Nouvelles configurations de grappes d’actionneurs gyroscopiques pour le contrôle de satellites agiles

Abstract

In this thesis, the attitude control problem for agile satellites with control moment gyro (CMG) clusters is studied. In particular, the problem applies to micro/nanosatellites (10-100kg).First, numerical tools are developed to analyse the compatibility of various cluster configurations with the nanosatellite constraints. After comparison of the configurations, the pyramidal six-CMG cluster is selected. This cluster topology is analysed in depth, with and without actuator failures. Constraints on the development of a steering law adapted to our system are deduced. Among them, the singularity avoidance issue is emphasised. The requirements initially defined in the thesis are therefore expanded. To meet the requirements, an analysis of the literature is carried out. Then, a new steering law structure and a different formulation of the kinematic equations are developed. This structure is based on the extended Kalman filter algorithm. It meets the requirements because it can be calculated in real-time onboard satellites, constraints imposed on the system are handled with flexibility and it is easily adaptable in case of actuator failures. In addition, a procedure to generate the control loop is proposed. It contains the steering law and a robust system controller. The generalisation of this control loop is shown on space and fixed-base manipulator arms.Furthermore, the study of the internal elliptic singularities in CMG clusters leads to a new singularityavoidance strategy. It consists in adding the knowledge of the system topology in the steering law to enhance the precision of the maneuvers. Software simulations on highly representative simulators show the results of the steering law in various actuator failure cases. The CMG cluster and the control loop will be tested in a parabolic flight campaign, and the development of this experiment is detailed in this thesis.Dans cette thèse, le problème du contrôle d’attitude de satellites agiles à l’aide de grappes d’actionneurs gyroscopiques (AGs) est considéré et plus particulièrement son application au contrôle de micro/nanosatellites (10-100 kg). Afin d’analyser les configurations de grappe les plus pertinentes pour les nanosatellites, des outils d’analyse topologique sont développés. Après une comparaison des différentes configurations, le choix se porte sur une grappe pyramidale de six actionneurs gyroscopiques. Des analyses plus approfondies de cette grappe (avec et sans cas de panne d’actionneurs gyroscopiques) permettent de déduire des contraintes que la loi de pilotage doit vérifier pour être adaptée à ce système, en particulier pour le passage de singularités.Le cahier des charges initialement défini pour la thèse est alors étoffé et précisé. Pour y répondre, après analyse de la littérature, une nouvelle structure de loi de pilotage ainsi qu’une formulation différente des équations cinématiques sont développées. Cette structure est basée sur l’algorithme du filtre de Kalman étendu. Elle a pour avantages de répondre aux exigences en termes de calcul temps réel au bord des satellites, de flexibilité sur la gestion des contraintes et de facilité d’adaptation en cas de pannes. En outre, une procédure de génération de boucle de commande, englobant la loi de pilotage et un contrôleur robuste du système, est proposée. La généralisation de cette boucle de commande est illustrée sur des bras manipulateurs à base fixe et spatiaux.En parallèle, l’étude du passage des singularités internes intraversables dans les grappes d’actionneurs gyroscopiques mène à une nouvelle stratégie d’évitement de ces singularités. Elle consiste à insérer une connaissance de la topologie du système pour améliorer la précision dans le pilotage. Des simulations sur des modèles de satellites représentatifs illustrent les résultats de la loi de pilotage dans différents cas de panne. La grappe d’actionneurs et la boucle de commande développées seront testées dans le cadre d’une expérimentation en microgravité, et les objectifs de cette expérience sont détaillés dans ce mémoire