEP it as a drag compensation system, and consequently an attitude control based on aerodynamic control could make sense. This combination of technologies may represent an opportunity to open new markets.In this work, several satellite geometric configurations were considered to analyze aerodynamic control:3 axis control with feather configuration and 2 axis controlwith shuttlecock configuration.The analysis was performed by simulating the attitude of the satellite as well as the disturbances affecting the spacecraft. The models implemented to simulate the disturbances were the following: Gravitational gradient torque disturbance, magnetic dipole torque disturbance (magnetic field model IGRF12), and aerodynamic torque disturbances (aerodynamic model DTM2013 and wind model HWM14). The maneuvers analyzedwere the following: detumbling orattitude stabilization, pointing and demisability. Different VLEO parameterswere analyzed for every geometric configuration and spacecraft maneuver. The results determined which of the analyzed geometric configurations suits better for every maneuver. This work is part of the H2020 DISCOVERER project. Project ID 737183This work has received funding from the European Union’s Horizon 2020 research and innovation programme, DISCOVERER project, under grant agreement No ID 737183Postprint (published version